Ufalama Prensipleri

Çoğu mineraller atomların üç boyutlu ve düzenli olarak dizilmesiyle tertip edilmiş kristalli malzemelerdir. Atomların konfigürasyonu, onları bir arada tutan fiziksel ve kimyasal bağların boyutu ve cinsi tarafından belirlenmektedir. Minerallerin kristal kafeslerindeki bu atomik bağlar yalnızca kısa mesafelerde etkindirler ve çekme kuvvetleri tarafından genişletilirlerse kırılabilirler. Böyle gerilmeler Şekil 3.1’te görüldüğü gibi ya çekme yada basma yükleriyle oluşturulabilir. (Wills, 1981)

Şekil 3.1. Çekme ve sıkıştırma gerilmeleriyle sonuçlanan bir kristal kafesi

Kayaçlar üniform olarak yüklendikleri zaman dahi içsel gerilmeler tarafsızca dağıtılmazlar çünkü, kayaç farkı boyutlu taneler olarak dağıtılmış birçok mineralden oluşmaktadır. Kuvvetin dağılımı bireysel tanelerin mekanik özelliklerine, daha da önemlisi gerilme konsantrasyonunun yoğunlaştığı bölge gibi davranan matristeki kırık ve çatlakların varlığına bağlıdır. (Şekil 3.2).

Böyle bir bölgede, gerilmedeki artışın gerilme yönüne dik çatlak uzunluğunun karekökü ile orantılı olduğu gösterilmiştir. Bu nedenle; çatlak ucundaki artan gerilim seviyesinin bu noktadaki atomik bağı kırmak için yeterli olduğu belirli bir gerilim seviyesindeki çatlak uzunluğu için kritik bir değer vardır. Bağların bu şekilde kopması çatlak uzunluğunu arıtacak, böylece gerilme konsantrasyonları da artacak ve matris boyunca çatlağın hızla yayılmasına ve kırılmaya neden olacaktır.

Şekil 3.2. Bir çatlak ucundaki gerilme konsantrasyonu.

Ufalama teorileri malzemeyi kırılgan kabul etmelerine rağmen, aslında kristaller kırılmadan enerji depolayabilmekte ve gerilme uzaklaştırıldığından bu enerjiyi serbest bırakabilmektedir. Böyle davranış, elastik olarak bilinmektedir. Kırılma

olduğunda depolanan enerjinin bir kısmı, yeni oluşturulan yüzeylerde atomların potansiyel enerjisi olan serbest yüzey enerjisine dönüştürülebilmektedir. Yüzey enerjisindeki bu artıştan dolayı yeni oluşturulan yüzeyler çoğunlukla kimyasal olarak aktiftirler ve kolayca okside oldukları gibi flotasyon reaktiflerine karşı daha etkindirler.

Griffith (1921), sıkıştırma enerjisinin hafiflemesiyle açığa çıkan enerjinin üretilen yeni yüzeyin enerjisinden daha büyük olduğunda, malzemelerin çatlak yayılması tarafından zayıflatıldığını belirtmektedir (Wills, 1981). Kırılgan malzemeler sıkıştırma enerjisinin esas olarak çatlak yayılmasıyla azaltırken, sert malzemeler kırık yayılması olmadan plastik akış mekanizmasıyla rahatlatmaktadır. Sert malzemelerde plastik akış esnasında atomlar veya moleküller birbiri üzerinde kaymakta ve enerji, malzemenin şeklini bozarak tüketilmektedir. Çatlak ya da kristal sınırları ile karşılaşmaları durumunda engellenebilmektedir. Bu nedenle ince taneli kayaçlar genellikle iri taneli kayaçlardan daha serttir.

Ufalamada gerekli olan enerji, suyun kullanılması veya kimyasal katkı maddelerinin katı üzerine adsorblanması ile daha da azaltılabilir. Bu durum, yüzey aktif maddenin çatlaklara girebilmesini ve kopma olmadan önce çatlak ucundaki bağ kuvvetini azaltabilmesini sağlayan adsorbsiyon üzerinde yüzey enerjisinin azaltılmasına bağlı olabilir.

Gerçek taneler düzensiz şekillerdir ve ufalama esnasında yapılan yükleme üniform değildir. Ancak noktalar, küçük alanlar ve kontak noktaları vasıtasıyla yükleme gerçekleştirilmektedir. Kırılma esas olarak, darbe ve sürtünme ile sağlanmaktadır ve kaya mekaniği ve yükleme türüne bağlı olarak üç tür kırılma modu (basma, çekme ve kesme) görülebilir.

Düzensiz bir tane sıkıştırma ya da darbe ile kırıldığında ürünler iki ayrı boyut aralıklarına ayrılırlar: çekme çatlağı nedeniyle oluşan iri taneler yükleme noktaları yakınındaki veya çıkıntılardaki kesme kuvveti tarafından oluşturulan sıkıştırma çatlağı

nedeniyle meydana gelen ince taneler (Şekil 3.3). Yükleme alanının minimize edilmesiyle üretilen ince tanelerin miktarı azaltılabilir ve bu çoğunlukla sıkıştırmalı kırma makinelerinde kıvrımlı kırma yüzeylerinin kullanılmasıyla yapılmaktadır.

Şekil 3.3. kırılmayla oluşturulan çatlaklar.

Hızlı yüklemeye bağlı olarak darbeli kırmada bir tane sıkıştırma esnasında, yavaş yüklemeye göre daha yüksek baskı görmektedir. Bunun sonucunda tane, basit kırılma için gerekli olandan daha fazla enerji emmektedir ve çoğunlukla çekme çatlağı tarafından çabucak kopma eğilimindedir.

Aşınma (kesme çatlağı) daha ince malzemeler üretmektedir ve genellikle arzu edilmektedir. Aşınma, esas olarak pratikte tane-tane etkileşimine (taneler arası ufalanma) bağlı olarak meydana gelmektedir. Eğer bir kırıcı çok hızlı beslenirse ve

taneler temas ederse tane-tane etkileşimi oluşmakta böylece sıkıştırma kuvvetlerinin derecesi ve bundan dolayı da kesme çatlakları artmaktadır.

Darbeli kırıcılarda ufalama, sıkıştırmadan ziyade serbest düşen tanelere yüksek hızda uygulanan ani darbeler vasıtasıyla yapılmaktadır. Hareketli parçalar, temas ettikleri tanelere kinetik enerjilerinin bir kısmını transfer eden çekiçlerdir. Tanelerde yaratılan iç baskılar çoğunlukla onları parçalamaya yetecek kadar büyüktür. Bu kuvvetler, taneleri bir örs ya da plaka üzerinde çarpmaya maruz bırakarak artırılmaktadır (Bayraktar, 1979).

Sıkıştırma ve darbeyle kırılan malzemelerin durumu arasında önemli farklılık vardır. Daha sonra kırılmaya neden olabilen kuvvet tarafından kırılan malzemede içsel gerilmeler vardır. Darbe, hemen gerilmesiz çatlaklar oluşturmaktadır. Bu gerilimsiz ortam; özellikle zift gibi bağlayıcı maddelerin sonradan yüzeye ilave edildiği tuğla yapımı, yapı ve yol yapımı için kullanılan taşta değerlidir. Bu nedenle darbeli kırıcılar taş ocağı endüstrisinde daha yaygın bir kullanıma sahiptir. Kırma kuvvetleri yavaş olarak uygulandığında (çeneli ve konili kırıcılarda olduğu gibi) plastik olmaya eğilimli cevherlerde sorunsuz kırma verebilirler. Kırma kuvveti darbeli kırıcılar tarafından ani olarak uygulandığında, bu cevher türleri gevrek olma eğilimindedirler (Wills, 1901).

Öğütme ufalamanın en son aşamasıdır; bu aşamada tanelerin boyutu ya kuru ya da yaş olarak darbe ve aşınmanın kombinasyonu tarafından küçültülmektedir. Bu işlem aktarmalı değirmen olarak bilinen silindirik çelik kaplarda yapılmaktadır.

Değirmenin içerisinde serbestçe hareket eden ve böylece cevher tanelerini ufalayan öğütme ortamı olarak bilinen serbest kırma maddeleri içerirler. Öğütme ortamı çelik çubuklar ya da bilyalar, sert kayaç veya bazı durumlarda cevherin kendisi olabilmektedir (Özdağ, 1992).

Cevher; çoğu kez serbestleşmemiş olduğu kadar, serbestleşmiş taneleri de kıran tekrarlamalı rasgele darbelerin sonucu olarak kırıldığından, mekanik etkinlik ve güvenirlik derecesi yüksek olarak geliştirilmelerine rağmen aktarmalı değirmenler,

enerji açısından aşırı tüketicidirler. Günümüzde öğütmeden önce cevheri ön ısıl işleme tabii tutmak gibi değişik fikirler kabul görmesine rağmen, optimum serbestleşmeyi sağlayacak olan mineral taneleri arasında ki ara yüzeylerde bu darbeleri sağlamanın yolu bulunmamaktadır.

Aktarmalı değirmenlerdeki öğütme; boyut, miktar, hareket tarzı ve değirmendeki ortamın bireysel parçaları arasındaki boşluklar tarafından etkilenmektedir oldukça rijit yüzeyler arasında meydana gelen kırmanın tersine öğütme, rastgele bir işlemdir ve olasılık kanunlarına bağlıdır. Bir cevher tanesinin öğütülme derecesi, ortam şekilleri arasındaki bir zona girme olasılığı ve girdikten sonra meydana gelen bazı oluşumların olasılığıdır. Öğütme birkaç mekanizma vasıtasıyla oluşturulabilir: normal olarak hemen hemen tane yüzeyine uygulanan kuvvetlere bağlı olarak darbe veya sıkıştırma; eğik kuvvetlere bağlı olarak yontma; yüzeylere paralel etki eden kuvvetlere bağlı olarak aşınma (Şekil 3.4). Bu mekanizmalar; taneleri sarmakta ve kırılmaya neden olan elastiklik dereceleri tarafından, belirlenen, belirli limitlerin ötesinde şekillerini değiştirmektedir (Özdağ, 1992).

Şekil 3.4. Öğütmede etkili olan kırılma mekanizmaları: (a) darbe ya da sıkıştırma, (b) koparma, (c) aşındırma.