Doğal taş fabrikalarında kullanılan S/T ve katrak makinelerinin performans analizi
Performance analysis of S/T and gang saw block cutting machines used in natural stone factories
Yazar: YUNUS EMRE SATI
Danışman: PROF. DR. DENİZ TUMAÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Açık maden ocakları = Open pit mines

Özet:
Türkiye'nin bol doğal taş yatakları, onu küresel pazarda önemli bir oyuncu haline getirmiştir. Bu kaynaklara olan talep arttıkça, üretim yöntemlerinin ileri mekanizasyon yoluyla optimize edilmesi giderek daha önemli hale gelmektedir.
Granit, mermer, kireçtaşı, traverten, arduvaz, kuvarsit, kumtaşı, adoquin ve oniks gibi çeşitli doğal taşlar, binlerce yıldır yapı ve dekorasyon malzemesi olarak kullanılmaktadır. Her taşın benzersiz fiziksel ve estetik özellikleri vardır. Doğal taşlar, dayanıklılıkları ve güzellikleri ile tanınır ve her biri benzersiz bir estetik değere sahiptir. Dünya genelindeki doğal taş rezervlerinin tahmini 15 milyar m³ olup, Türkiye, özellikle Alp kuşağında, dünya mermer rezervlerinin önemli bir bölümüne ev sahipliği yapmaktadır. Bu bölgedeki tahmini mermer rezervi yaklaşık 5.1 milyar m³ olup, küresel toplamın yaklaşık %33'ünü oluşturmaktadır.
Tez, doğal taş işleme tesislerinde yaygın olarak kullanılan iki ana tip blok testere olan S/T (dairesel testere) makineleri ve katrak blok kesme makinelerinin performansını analiz eder. Çeşitli malzeme ve işletim parametrelerini kapsamlı bir şekilde değerlendirir ve kesme performansının birçok faktörden etkilendiğini ortaya koyar. Doğal taş kesimi için kullanılan makinelerin verimliliği ve performansı, taşın türü, testere bıçağı çapı, dönme hızı, besleme oranı, soğutucu miktarı ve kalitesi, makine gücü, operatör yeterliliği ve deneyimi gibi birçok faktöre bağlıdır.
Araştırma, katrak blok kesme makinelerinin, S/T makinelerine göre saatte üç kat daha yüksek alan tabla üretim oranlarına ulaştığını vurgulamaktadır. Bu bulgu, katrak makinelerinin belirli taş türleri ve kesme gereksinimleri için özellikle uygun olduğunu göstermektedir. Ancak, katrak makinelerinin, sadece belirli boyutlardaki kırılmamış, çatlaksız bloklarda çalışabilme ve özel sipariş levha boyutları gerektirme gibi sınırlamaları sebebiyle, S/T makineleri, doğal taş kesim fabrikalarında önemli bir rol oynamaya devam edeceklerdir.
Araştırmada, laboratuvar testleri ve farklı doğal taş türleri üzerinde yapılan saha çalışmalarından elde edilen veriler, S/T makineleri ve katrak makinelerinin saatteki alan tabla üretim oranları (APUO, m²/saat) ile karşılaştırıldı. Makinelerin kesme performansı ile taşların arasında yoğunluk (ρ), tek eksenli basınç dayanımı (UCS), dolaylı çekme dayanımı (BTS), Cerchar aşındırıcılık indeksi (CAI), Schmidt çekiç sertliği (SHH) ve Shore scleroscope sertliği (SSH) olan fiziksel ve mekanik özellikleri arasındaki ilişki incelendi.
Gelişmiş istatistiksel teknikler kullanılarak Python ve Excel programları destekli veri analizi yapıldı. S/T makineleri için UCS ve katrak makineleri için SHH en güçlü ilişkilere sahip fiziksel özellikler olarak tespit edildi. Her makine türü için çoklu regresyon analizleri kullanılarak iki ayrı model geliştirildi. Belirlenim katsayıları (R²) %76 ile %80 arasında değişti. Bu modellerin güvenilirliği, iki yönlü 't' testleri ve sağ yönlü 'F' testleri ile sıkı bir şekilde test edildi. Çoklu regresyon analizleri, katrak makineleri için daha yüksek belirlenim katsayılarına sahip modeller üretirken, basit regresyon analizleri S/T makineleri için daha güçlü ilişkiler gösterdi.
Kesme hızlarının ölçülen ve tahmin edilen performansları, taşların özel fiziksel ve mekanik özelliklerine dayanarak S/T ve katrak blok kesme makineleri için tahmin edildi. Bu analizlerin sonuçları, 1:1 ekseninde çizilerek görsel olarak temsil edildi. Bu ilişkiler, sağlam istatistiksel çalışmalarla kurulmuş ve doğrulanmıştır. Ancak, çalışmada kullanılan veri setinin sınırlı olduğu kabul edilmektedir. Çeşitli kaynaklardan doğal taş örneklerinden geniş bir özellik yelpazesi dahil edilmesi, elde edilen modellerin güvenilirliğini artırmaktadır. Gelecekteki çalışmalar, daha büyük veri setleri ile daha güvenilir ve anlamlı ilişkilerin geliştirilmesine katkıda bulunacak ve önerilen modellerin tahmin gücünü güçlendirecektir.
Ayrıca, kesme performansı üzerindeki makine türü, testere kalınlığı, diş sayısı, motor gücü ve hız gibi diğer makine parametrelerinin etkilerini dikkatlice göz önünde bulundurmak önemlidir. Bu parametrelerin kesme performansı üzerindeki etkisini anlamak, makine verimliliğini ve üretim kalitesini iyileştirmek için önemli bir adımdır. Bu çalışma, doğal taş kesme sürecinin anlaşılmasına değerli bir katkı sağlar. Kesme stratejilerinin geliştirilmesi, makine seçimi ve işletme planlaması için içgörüler sunar.
Araştırma bulguları, doğal taş endüstrisi için önemli sonuçlar taşımaktadır. Gerçek zamanlı veri analizleri ve tahmine dayalı bakım stratejileri, kesme makinelerinin operasyonel çerçevesine entegre edilebilir, işletme verimliliğini artırabilir, kesinti sürelerini azaltabilir ve önemli maliyet tasarrufları sağlayabilir. Ayrıca, gelecekteki araştırmaların, kesme teknolojilerinin çevresel etkilerini ele alması ve doğal taş endüstrisinde sürdürülebilir uygulamaları teşvik etmesi gerekmektedir. Bu, sadece Türkiye'nin küresel lider olarak konumunu sağlamlaştırmakla kalmayacak, aynı zamanda çevreye sorumlu üretim uygulamalarına da katkıda bulunacaktır.

Abstract:
This master's thesis aims to contribute significantly to the knowledge base in natural stone production, with a particular focus on Turkey's geological landscape. Turkey's abundant natural stone deposits have established it as a major player in the global market. As the demand for these resources continues to grow, the optimization of production methods through advanced mechanization becomes increasingly crucial.
Natural stones are products obtained from the earth and have been used as building and decoration materials for thousands of years. This group of materials includes granite, marble, limestone, travertine, slate, quartzite, sandstone, adoquin and onyx. Each stone has unique physical and aesthetic characteristics. Natural stones are renowned for their durability and beauty, with unique properties that make them stand out. Although extracted from the same source, these stones may differ in terms of their components, colours, and textures, giving each one a unique aesthetic value. This makes them ideal for dramatic and distinctive applications in the world of design. The estimated global reserves of natural stone are 15 billion m3. Turkey is home to a significant portion of the world's marble reserves, particularly in the Alpine belt. Turkey is home to a significant portion of the world's marble reserves, particularly in the Alpine belt. It is estimated that this region alone holds around 5.1 billion m3 of potential marble reserves, which accounts for approximately 33% of the global total.
The thesis analyses the cutting performance of two primary types of block saws commonly used in natural stone processing plants: the S/T (circular saw) and gang saw block saws. It comprehensively evaluates various material and operating parameters and reveals that cutting performance is influenced by numerous factors. The efficiency and performance of machines used for cutting natural stone depend on several factors, including the type of stone, saw blade diameter, rotational speed, feed rate, coolant quantity and quality, machine power, and operator competence and experience. To maintain optimal performance, it is important to continuously monitor and periodically check these factors.
The research highlights the superior performance of gang saw block-cutting machines, which achieve three times higher areal slab production rates compared to S/T machines. This finding suggests that gang saw machines are particularly suited for specific stone types and cutting requirements. However, it is important to note that gang saw machines have limitations, as they can only work on certain sizes of unbroken, crack-free blocks and require special order plate sizes. S/T machines still play a significant role in natural stone cutting factories and are expected to maintain their presence in the industry in the near future.
The research compared data obtained from laboratory tests and field studies on different types of natural stones with the areal slab production rates per hour (APUO, m2/hour) of S/T machines and gang saw machines. The analysis examined the relationship between the cutting performance of machines and the physical and mechanical properties of stones, including density (ρ), uniaxial compressive strength (UCS), indirect tensile strength (BTS), Cerchar abrasiveness index (CAI), Schmidt hammer hardness (SHH), and Shore scleroscope hardness (SSH). The language used is clear, objective, and value-neutral, with a formal register and precise word choice. The sentence structure is simple and logical, with causal connections between statements. The text adheres to conventional structure and formatting features, including consistent citation and footnote style. No changes in content were made, and the text is free from grammatical errors, spelling mistakes, and punctuation errors. The investigation analyzed several natural stone types, namely Silver Travertine, Tundra Grey, Denizli Travertine, Yellow Travertine, Patara Beige, Korkuteli Beige, Muğla Sugar, Muğla White, Muğla Silver, and Afyon White.
Advanced statistical techniques were used during the data analysis process, employing Python and Excel programs supported by libraries such as pandas, numpy, statsmodels, and matplotlib. Regression analyses were conducted on binary combinations of each physical and mechanical property. The results showed that UCS for S/T machines and SHH for gang saw machines had the strongest relationships. Two distinct models were developed for each machine type using multiple regression analyses. The coefficients of determination (R²) ranged between 76% and 80%. The reliability of these models was rigorously tested through two-way 't' tests and right-way 'F' tests. Measures were taken to avoid multicollinearity by keeping the variance inflation factor (VIF) below 10. Simple regression analyses showed stronger relationships for S/T machines, while multiple regression analyses produced models with higher coefficients of determination for gang saw machines.
The measured and predicted performances of cutting speeds for natural stones with S/T and gang saw block cutting machines can be predicted based on specific physical and mechanical properties of the stones. The results of these analyses were visually represented by plotting them on a 1:1 axis. These relationships were established and verified through robust statistical studies. However, it is acknowledged that the dataset used in the study is limited. However, including a wide range of properties from natural stone samples of diverse origins enhances the reliability of the obtained models. Future studies with larger datasets will undoubtedly contribute to the development of more reliable and meaningful relationships, strengthening the predictive power of the proposed models.
In addition, it is crucial to thoroughly consider the effects of other machine parameters, such as machine type, saw thickness, number of gears, engine power, and speed, on cutting performance. Understanding the impact of these parameters on cutting performance is a crucial step in improving machine efficiency and production quality. This study is a valuable contribution to the understanding of the natural stone cutting process. It provides insights for the development of cutting strategies, machine selection, and operational planning.
The research findings have significant implications for the natural stone industry. Real-time data analytics and predictive maintenance strategies can be integrated into the operational framework of cutting machines, leading to improved operational efficiency, reduced downtime, and significant cost savings.  Additionally, future research should focus on addressing the environmental impact of cutting technologies and promoting sustainable practices in the natural stone industry. This will not only solidify Turkey's position as a global leader but also contribute to environmentally responsible production practices.