Doğal taş fabrikalarında kullanılan dairesel testereli blok kesme (S/T) makineleri için performans tahmin modelinin geliştirilmesi
Development of performance prediction model for block-cutting (S/T) machines with circular saws used in natural stone factories
Yazar: KAMİL CENGİZ ÇEVİM
Danışman: DOÇ. DR. DENİZ TUMAÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Gelişen teknolojiler ve çabuk yayılıp çeşitlenen yenilikçi tasarım anlayışlarıyla birlikte, son yıllarda doğal taşlara olan talep dünya genelinde hızla artmaya başlamıştır. Bu talebi karşılayacak dünya doğal taş toplam rezervinin yaklaşık %33'ü ise Türkiye'dedir. Türkiye maden sektörünün 2015 yılı ihracat verileri incelendiğinde, toplam yıllık ihracatın dolar bazında yaklaşık %50'sinin doğal taşlar üzerinden gerçekleştirildiği görülmektedir. Ülke ekonomisi açısından böylesine önem teşkil eden bir sektörün sürekli geliştirilip, artan piyasa talebini her zaman kaliteli ürünle karşılayabilir durumda tutulması gerekmektedir. Bu doğrultuda, doğal taşların ocaklardan bloklar halinde üretilip, fabrikalarda işlenerek son ürün şekline getirilinceye kadarki süreçte kullanılan tüm ekipmanların incelenip, geliştirilmesi önem arz etmektedir.
Doğal taş bloklarından farklı boyutlarda plaka elde etme işleminde kullanılan dairesel testereli blok kesme (S/T) makineleri, işleme fabrikalarının olmazsa olmazı olarak değerlendirilmektedir. S/T makineleri, yüksek üretim performansı ve yalnızca bir operatörle çalışabilen sistemiyle, doğal taş fabrikalarında kullanılan diğer makinelerle kıyaslandığında, oldukça ekonomik makinelerdir. S/T makinelerinde, yüzeyleri pürüzsüz ve genellikle ebatlamaya gerek duyulmayan plakalar üretilir. Bu tez çalışması kapsamında, S/T makinelerinin performans tahmini üzerinde çalışılmıştır. Konu üzerine günümüze kadar bir çok bilimsel çalışma yapılmış ve farklı modeller geliştirilmiştir. Doğal taşların Türkiye'deki çeşitliliği göz önüne alındığında, benzer çalışmaların farklı türdeki doğal taşlar üzerinde tekrarlanarak literatüre sunulacak önerilerin geliştirilmesi şarttır. Bu amaçla bu tez çalışmasında, Burdur bej, Söğüt bej, Korkuteli bej, Denizli pembe mermeri, Kavaklıdere beyaz mermeri, Uşak beyaz mermeri, Bucak beyaz traverteni, Kaklık traverteni ve Denizli sarı traverteni üzerinde bilgiler toplanarak geniş yelpazeli bir veritabanı oluşturulmasına özen gösterilmiştir. S/T makinelerinin bu doğal taş blokları üzerinde, fabrikalarda alansal plaka üretim oranları ölçülmüş ve alınan numuneler üzerinde, laboratuvar ortamında yoğunluk, tek eksenli basınç dayanımı, Brazilian çekme dayanımı, Cerchar aşındırıcılık indeksi, Schmidt çekici sertliği ve Shore scleroscope sertliği testleri yapılmıştır. Numunelerin laboratuvarda ölçülen yoğunluk değerleri 2,14 – 2,73 g/cm3 arasında, tek eksenli basınç dayanımı değerleri 11,0 – 120,3 MPa arasında, Brazilian çekme dayanımı değerleri 4,0 – 9,4 MPa arasında, Cerchar aşındırıcılık indeksi değerleri 0,4 – 3,4 arasında, Schmidt çekici sertliği değerleri 39,0 – 65,6 arasında ve Shore scleroscope sertliği değerleri 26,6 – 62,3 arasında değişmektedir. Fabrikalarda ölçülen alansal plaka üretim oranları ise 6,1 – 20,0 m2/h arasında değişmektedir. Performans ölçümleri üç farklı marka S/T makinesi üzerinde yapılmıştır. Makinelerin hepsi dört ayaklı tiptir. Laboratuvar ve arazi ölçümleri sonucu oluşturulan veritabanı yardımıyla, doğal taşların fiziksel ve/veya mekanik özellikleri kullanılarak alansal plaka üretim oranının tahmini için çalışmalar yapılmıştır. Bilgisayar ortamında yürütülen istatistiksel çalışmalarda, gerek tek bir özelliğin gerekse birden fazla özelliğin alansal plaka üretim oranına etkisi teker teker irdelenmiş; çıkan sonuçların güvenilirlikleri test edilmiştir. Basit regresyon analizi değişkenler arasındaki ilişkinin tahmini için kullanılan bir istatiksel modelleme yöntemidir. SPSS ve Excel gibi programlarda yürütülen basit regresyon analizleri sonucunda, alansal plaka üretim oranı ile en kuvvetli korelasyona sahip özellik, tek eksenli basınç dayanımı değeri olarak olarak bulunmuştur. Tek eksenli basınç dayanımı ile performans tahmini için üretilen model tezde sunulmuştur. Bunun yanı sıra, fiziksel ve mekanik özelliklerin tüm kombinasyonları denenerek çoklu regresyon analizleri de yapılmıştır. Çoklu regresyon analizi, basit regresyon analizinin genişletilmiş versiyonudur. Çoklu regresyon analizi, bir bağımlı değişkenin iki veya daha fazla bağımsız değişken aracılığıyla tahmin edilmesinde kullanılır. Çalışmada yoğunluk ve Schmidt çekici sertliği değerlerinin girdi parametreleri olarak bir arada kullanıldığı çoklu regresyon analizinde en anlamlı iki girdili model üretilmiştir. %95 güven aralığında üretilen bu modelin kullanımı için bir de abak sunulmuştur. Bu abak sayesinde, kesilecek bir doğal taş numunesi için yoğunluk ve Schmidt çekici sertliği deneyleri sonucu elde edilen değerler kullanılarak, S/T makinesindeki yaklaşık alansal plaka üretim oranı kolayca tahmin edilebilecektir. Literatüre sunulan üçüncü model ise yoğunluk, Schmidt çekici sertliği ve Cerchar aşındırıcılık indeksi değerleri kullanılarak elde edilmiştir. Bu model %90 güven aralığında anlamlı ilişkiler sunmaktadır. Üretilen modeller f-test ve t-test analizlerinden geçirilmiştir. Modellerin doğrulaması için literatürde yer alan önceki çalışmalardan veriler alınmış ve modellere yerleştirilerek elde edilen alansal plaka üretim oranlarının kıyaslaması yapılmıştır. 
Alansal plaka üretim oranının kestiriminde etkin parametreler genel olarak; tek eksenli basınç dayanımı, yoğunluk, Schmidt çekici sertliği ve Cerchar aşındırıcılık indeksi şeklinde sıralanabilir. Çalışmalar sonucunda en anlamlı sonuçları birden fazla girdiyle üretilen, ikili ve üçlü modellerin verdiği görülmüştür. İstatistiksel analizlerde, hangi parametrenin, ne ölçüde etkili olduğunu önceden kestirmek her zaman mümkün olmamaktadır. Veri sayısı ve etken girdi parametrelerinin artırılması, kuvvetli istatistiksel ilişkilerin üretilmesi açısından her zaman önemlidir. Gelecek çalışmalarda daha fazla veri toplanmasına ve numune seçimlerinin daha geniş bir yelpazede yapılmasına özen gösterilmelidir. Bu sayede geliştirilecek modeller daha anlamlı tahminler üretebilecek ve doğal taşların geneline hitap edebilir nitelikte olacaktır. S/T makinelerinin performansı üzerinde etken doğal taş özelliklerinin yanı sıra; makine özellikleri, testere çapı, operatör etkisi gibi farklı parametreler de vardır. İleride yapılacak çalışmalarda bu parametrelerin de göz önünde bulundurulması önerilmektedir.

Abstract:
Natural stones have been used worldwide as construction and decorative materials. It is one of the oldest material used in buildings for thousand of years and it holds an outstanding position among all building materials. In recent years, the demand for natural stones has highly increased because of steadily developing technologies and rapidly spreading innovative design ideas from all over the world. Natural stones are more and more preferred because of their durability and natural beauty offering a wide variety.  Turkey is one of the biggest exporters of natural stones worldwide. From global perspective the country holds almost 33% of the overall natural stone reserves and in 2015, almost 50% of the country's exports of mines and stones comprised natural stones (in terms of prices). This clearly indicates that natural stones have a significant place in the economy of Turkey. For such an important industry, in-depth studies are required in order to meet the need of the growing market demands by supplying high quality products. Therefore, the machines rather used for the extraction of natural stones from quarries or for further stone processing in factories must be examined in detail. 
Especially, block-cutting machines, which are used in stone processing plants, have the most important position in natural stone factories. It is used for the production of stone slabs in different sizes. Block-cutting machines offer the most effective way to produce slabs with smooth surfaces which do not require any extra work for shaping.  The machine can be easily operated only with one person. All of these features make the machine very cost effective  compared to other machines commonly used in natural stone processing plants. For this reason, the present study chooses block-cutting machines with circular saws as the central object of research. Here the main objective is to generate different models to predict areal slab production rates of block-cutting machines. Several researchers have already published some studies about the machine performance using specific methods with some particular physical and mechanical properties of limited types of natural stones. Hence, it is aimed at selecting a wide range of natural stone types for the present study: Burdur beige,  Söğüt beige, Korkuteli beige, Denizli pink marble, Kavaklıdere white marble, Uşak white marble, Bucak white travertine, Kaklık travertine and Denizli yellow travertine. Actual areal slab production rates were measured on the blocks of the selected natural stones in the processing plants. Three different branded block-cutting machines of same four footed type were used for the cutting phases. By measuring the area that the saws penetrate and recording the time consumed for this work, areal slab production rates (m2/h) were obtained  for every natural stone sample. Some laboratory studies were also carried out to determine the mechanical and physical properties of the natural stones that were selected for the present work. For the laboratory tests, samples were taken from natural stone blocks to do relevant tests for measuring density, uniaxial compressive strength, Brazilian tensile strength, Cerchar abrasivity index, Schmidt hammer hardness value, Shore scleroscope hardness value. These tests were performed on procedures described by ASTM and ISRM. Thin section petrographic analyses were also performed in order to describe the stone textures. Images of the analyses are given in the thesis. The results of the laboratory tests indicate that density values range from 2.14 to 2.73 g/cm3; uniaxial compressive strength values range from 11.0 to 120.3 MPa; Brazilian tensile strength values range from 4.0 to 9.4 MPa; Cherchar abrasivity index values range from 0.4 to 3.4; Schmidt hammer hardness values range from 39.0 to 65.6; Shore scleroscope hardness values range from 26.6 to 62.3. The actual areal slab production rates measured in the processing plants range between 6.1 – 20.0 m2/h. 
By using the independent variables of the database created by laboratory and field tests, the present study tries to develope a model for predicting areal slab production rate using the natural stones' mechanical and/or phsyical properties. For this purpose, statistical analyses were applied for every property of natural stones one by one. As first step, simple regression analysis was performed to find the best relationship between one phsyical or mechanical property and areal slab production rate. In statistical modeling, regression analysis is a statistical process for estimating the relationships among variables. It includes many techniques for modeling and analyzing several variables, when the focus is on the relationship between a dependent variable and one or more independent variables. The strongest relationship was determined between uniaxial compressive strength and areal slab production rate as a result of analyses carried out by Excel. It was selected as the first model and estimation of areal slab production rate from uniaxial compressive strength is given in the study (Equation 7.1). After selecting the first model based on simple regression analysis, the multiple regression analysis was performed by the stepwise method using SPSS statistical software. Multiple regression is an extension of simple linear regression. It is used for predicting the value of a variable based on the value of two or more other variables. In this case, areal slab production rate is called the dependent variable. Stepwise regression procedure eliminated all the other parameters and left with only uniaxial compressive strength (UCS) because SPSS was not able to find any other entry that gives significant relationships when it put next to uniaxial compressive strength. With the generated results, analyses continued to be performed by Excel, one by one for every possible combination of variables. This resulted by two new models with multiple parameters used. The best fitting model was obtained using density and Schmidt hammer hardness value as independent variables. The analysis of variance table is cautiously investigated for testing significance of regression in multiple regressions. Significance F-value for the second model is smaller than 0.05 which indicates the 95% confidence level. F-ratio is also compared with the F-tabulated value   obtained from the F distribution table. This also confirmed the significance of the regression within the 95% confidence. The t-test ratio is also used to determine the patentioal value of each variable. Tabulated t value in 95% confidence is obtained from the t distribution table and compared with the t-ratio values. Tests of the analysis indicated that the second model (Equation 7.2) is statistically meaningful with very high confidence level. The second model may be suggested for the use of predicting areal slab production rate of block-cutting machines. A nomogram based on this model (Equation 7.2) is also suggested so that it may be used for easily predicting areal slab production rate by density and Schmidt hammer hardness values. The last model developed by multiple regression analysis is obtained using the independent variables: density, Schmidt hammer hardness value and Cerchar abrasivity index. However, this model is able to succeed the tests with 90% confidence level. Actual performance data obtained from past studies was used in order to test the reliability of all three models. This database contains data from Karahallı white marble, Karahallı grey marble, Mustafa Kemal Pasa white marble and Sivaslı purple marble. Both mechanical and physical test values needed for the models were entered in and results obtained. Predicted and actual production values were placed on figures to be seen and compared in one to one scale. This test also verified the models with high coefficient of determinations for each models.
The purpose of the present work is to develope significant and useful models to estimate the areal slab production rate of block-cutting machines. Generated models are satisfying enough for the sample size used in this study. This study should be improved by collecting more data from different types of natural stones and parameters to create more reliable statistical relationships and scientific generalization. It must be considered that there are several different parameters affecting the performance of block-cutting machines. Operator's experience on the machine, machine type and properties, sawing mode etc. may be considered as some of these major factors.