INVESTIGATION of DRY HORIZONTAL STIRRED MILLING APPLICATIONS FOR CEMENT ...

182 Pages·2013·9.68 MB·English

by  Okay Altun

INVESTIGATION of DRY HORIZONTAL STIRRED MILLING
APPLICATIONS FOR CEMENT GRINDING CIRCUITS

KURU YATAY KARIŞTIRMALI DEĞİRMEN
TEKNOLOJİSİNİN
ÇİMENTO ENDÜSTRİSİNDE KULLANIM OLANAKLARININ
ARAŞTIRILMASI

OKAY ALTUN

Prof. Dr. A. HAKAN BENZER
Supervisor

Submitted to Institute of Graduate Studies in Science
of Hacettepe University as a partial fulfillment
to the requirements for the award of the degree of
DOCTOR OF PHILOSOPHY
in
MINING ENGINEERING

2013
This study named “Investigation of Dry Horizontal Stirred Milling Applications
for Cement Grinding Circuits” by OKAY ALTUN has been accepted as a thesis
for the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY in MINING ENGINEERING by the
below mentioned examining committee members.

Head
Prof. Dr. Ali İhsan AROL

Supervisor
Prof. Dr. A. Hakan BENZER

Member
Prof. Dr. Ş. Levent ERGÜN

Member
Prof. Dr. Zafir EKMEKÇİ

Member
Assist. Prof. Dr. İlkay Bengü ÇELİK

This thesis has been approved as a thesis for the degree of DOCTOR OF
PHILOSOPHY in MINING ENGINEERING by the Board of Directors of the
Institute of Graduate Studies in Science of Hacettepe University.

Prof. Dr. Fatma SEVİN DÜZ
Director of the Institute of
Graduate Studies in Science
In loving memory of my beloved father
İsmail Oktay ALTUN (1953-…)
ETHICS

In this thesis study, prepared in accordance with the spelling rules of Institute of
Graduate Studies in Science of Hacettepe University,
I declare that
 all the information and documents have been obtained in the base of the
academic rules
 all audio-visual and written information and results have been presented
according to the rules of scientific standards
 in case of using other works, related studies have been cited in accordance
with the scientific standards
 all cited studies have been fully referenced
 I did not do any distortion in the data set
 And any part of this thesis has not been presented as another thesis study
at this or any other university

26 / 06 / 2013

Okay ALTUN
ABSTRACT

INVESTIGATION of DRY HORIZONTAL STIRRED MILLING
APPLICATIONS FOR CEMENT GRINDING CIRCUITS

OKAY ALTUN
Doctor of Philosophy, Mining Engineering Department
Supervisor: Prof. Dr. A. HAKAN BENZER
June 2013, 170 pages

Within the thesis study, possible applications of dry horizontal stirred mill were
investigated for cement industry where fine grinding is prominent with regards to
improved product quality. The main objectives of this work were to determine
grinding problems, to study the effects of design and operating variables on
grinding performance, to optimize the milling operation, to carry out modelling
studies and then use these models in order to simulate different cement grinding
circuit configurations where stirred mills were employed.
In this context, dry horizontal stirred mill was developed with the partnership of
Netzsch-Feinmahltechnik and commissioned at a cement plant. Different flow
streams of the grinding circuit were sampled and then subjected to grinding
operation under different operating conditions. Within the scope of the
experimental studies, the influences of the parameters affecting the specific
energy consumption of the mill such as stirrer speed, media filling, media size,
feed rate were investigated. In addition to those, the influences of material and
design variables i.e., feed size distribution, mill chamber geometry and stirrer type
were assessed. Throughout the studies, experimental studies were performed with
two chamber designs having 23 L and 42 L volume and three different stirrer
types.
i
As a result of the experimental studies it was understood that, material
transportation was a parameter influencing the grinding performance directly and
in case of adjusting the grinding chemical type and dosage, besides the air flow
from the feed inlet properly, 18% improvement in product quality was achievable.
Stirrer speed affected the product fineness however below 4.34 m/s and above 6.5
m/s the effectiveness of the parameter decreased. Media loading of the mill was
needed to be maximized. The studies indicated that, in case the rest of the
operating parameters were constant, 50% increase in Blaine value could be
observed when media loading was changed from 30% to 60%. In this study, the
advantages of using fine media were reported. With this mill configuration and
material, it was determined that up to 27% energy saving was achievable with the
use of 4 mm media size when compared to 6 and 8 mm. The experimental studies
with different mill chamber geometries and stirrer types showed that 42 L mill had
better grinding performance (compared to 23 L) besides disc type stirrer provided
more energy efficient grinding operation.
Following the performance evaluation studies, the benefits of employing dry
horizontal stirred mill on cement grinding circuits were discussed with the aid of
simulation studies. In this context, simulation scenarios for open and closed circuit
grinding operations were prepared. The studies showed that energy saving up to
35% was achievable when dry horizontal stirred mill was used with open circuited
ball mill and 16% decrease in specific energy consumption could be observed with
the closed circuit configuration. In addition to energy saving, the overall circuit
production could be increased by %100.

Keywords: Dry stirred mill, stirred mill, cement grinding, fine grinding.

ii
ÖZET

KURU YATAY KARIŞTIRMALI DEĞİRMEN TEKNOLOJİSİNİN
ÇİMENTO ENDÜSTRİSİNDE KULLANIM OLANAKLARININ
ARAŞTIRILMASI

OKAY ALTUN
Doktora, Maden Mühendisliği Bölümü
Danışman: Prof. Dr. A. HAKAN BENZER
Haziran 2013, 170 sayfa

Bu tez çalışması kapsamında, kuru yatay karıştırmalı değirmen teknolojisinin ince
öğütmenin önem arz ettiği çimento endüstrisinde kullanım olanakları araştırılmıştır.
Çalışmanın temel amaçları, değirmende oluşabilecek öğütme sorunlarını tespit
etmek, tasarım ve işletme değişkenlerinin öğütme performansına olan etkilerini
incelemek, değirmen için en uygun işletme koşullarını belirlemek, modelleme
çalışmalarını yürütmek ve sonrasında bu modelleri farklı çimento öğütme devresi
alternatiflerinin simülasyonu sırasında kullanmak olarak sıralanabilir.
Bu amaçla Netzsch-Feinmahltechnik firması ile birlikte yatay karıştırmalı değirmen
geliştirilmiş ve çimento öğütme devresinde kurulmuştur. Halihazırda çalışan
çimento öğütme devresinde farklı akış kollarında örnekleme çalışmaları
yürütülmüş ve bu malzemeler farklı işletme koşullarında öğütme işlemine maruz
bırakılmıştır. Deneysel çalışmalar kapsamında, değirmende özgül enerji tüketimini
etkileyen karıştırıcı hızı, bilya doluluğu, bilya boyu, besleme hızı değişkenlerinin
etkileri incelenmiştir. Bunlara ek olarak malzeme ve tasarım değişkenleri olan
malzeme besleme boyu, değirmen haznesi ve karıştırıcı tipi etkileri de denemeler
kapsamında değerlendirilmiştir. Çalışmalar süresince 23 Litre ve 42 Litre hacim
iii
değerine sahip öğütme haznelerinde ve üç farklı karıştırıcı tipinde deneysel
çalışmalar gerçekleştirilmiştir.
Yürütülen çalışmalar neticesinde malzeme taşınmasının, kuru öğütmenin
verimliliğini etkileyen önemli bir değişken olduğu ve kimyasal tipi ve dozajının
ayrıca değirmen besleme bölümünden verilen havanın uygun oranlarda
ayarlanması durumunda ürün kalitesinde %18 değerine varan iyileştirme olduğu
belirlenmiştir. Karıştırıcı hızının değirmenden alınan ürünün inceliğini etkilediği
ancak 4.34 m/s değerinin altında ve 6.5 m/s değerinin üzerinde etkisini yitirdiği
tespit edilmiştir. Değirmende bilya doluluğunun olabilecek en yüksek seviyede
tutulması gerektiği belirlenmiştir. Diğer işletme koşulları sabit kalmak koşuluyla,
bilya doluluğunun %30 değerinden %60’a çıkarılması ile Blaine değerinde %50
oranında artış olduğu tespit edilmiştir. Çalışmalar neticesinde değirmende ince
bilya kullanımının avantajlı olduğu ve mevcut tasarım için kullanılabilecek en ince
bilya boyunun 4 mm olduğu belirlenmiştir. Ayrıca iri bilyaya kıyasla besleme
boyuna bağlı olarak %27’ye varan enerji tasarrufu sağladığı da gözlemlenmiştir.
Değirmen tasarım değişkenleri olan öğütme haznesi ve karıştırıcı tipinin de
öğütme performansını etkilediği, daha büyük hacim değerine sahip haznenin
öğütme performansının daha iyi olduğu (42 Litre) ve disk tipi karıştırıcının da diğer
tasarımlara oranla daha enerji verimli olduğu anlaşılmıştır.
Performans çalışmalarını takiben yürütülen simülasyon çalışmaları ile çimento
öğütme devresinde farklı noktalarda kullanılan kuru yatay karıştırmalı değirmenin
devreye sağladığı katkılar tartışılmıştır. Çalışmalar, açık devre çimento
öğütmelerinde karıştırmalı değirmenlerin son öğütmede kullanılması durumunda
%35, kapalı öğütme devrelerinde ise %16’ya varan enerji tasarrufu sağladığı
belirlenmiştir. Enerji tasarrufuna ek olarak devre üretim kapasitelerinde %100’e
varan artış tespit edilmiştir.

Anahtar kelimeler: Kuru karıştırmalı değirmen, karıştırmalı değirmen, çimento
öğütme, ince öğütme

iv
ACKNOWLEDGEMENTS

I owe a debt of sincere thanks to;
The Head of Hacettepe University Mine Engineering Department who helped me
to benefit from the department’s resources,
Prof. Dr. A. Hakan BENZER, my distinguished thesis supervisor, who put forward
his both financial and moral support during thesis preparation phase and stated his
opinions during the process of adding value to this specific topic, Prof. Dr. Ş.
Levent ERGÜN and Prof. Dr. Zafir EKMEKÇİ, who are the thesis monitoring
committee members,
Udo ENDERLE, the Managing Director of Netzsch Feinmahltechnik, who provided
equipment and technical support, Levent ONAT, the previous Quality Manager of
Set Italcementi, who provided support in laboratory studies, Murat AKAY, the
quality chief of SET Ankara Cement Plant and Kerim DOĞAN, the plant production
manager of SET Ankara Cement Plant, Alper TOPRAK, Konuray DEMİR, Dr.
Namık AYDOĞAN, Dr. Hakan DÜNDAR and A. SARGIN, my valuable colleagues
who helped me in experimental studies and helped this thesis to develop,
Assoc. Prof. Dr. Abdullah OBUT and Assoc. Prof. Dr. Aubrey MAINZA, for their
valuable contributions during thesis writing process,
To F. Çiğdem ALTUN, my precious mother, who never avoided her financial and
moral support during my tiring studying period and made endless contributions to
my current success, Okan ALTUN my one and only brother who had stood by me
with his character-wise stance, Deniz ALTUN, my wife, who have been playing a
supportive role on my decisions with the love, respect and her objective attitude
since she walked into my life, and her precious family,
Emre YILMAZKAYA, Ediz KANBİR and Yelda YAMATMA, my distinguished
friends who always stood by me with their friendship, Dr. Serkan DİKMEN,
Neslihan TOK, department technicians Mustafa YILMAZ and Işın ASLIYÜKSEK,
department secretary Sıddık YILMAZOĞLU and Birgül ATAY,
I would like also to thank Hacettepe University Research Foundation Unit (Project
No: 013 T06 604 006) for their financial support.
v
TABLE of CONTENTS
ETHICS ................................................................................................................... ii
ABSTRACT .............................................................................................................. i
ÖZET ...................................................................................................................... iii
ACKNOWLEDGEMENTS........................................................................................ v
TABLE of CONTENTS ........................................................................................... vi
1. INTRODUCTION ............................................................................................. 1
2. STIRRED MEDIA MILL ................................................................................... 8
2.1. Vertical Stirred Media Mills ........................................................................ 13
2.2. Horizontal Stirred Media Mills .................................................................... 18
2.3. Comparison between Vertical and Horizontal Stirred Mills ........................ 22
2.4. Operating Parameters and Their Influences on Grinding Performance of
Stirred Mill ......................................................................................................... 26
2.4.1. Stirrer Speed ....................................................................................... 26
2.4.2. Media Size and Density ....................................................................... 28
2.4.3. Media Filling ........................................................................................ 30
2.4.4. Feed Rate ........................................................................................... 31
2.4.5. Mill Geometry ...................................................................................... 31
2.4.6. Rheology of the material (Grinding aids) ............................................. 32
2.5. Motion of Suspension and Single Grinding Media ..................................... 33
2.5.1. Motion of Suspension .......................................................................... 33
2.5.2. Motion of Single Grinding Media ......................................................... 35
2.6. Modelling Studies ...................................................................................... 37
2.6.1. DEM Models ........................................................................................ 37
2.6.2. PEPT Technique ................................................................................. 38
vi