Çimento ve çimentonun ana bileşen olduğu beton değer zincirinde, beton, günümüzde en yaygın taşıyıcı yapı malzemesi olarak öne çıkıyor çünkü ekonomik ve dünya genelinde geniş bir üretim ve dağıtım ağına sahip bir üründür. Ayrıca, taze betonun plastik kıvamı, farklı boyut ve şekillerdeki yapı elemanlarının kolayca üretilebilmesine olanak tanır. Sertleşmiş betonun yüksek dayanım, dayanıklılığı ve çelik donatılarla çok iyi aderans sağlaması güçlü ve uzun ömürlü yapılar inşa edilmesini mümkün kılar.
Portland çimentosu üretebilmek için, önce, kalkerli ve killi malzemelerden oluşan hammaddeler karışımı yüksek sıcaklıklara (1350 – 1450 °C sıcaklık) kadar pişirilerek “klinker” adı verilen bir ürün elde edilir. Daha sonra, klinkere %3 – %6 oranında alçıtaşı (CaSO₄·2H₂O) katılarak bu iki malzeme birlikte öğütülür. Özetle,
Öğütülme
Klinker + (%3 – %6) Alçıtaşı ————- > Portland Çimentosu
Bu kapsamda çimento üretim süreci oldukça merak edilmektedir. Betonun ana bileşeni çimento üretim süreci hakkında merak ettiğiniz her detay için yazımızı okumaya devam edebilirsiniz.
Çimento Üretim Süreci: Adım Adım Rehber
Portland çimentosu, klinkerin küçük bir miktar alçıtaşı ile karıştırarak öğütülmüş şekildir. O nedenle, klinker üretiminde kullanılan hammaddeler, portland çimentosu üretiminde kullanılan hammaddelerin önemli bir bölümünü oluşturur.
Klinker Üretiminde Kullanılan Hammaddelerin Hazırlanması
Klinker üretiminde kullanılan başlıca hammaddeler kalkerli ve killi malzemelerdir.
Saf kalkerin yapısının tümünde CaCO₃ (kalsiyum karbonat) bulunur. Ancak, çoğu zaman, kalkerli malzemeler saf haliyle bulabilmek mümkün olmaz. Çok büyük miktarı CaCO₃’den oluşan kalkerlerin içerisinde bir miktar MgCO₃ (magnezyum karbonat) ve çok küçük miktarlarda silika, demir oksit, alümin, kükürt ve alkali yer alır.
CaCO₃, 900 °C sıcaklığa pişirildiğinde, kalsiyum oksit (söndürülmemiş kireç) ve karbon dioksit olarak ayrışır. Eğer kalkerin içerisinde bir miktar MgCO₃ var ise, pişirilme esnasında magnezyum oksit ve karbon dioksit olarak ayrışır. Bu olaylar aşağıdaki gibi gösterilir:
CaCO₃ ⟶ CaO + CO₂ (~900°C)
MgCO₃ ⟶ MgO + CO₂ (~600°C)
Killi malzemeler esas olarak silika ve alüminden oluşur. Değişik kil tipleri bulunur ve bunlar oldukça kompleks yapıya sahiptir. Örneğin, en basit kil tipi kaolinittir (Al₂(OH)₄Si₂O₅).
Kil, yaklaşık 500 – 600 °C sıcaklığa kadar pişirildiğinde, SiO₂ (silika) ve Al₂O₃ (alümin) gibi oksitlere ayrışır. Killerde çok küçük miktarlarda demir oksit ve başka yabancı maddeler de bulunabilir.
Çimento üretimi için gereken oksitlerin kompozisyonu kullanılan kalkerli ve killi malzemelerden tam olarak sağlanamadığı durumlarda, bazen, kum ve demir oksit içeren malzemeler de hammadde olarak kullanılır.
Pişirilme işlemine tabi tutulacak hammaddeler karışımında uygun oranlarda CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ gibi oksitlerin yer almış olması gerekir. Bu karışımların hazırlanmasında aşağıda belirtilen birtakım kimyasal oksit oranlarının hesaplanmasından yararlanılır.
Çimento üretimi için uygun olan hammaddeler karışımındaki kireç doygunluğu faktörü 0.85 – 0.90’dır.
Silika modülü genellikle 2.0 – 2.5 arasındadır.
Demir modülü 1 – 3 arasındadır. Beyaz çimento üretiminde kullanılacak hammaddede çok az demir oksit bulunması gerektiğinden, böyle bir karışımdaki demir modülü çok yüksektir.
Pişirilme işlemine tabi tutulacak hammaddelerin karışımı, çok ince boyutlara getirilmiş kalkerli ve killi maddelerin kuru veya su ile birlikte çamur gibi bir durumuna getirilmesi şeklinde hazırlanır.
Hammaddeler karışımının hazırlandığı yönteme göre, bu uygulamalara “kuru sistem” veya “yaş sistem” denilir. Bazan, malzeme karışımının çok az su ile birleştirilerek yürütüldüğü “yarı-kuru sistem” de uygulanır.
Yaş sistemde, hammaddeler karışımının içerisinde yaklaşık %35 kadar su bulunduğu için, bu tür karışımların pişirilmesi daha çok enerji gerektirir, daha pahalı olur. Ancak, yaş sistem, toz kontrolünün daha kolay olması nedeniyle ekolojik yönden tercih gören bir sistemdir.
Yarı-kuru sistemde, malzeme karışımının içerisinde %12 – %14 su bulunur.
Son yıllarda, çimento üretimi için, genellikle kuru sistem kullanılır.
Çimento Üretiminde Kullanılan Teknolojiler
Klinker Üretimi İçin Hammaddelerin Pişirilme İşlemi
Hammaddeler karışımı “döner fırın” olarak adlandırılan fırınlarda pişirilir.
Döner fırın, içi boş bir silindir şeklinde sahip uzun bir fırındır. Fırın, bir ucu diğer ucundan daha yüksekte kalacak tarzda, yaklaşık olarak %3 – %4 eğimle yerleştirilir (Şekil 1). Çelikten yapılmış olan bu fırının iç yüzü ateşe dayanıklı tuğlalarla astarlanır. Döner fırının çapı 2 – 6 m arasında değişir; boy/çap oranı 15 – 30 kadardır.
Hammaddeler karışımının yaş sistemle beslendiği döner fırınlarda boy/çap oranı yaklaşık 30 kadardır.
Hammaddeler karışımının kuru sistemle hazırlanıp, ön ısıtıcı fırınlarda yaklaşık 900°C sıcaklığa kadar ısıtıldıktan sonra beslendiği döner fırınlar daha kısadır; boy/çap oranı yaklaşık 15 civarındadır.
Döner fırınlar, çalışır durumda iken, kendi eksenleri etrafında saatte 60 – 180 devir yapabilir. Klinker üretimi için hammaddelerin pişirilmesi işleminde kullanılan bu fırına, kendi eksenleri etrafında döndüğü için, “döner fırın” denilir.
Şekil 1. Döner Fırın
Fırına girecek hammaddeler karışımı, fırının üst ucundan beslenir. Fırındaki sıcaklık fırının alt ucundan püskürtülen yakıtla sağlanır. Yakıt olarak fuel oil, doğal gaz, toz kömür kullanılabilmekle beraber, son yıllarda, ekolojik nedenlerle alternatif yakıtlar kullanılmaya başlanmıştır.
Fırının alt ucu en sıcak kısmıdır (yaklaşık 1500 °C). Yaş sistem için kullanılan döner fırınların üst ucu yaklaşık 100 °C’tir. Hammaddelerin ön ısıtıcılarda pişirildikten sonra beslendiği döner fırınların üst ucu yaklaşık 900 °C’tir.
Döner fırının üst ucundan beslenen hammaddeler karışımı, dönme işleminin ve fırının eğiminin etkisiyle, yavaş yavaş aşağıya doğru ilerler. Böylece, daha yüksek sıcaklıklarla karşılaşmaktadır.
Hammaddeler karışımı içerisinde bulunan kil, 500 – 600 °C sıcaklıkta ayrışarak SiO₂ ve Al₂O₃ gibi oksitlere dönüşür. Kalker, 900 °C sıcaklık civarında CaO ve karbon dioksit haline dönüşür. Karbon dioksit, diğer gazlarla birlikte bacadan dışarıya çıkar.
Sıcaklık etkisiyle hammaddeler karışımından açığa çıkan CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ gibi oksitler, sıcaklık arttıkça (yaklaşık 1200 °C’ta) kendi aralarında kimyasal reaksiyonlara başlar. 1250 – 1300 °C sıcaklıkta, hammaddeler karışımının %20 – %30’u sıvılaşma gösterir ve klinker denilen irili ufaklı katı taneler haline dönüşür. Oksitlerin 1200 – 1400 °C civarındaki kimyasal reaksiyonları sonucunda ortaya birbirinden farklı özelliklerdeki ana bileşenler çıkar. Klinkerin yapısı, artık bu ana bileşenlerden oluşur. Daha fazla bilgi için Klinker Nedir? Klinker Fazları ve Öğütme Parametreleri Arasındaki İlişki yazımızı incelemenizi öneririz.
Döner fırındaki ateşleme bölgesini geçerek daha alt bölgeye ulaşan malzeme birazcık soğur ve fırının en alt ucundan klinker olarak (ve hala oldukça yüksek bir sıcaklıkta) dışarı çıkar. Klinker, gri-siyah renkte, oldukça sert, ve boyutları susam tanesi ile fındık veya ceviz taneleri arasında (1 – 25 mm çapında) değişen parçacıklardan oluşur.
Çimento Üretiminde Dikkat Edilmesi Gerekenler
Çimento üretiminde dikkat edilmesi gereken en önemli unsurların başında, hammaddelerin doğru oranda karıştırılması gelir; çünkü bu, çimentonun kalitesini ve performansını doğrudan etkiler. Hammaddelerin türü ve saflığı çimento kalitesini etkilediğinden, kaliteli kaynaklardan elde edilen malzemeler kullanılmalıdır.
Hammaddelerin pişirilmesi sürecinde, döner fırınların sıcaklık kontrolü titizlikle yapılmalıdır; aşırı yüksek veya düşük sıcaklıklar klinker kalitesini bozabilir.
Üretim sırasında enerji tüketimi büyük bir maliyet kalemidir, bu yüzden enerji verimliliği sağlamak için genellikle kuru sistem tercih edilir. Ek olarak, toz kontrolü ve atık gaz yönetimi çevresel etkileri en aza indirmek için çok önemlidir; bu nedenle modern tesislerde ekolojik sistemlerin kullanımı teşvik edilmektedir. Son olarak, alternatif yakıt kullanımı, çevresel sürdürülebilirliği artırmak adına dikkate alınmalıdır.
Kaynaklar:
Turhan Y. Erdoğan, Beton, ODTÜ Geliştirme Vakfı Yayıncılık ve İletişim, 2007
