Boya Dispersiyon Makinaları Bilyalı Ezme Makinaları (Ball and Pebble Mills)

Boya Dispersiyon Makinaları Bilyalı Ezme Makinaları (Ball and Pebble Mills)

Mehmet Namık Kayaalp / Kimya Mühendisi - Ecelak Boya Kimya Ltd. Şti.

Bilyalı (Ball) ve taşlı (pebble) öğütücüler (mills), ezme ve öğütme boncukları (grinding media) bulunduran içi boş silindirik makinalardır. Öğütücü değirmen öyle bir pozisyonda durmaktadır ki silindirik eksen yatay düzlemde uzanır. Milde yüklemeyi sağlayan yükleme kapağı, silindirik gövdenin çeperinde yer almaktadır. Yükleme kapağının tam karşısında ise boşaltma ya da akıtma vanası bulunur. Akıtma vanası, mil yüklenmemişken ezme bilyalarının tutunmasını sağlayan kaba eleği bulundurur. Ayrıca basınç düşürücü vana da makinanın çeperinde bulunur. Bu değirmenler genelde su ceketli olarak yapılırlar. Çünkü, işlem sırasında soğuma ve ısınmayı sağlar. Bilyalı değirmenler (genelde çelik milleri de denir) sertleştirilmiş çelikten oluşturulmuştur ve ezme malzemesi olarak çelik bilyalar kullanılır. Pebble (çakıl) değirmenlerinki de sertleştirilmiş çelikten oluşturulmuştur ama çelik değirmenlerden bazı farklılıkları vardır. Pebble değirmenlerin içi genellikle "burrstone” ya da porselen bloklarla dizilidir ve metal olmayan ezme malzemesi kullanılır. Bunlar genellikle doğal çakıl taşları ya da porselen bilyalardır. Çelik değirmenler ise milin çalışması sırasında ezme malzemesinin geri kaymasını önlemek amacıyla kaldırıcı barlar (baffle) bulundurur. Ezme malzemesinin geri kayması pebble değirmenlerde ise "burrstone” ya da porselen blok diziliminde oluşan çıkıntı ile önlenir.

Üretimde kullanılan değirmenler gövdenin boyutlarına göre sınıflandırılan değişik büyüklükte bulunurlar. Örneğin, 5 x 4’lük bir milin çapı 5 feet, uzunluğu ise 4 feet’tir. Milin boyutları milin kapasitesi ile yakından ilgilidir. Silindirin hacim formülünü kullanırsak, V=p x (yarıçap)2 x uzunluk ve volümetrik ilişki 7.48 galon her kubik foot 5 x 4’lük milin kapasitesi 78.5 kubik feet ya da 587 galon olur. Laboratuvar değirmenleri de boyutlarına göre sınıflandırılırlar ama genellikle volumetrik kapasitelerine göre adlandırılırlar, bir quart ya da 1 galon laboratuvar mili şeklinde gibi. Bilyalı değirmen ve pebble değirmenlerin genel çalışma yöntemleri ve ezme kuralları benzer olduğundan ikisi de bir grup dispersiyon makinaları altında toplanırlar. Buradaki konunun temeli olarak bilyalı değirmenler kullanılacaktır ve burada anlatılan kuralların aynısı pebble değirmenlere de aynı şekilde uygulanabilir.

Çalışma Bilgileri: Bilyalı değirmenlerin çalışması çok basittir. Üretimde kullanılan değirmenler öyle bir pozisyondadırlar ki bir üst kattaki boşluktan yükleme yapılabilsin. Ezme malzemesini bulunduran mil, yükleme kapağı, üst kattaki yükleme açıklığına tam gelinceye kadar bir dişli düzenek aracılığıyla döndürülür. Hammaddeler mile yüklenir ve yükleme kapağı güvenli bir biçimde kapatılır ve daha sonra belirli bir devir sayısında döndürülür.
Bu ezme periyodunun sonunda mil boşaltma kapağı açılır ve disperse olmuş boya uygun bir kazana boşaltılır.

Genellikle boşaltmak için yerçekimi kuvveti yeterlidir. Ancak yüksek viskoziteli ve tiksotropik disperse boyalarda basınçlı hava kullanılabilir. Makina dönerken, bilyaların birbirlerine sürterek dönme ve yukarıdan yuvarlanarak düşme hareketi sayesinde dispersiyon sağlanmış olur.

Bilyalar birbiri üzerine yuvarlanırken, sıvı ve pigment karışımı, bilya yüzeyleri arasında sıkışırlar ve ezilirler. Dispersiyon etkisi ayrıca, makinanın iç duvarı ile bilyalar arasında da meydana gelir.

Deagglomerasyon mekanizması temelde sıkışarak parçalama (shear) etkisine dayansa da darbe etkisi (impact) dispersiyon prosesinde önemli bir rol oynamaz. Bilyalı ezme sisteminde bu darbe etki güçleri, parçacık ayrışımının yanı sıra pigment kırılmalarına neden olmaktadır. Bilyalı ezme sisteminin performansını etkileyen faktörler şunlardır:
Makinanın ölçüsü (unit size),
Dönme hızı (rotational speed),
Ezme malzemesi (grinding media),
Yükleme miktarı (değirmen charge).
Formülasyon
İlk 3 etken sabit operasyon parametreleri olarak değerlendirilirler. Çünkü bunlar, verilen bir birim için genellikle sabit değişmeyen değerlerdir. Yükleme miktarı ve formülasyon değişkendir. Bu nedenle verilen bir birimdeki dispersiyon verimliliği bu iki faktöre bağlıdır.

Bilyalı mil formülasyonları yüksek pigment miktarı yüklenebilmesi ile tanımlanır. Birkaç istisna dışında bu tip dispersiyon makinaları ticari olarak kullanılan tüm pigment çeşitlerini disperse etmeye yeterlidir. İstisna olanlar şunlardır; dispersiyonu gerçekten çok zor olanlar, açık renkli ya da temiz parlak pigmentler (beyaz, parlak sarı ve kırmızılar). Dispersiyonu zor olanlar üç silindirli makinalarda daha kolay disperse edilebilirler.

Daha açık ve temiz olan pigmentler, pebble milde disperse edilir ki burada daha az yoğunlukta bilya kullanıldığından daha az verimlilik olsa bile pigmentleri karartan ve kirleten çelik bilya kirlenmesi engellenir.

Bilyalı mil operasyonunda kullanılabilecek bağlayıcı tiplerinde birkaç sınırlama vardır. Bağlayıcı sistemlerin solidleri genellikle

%20 solid aralığındadır. Yeterli pigment ıslanmasını sağlamak için gereken bağlayıcı ve bağlayıcı solid miktarının en az seviyelerini belirlemek için Daniels Flow yöntemi kullanılabilir. Bu minimum seviyeler, en düşük viskozite ve en yüksek pigment yükleme ile sonuçlanır. Bilyalı mil formülasyonlarında en iyi işlem gören viskozite aralığı yaklaşık 60 KU – 110 KU arasındadır. Çelik bilyaların yüksek yoğunluğundan dolayı çelikten yapılmış değirmenler genellikle bu aralığın yukarı değerlerini de tolere edebilirler. Ancak Pebble değirmenler bu aralığın alt sınırında daha verimli olurlar. Yüksek viskozite, yetersiz kaskad hareketi meydana getirir, bu da düşük ezme verimliliği ve makineyi boşaltmada sıkıntılar yaratır.


Düşük viskoziteler, bilyaların yüzeyinden akıp gitmesine neden olur, bu da düşük ezme verimliliği ve gereğinden fazla yıpranma meydana getirir. Proses sırasında sıcaklık yükselirse viskozitenin düşmesine yol açar. Formülasyonlarda bu faktör de göz önünde bulundurulmalıdır. Bazı durumlarda formül içeriğinden gelen sınırlamalar, Bilyalı Mil ezme işlemine uygulanacak en uygun dispersiyon formülasyonuna engel olur. Böyle durumlarda dispersiyon iki aşamalı formül ve işlem biçiminde yapılabilir. Bu aşamalar ezme aşaması ve son girdiler alt ekleme (letdown) aşaması şeklindedir. Ezme aşaması, en uygun ezme verimliliğini elde etmek için formüle edilmiştir. Ezmeden sonraki ikinci aşama ise kalan girdilerle karıştırılarak tamamlanır.

Makinanın Ölçüsü
Makinanın ölçüsünü dispersiyon zamanına doğrudan etki eder. Genellikle daha büyük ölçülerdeki makinalar küçüklerine göre daha verimlidirler. Değişik makina ölçülerinin bağıl ezme süreleri arasında hesaplanabilir matematiksel bir bağ varsa da pratikte bu hesaplamalar güvenilir olmayabilir.

Genel uygulanabilir kurala göre, bir üretim ölçülerindeki makinayı,(çapı 4 feet ve üzerinde) verilen bir dispersiyon derecesine getirebilmek için gereken süre laboratuvar makinalarında (1 foot ya da altı) elde edilen sürenin yaklaşık %50 ila %60’ı kadardır.

Milin dönüş hızı oldukça önemlidir, çünkü ezme bilyalarının kaskad hareketi bu parametre ile doğrudan ilgilidir. Milin rpm (dakikada dönüş hızı) öyle olmalıdır ki ezme bilyalarının yatayla kaskad ettiği açı yaklaşık 45° - 50° olmalıdır. Bilyalı mildeki yüksek hız ya merkezkaç kuvvetiyle sonuçlanır ki bu kaskad olayını önler ya da yan duvar yüzeylerinden bilyaların atılmasıyla sonuçlanır bu da kesme etkisini (shearing) en az duruma getirir. Düşük hız ise, düşük kaskad açısıyla sonuçlanır ki bu da az verimliliktir. Bilyalı değirmenlerin çalışma hızları, hesaplanan kritik hızların yaklaşık %50 ila %25’i arasında değişir. Kritik hız şu şekilde tanımlanır; bilyaların merkezkaç kuvvetiyle sonuçlanacak minimum rpm hızıdır.

Pratikte bilyalı milin dönerken çıkardığı ses, deneyimli operatörler tarafından uygun kaskad hareketinin olup olmadığını belirlemek için kullanılır. Hafif gürültülü bir ses uygun hareketin olduğunu belirtir ancak ses fazla yüksekse bu milin çok hızlı döndüğünü gösterir. Bu da bilyaların duvardan fırlayıp atılmasına neden olur. Eğer ses çok düşük ise bu ya gereğinden fazla hız demektir ki merkezkaç kuvvetine neden olur, ya da gereğinden az hız demektir ki bu da düşük kaskad açısıyla sonuçlanır.

Ezme Bilyaları (Grinding media)
Bilyalı değirmenlerde ezme bilyaları olarak metalik bilyalar, Pebble değirmenlerde ise metalik olmayan bilyalar kullanılır. Mil operasyonu sırasında bilyalar arasındaki sürekli çarpışma nedeniyle bilyalar aşınmaya eğilimlidirler. Bu nedenle yüksek derecede sertlikte ve sürtünme dayanımı olan bilyalar seçilir. Bilyanın daha sert olması ayrıca daha sert agglomeratlarla daha verimli bir dispersiyon derecesi sağlar. Ancak, sertlik ve sürtünme dayanımı arttıkça değirmenlerin aşınması da artar. Fiyat göz önüne alındığında bilyayı değiştirmek, yeniden ma-kina yapmaktan çok daha fazla ekonomiktir. Ezme bilyaları seçilirken dikkat edilecek noktalar; verimliliği, bilyanın ya da makinenin aşınma dayanımıdır. Bunların üçünün arasında denge oluşturan bir bilya tipi seçilmelidir.

Bilyalı mil ve Pebble değirmenler için değişik şekil, yoğunluk ve büyüklükte ezme bilyaları bulunmaktadır.

Ezme bilyalarının ölçüsünde ise, bir tur dönüşte kaç kez birbirine dokunduklarının doğrudan etkisi vardır. Çap ne kadar küçükse dokunma sayısı o kadar artar ve ezme işleminin verimliliği artar. Verimli operasyonun en alt ölçü sınırı iki faktöre dayalıdır. Öncelikle bilyalar, kaskad olayı sağlayabilecek kadar büyük olmalıdırlar. (Kaskad: yukarıdan düşme) ayrıca bilyalar ne kadar küçük olursa, makineyi boşaltmak da o kadar zorlaşır. Çünkü boşaltma vanasındaki eleği ya da ızgarayı tıkayabilir. Çapları 5/8” olan çelik bilyalar genellikle çelikten yapılmış bilyalı değirmenlerde kullanılırken 1” – 1 ½” çapında olan porselen bilyalar en çok pebble değirmenlerde verimli olurlar. Ezme bilyaları, küre, silindir, dikdörtgen ya da salyangoz biçiminde olabilirler. Bilyalı değirmenlerde bu biçimlerden biri ya da bunların karışım kombinasyonu kullanılabilir olsa da dispersiyon işleminde endüstriyel standartlar tarafından kabul gören küresel ezme bilyaları tercih edilir. Öteki tipler, özel amaçlı alanlarda daha özel uygulamalarda kullanılırlar. Bilyaların yoğunluğunun ezme işleminin verimliliği üzerinde doğrudan etkisi vardır. Bilyanın yoğunluğu ne kadar fazla ise birbiri üzerine yuvarlanırken ya da kaskad yaparken oluşan kesme kuvveti o kadar büyük olur. Bu yüksek kesme kuvveti yoğunluğu fazla olan bilya üzerine uygulanan yerçekimi kuvveti ile direkt olarak bağlantılıdır. Bilyanın yoğunluğu üzerindeki sınırlayıcı etken eskimedir. Öte yandan, eğer yoğunluğu çok düşükse ezme verimliliği de düşük olur ve en uç noktada bilyalar hiç ya da çok düşük kaskad hareketi yaparlar.

Makinaya Yükleme (Değirmen Charge)
Makineye verilen yükleme pastası içinde hem bilyaların ve hem de sıvı pastanın hacmi dahildir.

Ezme bilyaları için en uygun yükleme düzeyi yaklaşık makine hacminin %50’si kadardır. Bu seviyede kaskad hareketi makinenin çapını enine keser. Makine küresel bilyalar ile yüklendiğinde makinanın dolu kısmı solid bilyalar ve bunlar arasındaki hava boşluklarından oluşur. Maksimum ezme verimliliği için dispersiyon için yüklenen pastanın hacmi bilyalar arasındaki boşluğu doldurur ve bu miktar bilyaların yüzeyinde yukarı çıkmak için yeterlidir. Rastgele bir araya getirilmiş küresel bilyaların kapladığı alanda bilyalar alanın %60’ını ve boşluklar ise %40’ını oluşturur. Öyleyse yukarıda sözü edilen makineye yükleme ölçüsünün %30’u solid bilyalar, %20’si sıvı dispersiyon pastası ve %50’si ise boşluktur.

Pratikte yüklenen bilyaların %50’si yapışık kalır, daha az miktarda bilyanın kullanılması ise daha yüksek dispersiyon pastası yüklemek içindir. Bu da daha fazla üretim sağlar. Ezme süresi artacağı için dönüş işleminin yükleme miktarına göre ikinci planda tutulduğu zaman genel olarak daha az bilya miktarı kullanılır.

Üretim koşulları altında, dispersiyon pasta hacimleri genelde makine hacminin %20’sinden fazladır. Çoğu durumlarda bilyaların yükleme miktarı %50 olduğunda (%30 asıl bilyalar) sıvı yükleme miktarları makine hacminin %50 ya da %60’ı kadar yüksek olabilir. Bu yüksek seviyelerde ezme verimliliği düşüktür ve verilen dispersiyon derecesini yakalamak için arttırılmış bir dönüş süresi gereklidir. Gene de ekonomik açıdan verimlilik yüksek olabilir. Operasyon sırasında çok az operatör dikkati gerektiğinden genelde dönüş sayısını yükselterek üretimi aynı kalitede arttırmak mümkündür. Örnek olarak eğer iki misli yükleme için iki misli zaman gerekli ise bu şekilde biz dispersiyon pastasını boşaltıp yükleyecek emek ve zamanı kazanmış oluruz.

Bilyalı Değirmen Yükleme Miktarı
Hacimce: %50 Boşluk, %30 Bilya, %20 Pasta.

Bilyalı Değirmenlerin Avantajları
Bilyalı değirmenlerde genel üretim prosedürü şöyledir. Dispersiyon yükleme pastasındaki bağlayıcının bir kısmı tutulur.
Ezme işlemi tamamlandıktan sonra bu tutulan bağlayıcı boşaltma işleminden sonra makinayı yıkamak amacıyla verilir. Bu yıkama işlemi, özellikle ürün veriminin, yüksek viskozite ve şişik yapıdan dolayı düşük olduğu durumlarda kullanışlıdır. Bilyalı değirmene dispersiyon işlemi verimli ve ekonomik bir dispersiyon işlemidir. Bu işlemin olumlu parametreleri şunlardır:

Dispersiyonu zor olan pigmentler dahil olmak üzere geniş bir aralık içindeki pigmentleri verimli bir biçimde disperse edebilme özelliği,
Hem nicel hem de nitel formülasyondaki esneklik,
Dispersiyon viskozitesindeki serbestlik,
Yüksek pigment yükleme avantajı,
Hiçbir ön karıştırma işlemi gerektirmemesi,
Operasyon sırasında hiç ya da az operatör dikkati ve oldukça basit operasyon prosedürü,
Kapalı bir sistem olduğu için süreç sırasında hiç ya da az buharlaşmayla oluşan kayıp,
Düşük bakım.
Bilyalı milin dezavantajları ise şunlardır:
Proses sırasında viskoziteyi artırmaya yatkın olma durumu boşaltma sorunlarına neden olabilir.
Eğer zaman kritik ise bilyalı milin ezme turları ayak bağı durumuna gelebilir.
Proses sırasında basınç oluşturan dispersiyonlar, kapalı bir sistem için potansiyel bir tehlike oluşturabilirler.
Özel amaçlı formülasyonlar dikkatlice yüklenmelidir ki sonuçta pigment ayrışmasına giden koloidal şok olmasın.
Eğer bağlayıcının ıslatma özelliği iyi değilse, ön karıştırma yapmaksızın doğrudan malzeme yüklemeleri büyük agglomeratların oluşmasına neden olabilir. Bu da uzun süren ezme turlarına yol açar.
Bilyalı değirmenler yıllarca boya endüstrisinde dispersiyon işlemlerinde önemli bir yer tutmuştur. Kolay disperse edilebilen pigmentler ve daha seri ekipmanların ortaya çıkmasıyla bilyalı değirmenlerin kullanımı son 10-20 yılda düşüş göstermiştir. Ancak hala endüstride bilyalı değirmenler kullanılmaktadır. Çünkü birkaç istisna dışında her tür pigmenti disperse edebilmekte ve öğütülmesi zor olan pigmentler için verimli bir yöntem gereksinimini karşılamaktadır. Gerekli olan dispersiyon hacmi, kapasite durumları, iş gücü bulunabilirliği ve kapasiteye bağlı olarak çoğu durumlarda bilyalı değirmenleri ekonomik yönden kendi varlıklarını haklı çıkarabilirler ve öteki yeni yüksek hızlı dispersiyon ekipmanlarıyla rekabet edebilirler.

Kaynakça

1. Organic Coating Technology-II, H. F. Payne, J. Wiley and Sons

Inc. - New York 1960.

2. Paint Flow and Pigment Disperrion T. C. Patton.

3. F. Appell, "Optimum Conditions of Operating Ball Mills,” O.l’c.

Digest Federation Paint Varnish Prod. Clabs, 22, No.303, 315

(1950).