Vibra-drum ile ultra ince talk öğütme: Parametrelerin etkileri ve döner bilyalı değirmen ile karşılaştırma
Ultrafine talc grinding: Effects of parameters using vibra-drum and comparison with rotary ball mill
Yazar: OGÜN BAŞARAN
Danışman: PROF. DR. ABDULLAH EKREM YÜCE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Cevher Hazırlama Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Talk temel olarak Mg3(Si2O5)2(OH)2 formülüne sahip hidratlı magnezyum silikattır. 31,7 MgO ve %63,50 SiO2 içerir. Düşük elektrik iletkenliği ve termal dirence sahip hidrofobik bir malzemedir.
Talkın tarihi 1984 yılına kadar uzanmakta olup ilk olarak bebek pudrası olarak dünyaya tanıtılmıştır. Diğer kullanım alanları daha sonra şekillenmiştir. Günümüzde talkın en büyük tüketim alanı kağıt endüstrisidir. Kağıt endüstrisinde, kağıt üretmek için kağıt hamuru yapımında kullanılır. Talk, yumuşaklığı, beyazlığı ve inertliği nedeniyle özellikle kağıt ve seramik endüstrisinde kullanılır. Bu özellikleri onu endüstriyel uygulamalar için değerli kılmaktadır. Seramik endüstrisinde seramiğe şekil vermek ve sırlamak için kullanılır. Fayans, porselen ve yemek takımları gibi talktan yapılan çok sayıda endüstriyel ürün vardır. Kağıt ve seramik sanayinin yanı sıra kozmetik sanayinde, hayvan yemlerinde, ilaçlarda, böcek ilaçlarında, pestisitlerde ve kimyasallarda kullanılır. Talk sertliği, belirli sıvıları emiş özelliği ve stabiliteyi artırdığı için birçok endüstride kullanılabilir. Endüstride çok fazla kullanımı olduğu için özelliklerini anlamak önemlidir.
Seramik ve boya endüstrisinde 44 mikron partikül boyutuna sahip talka ihtiyaç duyulurken, kağıt endüstrisinde bu değerler 8-12 mikron ve kozmetikte ise 7 mikrondur.
Talkın yukarıda bahsedilen endüstrilerde kullanılabilmesi için toz halinde olması gerekmektedir. Bu nedenle öğütülmesi gerekmektedir. Ultra ince talk öğütme prosesi, çok ince partikül boyutlarındaki önemli elastik özellikleri nedeniyle ciddi zorluklara sahiptir. Bu çalışmada incelenen frekans, bilye boyutu ve besleme miktarı ayarlamaları gibi temel parametreler, talk öğütme için doğal frekanslı titreşimli bilyalı değirmenlerin optimizasyonu için gereklidir. Bu parametrelerin optimum kombinasyonunun belirlenmesi, verimli ve optimum talk öğütme için çok önemlidir. Bu çalışmada, doğal frekanslı titreşimli bilyalı değirmen kullanılarak, öğütme verimliliği üzerindeki etkilerini değerlendirmek için frekans, bilya boyutu ve besleme miktarı sistematik olarak değiştirilerek kapsamlı öğütme testleri gerçekleştirilmiştir.
Elde edilen partikül boyutu dağılımının, endüstride gerekli talk inceliği için yapılan öğütme işleminin etkinliğini değerlendirmek için kullanılan birincil bir ölçüm olsa da öğütme sırasında gürültüdeki değişiklikleri gözlemlemek de optimizasyon ya da kontrol için gereklidir. Bu çalışmada diğer ölçümler dışında desibel seviyeleri de ölçülmüş olup ve ürün partikül boyutu azaldıkça desibel seviyelerinin arttığı gözlemlenmiştir. Gürültüdeki bu artış, partikül boyutları küçüldükçe bilyalar arasındaki temas sıklığının artmasına bağlanmaktadır. Ayrıca daha iri öğütme ortamı kullanımı ve daha yüksek frekansın desibel seviyesini artırıcı bir parametre olduğu anlaşılmıştır.
Vibra-Drum'un benzersiz çift kütleli sistemi, diğer proseslerdeki gibi sabit genlik ve frekansın korunmasında çok önemli bir rol oynayarak tutarlı öğütme performansı göstermektedir. Çift kütleli sistemin diğer titreşimli ekipmanlara göre besleme miktarı gibi değişen koşullara karşı adapte olan bir sistem olduğunu ve bu sayede parametrelerini değiştirmediğini belirtmek önemlidir. Bu stabilite özellikle homojen tane boyutu dağılımlarının elde edilmesinde avantaj sağlamaktadır. 
Çalışmanın sonucunda, yaklaşık 59,121 mikronluk en ince talk ürününün çalışma kapsamındaki en yüksek frekans, en küçük bilya boyutu ve en düşük besleme miktarı koşullarında üretildiğini göstermektedir. Bu durum, istenen ultra ince öğütme sonuçlarını elde etmek için bu parametrelerin optimize edilmesinin önemini vurgulamaktadır.
Ayrıca çalışmada enerji tüketimi ölçümleri de yapılmış olup öğütülmüş ürünün inceliği ile doğrudan ilişkili olmadığını saptanmıştır. Bunun yerine, enerji tüketimi operasyonel parametrelere değişmekte olup, genlik ve frekans en etkili parametrelerdir. 
Ürünlerdeki d90 verilerinin regresyon analizi, frekans ve genliğin öğütme performansı üzerinde en önemli etkiye sahip olduğunu doğrulanmıştır Regresyon analizinden elde edilen çoklu R-değeri 0,970620849 olarak hesaplanmıştır, bu da parametreler ile elde edilen ürün boyutu arasında güçlü bir korelasyon olduğunu göstermektedir.
Doğal frekanslı titreşimli bilyalı değirmen, öğütme verimliliğini artıran veya sabit tutan bir titreşim sağlayarak ileriki talk öğütme proseslerine umut verici bir çözüm sunmaktadır. Bu çalışma aynı zamanda araştırmada kullanılan doğal frekanslı titreşimli bilyalı değirmenin benzersiz tasarım özelliklerini ve performansını vurgulamaktadır. Ayırt edici tasarım özellikleri, bilyalı değirmenler ile teorik olarak karşılaştırılıp endüstriyel ölçekte optimizasyon çalışmaları sayesinde daha ince ürün boyutlarına daha az operasyonel maliyet ve bakım masrafları gibi avantajlarla düşük kapasitelerde daha verimli tesisler tasarlanılacağı umudunu vermiştir.

Abstract:
Talc is basically hydrated magnesium silicate with the formula Mg3(Si2O5)2(OH)2. It contains 31.7% MgO and 63.50% SiO2. It is a hydrophobic material with low electrical conductivity and thermal resistance.
The history of talc can be traced back to 1984 and was first introduced to the world as baby powder. Other usage areas were developed later on. Today, the biggest consumption area of talc is the paper industry. In the paper industry, it is used in pulp making to produce paper. Talc is especially used in the paper and ceramic industry due to its softness and whiteness. These properties make it useful for industrial applications. It is used in the ceramic industry to shape and glaze ceramics. There are many industrial products made of talc such as tiles, porcelain and kitchenware. In addition to the paper and ceramic industry, it is used in the cosmetics industry, animal feed, pharmaceuticals, pesticides and chemicals. Talc can be used in many industries because of its hardness, ability to absorb certain liquids and increase stability. Because it has so many uses in industry, it is important to understand its properties.
Talc with a particle size of 44 microns is needed in the ceramic and paint industry, while in the paper industry these values are 8-12 microns and in cosmetics 7 microns.
Ultrafine talc grinding process has a significant challenge due to its significant elastic properties at very fine particle sizes. While conventional ball mills were used in the previous talc grinding processes, different grinding methods were used to avoid the difficulties caused by the properties of talc. Difficulties such as avoiding contamination due to the demand for white color in the industries and the difficulty of drying after wet grinding have a certain impact on the grinding design of talc. Apart from the vibrating mill, which is the subject of this study, other mills used are horizontal or vertical stirred mills, disk mills.  
Key parameters which are examined in this study such as frequency, ball size, and feed amount adjustments are needed for the optimization of natural frequency vibrating ball mills for talc grinding. Determining the optimum combination of these parameters is crucial for feasible and optimum talc grinding. This study conducts comprehensive grinding tests using a natural frequency vibrating ball mill, systematically varying the frequency, ball size, media, and feed amount to evaluate their effects on grinding efficiency.
The Vibra-Drum's unique two-mass system, employed by General Kinematics in various equipment such as screens, vibratory conveyors, feeders, and dryers, distinguishes itself from conventional brüte force vibratory equipment operate by directly mounting vibratory motors or drives to the primary mass which is main body. In contrast, the two-mass system is characterized by two different vibrating masses connected with a spring system. One mass, known as the trough (main body), and the other as the exciter or drive mass, are engaged through a system of springs activated by vibratory motors. This configuration allows the two masses to produce a natural frequency vibration.
Thanks to sub-resonant frequency by the spring system between the two masses, much smaller energy is needed to achieve the desired amplitude compared to the brute force system. The benefits of this setup include preventing cracks and deformations on the equipment due to vibration, as the motors do not induce stress on the main body, eliminating imbalances in the steel connections, welds, or bolts. This results in lower maintenance and operating costs
Furthermore, laboratory-scale vibratory grinders allow for adjustments in frequency and amplitude by altering the position of eccentric counterweights on the drive mass. For instance, at a high frequency, a 10 mm amplitude can be modified to be shorter or longer by adjusting the counterweights, demonstrating the system's versatility in controlling vibrational parameters.
Although the resulting particle size distribution is a primary measurement used in industry to determine the effectiveness of the grinding process for the required talc fineness, it is also necessary to observe changes in noise during grinding for optimisation or control. In this study, decibel levels were measured in addition to other measurements and it was observed that decibel levels increased as the product particle size decreased. This increase in noise is explained by the increase in the frequency of contact between the balls as the particle size decreases. It was also found that the use of coarser grinding media and higher frequency is a parameter that increases the decibel level.
The Vibra-Drum's unique two-mass system plays a crucial role in maintaining stable stroke and frequency, contributing to consistent grinding performance. This stability is particularly advantageous in achieving uniform particle size distributions. The study's results indicate that the finest talc product, approximately 59.121 microns, was produced under conditions of the highest frequency, smallest ball size, and lowest feed amount. This highlights the importance of optimizing these parameters to achieve the desired ultrafine grinding results.
Vibra-Drum's unique two-mass system plays a crucial role in maintaining a constant genlike and frequency as in other processes like screening, providing consistent grinding performance. It is important to note that the two-mass system is more adaptable to changing conditions, such as feed rate, than other vibratory equipment
and therefore does not change its parameters. This stability is particularly advantageous in obtaining homogeneous product particle size distributions. 
The results of the study show that the finest talc product of approximately 59.121 microns which D90 vale is produced at the highest frequency, smallest ball media and lowest feed rate conditions. This highlights the importance of optimising these parameters to achieve the desired ultrafine grinding results.
Energy consumption measurements were also made in the study and it was found that it was not directly related to the fineness of the grinded product. Instead, energy consumption varies with operational parameters, with genlike and frequency being the most influential parameters. 
Regression analysis of the D90 data on the products confirmed that frequency and genlike have the most significant effect on grinding performance. The multiple R-value obtained from the regression analysis was calculated as 0.970620849, indicating a strong correlation between the parameters and the obtained product size.
The natural frequency vibratory ball mill offers a promising solution for future talc grinding processes by providing a vibration that increases or maintains the grinding efficiency. This study also highlights the unique design features and performance of the natural frequency vibratory ball mill used in the research. The distinctive design features have been theoretically compared with ball mills and optimisation studies on an industrial scale have given hope that more efficient plants can be designed at low capacities with advantages such as finer product sizes, reduced operational costs and maintenance costs.