Manyetik Astarlar

Manyetik astarların çalışma prensibi, astarın manyetik malzemeden yapılmış olmasıdır. Manyetik kuvvet sayesinde, çelik nesneler (özellikle öğütme ortamı – çelik bilyeler) ve/veya manyetik mineraller (manyetit gibi) astar yüzeyine çekilir ve astarın kendisinin bir parçası haline gelen sağlam bir koruyucu tabaka oluşturur (Şekil 5‑24 ve 5‑25'te gösterildiği gibi).

Kauçuk kaplı bir değirmenin metal gövdesi için kalıcı mıknatıs blokları

Şekil 5-24 İlk manyetik astarlar

Şekil 5-25 Tipik manyetik astar şeması

Şekil 5-26 (atıfta bulunulmuş ancak gösterilmemiştir)

1975 yılında Andersson, tamburlu değirmenlerde manyetik astarların kullanılmasını ilk kez önerdi. Astarlar kendileri manyetik olduğundan, cıvatalı sabitleme sistemlerine gerek kalmaksızın manyetik kuvvetle doğrudan değirmen gövdesine tutturulabilirler (Şekil 5-26’da gösterildiği gibi); bu da kurulum ve değiştirme işlemlerini kolaylaştırır. Daha sonra, 1982 yılında Weinert, daha geniş bir yelpazedeki yüksek aşınmaya maruz kalan ekipmanlar için bir uygulama önerdi. Aynı yıl, Anon, öğütme enerjisinin cevhere tamamen manyetik astarlar aracılığıyla aktarıldığı tamburlu değirmenlerde manyetik değirmen astarlarını inceledi ve test etti. Bu tür değirmenlerde, optimal astar şekli pürüzsüz olmalıdır; ancak değirmen yükünün astar üzerinde kaymasını önlemek için ferromanyetik malzemeyi yüzeyde tutacak yeterli çekim gücüne sahip olmalıdır. 1980’lerin ortalarından itibaren Çin, manyetik astarların araştırılmasına, geliştirilmesine ve yaygınlaştırılmasına büyük önem vermeye başlamıştır. Manyetik astarın temel bileşeni, astar yüzeyinde yeterince güçlü bir manyetik alan oluşturmak ve manyetikliğin kaybolmasına direnmek için yeterli manyetik enerji ürününe ve koersif kuvvete sahip olması gereken kalıcı mıknatıstır.

İlk manyetik astarlar, seramik mıknatıs bloklarının kauçuk çerçevelere gömülmesiyle üretilmişti. Üretim uygulamaları, bunların ikincil öğütme işlemlerinde oldukça başarılı olduğunu kanıtladı. Bu tür astarların tipik bir örneği, Trelleborg tarafından geliştirilen “cevher yatağı” manyetik astarıydı (Şekil 5-24’te gösterildiği gibi). Bu astar, değirmen gövdesine tutturulmuş, kauçuk kutular içine yerleştirilmiş mıknatıs bloklarından oluşuyordu ve aynı zamanda ferromanyetik malzemeyi çekerek koruyucu bir tabaka oluşturuyordu. 1980 yılında, bu tür manyetik astarlar İsveç’teki LKAB Kiruna konsantratöründe bir yeniden öğütme çakıl değirmenine monte edildi. Bir başka set ise Blue Circle’ın demir kumu oksit cevheri için Trellex’in Westbury tesisine kuruldu. Bu örneklerde, değirmeni korumak amacıyla kauçuğa vulkanize edilmiş seramik mıknatıslar kullanılmıştı; ancak kauçuğun çekme mukavemeti ve yırtılma direnci, altındaki mıknatıslara binen değirmen yükünün etkisine direnmek veya bu etkiyi emmek için yeterince yüksek değildi ve mıknatısların kendileri de oldukça kırılgandı. Sonuç olarak, bu tür astarlar, öğütme bilye çapının 40 mm’den (1,5 inç) az ve değirmen çapının 3 m’den (10 ft) az olduğu uygulamalarla sınırlı kalmıştır. Büyük değirmenler için öğütme ortamının çapı 25 mm’den (1 inç) küçük olmak zorundaydı. Ayrıca, kauçuk manyetik astarlar sadece gövdede kullanılabilmekteydi, uç astarlarında kullanılamıyordu.

Astarların içindeki mıknatısları daha iyi korumak amacıyla Miles, mıknatısların etrafına metal plakalar yerleştirilen manyetik bir astar tasarımı için patent aldı; böylece değirmen içindeki düşen çelik bilyelerin mıknatıslara doğrudan çarpmasını önledi.

Bunun üzerine, değirmen çalışması sırasında kalıcı mıknatısların öğütme malzemeleri ve hammadde nedeniyle hasar görmesini önlemek amacıyla, Çin Metalurji ve Madencilik Grubu Şirketi, mıknatısları çevreleyen metal bir koruyucu kutu (veya metal çerçeve) içeren manyetik bir astar geliştirdi; bu astara metal manyetik astar. Bazen titreşim sönümlemesi ve korozyon koruması sağlamak amacıyla metal çerçevenin yüzeyine kauçuk gibi elastik bir tabaka da uygulanırdı. Astarlar blok şeklinde üretilirdi ve değirmen gövdesine iki şekilde monte edilebilirdi: birincisi, manyetik kuvvetle doğrudan çelik gövdeye tutturulması; ikincisi ise sıkıştırma çubukları ve cıvatalarla sabitlenmesiydi. Değirmen çalışması sırasında, manyetik kuvvet nedeniyle astar yüzeyi metalik parçacıkları (özellikle kırık çelik bilyeler vb.) ve manyetik malzemeleri çeker ve 30–40 mm kalınlığında bir koruyucu tabaka oluşturur. Bu koruyucu tabaka kendiliğinden yenilenir ve astarın aşınmasını ve korozyonunu önler. Koruyucu tabakanın kalınlığı, astar yüzeyindeki manyetik alan şiddetine bağlıdır. 1989 yılında, Anshan Madencilik Araştırma Enstitüsü, 2,7 m çap × 3,6 m uzunluğunda (9,0 ft × 12,0 ft) bir yeniden öğütme bilyalı değirmende bu tür metal manyetik astarları başarıyla test etmiştir. Bunun ardından, 1992 yılında Çin’deki Jinfa Sanayi ve Ticaret Şirketi bir metal astar geliştirdi ve bunu Çin’in kuzeyindeki bir demir madenine kurdu. Bu manyetik astarın 9 yıllık hizmet süresinin ardından önemli bir hasar göstermediği bildirildi. Şu anda, Çin’deki zenginleştirme tesislerinde yüzlerce set metal manyetik astar kullanılmaktadır; bunlardan en büyüğü, 5,5 m çap × 8,8 m uzunluğunda (18,0 ft × 29,0 ft) olup, 35 mm × 45 mm × 40 mm boyutlarında konik öğütme araçları kullanmaktadır. 2006 yılında Jinfa, Minnesota eyaletinin Silver Bay kentinde bulunan Cleveland-Cliffs şirketine ait Northshore Mining demir cevheri zenginleştirme tesisine bir set metal manyetik astar kurdu.

Metal kabuğun yüzeyi yüksek manyetik akı yoğunluğuna sahip olmalıdır. Koruyucu kabuk için kullanılan yüksek alaşımlı manyetik çelik, en az HBW 250 sertlik, en az 700 MPa basınç dayanımı, en az 400 MPa akma dayanımı, en az 45% alan küçülmesi ve 50 J/cm²'den fazla darbe tokluğuna sahip olmalıdır. Kabuk astar tabanı düz bir yüzeyken, uç astar tabanı büyük, düz, yarım küre şeklinde dışbükey bir gövdedir. Metal kabuk ve uç astarlarının geometrisi, şekli ve yapısı da metal manyetik astarın teknik performansı üzerinde önemli etkilere sahiptir. Kalıcı mıknatıs, metal manyetik astarın en önemli parçasıdır. Metal manyetik astar, koruyucu tabakayı kendine çekmenin yanı sıra, kendi manyetik gücüyle kabuk ve uç kapaklarına da sıkıca yapışmalıdır. Yapıştırıcı tabaka, mıknatıs bloklarını metal kabın içine sıkıca bağlayan özel bir elastik bağlayıcıdan yapılmıştır. Yapıştırıcı tabaka iyi bir esnekliğe sahiptir; malzeme ve ortamın mıknatıslar üzerindeki yavaş darbeleri yumuşatır ve darbe enerjisini emer.

Metal manyetik astarın en önemli özelliği, manyetik alan özellikleridir. Manyetik devre tasarımında açık manyetik sistem kullanılmaktadır; astarlar, gövde ve uç kapakları üzerinde çevresel yönde sırayla dizilmiş olup, N-S kutupları birbirini takip etmektedir.

Tablo 5-10 Eski tip kauçuk manyetik astarlarla metal manyetik astarların temel özelliklerini karşılaştırmaktadır. Daha sert manyetik koruyucu kabuk sayesinde, metal manyetik astarın daha büyük bilyalı değirmenlerde ve daha iri öğütme malzemeleriyle kullanılabildiği görülmektedir. Bu örnekte, metal manyetik astarlı değirmendeki çelik bilyelerin ağırlığı, kauçuk manyetik astarlı değirmendekinin 2,4 katıdır.

Şekil 5-26: Cıvatasız manyetik astar örneği

Tablo 5-10: Kauçuk manyetik astarlar ile metal manyetik astarlar arasındaki karşılaştırma

Manyetik astarların aşağıdaki avantajları vardır:

(1) Öğütme hacminin artması. Metal manyetik astarların avantajlarından biri, geleneksel metal astarlara kıyasla daha ince ve daha hafif olmalarıdır. Bu nedenle, manyetik astar kullanan değirmenler daha büyük bir etkin öğütme hacmine sahiptir ve aynı zamanda daha hafiftir. Örneğin, daha önce bahsedilen 2,7 m çap × 3,6 m uzunluğundaki (9,0 ft × 12,0 ft) bilyalı değirmende, koruyucu tabaka dahil olmak üzere manyetik astarın toplam kalınlığı sadece 95 mm (3,75 inç) idi; bu, geleneksel metal astarların kalınlığından önemli ölçüde daha azdır. Bu durum, daha büyük bir öğütme çalışma hacmi, daha yüksek verim ve iyileştirilmiş öğütme verimliliği ile sonuçlanır. Rapor edilen başka bir örnekte, metal manyetik astarların kullanıldığı 3,2 m çap × 4,5 m uzunluğundaki (10,5 ft × 14,7 ft) bilyalı değirmen, işletme güç tüketiminde 7%’lik bir azalma, işleme kapasitesinde %5,61'lik bir artış ve kullanılabilirlikte 'lik bir iyileşme kaydedilmiştir. Northshore madeninde de metal manyetik astarlarla benzer sonuçlar elde edilmiştir.

Mıknatıs blokları, bilyalı değirmen gövdesi ve cevher yastığı, gövdenin çevresel yönü boyunca küçük bir kapalı manyetik devre oluşturur. Genellikle bir menholü bulunan büyük değirmenlerde, manyetik astarların takılması, menhol kapağının her açılışını zahmetli ve zaman alıcı hale getirebilir. Çözüm, birden fazla yedek menhol kapısı kullanmak veya menhol kapısının çevresindeki alana manyetik astar takmamaktır. Manyetik olmayan menhol kapısı ile manyetik astarlar arasındaki manyetik devre için, kapı çerçevesinin her iki yanındaki mıknatıs blokları, kapı çerçevesi ve gövde ile kapalı bir manyetik devre oluşturur; böylece menhol kapısı manyetize olmaz ve takılması ve çıkarılması kolaylaşır.

(2) Uzun hizmet ömrü. Manyetik astarlar monte edildiğinde, cıvata gerektirmeden manyetik kuvvet sayesinde metal değirmen gövdesine doğrudan yapışır. Değirmen çalışırken, manyetik astar kırılmış çelik bilyeleri ve manyetik cevheri yüzeyine çeker; böylece, yuvarlanan öğütme ortamının ve nispeten ince malzemenin astarla doğrudan temas etmesini önleyen belirli bir kalınlıkta koruyucu bir tabaka oluşturur. Koruyucu tabaka manyetik astar yüzeyine sıkıca yapıştığı için, çamur ortamı ile manyetik astar arasındaki doğrudan teması önler; bu da çamur ve diğer öğütme ortamlarından kaynaklanan mekanik aşınmayı ve elektrokimyasal korozyonu büyük ölçüde azaltır ve astarın hizmet ömrünü önemli ölçüde uzatır. Bu nedenle, manyetik astarlara genellikle “asla aşınmayan astarlar” denir. Ancak, bilyalı değirmen sürekli çalıştığı için hâlâ bir miktar kayma sürtünmesi ve hafif elektrokimyasal korozyon meydana gelir; bu nedenle manyetik astarlar da az miktarda aşınmaya maruz kalır. Manyetik astar aşınarak mıknatıs kutbu yüzeyine yaklaştıkça, yüzeydeki manyetik alan gücü artar; bu da manyetik çekme kuvvetini artırır, koruyucu tabakayı kalınlaştırır ve korumayı güçlendirir. Bu nedenle, manyetik astarların başlangıçtaki aşınması nispeten hızlıdır, ancak metal koruyucu kabuk aşındıkça aşınma oranı buna bağlı olarak azalır. Manyetik astarların hizmet ömrü 10 yıla veya daha uzun süreye ulaşabilirken, geleneksel metal astarların ömrü genellikle bir yıldan azdır. Dolayısıyla, manyetik astarların hizmet ömrü genellikle yüksek manganezli çelik astarlarınkinden birkaç kat ila on kat daha uzun, kauçuk astarlarınkinden ise yaklaşık 5 kat veya daha fazladır. Manyetik astarların fiyatı sıradan astarların yaklaşık iki katı olsa da, daha düşük yan maliyetleri göz önüne alındığında, yatırımın geri ödeme süresi nispeten kısadır ve genellikle sadece birkaç aydır.

(3) Daha düşük öğütme malzemesi tüketimi. Manyetik astarların çeşitli endüstriyel uygulamalarında, metal manyetik astarların kullanılması, öğütme malzemesi tüketiminde yaklaşık 10% oranında bir azalmaya yol açmıştır.

(4) Bakımı kolaydır. Metal manyetik astarlar, bakım kolaylığı açısından geleneksel metal astarlara kıyasla önemli avantajlar sunar. Tek bir manyetik astar bloğu, geleneksel alaşımlı çelik astara göre daha hafif ve daha incedir. Manyetik astarın kütlesi, yüksek manganezli çeliğin kütlesinin yalnızca yaklaşık 40%'si kadardır ve kalınlığı da yaklaşık 60%'dir. Manyetik astarların montajı da geleneksel alaşımlı çelik astarlara göre daha kolaydır; cıvata gerektirmeden manyetik kuvvetle gövdeye tutturulurlar, bu da işçilerin iş yükünü azaltır. Bu nedenle, metal manyetik astarların bakımı kolaydır, değiştirilmesi hızlıdır ve sökülüp takılması güvenlidir. Geleneksel alaşımlı çelik astarlarla karşılaştırıldığında, metal manyetik astarların kullanıldığı durumlarda ton başına cevher öğütme maliyeti önemli ölçüde azalır.

(5) Kararlı astar performansı. Metal manyetik astarların manyetik kuvveti sayesinde, astara tutunan çelik bilyeler ve manyetik cevher, astarın birkaç yıl veya daha uzun hizmet ömrü boyunca neredeyse hiç değişmeyen, nispeten kararlı bir geometrik profil oluşturur. Bu nedenle, metal manyetik astarlar istikrarlı bir öğütme performansı sağlar. Bu durum, öğütme işlemi sırasında aşınma ile geometrisi sürekli değişen ve dolayısıyla astar performansının aşınmaya bağlı olarak değişmesine neden olan geleneksel alaşımlı astarlardan oldukça farklıdır. Sonuç olarak, alaşımlı çelik astarların aşınmasını telafi etmek için operasyonel ayarlamalar yapılmalıdır. Uygulamada, bir alaşımlı çelik astarın ömrü boyunca performansı en üst düzeye çıkarmak için yeni astarların açısı genellikle çok dik ayarlanır; ancak ömürlerinin sonunda kaldırma çubukları çok alçalır ve bu da kaldırma kapasitesini ve öğütme verimliliğini düşürür. Aynı zamanda, manyetik çekimle bir araya gelen malzemenin oluşturduğu geometrik şekil, malzemeyi etkili bir şekilde kaldırabilir ve verimli kademeli öğütmeyi destekleyebilir.

(6) Yüksek öğütme enerji verimliliği. Metal manyetik astarların öğütme verimliliğini artırdığı sık sık bildirilmektedir. Bunun olası nedenleri şunlardır: 1) Manyetik çekim sonucu oluşan koruyucu tabakanın geometrisi, değirmen yükünü (öğütme malzemeleri ve cevher dahil) etkiler; manyetik astarlar, değirmen yükünün geleneksel metal astarlara kıyasla daha sıkı bir yapıya sahip olmasına neden olma eğilimindedir. 2) Ayrıca, cevher parçacıklarını ve öğütme ortamını birbirine yaklaştıran bir kalıntı manyetik etki de söz konusu olabilir. Bu iki faktörün her ikisi de, cevher parçacıklarının öğütme ortamı (çelik bilyeler) arasında daha etkili bir aşındırma tipi parçalanmasına yol açar ve böylece parçacıklar arası parçalanma, baskın kırılma mekanizması haline gelir. 3) Çelik bilyeler ile manyetik minerallerin birbirini çekmesiyle oluşan dalga benzeri profil, öğütme verimliliğinin artmasına katkıda bulunur.

Manyetik astarlar, çeşitli güçlü, orta derecede ve zayıf manyetik minerallerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Manyetik mineraller arasında şunlar yer alır: manyetit ve maghemit gibi güçlü manyetik mineraller; ilmenit ve martit gibi orta derecede manyetik mineraller; ve çoğu demir-mangan cevheri ile hematit gibi zayıf manyetik mineraller. Bu astarlar, bakır, altın, kurşun ve çinko gibi manyetik olmayan mineraller için de kullanılabilir. Özellikle, manyetik astarların kullanımının ilk döneminde, koruyucu tabakanın oluşmasına yardımcı olmak amacıyla kırık çelik bilyeler ve hurda demir gibi belirli miktarda ferromanyetik malzemenin periyodik olarak eklenmesi gerekir.

Dezavantajları: Manyetik astarlar uygulamada iyi ekonomik faydalar sağlasa da bazı dezavantajları da bulunmaktadır. Besleme ucundaki manyetik alan şiddeti daha zayıftır; bu da nispeten daha ince bir koruyucu tabaka oluşmasına neden olur. Ayrıca öğütme bilyelerinin doğrudan çarpması manyetikliğin kaybolmasına yol açabileceğinden, besleme ucundaki astarın ömrü gövde astarlarının ömrü kadar uzun değildir. Değiştirme amacıyla kullanım ömrünün ortasında tesisin durdurulması gerekir; bu da üretime rahatsızlık verir ve ekipman verimliliğini etkiler. Montaj için gövde duvarının ve uç kapaklarının yüzey düzgünlüğünün nispeten yüksek olması gerekir; pürüzlü yüzeylere izin verilmez. Boşaltma ve besleme uç kapaklarındaki manyetik astarların manyetik yönelimi, maruz kaldıkları merkezkaç kuvvetinin yönüne dik olmalıdır. Manyetik astarlar (metal manyetik astarlar dahil), darbe direncinin zayıf olması nedeniyle hâlâ küçük veya orta boy değirmenlerle sınırlıdır. Ayrıca, manyetik astarlar genellikle bilye çapının 80 mm’yi aştığı bilyalı değirmenlerde kullanılamaz; çünkü daha büyük bilyeler daha yüksek darbe kuvvetleri oluşturur ve manyetik astarların zayıf darbe direnci, nispeten hızlı bir manyetiklik kaybına yol açabilir.