Bir çamur gölünün yüzeyi durgun bir ayna gibidir, ama o aynanın altında dakikada milimetrelerle ölçülen bir savaş verilir. Thickener, yerçekimini bir enstrüman gibi kullanarak su ile cevheri birbirinden ayıran, madencilikteki en büyük hacimli ama en az anlaşılan süreçtir.
Şili’nin Atacama Çölü’nde, dev bir bakır madeninin hemen yanı başında, çapı bir futbol sahasını aşan dairesel bir tank vardır. İçine baktığınızda gördüğünüz şey durgun, bulanık bir sudur. Yüzeyde tek bir dalga yoktur. Oysa tankın dibinde, dakikada yalnızca birkaç milimetre ilerleyen ama tonlarca ağırlığı hareket ettiren bir mekanizma çalışır. Tanka maden mühendisleri “thickener” der. Türkçeye “yoğunlaştırıcı” diye çevrilir, ama işlevi çok daha keskindir.
Thickener, içine pompalanan cevher-su karışımını, yani “pülp”ü, yerçekiminin insafına bırakarak katıları dibe çöktürür ve üstten berrak suyu taşırır. Süreç kulağa ilkel gelir. Oysa modern bir thickener, akışkanlar dinamiğinin, polimer kimyasının ve otomasyon mühendisliğinin kesiştiği bir hassas terazidir. Yanlış işletilen bir thickener, bir maden tesisini saatler içinde durdurabilir. Tankın içindeki o durgun aynanın altında, gözle görülmeyen bir termodinamik ve kimyasal denge, her an çöküşün eşiğinde salınır.
Thickener’ın özünü anlamak için bir Türk kahvesi fincanını düşünün. Kahveyi kaynatıp fincana döktüğünüzde, telve serbestçe dibe çöker. Ama bu çöküş dakikalar alır. Üstelik en küçük bir sarsıntıda telve tekrar bulanır. Madencilikte ise saatte binlerce metreküp pülpü işlemek gerekir ve doğal çökme hızıyla beklemek imkansızdır. İşte burada devreye flokülant girer.
Flokülant, uzun zincirli bir polimerdir. Molekül ağırlığı tipik olarak 5 ila 20 milyon Dalton arasında değişir. Suda çözündüğünde, zincirleri açılır ve mikroskobik cevher taneciklerini birbirine bağlayan bir tür moleküler ağ görevi görür. Tek başına asılı kalan bir parçacık saatte birkaç santim çökerken, flokülantın bir araya getirdiği yüzlerce parçacıktan oluşan “flok” saniyede santimetreler mertebesinde dibe iner. Çöküş hızındaki bu sıçrama, yüzey yükü kapasitesini doğrudan belirler.
Flokülantın kimyası, cevherin mineralojisine göre seçilir. Bakır konsantreleri için genellikle anyonik poliakrilamidler kullanılır. Anyonik yük yoğunluğu yüzde 10 ila 30 arasında değişir. Düşük anyonik yük, daha gevşek ama büyük floklar üretir. Yüksek anyonik yük ise daha sıkı, suyu daha az hapseden floklar oluşturur. Seçim, dipteki çamurun nihai yoğunluğunu etkiler.
Operatör, flokülantı tanka vermeden önce bir yaşlandırma tankında suyla karıştırır. Karışımın konsantrasyonu genellikle binde 0,5 ila 2 arasındadır. Daha yüksek konsantrasyonda çözelti, balık ağı gibi topaklanır ve pompalanamaz hale gelir.
Flokülant dozajı, kuru cevher tonu başına 20 ila 80 gram arasında değişir. Dozajın bir gram altı veya üstü, çöküş hızını dramatik biçimde etkiler. Az gelirse flok oluşmaz, tankın ortasında asılı bir bulut tabakası birikir. Çok gelirse floklar aşırı büyür, içine su hapseder ve dipteki çamurun yoğunluğu düşer. Operatörün işi, bu iki uçurum arasında bir iğne deliğinden geçmektir. Dozaj pompasının strok ayarı, bir vardiya boyunca defalarca, bazen gramın onda biri hassasiyetle değiştirilir.
Pülp, thickener’a rastgele bir noktadan girmez. Tankın tam merkezinde, “besleme kuyusu” denen silindirik bir bölme vardır. Karışım buraya saatte 30 ila 40 kilometre hızla çarpar. Eğer bu kinetik enerji sönümlenmezse, tankın içinde türbülans yaratır ve dibe çökmeye çalışan flokları paramparça eder. Besleme kuyusunun içindeki perdeler ve yönlendiriciler, pülpün hızını neredeyse sıfıra indirir. Kuyudan çıkan karışım, tankın içine yatay ve yumuşak bir tabaka halinde yayılır.
Kuyunun tasarımı, thickener’ın verimini belirleyen en kritik mühendislik detaylarından biridir. Kuyu çapı, tank çapının kabaca yüzde 10 ila 15’i kadardır. Kuyunun içindeki perdeler, pülpü radyal olarak dağıtır ve dönme momentumunu kırar. Bazı tasarımlarda, kuyunun içine flokülant bu noktada enjekte edilir. Enjeksiyon noktası, flokülant ile pülpün karışma süresini belirler. Karışma süresi 5 saniyeden kısa olursa floklar tam oluşmaz. 30 saniyeyi aşarsa, floklar kuyunun içinde çökmeye başlar ve tanka homojen dağılamaz.
Yayılma açısı ve hızı, “çamur yatağı” adı verilen kritik bölgenin stabilitesini belirler. Çamur yatağı, tankın dibinde birikmiş, yoğunluğu giderek artan katmanlı bir bölgedir. Yüksekliği genellikle 0,5 metre ile 1,5 metre arasında tutulur. Yatak çok ince olursa, dipten çekilen çamurun yoğunluğu düşer ve sonraki filtreleme aşaması verimsizleşir. Yatak çok kalın olursa, dipteki dev tırmık mekanizması sıkışır. Tırmığın çektiği akım, operatörün ekranında bir sayıdır.
O sayı, nominal değerin yüzde 20 üzerine çıktığında alarm çalar. Yüzde 40’a ulaşırsa, tırmık otomatik olarak yükselir ve tankın boşaltılması gerekir. Senaryo, bir maden tesisinde vardiya değişiminde anlatılan kabus hikayelerinin başrolüdür.
Çamur yatağının yüksekliği, tankın yan tarafına yerleştirilmiş bir dizi basınç sensörüyle ölçülür. Sensörler, hidrostatik basınç farkından yola çıkarak yatak seviyesini hesaplar. Ama ince taneli killer içeren bir pülpte, yatak ile üstteki berrak su arasındaki sınır bulanıklaşır. Sensörün okuduğu değer, operatörün gözünde bir sorgu işaretine dönüşür. İşte bu belirsizlik anında, devreye tork verisi girer.
Dipte dönen tırmık, thickener’ın hem kası hem de sinir sistemidir. Tırmık kolları, tankın tabanına neredeyse değecek şekilde, saatte 5 ila 20 metre çevresel hızla döner. Görevi, çöken çamuru merkezdeki tahliye konisine doğru sıyırmaktır. Tırmık kollarının altına monte edilmiş çelik bıçaklar, tabana 2 ila 5 santimetre mesafeyle ayarlanır. Ayarın birkaç milimetre kaçması, tabanda ölü bölgeler yaratır ve zamanla sertleşen çamur, tırmığı durduracak bir direnç oluşturur.
Ama asıl kritik veri, tırmığın motorundan okunan tork değeridir. Tork, çamurun kayma direncini, yani akışa karşı gösterdiği inatçılığı anlatır. Maden atıkları Newtonyen olmayan akışkanlardır. Üzerlerine uygulanan kuvvet arttıkça viskoziteleri değişir. İnce taneli killer içeren bir bakır atığı, dururken neredeyse katı bir jel gibi davranır. Tırmık bu jeli rahatsız ettiğinde, malzeme aniden akışkanlaşır.
Olguya “tiksotropi” denir. Tiksotropik bir malzemenin kayma gerilimi, zamanla ve uygulanan kuvvetle azalır. Operatör, tork eğrisindeki ani bir düşüşü gördüğünde, çamur yatağında bir kanallaşma olduğunu anlar. Tırmık, çamuru sıyırmak yerine, içinde bir tünel açmıştır. O tünelden yukarıdaki su, doğrudan tahliye konisine akar ve yoğunluk çöker. Tork verisi, bir thickener’ın EKG’sidir. EKG’yi okuyabilen bir operatör, tankın içinde ne olduğunu kamerasız, gözlemsiz, yalnızca bir sayıdan anlar.
Reolojik ölçümler, tork verisini anlamlandırmak için laboratuvarda yapılır. Çamurun akma gerilimi, yani akmaya başlaması için gereken minimum kuvvet, tipik olarak 50 ila 200 Pascal arasındadır. Akma gerilimi 200 Pascal’ı aştığında, tırmık motoru nominal torkunun yüzde 80’ine dayanır. Operatör, bu eşiğe yaklaşıldığında flokülant dozajını düşürerek veya çamur yatağını incelterek müdahale eder. Müdahale için penceresi dardır. Tork eğrisi, üstel bir fonksiyon gibi davranır. Yüzde 70’ten yüzde 90’a çıkış, yüzde 50’den yüzde 70’e çıkıştan çok daha hızlı olur.
Thickener’ın üst çevresinde, tanktan taşan suyu toplayan bir oluk uzanır. Buradan çıkan suyun berraklığı, sürecin başarısının nihai göstergesidir. Berrak su, tesise geri döner ve yeniden öğütme devresinde kullanılır. Bir bakır madeninde, işlenen her ton cevher için kabaca 0,7 ila 1,2 metreküp su geri kazanılır. Suyun içinde asılı kalan katı miktarı, litre başına 100 miligramın altında olmalıdır. Eşik aşılırsa, geri dönen suyun içindeki ince partiküller pompaları aşındırır ve flotasyon devresinin kimyasını bozar.
Taşma suyundaki katı miktarını belirleyen en kritik parametre, “yüzey yükü”dür. Yüzey yükü, tankın birim alanından saatte geçen su hacmidir. Tipik bir bakır konsantre thickener’ında bu değer, metrekare başına saatte 0,5 ila 1,5 metreküp arasındadır. Yüzey yükü arttıkça, suyun yukarı çıkış hızı artar ve daha fazla ince partikülü beraberinde sürükler. İşletmeci, tesisi kapasite üzerinde beslemeye zorlandığında, ilk taviz verilen parametre budur. Sonuç, birkaç saat içinde bulanıklaşan taşma suyu ve zincirleme duran bir tesistir.
Taşma oluğunun tasarımı da berraklığı etkiler. Oluk, tankın çevresi boyunca eşit derinlikte olmalıdır. Birkaç milimetrelik bir kot farkı, suyun tankın bir tarafından daha hızlı taşmasına ve yerel türbülans yaratmasına yol açar. Türbülans, çökelmeye fırsat bulamayan ince partikülleri oluğa taşır. Operatör, taşma suyunun bulanıklığını bir optik sensörle sürekli izler. Sensör, litre başına miligram cinsinden anlık katı miktarını verir.
Değer 150 miligrama çıktığında, flokülant dozajı artırılır veya besleme debisi kısılır. Ama asıl çözüm, tankın içindeki çamur yatağının bir filtre gibi davranmasını sağlamaktır. İyi yönetilen bir çamur yatağı, yukarı çıkan suyun içindeki partikülleri yakalar ve taşma oluğuna yalnızca berrak suyun ulaşmasına izin verir.
** Kanada’nın British Columbia eyaletindeki Mount Polley bakır-altın madeninde, atık havuzunun seti çöktü. 24 milyon metreküp su ve ince öğütülmüş kayaç, Quesnel Gölü’ne aktı. Felaketin kök nedeni araştırıldığında, mühendisler yalnızca set tasarımına değil, thickener’a da baktı. Tesisteki thickener, atık havuzuna gönderilen çamurun yoğunluğunu tasarım değerinde tutamamıştı. Hedeflenen yüzde 55 katı oranı yerine, çamur yüzde 45-48 katıyla gönderiliyordu. Daha düşük yoğunluk, daha fazla su demekti.
O fazla su, atık havuzunda birikti ve setin üzerindeki hidrostatik basıncı öngörülenin çok üzerine çıkardı. Thickener’daki bu kronik düşük performans, flokülant dozaj sistemindeki yetersizlikten ve çamur yatağı yüksekliğinin operasyonel disiplinle kontrol edilmemesinden kaynaklanıyordu. Ders nettir. Bir thickener’ın dipten çektiği çamurun yoğunluğu, yalnızca bir proses verimi göstergesi değil, aynı zamanda bir risk barometresidir. O barometre düştüğünde, fatura kilometrelerce ötede, bir atık setinin gövdesinde kesilir.
Sayılar temsili, mantık gerçek. Günlük 100 bin ton cevher işleyen bir bakır madeninde, flotasyon sonrası konsantre thickener’ının ekonomisine bakalım.
| Kalem | Değer |
|---|---|
| Günlük işlenen kuru konsantre | 2.000 ton |
| Besleme pülpü katı oranı | %15 |
| Hedef dip ürünü katı oranı | %60 |
| Günlük buharlaşan ve taşınan su | 10.000 m³ |
| Flokülant dozajı (kuru ton başına) | 50 gram |
| Flokülant birim maliyeti | 4 ABD doları / kg |
| Günlük flokülant maliyeti | 400 ABD doları |
| Geri kazanılan suyun pompalama maliyeti (m³ başına) | 0,05 ABD doları |
| Su geri kazanımından günlük tasarruf | 500 ABD doları |
| **Net günlük katkı (tasarruf eksi kimyasal)** | **100 ABD doları** |
Tablo ilk bakışta mütevazı görünür. Ama asıl hikaye duyarlılıktadır. Flokülant dozajı, çamur yatağı yüksekliğini sabit tutmak için 50 gramdan 60 grama çıkarsa, günlük kimyasal maliyeti 80 dolar artar.
Buna karşılık, dip ürünü katı oranı yüzde 60’tan yüzde 62’ye yükselirse, filtrelere giden su miktarı azalır ve filtre keki nemi düşer. Daha kuru kek, izabe tesisine nakliyede ton başına 2 dolar enerji tasarrufu demektir. 2 bin ton için bu, günlük 4 bin dolardır. Seksen dolarlık fazla kimyasal, 4 bin dolarlık enerji tasarrufu getirir. Thickener’ın ekonomisi, doğrusal değil, basamaklıdır. Küçük bir proses kayması, zincirin halkalarında devleşerek yankılanır.
Thickener, bir çökeltme havuzundan ibaret değildir. Yerçekimi, polimer kimyası ve reolojinin aynı tankta buluştuğu, dakikalar içinde tonlarca malzemenin kaderini belirleyen bir reaktördür. Operatörün ekranındaki tork sayısı, taşma oluğundaki suyun berraklığı ve dipten çekilen çamurun yoğunluğu, birbirinden bağımsız veriler değil, aynı hikayenin farklı cümleleridir.
Hikayeyi okuyamayan bir tesis, er ya da geç Mount Polley’deki gibi bir faturayla uyanır. Thickener’ın asıl ürünü, dipten çekilen yoğun çamur değil, üstten taşan berrak sudur. Madencilikte su, cevherden sonraki en değerli emtiadır. Onu kaybeden, susuzluktan değil, maliyetten boğulur. Tankın yüzeyindeki o durgun ayna, aslında bir sessizlik değil, kusursuz işleyen bir makinenin en yüksek sesli çığlığıdır.