Klinker, çimentonun ana maddesidir ve yarı mamul olarak adlandırılır. Klinker, kireç taşı ve kilin beraber öğütülmesiyle elde edilen farin tozunun 1400 -1500°C derece döner fırında pişmesi sonucu oluşan granül yapıda bir malzemedir.
Üretilen klinkerin mineralojik yapısı; klinkerin öğünme enerjisini etkiler. Çimentoda ise dayanım, priz süresi gibi parametreleri değiştirerek çimentonun davranışını belirler. Yazımız klinker mineral yapısının öğünebilirlik etkileri üzerinedir. Klinker hakkında daha fazla bilgi için bu yazımıza göz atabilirsiniz.
Çimento Üretimi ve Enerji Kullanımı
Çimento üretimi, enerji kullanımının yoğun olduğu bir proses olup, bir ton çimentoyu üretmek için gerekli olan enerjinin yaklaşık üçte biri klinker ve katkı maddelerinin öğütülmesinde kullanılır.
Çimento endüstrisi, dünya enerjisinin yaklaşık % 3,5’unu kullanan en büyük endüstrilerden birisidir. Çimento endüstrilerinde, üretim prosesinde harcanan toplam enerjinin % 40’ı öğütmede harcar.
Çimento üretiminde öğütülebilirlik iki faktörden dolayı önemlidir. Birincisi; çimentonun özellikleri kimyasal ve mineralojik bileşiminden başka çimentonun inceliğine ve tane boyutu dağılımına bağlıdır. İkincisi; çimentonun maliyetinde enerji harcamasının 1/3’ü öğütmede sarf edilir. Sert klinkerin öğütülmesinde yumuşak klinkere göre % 80 daha fazla enerji harcanabilir.
Kimyasal Bileşim ve Öğütülebilirlik
Klinkerin öğütülebilirliğinde kimyasal ve mineralojik bileşim önemli rol oynar. Klinkerin kimyasal analizi ile tespit edilen Silikat modülü, Alüminyum oksit ve serbest Kalsiyum oksit artışı ile öğütülebilirliğin azaldığı gözlenir.
Klinker Mikro Yapısı ve Öğütülebilirlik
Öğütülebilirliğe kimyasal ve mineralojik bileşenlerin yanında mikro yapının da etkisi vardır. Mikro yapının oluşumunda ısıtma ve soğutma hızları ve fırın tipi de etkilidir. İnce kristalli yapı, özellikle küçük kalsiyum silikat kristalleri öğütmeyi iyileştirir. İri kristaller yalnız parçalanmayı zorlaştırmaz, aynı zamanda kırılma alanlarının sayısını artırır.
Üretim Prosesinde Klinker Eriyiğinin Oluşumu
Farin tozu pişirilmek üzere fırın sistemine girer, farin tozu eriyik bir faz haline geçer, fırın içi ve soğutma reaksiyonları tamamlandığında ise klinker elde edilir.
İlk eriyik fazı yaklaşık 1260-1310 °C ’de oluşur. Klinker eriğin oranı sıcaklık arttıkça yükselir ve 1450°C ’ de kimyasal bileşime bağlı olarak yaklaşık ağırlıkça %20-30’ a ulaşır.
Portland çimentonun esas içeriği olan alit oluşumunu bu sıcaklıklar sağlar. Sinterleşmenin başladığı anda belit yanında yüksek miktarda serbest Kalsiyum oksit ortaya çıkar. Eriyik faz ile Kalsiyum oksit ve belit katı çözeltiye geçer.
Üretim Prosesinde Klinkerin Soğutulmasının Mikro Yapıya Etkisi
Döner fırında 1400 -1500°C’de reaksiyonlar gerçekleşir. Reaksiyonlar tamamlandıktan sonra klinker sıcaklığından hızla soğutulmalıdır. Bu işlem klinkerin ana fazı olan alitin varlığını korur. Yavaş soğutma sonucu klinker eriyiğinin alitin belirli oranıyla reaksiyona girmesi sonucu belit ve trikalsiyum alüminat fazı oluşur. Ayrıca 1250°C’ nin altında alit kararlı olmayıp belit ve serbest Kalsiyum oksite ayrışma eğilimi vardır. Dolayısıyla klinker bu reaksiyonların olamayacağı kadar hızlı soğutulma gerektirir.
Yüksek soğutma hızının etkileri şunlardır: Klinkerdeki gerilme çatlaklarından dolayı öğütme iyileşir.Alit çözülmesi yoktur ve bu fazın miktarı yüksektir. Klinkerin şok soğutulması ile oluşan ince kristalli alüminat ve ferrit fazlarının çimento katılaşması yavaşlar.
Klinker Fazları
Farin tozunun döner fırında pişmesi sırasında oluşan reaksiyonlar sonucu klinker fazları oluşur. Bu fazlar klinkerin dolayısıyla çimentonun davranışını etkiler. Tipik portland çimentosu klinkerinin ana fazları şunlardır: Alit (Trikalsiyum Silikat-C3S), Belit (Dikalsiyum Silikat-C2S), C3A (Trikalsiyum aluminat), C4AF (Tetrakalsiyum Alümina Ferrit) Klinker fazlarında Alit/Belit oranı ve (Alit+Belit)/(C3A+C4AF) azaldığında öğünme zorlaşmaktadır.
Mikroskopta klinker görüntüsü: Kahverengi köşeli kristaller alit kristalleridir. Mavi renkli dairesel formda olan kristaller ise belit kristalidir. Dairelerin etrafında görülen saçaklanmalar fingertype olarak adlandırılır ve soğutmanın yavaş olması sonucu alit kristallerinin bozunarak belite dönüştüğünün göstergesidir.Ayrıca kristallerin boyutları da değerlendirilir. Kristal boyutu öğütme enerjisinde etkilidir.
Klinker Fazı – Alit (C3S)
Alit klinker kütlesinin % 40-70’i arasında olabilir. Su ile hızlı reaksiyona girer ve çimento dayanımı ile hidratasyon ısısını kontrol eden fazdır. 1250°C’nin altında soğutma hızı çok yavaş değilse, normal sıcaklıklara kadar stabilitesini korur. Çok yavaş soğutma hızlarında ise alitin bir kısmı çözünür ve belit oluşur. Renksiz kristaller halindeki hidrotasyon kabiliyeti yüksek ve klinkerde ilk yüksek mukavemet veren kompenenttir. Çimentonun kalitesi Alit konsantrasyonu ile ölçülür. Klinkerin alit oranı soğutma derecelerine göre; yavaş soğutmada % 59,8 ,hızlı soğutmada % 65,2 , süratli soğutmada % 70 değerine ulaşır.
Klinker Fazı -Belit (C2S)
Belit klinker kütlesinin %15-45’i arasında olabilir. Dairesel kesitli kristal yapısına sahiptir. Kristal boyutu 5-40 μm arasındadır. Belit alite kıyasla daha az reaktif olup ileriki yaşlarda dayanıma katkı yapar. Yavaş sertleşen hidrolik bağlayıcıdır.
Klinker Fazı – Trikalsiyum Alüminat (C3A)
Klinker kütlesinin % 1-15’i arasında olabilir. Kübik veya ortorombik formdadır. Kristal boyutu 1-60 μm arasında değişir. Su ile reaksiyonu çok hızlıdır ve amorf yapılıdır. Hidratasyon ısısı çok yüksektir. Su ile hemen sertleşir.
Klinker Fazı – Tetrakalsiyum Alümina Ferrit (C4AF)
Klinker kütlesinin % 0-18’i arasında olabilir. Kristal yapısı dendritik ve prizmatiktir. Parlak kesitte kılıç formunda ince uzun görüntü verir.
Klinker Fazları ve Kristal Yapı
Klinker silikat kristallerinin tane boyutları eşdeğer çapları hesaplanarak ortaya konulabilir. Eşdeğer çap bir kristal kesitinde kesit alanının ağırlık merkezinden geçen en uzun ve en kısa iki uzunluğun ortalaması alınarak belirlenir. 15-20 μm eşdeğer çaplı alit kristalleri, klinkerin kolay öğütülmesinde ve çimentonun erken mukavemetinde olumlu etki sağlar.
Eşdeğer kristal çapı 25-60 μm olan belit kristalleri, ham karışımdaki kuvars tanelerinin yeterli öğütülmemesinin ya da ısıtma soğutma rejiminin bir sonucu olarak oluşabilir.
Özet olarak, silikat kristallerinin tane boyut dağılımlarının polarizan optik mikroskop ve görüntü işleme programları ile incelenmesi, hammadde seçimi ve ısıtma-soğutma rejiminin optimizasyonu için üreticiye yol gösterir.
Hızlı Soğutulmuş Klinkerde: Hekzagonal kristal yapısında alit kristalleri üzerinde süratli soğutmada termal presleme neticesinde meydana gelmiş çatlaklar mevcuttur. Bu çatlaklar hidrolik aktiviteyi ve öğütme kabiliyetini arttırır. İyi soğutulmuş bir klinkerde kristal uçlar keskindir.
Klinkerin mikroskobik incelemelerinde gözeneklerin (porozite) büyüklüğü ve şekli sinterleşme koşulları hakkında bilgi verir. Yüksek porozite ile büyük, uzun ve birbiriyle birleşen gözenekler klinkerin yeterli sinterleşmediğini gösterebilir. Küçük ve yuvarlak gözenekler ise iyi sinterleşmenin işaretidir.
Alit Fazı Miktarı ve Öğütülebilirlik:
Klinkerdeki alit miktarının artmasıyla iş endeks değeri (kwh/ton) düşer. Bu durum bize, öğütme için gerekli enerji miktarının azaldığını gösterir.
Belit Fazı Miktarı ve Öğütülebilirlik:
Klinkerdeki belit miktarı % 20’nin altında iken öğütülebilirlik için gerekli enerji ihtiyacı belit %’sinin artışıyla azalır. Ancak belit miktarının belli bir oranda bulunması durumunda (%22 civarında) öğütme enerjisi ihtiyacı tekrar yükselir.
Ara Faz (C3A ve C4AF) Miktarı ve Öğütülebilirlik:
Klinkerdeki ara faz miktarı yaklaşık % 6 – 6,5 değerinin üstünde ara faz miktarının artmasıyla öğütülebilirlik için gerekli enerji gereksinimi (kwh/ton) düşmekte olduğu görülür.
Porozite ve Öğütülebilirlik:
Literatürlerdekinin tersine klinkerdeki porozite miktarının artmasıyla öğütülebilirlik için gerekli enerji ihtiyacı da buna paralel olarak artmıştır. Bunun nedeni porozitenin incelik modülü incelendiğinde görülür.
Klinkerin yüksek alit içeriği sonucunda öğütülebilirlik kolaylaşırken yüksek belit içeriği öğütülebilirliği zorlaştırır. Sıvı fazın fazlalığı, klinkerin öğütülebilirliğini kolaylaştırır.
Klinker üretim prosesinde klinker kimyası ve mineralojik fazlar ile çalışmalar yapılarak çimento davranışı değiştirilebilir. Dolayısıyla klinker öğünme enerjisi de faz yapısına bağlı olarak değişiklik gösterir. Faz yapıları istenilen düzeylere getirilerek öğünmede enerji kazanımı sağlanır.
Kullanılan Kaynaklar:
