ÇİMENTO ENDÜSTRİSİ

Çimento: Su ile karıştırıldıklarında yavaş yavaş sertleşen mineral karışımlarıdır.

Portland Çimentosu: Hidrolik kalsiyum silikatlardan oluşan, toz edilmiş klinkerden elde edilen ürün. Kalsinasyondan sonra su ve ham CaSO4 den başka hiç bir katkı içermeyen çimento. Ancak üretici isteğine göre %1in altında diğer maddelerden katılabilir. Çimento Üretiminde Kullanılan Hammaddeler (2,3):

Çimento üretiminde kullanılan ana hammaddeler jeolojide sedimenter kayaçlar olarak bilinen kireçtaşı, kil ve marndır

Klinker üretiminin ana komponentleri olan CaO için kalker (kireçtaşı);

SiO2, Al2O3, ve Fe2O3 için de kil mineralleri temel kaynaklardır.

Marn gibi bu dört oksiti bünyesinde bulunduran diğer malzemeler de çimento hammaddesi olarak kulanılmaktadır.

Çimento üretiminde kullanılacak hammaddelerin uygunluk dereceleri onların kimyasal bileşimleri ile orantılıdır. Kireçtaşı bileşeni için kireç standardı bir kriter olarak kullanılmaktadır.

Bu değer SiO2, Al2O3, Fe2O3 gibi bileşenler hakkında bilgi verir ve aynı zamanda CaO içeriği konusunda da aydınlatıcıdır. Kil minerali olarak kullanılacak kayaçlarda silikat ve alumina oranı dikkate alınarak değerlendirilmektedir.

Çimento Sanayinde kullanılan CaCO3 oranına göre yapılan sınıflandırma:

Ana hammaddeler:

KireçtaşıKimyasal bileşiminde en az %90 CaCO3 (kalsiyum karbonat) bulunan kayaçlara kalker yada kireçtaşı adı verilmektedir.

KilKil mineralojik bileşiminde %90’a kadar kil mineralleri bulunan kayaçlardır.

Kil minerallerinin temel özelliği kimyasal bileşimlerinde aluminyum oksit (Al2O3) bulunması ve sulu aluminyum silikatlardan meydana gelmiş olmasıdır. Demir, alkaliler ve alkali topraklarda değişik miktarlarda yer almaktadır.

MarnKalker ve kilin doğada, %50-70 oranında kalker ve %30-50 oranında kil karışımından oluşmuş kayaca marn denilmektedir.

Çimento klinkeri ortalama %70 kalker ve %30 kil içeren hammadde karışımının öğütüldükten sonra yüksek sıcaklıklarda pişirilmesi ile elde edilmektedir.

Marn doğal olarak bu bileşimi taşıdığından veya bu bileşime çok yakın özellikte bulunduğundan ideal çimento hammaddesidir. Ayrıca kalkere göre daha yumuşak olması nedeniyle kolay öğütülebilmekte, kırma-öğütme işlemleri sırasıında enerji tüketimi düşük olmaktadır.

Çimento yapımında genellikle % 70 kalker ve % 30 kil içeren “Marnlı Kalker” kullanılması klinkerin kimyasal bileşimine en yakın doğal kayaç olduğu için tercih edilmektedir.

Çimento endüstrisinde Kullanılan Katkı Maddeleri (2,3):

Puzzolonik Maddeler

Puzzolonik maddeler, kendi başlarına hidrolik bağlayıcı özelliğine sahip olmadıkları halde ince olarak öğütüldüklerinde nemli ortamda ve normal sıcaklıkta kalsiyum hidroksitle tepkimeye girerek bağlayıcı özellikte bileşikler oluşturan doğal veya yapay maddelerdir. Puzolonik maddelerin özelliği; yüksek miktarda SiO2 ve Al2O3 içermeleridir. Bu nedenle Ca(OH)2 ile tepkimeleri kolaydır ve bu özellikleri nedeniyle bağlayıcı özellik gösterirler. Çoğu doğal puzolonik maddeler volkanik kökenli olup, en çok bilineni tüflerdir.

Uçucu Küller

Uçucu küller ya da pulverize yakıt külleri, özellikle elektrik üretim tesislerinin pulverize kömür ile işleyen fırınlarının toz tutma ünitelerinden sağlanan materyallerdir. Küresel biçimde olup, SiO2, Al2O3 ve Fe2O3 içerirler. Diğer puzolonik maddeler gibi, Ca(OH)2 ile tepkimelerinde hidrolik bağlayıcı nitelik

kazanırlar. Diğer taraftan yanmış karbon kalıntılarını da içermesi olasıdır. Bu da çimento ve beton mukavemetlerine olumsuz yönde etki yapar. Uçucu küllerin spesifik yüzeyi ne kadar büyükse reaktivitesi de o kadar yüksektir.

Alçıtaşı (Jips)

Alçıtaşı, kimyasal bileşimi kalsiyum sülfat olan bir mineraldir. Bileşiminde iki molekül kristalizasyon suyu bulunan türüne jips (CaSO4.2H2O) denir. Susuz kalsiyum sülfat ise anhidrit (CaSO4) olarak adlandırılır.

Çimento sanayi alanında genellikle jips kullanılmaktadır. Gerek jips gerekse anhidrit hiçbir zaman saf halde bulunmazlar. Bu iki mineralden herbiri yarı dengeli olup biri diğerine dönüşebilmektedir. Ayrıca alçıtaşı yataklarına oluşum sırasında veya sonradan yabancı

maddeler karışmış olabilir. Bunun sonucu olarak alçıtaşı ancak %85-95 saflıkta bulunmaktadır.

Çimento sanayiinde genellikle maden ocağından çıktığı kalitesi ile hiçbir işleme tabi tutulmaksızın kullanılmaktadır. J

jips yada jibs-anhidrid karışımını içeren hammaddeler son öğütme prosesinde %3-5 oranında klinker ve/veya diğer katkı maddeleriyle birlikte öğütülerek değişik tür çimentolar üretilmektedir.

Alçıtaşı gibi sülfat içerikli maddelerin katılması çimentonun donma süresinin ayarlanmasında etkili rol oynamaktadır.

Demir CevheriSanayinin en önemli hammaddelerinden birini oluşturan demir, saf halde gümüş parlaklığında olup kolayca oksitlendiğinden doğada serbest halde ender olarak bulunur. Demir cevherleri oksitler, sülfürler, sülfatlar ve karbonatlar olmak üzere dört grupta toplanırlar.

Kimyasal Dönüşümler:

Sıcaklık (oC) Reaksiyon Isı değişimi100 Serbest suyun buharlaşması Endotermik>500 Birleşik suyun uzaklaşması Endotermik>900 Amorf yapılı kil dehidrasyon

ürünlerinin kristalizasyonuEkzotermik

>900 Kalsiyum karbonattan CO2 çıkışı Ekzotermik900-1200 Kil ve kireç arasındaki reaksiyon Ekzotermik1250-1280 Sıvı faz oluşumunun başlangıcı Endotermik>1280 Sıvılaşmanın devamı ve çimento

oluşumunun tamamlanmasıDenge, Endotermik

Hammadde Üretim Yöntemi ve Teknoloji

Ana hatları ile üretim aşamaları:

1) hammadde üretim ve hazırlama prosesi2) pişirme prosesi3) çimento öğütme ve paketleme prosesi

Entegre bir çimento fabrikasında bulunması gereken üniteler (3):

1-Hammadde Ocakları

2-Kırıcı Ünitesi

3-Ön homojene ve hammadde Stoklama Ünitesi

4-Hammadde Değirmen Ünitesi

5- Stok ve Homojene Siloları

6- Döner fırın ve Klinker Soğutucu Ünitesi

7-Kömür Öğütme Ünitesi

8-Çimento Öğütme Ünitesi

9-Katkı Kırma Ünitesi

10-Çimento Siloları ve Paketleme Ünitesi

Çimento Üretim Teknolojileri (2,3):

Çimento üretiminde öncelikle kalker ve kilin belli oranlarda karıştırılması ile oluşan

karışımın yüksek sıcaklıklarda sinterleşmesi sonucu klinker denen yarı mamul madde üretilir.

İkinci aşamada ise, alçıtaşı, curuf, puzolan gibi katkılar klinkere ilave edilerek öğütülür ve mamul madde olan çimento üretilir.

Çimento üretim prosesleri klinkerin elde ediliş biçimine göre farklılık gösterir. Klinker üretiminde başlıca 3 ana teknoloji mevcuttur.

a)Yaş proses, b)Yarı yaş proses c)Kuru proses’dir.

Yaş Proses: Bu proses yüksek oranda nem içeren hammaddeler ile çimento yapımında

kullanılır. Yaş proseste hammadde su ile %45-50 oranında karıştırılarak çamur

değirmenlerinde öğütülür ve bulamaç halinde stoklanır. Öğütülmüş ve homojene edilmiş bulamaç halindeki hammadde çamur

pompalarıyla döner fırına beslenir.Döner fırında hammadde aşağıda belirtilen fiziksel ve kimyasal değişimlere uğrar;

1) 100 C° civarında hammadde karışım suyunu kaybeder.2) 850 C° civarında hammadde içindeki karbonatlar dekarbonasyona uğrar.

Dekarbonasyon sonucu hammadde kuru ağırlığının yaklaşık %35 ‘ini kaybeder.

CaCO3 CaO+CO2

3) 1350-1500 C° civarında dekarbonasyon sonucu oluşan CaO, MgO, SiO2, Al2O3 ve Fe2O3 ana oksitler kendi aralarında reaksiyona girerek çimentonun yarı mamül maddesi olan klinkeri oluştururlar. Oksitler arasındaki reaksiyonlar topluluğu kısaca sinterleşme veya klinkerleşme deyimi ile ifade edilir.

Yaş sistemde, klinker pişirme kalorisi 1350-1550 K.Cal/kg klinker civarındadır.

Yaş proses sistemi hammaddenin çok nemli olması durumunda ekonomik olmaktadır. Aksi takdirde ,klinker pişirme kalorisinin yüksek olması nedeniyle diğer sistemlere göre ekonomik değildir.

Yarı Yaş Proses: Bu proseste, oranlanmış olan hammadde karışımı, hammadde

değirmenlerinde (Farin değirmenlerinde) 90 micron elekte %10-17 bakiye bırakacak şekilde öğütme ve kurutma işlemine tabi tutulur.

Öğütülmüş hammadde(farin) stok ve homojene silolarında stoklanır. Farin, granoletörde %10-15 arasında su ile karıştırılarak granül hale

getirilir. Granül edilmiş farin, döner fırın girişindeki lepol ızgara sisteminde 650-

750 C° kadar ısıtılır. 650-750C° kadar ısıtılmış ve kısmen dekorbanize olmuş farin döner fırına alınır.

Kısmen dekorbanize olmuş halde fırına verilen farinin fırın içindeki geçirdiği evreler yaş sistemdeki prosesin aynısıdır.

Bu proseste klinker pişirmede kalori sarfiyatı 1100-1200 Kcal/kg klinkerdir.

Ön ısıtmalı kuru proseslere göre klinker pişirme kalorisi yüksektir. Bu nedenle bu sistem kuru prosese göre ekonomik değildir. Ancak yaş

sisteme göre ekonomiktir.

Kuru Proses:

Kuru prosesde hammadde yarı yaş proseste olduğu gibi öğütülerek farin haline getirilir.

Farin çok kademeli siklonlardan oluşan bir ön ısıtıcıda ısıtılır. Burada hammaddenin dekorbanizasyonu % 80-90 oranında tamamlanır. Malzeme daha sonra diğer sistemlere oranla kısa boylu bir döner fırında klinkerleştirilir ve soğutucuya gönderilir.

Kuru prosesin kullanımı, diğer proseslere göre daha düşük olup 750-950 kcal/kg klinker dolayındadır.

Klinker pişirme kalorisinin düşük olması nedeniyle kuru proses mevcut üretim prosesleri içinde en ekonomik prosestir.

ÇİMENTO ÜRETİMİ AKIM ŞEMASI

1) Çimento üretiminde kullanılan hammaddeler; hammadde ocaklarından genellikle sert oldukları için patlayıcı maddeler yardımıyla çıkarılır ve yükleyici iş makineleri ile nakil araçlarına yüklenerek kırılmak üzere konkasörlere (Taş Kırıcı) taşınır.

2) Hammaddeler, konkasörlerde kırıldıktan sonra stokholde stoklanır.

3) Gezer vinçler yardımıyla stokholden alınan hammaddeler belli oranlarda karıştırılarak farin değirmenlerine alınarak öğütülürler.

4) Farin adını alan karışım pişirilmek üzere hazır olarak farin stoklarında stoklanır.

5) Ön ısıtıcılardan geçirilerek döner fırına sevk edilen farin yaklaşık 1400-1450 derece sıcaklıkta pişirilir.

6) Döner fırından klinker olarak çıkan yarımamül ürün soğutucuda soğutularak klinker stokholünde stoklanır. Alçıtaşı ve üretilecek çimento cinsine uygun katkılarla çimento değirmenlerinde öğütülür.

7) Çimento cinslerine göre ayrı ayrı silolarda stoklanan çimento, torbalı ve dökme çimento olarak satışa sunulur.

Kireç (1,5,6)

Kireç taşı, mermer, tebeşir, dolamit veya istridye kabuklarında bulunan kalsiyum ve mağnezyum karbonatlarından elde edilen kalsiyum oksittir.

Tibbi amaçlarla, insektisit olarak, havyan yemi ve bitkilerin yetistirilmesinde, gaz absorpsiyon, çökeltme, dehidratasyon ve kostiklestirme islemleri gibi pek çok alanda kullanılan kireç, harç olarak çok fazla miktarda kullanilmaktadir.

Kireç, %90'dan daha az CaO içermemelidir. %0-5 MgO ve az miktarda da CaC03, Si02, Al203, Fe203 ve biraz da diger safsızlıkları içerir.

Kireç taşının üretiminde meydana gelen reaksiyonlar:

Kalsinasyon

CaCO3 CaO + CO2 + H2OKireç taşı ısı Kireç

Hidratasyon

CaO + H2O Ca(OH)2 + ısı

Çeşitleri:

Söndürülmemiş Kalker Kireci (CaO): Söndürülmemiş kalker kireci parçalar haline getirilmiş tabii kireçtaşının özel fırınlarda 900 – 1000°C sıcaklıkta kızdırılması suretiyle elde edilen ve su ile muamele edilmesi sonucu ısı çıkararak söndürülmüş kalker kireci (kalsiyum hidroksit, Ca(OH)2 haline gelebilen bağlayıcı bir malzemedir).

Söndürülmemiş Dolomit Kireci (CaO + MgO): Söndürülmemiş dolomit kireci parçalar haline getirilmiş dolomitik kireç taşının, özel fırınlarda 900 – 1000°C

sıcaklıkta kızdırılması suretiyleelde edilen ve su ile muamelesi sonucu ısı çıkararak söndürülmüş dolomit kireci (Kalsiyum hidroksit + Magnezyum hidroksit, Ca(OH)2 + Mg(OH)2 haline gelebilenbağlayıcı bir malzemedir).

Söndürülmüş Kalker Kireci Hamuru: Kalker kireci hamuru, söndürülmemiş parça kalker kirecinin söndürülerek hamur kıvamına getirilmiş halidir.

Söndürülmüş Dolomit Kireci Hamuru: Dolomit kireci hamuru, söndürülmemiş parça dolomit kirecinin , söndürülerek hamur kıvamına getirilmesidir.

Üretimi

Açık maden sahasında veya bazen da toprak altı maden isletmelerinde, kireç taşı dinamitlenerek yerinden koparılır (Op.)

Kireç taşı çeneli veya döner kırıcıda (konkasörde) kırılıp, boyutu küçültülür (Op.).

Çeşitli büyüklüklerin ayrılması için elenir (Op.). Büyük parçaların düşey fırının tepesinden fırına doldurulur (Op.). Küçük parçaların döner fırına taşınır (Op.). Tarımsal ve diğer istekleri karşılamak için, toz kireç taşı üretmek amacıyla,

ufak parçaların öğütücülere taşınır (Op.), Kireç taşının, büyüklüğüne göre, parça halinde kireç vermek üzere düşey

fırında veya toz kireç sağlamak için döner fırında yakılır (900-1000oC) (Pr.). Hazırlanmış kireç ürün isteğine göre ya varillere konur veya hidratöre

gönderilir (Op.). Kirecin hidrasyonu (Pr.). Sönmüş kirecin, 23 kgr'lik kağıt paketler içinde paketlenir.

YARARLANILAN KAYNAKLAR:

1. Kireç taşı ve kireç üretimi, Kimyasal teknolojiler projesi, Proje Yöneticisi: Pişkin, S., Yıldız Teknik Üniversitesi, Kimya Metalurji Fak., Kimya Müh. Böl., 2005, İstanbul.2. Toros Çimento San. Ve Tic. A.Ş., Entegre Çimento Fabrikası Proje Tanıtım Dosyası, Karaman, 2006.3. DPT Madencilik Özel İhtisas Komisyonu Raporu Endüstriyel Hammaddeler Alt KomisyonuToprak Sanayii Hammaddeleri, IV, (Çimento Hammaddeleri) Çalışma Grubu Raporu, 2001, Ankara.4. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technolgy, 4th Ed.5. Kimyasal Teknolojiler, Prof.Dr. Aral Olcay, Gazi Kitapevi, 1998, Ankara.6. Kimyasal Proses Endüstrileri 1, Shreve Brink (Cev. Çataltaş, I), İnkilap-Aka Basımevi, 1983, İstanbul.