Licentiatsavhandling VARIATIONER HOS MATERIALPARAMETRAR INOM BALLASTTILVERKNINGEN Av Anna Klingberg Teknisk Geologi Institutionen för Mark- och Vattenteknik Kungliga Tekniska Högskolan Stockholm Oktober 2001
Anna Klingberg
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen FÖRORD I och med omvärldens krav på varor och tjänster har ökats under, framförallt 1990-talet, har även kraven på kunskap om ballastmaterialet som färdig produkt ökat. Det innebär att kraven på toleranser på ballastmaterialet som slutprodukt i en del av konstruktion (t.ex. asfaltbeläggning inom vägbyggnad, makadamballast för järnväg, ballast för betongkonstruktioner, dränerande material mm) har specificerats. Som slutprodukt har naturligtvis ballastmaterialet en vital funktion. Utvecklingen går mot att man prioriterar att använda krossat berg på bekostnad av användandet av naturgrus. För att kunna emotse dessa krav så blir det uppenbart att man måste öka kunskapen om tillverkningsprocessen. Inom Sverige har ett flertal projekt startats för att kartlägga faktorerna som styr produktionen av krossat ballastmaterial. Flera av dessa projekt har initierats och finansierats av ballastindustrins branschorganisation GMF (Grus och Makadamföreningen) och krossmaskintillverkare och genomförts i samarbete med tekniska högskolor i Sverige. Här i Sverige har forskning skett inom sprängningens inverkan på ballstmaterialet, krossens och siktens inställningar och arbetssätt och deras betydelse för ballastprodukten och det faller sig naturligt att forska vidare på hur själva tillverkningsprocessen påverkar slutmaterial och då vilka krav som är möjliga att ställa på slutprodukten. I och med att det i slutet av 19990-talet blev allt vanligare men kvalitetscertifiering av tillverkning av ballastmaterial blev det uppenbart hur lite vi egentligen känner till om de styrande parametrarna vid tillverkningen och vilka rattar vi skall använda för att på det mest kostnads- och tidseffektiva sätt svara upp mot ställda krav på slutprodukten. I denna kontext startades denna studie upp och initierades av GMF (Grus och Makadamförningen) och NCC under våren 1998. Finansieringen av projektet har delats av GMF, NCC och SBuF (Sveriges Byggentreprenörers utvecklingsfond). Jag vill härmed passa på att framföra mitt tack för att jag fick tillfället att genomföra projekt och för allt intresse som följt projektet. Sedan vill jag också tacka de som med sin vägledning, rådgivning och kunskap hjälpt mig genom detta arbete. Främst vill jag framföra djupa och varma tack till styrgruppen för detta projekt; Civ.ing. Per Mure n/ncc Fil.kand. Lars Stenlid / Skanska Ing. Göran Svensson / Råsjö kross dessutom med handledningsansvar Professor Ove Stephansson / Teknisk Geologi, KTH Fil. Dr. (Geologi) Björn Schouenborg, SP Universitetslektor Joanne Fernlund / Teknisk Geologi, KTH Lektor Per Näsman / Säkerhetsforskning, KTH Licentiatseminariet hölls den 3 oktober 2001. Jag vill visa min uppskattning och tack till Professor Svein-Willy Danielsen, NTNU/Franzefoss Bruk AS, Norge, som var diskussionsledare under seminariet. Tack för din genomgång av och dina synpunkter på avhandlingen. Sedan vill jag också tacka: AB Krossekonomi och dess personal med Jarl Westin i spetsen som upplåtit sin anläggning i Frölandskrossen för all provtagning, NCC asfaltlaboratorium i Västerås och Barkarby som ställt upp med personal och utrustning för alla ballastanalyser. Samt sist men inte minst personal och doktorander på Teknisk Geologi, KTH för hjälp, stöd och social samvaro under projekttiden. Stockholm i oktober 2001. Anna Klingberg i
Anna Klingberg
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen SAMMANFATTNING Det finns idag huvudsakligen 3 skäl till att man tar prover på tillverkat material - Som tillverkare vill man veta att man tillverkar det man tänkt sig - Som köpare att man verkligen får det material man tänkt sig köpa - Som slutanvändare att materialet verkligen har de egenskaper och funktioner man tänkt sig. Att som det mestadels gör idag att ta ett ut ett prov ur en mängd och analysera det och sedan låta det analysresultatet stå för ett absolut värde gällande hela materialmängden det är menat att representera - är inte nöjaktigt. Utfallet av ett analysresultat, vare sig det gäller kornkurva, flisighet, Los Angeles tal etc., är beroende av flera faktorer som ger upphov till en variation. Denna variation blir synlig om man tar ut ett flertal analysprover och sedan jämför dem med varandra. Man kan schematiskt säga att det finns 4 huvudfaktorer som påverkar (samt ger upphov till variationer) analysresultatet på materialet. - Ingångsmaterialet - Processen - Provtagningen - Provberedningen och analysen Syftet med denna studie är att definiera de parametrar som ger upphov till variationer i analyssvaren från egenkontroll i tillverkningen och vid leveranskontroll av produkterna i ballastproduktionen. Med kunskap om dessa parametrars (tex. materialflöden, ingående materialvariationer, drifttider mm) påverkan kan man styra kvalitén på ballastproduktionen. Totalt togs 135 prover ut under fem olika produktionsdagar från produktion i en krossanläggning i Västsverige. Proverna togs från tre olika platser i processen, före och efter sista krossteget samt som färdig produkt vid slutet av processen. Exempel på studerade faktorer i studien är det ingående materialets (in till sista krossteget) parametrar och krossens drifttid. Spridningen och korrelationen mellan och inom tre vanligt använda materialparametrar är studerad. Kornstorleksfördelning (siktanalys), partikelform (flisighetsindex) och motstånd mot fragmentering (LA-värde). Med kunskap om storleken på variationen vid analysförfarandet (tex. neddelningsförfarande, provtagningssätt mm) finns möjligheten att härleda verkligt utfall på slutprodukterna. Med flera krossteg i en anläggning kan man avsevärt förbättra både form och styrka på slutmaterialet. Framförallt kornstorleksfördelning (reduktion) och form påverkas av krossens drifttimmar medan styrka (LA-värde) visar upp ett mer komplext beroende av krossens drifttid och de ingående materialens variation. Metoden med roterande neddelare i jämförelse med neddelningsapparat visar sig ge den minsta spridningen i både analysprovers vikter och kornstorleksfördelning och rekommenderas därför som neddelningmetod. Varje laboratorium bör överväga fördelarna med att investera i en roterande neddelare av följande skäl: Minskar osäkerheten i analyssvaren Tar större provmängder Tar större sorteringar ( upp till ca 65 mm) För varje anläggning bör man ekonomiskt optimera krossens drifttid med tanke på att förbättring och accepterad variation av både LA-värdet och flisindex minskar med drifttiden samtidigt som också reduktionsgraden försämras. För att utvärdera ett materials kvalitet är det av största vikt att bedömningen utgår ifrån ett flertal analyserade värden samt att man då känner till vilken provtagningsmetod och neddelningsmetod som har använts för att få fram resultatet. iii
Anna Klingberg
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen ABSTRACT Within the manufacturing industry, more and more frequently products are quality certified based on international standards. The producer should in such cases be able to show traceability and be able to verify that the product quality is the one agreed on with the buyer. Verification is primarily based on test made on samples taken directly from production line. In the aggregate industry, generally there are very specific requirements for products. At the same time, there is a great deal of uncertainty about the relevance and tolerance of these requirements. The quality of the product is based upon standard tests but what is not fully investigated is how accurate these tests are or how much error is included in the results arising from the analyses themselves. We know that there is a variation in test results, not only due to the actual variations between the aggregates but also due to numerous other factors: variations can be introduced during sampling; variations in analysis techniques and the type of equipment used in the analysis. Still another possible source of error, creating variation in the results, is associated with the degree of wear of machine parts in the production process. It is important to realise that it is not possible to determine the true quality of the product based on only one sample. A total of 135 samples were taken on five different days from a crushing plant in the western part of Sweden at three points in the production line, prior to and after the third crusher in the production line and at the end of the production line. Examples of the process parameters studied were the ingoing material properties and the operating time of the crusher. The variation and correlation within and between three common aggregate properties were investigated: particle-size distribution (sieve analysis), particle shape (Flakiness Index) and resistance to fragmentation (Los Angeles value, LAvalue). The study also covers analyses of the variation of different methods of sample reduction - from a laboratory sample to the final test specimen for particle size analysis. It also includes an assessment of the variations in the test results caused by these activities. By using historical data in the analysis of the parameters we can establish where the major component of the variation in each parameter is to be found. It is especially interesting to determine the relation between the variations within individual days and between different days, and hence enhance understanding of the reasons for the variation. To be able to predict the quality of the outgoing material from the ingoing material due to the crushing process it is essential to know the operating time of the crusher. The major part of the variation Flakiness Index and Size Distribution are dependent on the crushing operation. The LA-value of the outgoing material is more dependent on the LA-value of the ingoing material than it is on the operating time of the crusher it passes. This suggests that the rock type and the behaviour of the ingoing material are important for the final LA-value. This study shows that the LAvalue is improved by about 10-15% as a result of passing the third crusher. However for the size distribution of fine material such as 0/8mm grade the major part of the variation was caused by the activity of analysis and sample preparation. The study also shows that the rotary sample divider technique induces the smallest variation and the 1/2 division with a riffle box causes the largest, and most unpredictable, variation among the investigated methods. Keywords: process control, aggregate, sampling, flakiness index, size distribution, LA-value, variation v
Anna Klingberg
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen INNEHÅLLSFÖRTECKNING FÖRORD... i SAMMANFATTNING... iii ABSTRACT... v 1. INTRODUKTION... 1 2. SPRIDNINGAR OCH KORRELATIONER MELLAN ANALYSERADE PARAMETRAR... 2 2.1. Teori... 2 2.1.1. Spridning... 2 2.1.2. Korrelationer... 5 2.2. Genomförande och Metod... 5 2.2.1. Analysmetoder laboratorium... 5 2.2.2. Analysmetoder statistik... 6 2.2.3. Beskrivning av anläggning... 7 2.2.4. Provtagning... 8 2.2.5. Neddelningmetoder och analyser... 9 2.3. Resultat... 10 2.3.1. Beskrivande statistik... 10 2.3.2. Mellandaglig och daglig variation... 11 2.3.3. Singelkorrelation mellan in- och utgående material i krossen... 13 2.3.4. Multikorrelation mellan in- och utgående material i krossen... 15 2.3.5. Korrelation mellan olika parametrar... 16 2.4. Diskussion... 16 2.4.1. Kornstorleksfördelning... 17 2.4.2. Form Flisighetsindex... 17 2.4.3. Styrka Los Angeles värde... 19 3. NEDDELNINGSSTUDIE... 21 3.1. Provtagning och material... 21 3.2. Neddelningsmetoder... 21 3.3. Resultat... 24 3.3.1. Viktspridning... 24 3.3.2. Spridning kornstorleksfördelning... 25 3.3.3. Erfarenheter metoder... 25 3.4. Diskussion... 25 4. SLUTLEDNINGAR... 26 5. REKOMMENDERAD FORTSATT FORSKNING... 26 6. REFERENSER... 27 BILAGOR A Provtagningsplan B Spridningar C Typ av variationer D Ingångsdata analyser E Anläggningens maskiner F Förteckning över tabeller och figurer/diagram ARTIKLAR I. The Variations of the Characteristics in the Aggregate Production Industry to be submitted for publication in The Quarterly Journal of Engineering Geology II. III. Correlation between Characteristics in the Aggregate Production Industry to be submitted for publication in Enviromental & Engineering Geoscience The influence of different sample reduction techniques on the aggregate test results One cause of observed variation in the production to be submitted for publication in Bulletin of Engineering Geology and the Enviroment vii
Anna Klingberg
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen 1. INTRODUKTION Man har i Sverige byggt vägar av material från våra grusåsar, tagit grus till ballastmaterial i betong. Vid vägbyggnationer har man använt sprängt material som utfyllnad och så småningom som s.k. förstärkningslager i vägkroppen. De senaste 20 åren har bl.a. kraven på att hushålla med våra ändliga resurser i grusåsarna samt grundvattenfrågorna drivit utvecklingen mot att man istället spränger berg och krossar ned det till partikelstorlek som passar vägbyggnad, järnvägsbyggnad, betongtillverkning och asfalttillverkning. Denna utveckling innebär att framställningen av ballastmaterial har ökat, från att tidigare varit en process som i huvudsak bestått av sortering av stenarna i olika storleksgrupper har nu de två aktiviteterna sprängning och krossning tillkommit. Detta har medfört att tillverkningsprocessen har blivit mer komplicerad och slutresultatet beroende av flera faktorer än tidigare. År 1984 användes i Sverige 70 milj. ton material från grusåsar och 11 milj. ton från berg dvs. 85% grusmaterial att jämföra med år 1999 29 milj. ton grus och 38 milj. kross dvs. 43% grus (SGU, 2000). 100 90 80 70 % 60 50 40 Övrigt material Naturgrus Krossmaterial 30 20 10 0 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 Årtal Figur1. Leveranser av ballast i Sverige 1984 1999 Ur Fig. 1 kan vi se att användande av krossmaterial sker på naturgrusets bekostnad. Detta beror huvudsakligen på att statsmakten i Sverige har beslutat att belägga all försäljning av naturgrus med en extraskatt, detta för att minska uttaget av material från de svenska rullstensåsarna ur vilken det mesta gruset tas. I produktionen av krossmaterial så kan både form och storleksfördelning på slutprodukten påverkas. Då produktionen av sorterat naturgrus inte innehåller krossmomentet så kan i princip endast stroleksfördelningen påverkas men grus är av naturen redan relativt kubiserat dvs. skillnaden mellan det minsta och största tvärmåttet på enskilds partiklar är så litet som möjligt. I betongtillverkningen använder man idag mestadels naturgrus då det materialet på grund av avsaknaden av krossade ytor kräver mindre mängd cement i den färdiga betongen jämfört med betong
Anna Klingberg med kross som ballastmaterial. Det pågår i dag mycket forskning om användande av krossmaterial istället för naturgrus som ballastmaterial i betong. Branschen i Sverige, som representeras av branschorganisationen GMF (Grus- och Makadamföreningen) har sett denna utveckling och för att kunna effektivisera och samtidigt möta kraven på ökad kvalitet har man bl.a. satsat på att utveckla kunskapen om tillverkningen av krossprodukter. När man utvärderar resultat från olika typer av analyser av ballst så är det viktigt att man inser att resultaten innehåller avvikelser som ger variation i resultatet. Avvikelse är här definierat som skillnaden mellan det teoretiska antagna värdet och det uppmätta värdet. Avvikelserna uppkommer från flertal källor av variationer. Eloranta (1995) och Evertsson (2000) har båda visat att styrande parametrar i processen och krossar ger upphov till variationer i både tillverkad och färdig produkt. Soldinger (1999) har i sin studie av siktprocessen visat att det utgående materialets kvalitet är beroende av pålastnings-förhållandena, siktens kapacitet och inställningar. Heikkilä (1991) visade i sin studie att olika bergarters beteende i tillverkningsprocessen är ungefär likartade men nivåerna på värdena är olika och det är det som ger upphov till variation. Ballman et al (1996) visade att graden av variation är olika beroende på vilken provtagningsmetod man använder. Pike (1979) har visat att neddelning av prov alltid ger upphov till variation i analysresultaten. Tidigare studier av krossprocessen (Eloranta 1995, Evertsson 2000) har mest handlat om inflytandet och beroendet av krossens olika inställningar på det passerade materialet. Eloranta (1995) fann att den mest betydelsefulla parametern i krossprocessen som påverkar materialets form är kornstorleksfördelningen på det ingående materialet och krossens slag. Han kom till slutsatsen att ju större andel finmaterial ingångsmaterialet innehåller desto större slag kan man låta krossen ha. Evertsson (2000) har utvecklat en modell där det är möjligt att beräkna konkrossens prestanda för olika inställningar på krossen. Han fann att det som mest påverkar krossens reduktionsgrad är krossens varvtal, spaltöppning samt bergets brottmönster och kornstorleksfördelningen på inmatat material. Heikkilä (1991) studerade hela tillverkningsprocessen med fokus på sprängningens betydelse för slutprodukten. Det, vid sprängningen, förstörda bergmaterialet verkar återgå till sin ursprungliga styrka genom successiv krossning genom processen. Han observerade att den bästa partikelformen erhölls i storleken omkring krossens spaltöppning (CSS, closed side-setting). Det linjära förhållandet mellan LA-värdet och flisindex har undersökts och bekräftats i tidigare studier (Asadullah et al 1982, Orchard 1976 och Wieden et al 1977). Storleken på korrelationen mellan parametrarna skiljer sig beroende på bergart, typ av LA-test och analyserad fraktion. Hypotesen för denna studie är att materialets egenskaper varierar med förändringar i tillverkningsprocessen och ingångsmaterialen. Studien fokuserar på förändringar hos materialet före och efter sista krossteget (konkross) och vad man kan se av det i en slutprodukt (0/8mm). Under provtagningstiden hade siktar, krossar och flöden konstanta inställningar. Den varierande parametern som studerats i processen är drifttiden och ingångsmaterialets sammansättning. 2. SPRIDNINGAR OCH KORRELATIONER MELLAN ANALYSERADE PARAMETRAR 2.1 TEORI En modell över spridningens olika upphov redovisas i Tabell 1. 2.1.1 Spridning Det finns fyra huvudkällor som ger upphov till variationerna, systematiska och slumpmässiga, i en serie: 1) heterogent material, 2) variationer i processen, 3) skillnader i provtagning, 4) variationer uppkomna vid analysen. Slutligen har vi också okända slumpässiga fel, som bla. kan bero på väder och vind samt slumpen. Den totala variationen kan skrivas som summan av ovanstående faktorer.
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen SS total variation = SS material + SS process + SS provtagning + SS analys + SS okänt (1) SS = ett mått på en series variation (varians) Om vi både tar ett antal prover under en hel dag och under flera produktionsdagar så kan vi skriva summan av uppkomna variationer för alla dessa prover som summan av variationer mellan dagarna och variationen inom dagen: SS total variation = SS mellandaglig + SS daglig (2) Vi kan då kombinera dessa två ekvationer till: SS total variation =MELLANDAGLIG [SS material+ss process +SS provtagning +SS analys ] + +DAGLIG [SS material +SS process +SS provtagning + SS analys ] + SS okänt (3) SS material Bergmaterialet som tas in till processen ger upphov till variationer, främst är det beroende av typ av bergart och kornstorleksfördelningen på det som lastas in i anläggningen (Eloranta, 1995). Då själva sammansättningen av materialet, både vad gäller storlek och olika bergarter, är beroende av personalen som väljer ut vad och i vilken omfattning materialet skall lastas inför ilastningen i processen (byte av personal sker mellan produktionsdagarna) kan vi antaga att den största delen av variationen återfinns mellan dagarna. Dock är en del av variationen beroende på varifrån i täkten materialet är taget och det kan variera under dagen. Sedan innehåller materialet i sig självt mer eller mindre variation. Således kan vi också förvänta oss en inomdaglig variation av bergartsfördelningen in till processen. Ekvationen för materialets variationen (in i produktionen) kan vi då skriva till: SS material = MELLANDAGLIG [SS material]+daglig [SS material] + SS okänt (4) SS process Slutprodukten är också beroende av inställningarna på processens maskiner (Eloranta, 1995 och Evertsson, 2000). Vanligtvis är de flesta inställningarna på maskinerna konstanta och ändras bara vid behov eller haveri. Den huvudsakliga förändringen inom variationen på grund av inställningar är drifttiden på maskinernas slitdelar. Förändringen av variationen pga. slitage i slitdelarna är inte märkbar inom dagen men väl mellan produktionsdagarna. Vi kan således anta att förändringar i variation pga. drifttid uppträder huvudsakligen mellan dagarna. En faktor som kan spela roll för variation i materialet är också mellanupplagen som oftast delar upp processen i de olika krosstegen. I den studerade anläggningen finns det ett mellanupplag mellan första och andra krossteget och mellan andra och tredje krossteget. Vi kan förvänta oss en separation i dessa upplag som blir större ju mera material som lagras i dessa upplag. Vi kan därför förvänta oss en variation med olika flödeshastigheter i de olika delarna av processen. Då flödeshastigheten i den här studien kan sättas till konstant så kan vi förvänta oss en varition pga mellanupplagen inte påverkar den totala variationen. Matningshastighet/flödet varierar med transportbandens och matarnas inställningar och förändras vid behov. Den enda parametern som under studiens provtagningsperiod varierades (förorsakades av siktbyte i sikt 3) var mängden returmaterial (det material som var för stort att passera sikten vidare in i processen) från sikt 3 tillbaka till kross 3, se Fig. 2. Således kan vi anse att parametern för matningshastighet är konstant sånär som på returmaterialet S retur. I denna studie gäller då följande ekvation för variationen för krossprocessen: SS process kross = MELLANDAGLIG [SS drifttid kross + SS retur] + 0 + SS okänt (5) 3
Anna Klingberg SS provtagning Den huvudsakliga variationen för provtagningen återfinns i val av provtagningsplats, provtagningsmetod, provtagare och neddelning vid anläggningen. Provtagningsplatser och provtagningsmetoder var desamma för respektive provplats under all provtagning. Någon neddelning av proverna gjordes inte vid anläggningen. Två i ämnet utbildade och erfarna provtagare genomförde hela provtagningen. Vid analys av skillnad i analysresultaten pga de olika provtagarna kunde ingen signifikant skilllnad påvisas.ur detta kan vi dra slutsatsen att vi inte har någon mellandaglig variation för provtagningen men väl en daglig sådan. På det viset får vi en ekvation för provtagningen: SS provtagning = 0 + DAGLIG [SS provtagning] + SS okänt (6) SS analys och SS neddelning Analyserna är gjorda på samma laboratorium med samma personal och utrustning vilket ger oss möjligheten att sätta dessa parametrar till konstanta. Men med uppkomna variationer på grund av själva aktiviteten vid genomförandet, som kan vara utrustningens toleranser och noggrannheten i neddelningen och analysförfarandet, kan vi antaga att de huvudsakliga variationer återfinns inom provtagningsdagen, då det i analysarbetet inte finns något beroende av förändringar av provdagar som kan tillföra något fel. Då skriver vi ekvationen för variationen pga. analysen: SS provtagning = 0 + DAGLIG [SS analys + SS neddelning] + SS okänt (7) Med diskussionen ovan kan vi sätta upp en generell tabell, Tabell 1, för i en process vanlig förekommande variationskällor samt skriva ekvationen för den totala variationen i analyserade parametrar i samband med delprocessen vid tredje krossen: SS total variation kross = MELLANDAGLIG [SS material + SS drifttid kross + SS returmaterial ] + DAGLIG [SS material + SS provtagning + SS neddelning + SS analys ] + SS okänt (8) Tabell 1. En modell över variationens komponenter i analysresultat - SS total variation -. 1. Material 3. Provtagning 1.1 Bergart 3.1 Plats 1.2 Storleksfördelning 3.2 Provtagare 3.3 Metod 2. Process 3.4 Neddelning 2.1 Processflöde 2.1.1 Mellanupplag 4. Laboratorieanalyser 2.1.2 Flöde 4.1 Laboratorie 2.2 Maskiner 4.1.1 Utrustning 2.2.1 Sikt 4.1.2 Analyserare 2.2.1.1 Siktmedia 4.1.3 Aktivitet 2.2.1.1.1 Drifttid 4.1.4 Metod 2.2.1.1.2 Tjocklek 4.2 Provberedning 2.2.1.1.3 Hålform 4.2.1 Aktivitet 2.2.1.1.4 Öppen effektiv yta 4.2.2 Metod 2.2.1.1.5 Material 2.2.1.2 Siktegenskaper 5. Okänt 2.2.1.2.1 Lutning 2.2.1.2.2 Slagfrelvens 2.2.1.2.3 Slagform 2.2.2 Kross 2.2.2.1 Drifttid 2.2.2.2 Spaltöppning 2.2.2.3 Slag 2.2.2.4 Varvtal 2.2.2.5 Mantelform 2.3 Flödeshastighet * I denna studie är analyserna siktanalys, flisighetsindex och LA-värde.
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen 2.1.2 Korrelation Inom ballastproduktionen påverkar själva processen och de olika materialparametrarna det producerade materialets kvalitet. Det gör det möjligt att säga att det utgående materialet (M ut ) är en funktion av det ingående materialet (M in ) och den tillverkande processen (Process), ekvation (9). Utgående material i funktionen kan vara ett ej färdigt processat material i processen eller en färdig slutprodukt. Det beror på var i processen analysen sker. Processen kan delas upp många olika delar men denna studie är begränsad till framför allt en studie i effekten av slutkrossningen (konkross), ekvation (10). M ut = f(m in, Process) M ut = f(m in, Process kross ) (9) (10) I en del fall är det möjligt att relatera enskilda parametrar (P a )(a=1,2,m), till andra materialparametrar (P b )(a=1,2,n). P a = f(p b ) (11) 2.2 GENOMFÖRANDE OCH METOD 2.2.1 Analysmetoder laboratorium I denna studie har för kornstorlek, form, krossningsmotstånd (egentligen motstånd mot fragmentering) samt korndensitet studerats. Kornstorleksfördelningen är representerad av tre modifierade parametrar D90, D50 och D5. Dessa är inom branschen vanligtvis förekommande för att beskriva ett materials storleksfördelning. Normalt skall storleken i mm anges för vilken 90% respektive 50% och 5% av materialet är mindre. Av praktiska skäl har i denna studie den sikt som legat generellt närmast det teoretiska värdet på 90, 50 respektive 5% valts ut till referenssikt, Tabell 2. Mätvärdena är den verkliga andelen av totala vikten som har passerat referenssikten. Tabell 2. Valda referenssiktar för modifierade D90, D50 och D5 värden för varje provtagningsställe. Den uppmätta variationen är den aktuella passerade viktsmängden genom referenssikten generellt representerande värdena D90, D50 och D5 för sorteringarna. Provtagningsplats/ Sortering (mm) referenssikt (mm) D90 D50 D5 0/65 före krossen 40 25 5 0/25 efter krossen 20 12,5 0,25 0/8 slutprodukt 6,3 2 0,063 Form: Flisighetsindex är ett sammanvägt mått på en sorterings partikelform. Ett värde på 100 innebär att materialet är totalt flisigt (som isflak) och värdet 0 innebär att materialet är fullständigt kubiskt (som sockerbitar). Som jämförelse kan nämnas att kraven på flisighetsindex för betongoch asfaltballastmaterial i Sverige oftast är ett index mindre än 15. Krossmotstånd: LA-värde. Ju högre tal desto svagare material på en skala 0-100. De flesta svenska ballastmaterialen (taget ur täkt och krossat 2 gånger på laboratorium) har ett värde mellan 10-30. Materialparameter: Korndensiteten kan ge en indikation om materialets bergartssammansättning (generellt kan vi säga att ju lättare ett material är desto mindre är motståndet mot fragmentering). Vanlig korndensitet för bergarter som används till ballast i asfalt och betong är ca 2,6 2,7 ton/m 3. Bergartsfördelning, en visuell klassificering av ingående materials bergarter. Andelen anger antal korn av totalt antal klassificerade korn i provet. Värdet anges i %. 5
Anna Klingberg 2.2.2 Analysmetoder statistiskt Korrelationer Det ingående materialet i krossen, sortering ca 0/65, benämnes parametrarna med indexet in och för utgående materials parametrar gäller indexet ut, t.ex. D90 in och D90 ut. Utgående material - M ut och ingående material M in representeras av parametrarna D90, D50, D5, FI, LA och PD. Processen är representerad av drifttiden för krossen slitdelar - D.t cr -. Slitdelarna i krossen byttes ut mellan den fjärde och femte provtagningsdagen under provtagningsperioden. Troligen påverkar detta utfallet av det utgående materialets parametrar. Linjär Regressionsanalys och punktdiagram används för att finna den eventuella korrelationen mellan en eller flera variabler enligt Tabell 3. Tabell 3. Korrelationstester mellan in- och utgående material,. M ut = f(m in, Process). Parameter D90 in D50 in D5 in LA in FI in * D.t cr PD in D90 ut x x x x x D50 ut x x x x x D5 ut x x x x x FI ut x x x x x x x LA ut x x x x x x x PD ut x x x x x x * korrelationstester görs för både 4 första alla 5 provtagningsdagarna. Om signifikant korrelation, dvs. giltigt samband, mellan individuella parametrar erhålles så utförs ytterligare korrelationstest (multivariat analys) som innehåller alla de erhållna signifikanta parametrarna. Korrelationstest mellan olika parametrar oberoende av provtagningsplats i anläggning genomfördes också enligt Tabell (4). Tabell 4. Korrelationstester mellan parametrar, P m = f(p n ) Parameter P n D90 D50 D5 LA FI PD P m LA x x x x x FI x x x x x PD x x x Även här genomfördes multivariat analys för de parametrar som hade flera giltiga samband till en enskild parameter. Resultaten erhålles med ekvationen: y = b 0 + b 1 x 1 + b 2 x 2 +... + b k x k (12) och i enlighet med ovan har vi: y = den beroende variabeln b 0 = konstant x 1, x 2,, x k = oberoende variabler b 1, b 2,, b k =de oberoende variablernas koefficienter Vi kan genom att använda ett punktdiagram få ut korrelationsfaktorn mellan två variabler. Korrelationsfaktorn - r- är ett värde på hur korrelerade ( kopplade eller beroende) två undersökta variabler är. Från linjär regressionsanalys får vi ekvationen och ju högre korrelation desto bättre förutsägelse. Om korrelationsfaktorn r = 0 är medelvärdet den bästa och enda möjliga förutsägelsen och om korrelationsfaktorn r = ±1 är förutsägelsen perfekt.
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen Spridning ANOVA (Analysis of variance) har använts för att undersöka på beroende och skillnad på variation mellan provtagningsdagarna och inom provtagningsdagen. Den mellandagliga och dagliga variationen analyseras för alla parametrar och deras provtagningsplatser. Resultatet redovisas enligt SS mellandaglig + SS daglig = 100% (13) 2.2.3. Beskrivning av krossanläggning Frölandskrossen, som ligger utanför Uddevalla i Västsverige, är en permanent 3-stegs krossanläggning med en käftkross som förkross och två konkrossar i de andra krosstegen, Fig. 2. Anläggningen är i bruk året runt och har en årsproduktion på ca 500 kton. Täkten består i huvudsak av pegmatit, granit samt gnejs med mörka glimmerlager. Det lastade materialet in till krossen består av en blandning av dessa tre bergarter. Den största delen av produktionen går på export till Danmark och Tyskland som ballastmaterial i asfaltbeläggningar och betong. Kapaciteten i anläggningen vid provtagningsdagarna var ca 360 ton/timme in i krossen, vilket var anläggningens normalkapacitet.mellanlagret kunde maximalt innehålla 1,5 dagars produktionsmaterial för processen efter kross 2. Flödet vid provtagningsplatsen för materialet in till kross 2 avlästes på bandvåg innan varje provtagningstillfälle. Flödet varierade mellan 160-175 ton/timme, proverna är tagna vid anläggningens normalkapacitet. Materialet som lastades in de olika provtagningsdagarna kommer från flera blandade salvor. Någon uppföljning av variation i sammansättningen av materialet pga de olika sprängsalvorna har inte gjorts i denna studie. Inmatning av material från täkten Provtagning utgående material (0/25mm) Kross Upplag Sikt SIKT 3 X FÖRKROSS X Provtagningsplats Flöde Krossad 1 gång Krossad 2 gånger Krossad 3 gånger SIKT 1 16-32 SIKT 2 0-32 SIKT 4 Provtagning ingående material (0/65mm) X KROSS 3 X 8-16 Provtagning slutprodukt (0/8mm) KROSS 2 SKÄRV Figur 2. Situationsplan över anläggningen i Frölandskrossen utanför Uddevalla med de tre provtagningsplatserna markerade. Proverna är tagna före och efter sista krossteget(kross 3) i produktionen samt efter sikt 4 som en slutprodukt. Proverna före krossen (0/65mm. I teorin egentligen 8/65 men då rensiktningsgraden var låg så innehöll materialet en del 0/8-material) och efter sikten (0/8mm) är tagna från stillastående transportband samt provet efter krossen (0/25) är taget ur materialströmmen från transportbandet på efterkommande sikt. Observera att slutmaterialet 7
Anna Klingberg (0/8mm)innehåller material som är krossat både två och tre gånger samt att sikt 3 också levererar returmaterial (material som är för stort att passera genom sikt 3) tillbaka till kross 3. Då det är viktigt för krossarnas prestanda att ingående materialström inte innehåller finkornigt material plockas detta material ut i siktarna innan krossarna 2 och 3. I sikt 1 tas material 0/32 (kan också väljas i andra största stenstorlek beroende på marknadssituation) ut som sedan används som en slutprodukt medan resterande material går vidare för att krossas en andra gång. I sikt 2 tar man, i denna anläggning, alltid ut 0/8mm material som går vidare till slutsiktning och den andra grövre delen av materialet går vidare till kross 3. I sikt 3 som följer på kross 3 delas materialet upp i en övre och undre del. Den undre delen av materialet går vidare till slutsiktning (sikt 4) för uppdelning i slutprodukter och den övre delen får gå i retur för omkrossning i kross 3. Gränsen mellan den övre och undre delen kan variera och beror på vilka storlekar man beslutar att ha som slutprodukt. I denna anläggning varieras gränsen mellan storlekarna 16, 22 och 32mm. Ovanstående resulterar att ca 25% av slutprodukten 0/8mm innehåller material som krossats endast 2 gånger medan resterande material krossats tre gånger. Returen från sikt 3 som går till omkrossning varierar i flöde, Tabell 5, i förhållande till vilken gräns man för tillfället använder vid uppdelningen av materialet i sikt 3. Tabell 5.Mängden returmaterial in ingångsmaterialet till kross 3 beroende av vilken storlek på översta siktmedia i sikt 3 i procent av totala mängden material in i krossen. Provtagningsdag Gräns siktmedia returmängd % av totalmängd 1 ons 27 okt 22 mm 10 ton/tim 6 2 tors 4 nov 32 mm 6 ton/tim 4 3 mån 8 nov 32 mm 6 ton/tim 4 4 tis 16 nov 32 mm 6 ton/tim 4 5 ons 24 nov 16 mm 25 ton/tim 10 2.2.4 Provtagning Provtagningen genomfördes i november 1999 ur anläggningens normala produktion. Provtagningen utfördes enligt europeisk standard (SSEN 932-1, 1996). Proverna togs 1 dag per vecka fem veckor i rad. Tiden för provtagningstillfällena slumpades enligt ett provtagningsschema, Bilaga A. Totala antalet prov för ingående (0/65mm) och utgående (0/25) material till kross 3 var 5. Sorteringen 0/65mm togs ut från stillastående transportband innan kross 3 medan sortering 0/25mm togs ur rinnande materialströmmen vid pålastning till sikt 3. Sortering 0/8mm togs också ur stillastående transportband men efter sikt 4, Fig 2. Provtagningen av material före och efter krossen samt materialet ut ur slutsikten har skett så att det skall vara i princip ur samma material på de tre olika ställena som proverna har tagits ur. Dock så var det i verkligheten inte möjligt att genomföra all provtagning enligt provtagningsplanen utan en del provtagning uteblev på grund av logistiska problem som tex. stopp i produktion. Detta gjorde att antalet prov blev något mindre än planerat, Tabell 6. Till neddelningsanalys har ett prov från varje dag tagits ut, se markering i Bilaga A och avsnittet 3 Neddelningsstudie.
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen Tabell 6. Antal analyser för varje sortering och provtagningsdag. Det totala antalet tagna prov kan avläsas i kolumnen för kornstorlekfördelning. Observera att antalet prover och tiden mellan provtagningsdagarna är olika. Typ av analys Kornstorleksfördelning Flisighetsindex _ LA-värde Provt.dag/ Sort.(mm) 0/8 0/25 0/65 0/8 0/25 0/65 0/25 0/65 1 ons 27 okt 14 5 5 14 5 5 5 5 2 tors 4 nov 14 5 5 14 5 5 5 2 3 mån 8 nov 11 4 4 11 4 4 4 2 4 tis 16 nov 13 5 5 13 5 5 5 5 5 ons 24 nov 14 5 5 14 5 5 5 5 Total 66 24 24 66 24 24 24 19 Typ av analys Korndensitet Bergarts bestämning Provt.dag/ Sort.(mm) 0/25 0/65 0/25 0/65 1 ons 27 okt 5 4 5 5 2 tors 4 nov 4 1 5 2 3 mån 8 nov 4 2 5 2 4 tis 16 nov 1 4 5 5 5 ons 24 nov 5 3 5 5 Total 19 14 25 19 2.2.5. Neddelningsmetod och analyser Siktanalyserna och flisighetsindexen analyserades på NCCs asfalt- och krosslaboratorium i Västerås våren 2000 av deras personal. Analyserna av LA-värdet genomfördes av författaren på NCCs laboratorium i Barkarby hösten 2000. Proverna från provtagningen ute i anläggningen neddelades till analysprover enligt europeisk standard (EN 933-2, 1999), Tabell 7. En neddelningsapparat med halveringslåda (benämnes fortsättningsvis halveringslåda) användes för neddelningen av 0/8mm-proverna medan en kombination av kvartering och halveringslåda användes för neddelningen av 0/65mm och 0/25mm. Analysprovet för LA-värdet togs ut efter att siktningsanalysen genomförts. Tabell 7. Provernas vikter. Vikten för analysproverna gäller för siktning och flisighetsindex. Analysvikten för LA-värdet (5 kg av ur fraktionen 10/14mm) togs ur anläggningsprovet samt partiklarna för analysen av korndensiteten (ca 700 gr) och analysen av partiklarnas bergartsinnehåll (ca 300 partiklar) togs ur analysprovet till LA-värdet. Sortering Anläggningsprov Analysprov 0/8 20 kg 1 kg 0/25 45 kg 10 kg 0/65 90 kg 40 kg Siktanalysen (kornstorleksfördelning) genomfördes enligt europeisk standard (EN 933-1, 1997) med ett undantag; de traditionella vävda siktarna användes för siktar större än och lika med 20mm istället för perforerade siktar. Analyserna av flisighetsindexet (värde på ett materials generella kornform) är genomförda enligt europeisk standard (EN 933-3, 1997). Analysen består av två siktningsaktiviteter, den första med vanliga siktar där analysprovet delas upp i fraktioner. Sedan skall varje fraktion siktas i en motsvarande harpsikt (sikt med parallella stavar). Provets flisighetsindex är den sammanlagda vikten som passerat harpsiktarna uttryckt i procent av den totala siktade mängden. LA-värdet (värde på motstånd mot fragmentering) med Los Angeles trumma analyserades enligt den då preliminära europeiska standarden (pren 1097-2, 1997). Det erhållna värdet är den procentuella andel av hela analysprovet som har malts ned i trumman och passerar sikten 1,65mm. Analysen är genomförd med två avsteg från ovanstående standard: - Analysprovet har tagits ut ur en mängd av 5-10 kg av fraktionen 10/14mm medan standarden kräver en mängd på 15 kg. - Analysprovets vikt är inte vägt och kalibrerat i torkat tillstånd som standarden kräver. 9
Anna Klingberg Korndensiteten är analyserad enligt FAS metod 208 (Asfaltföreningen, 1998), en metod vid vilken man väger partiklarna under vatten. Bergartsanalysen har genomförts okulärt. Ur analysprovet för LA-värdet har ca 150 korn ur vardera 10/11,2 mm och 11,2/14mm (dvs. totalt ca 300 korn per prov) slumpvis tagits ut och varje korn har sedan kategoriserats att tillhöra en av tre grupperna; granit, pegmatit och gnejs. Värdet på bergartsinnehållet är andelen i procent av antalet korn som placerats i respektive grupp av provets totala antal korn. 2.3. RESULTAT Först redovisas resultaten av den s.k. beskrivande statistiken, dvs. hur spridningen för varje parameter ser ut. Sedan redovisas fördelningen av variationerna. Därpå presenteras ett avsnitt med resultaten från korrelationstesterna med enskilda in- och utgående materials parametrar som sedan följs av ett avsnitt med korrelationstester med dessa parametrar kombinerade. Det femte avsnittet redovisar resultaten av korrelationen mellan de olika parametrarna. 2.3.1. Beskrivande statistik Hela datasetet redovisas i Tabell 8 med antal prover, medelvärde, kvartiler, standardavvikelse, minmax värde samt 95% konfidensintervall. Tabell 8. Beskrivande statistik för i studien ingående analyserade parametrar. Ju fler antal prover desto bättre (mindre) konfidensintervall. Parameter Kornstorleksfördelning D90 D50 D5 före krossen efter krossen slutprodukt före krossen efter krossen slutprodukt före krossen efter krossen slutprodukt n 24 24 66 24 24 66 24 24 66 Q25 86 69 89 50 41 45 4 2 4 Q50 90 77 90 53 52 46 5 4 4 Q75 92 89 91 61 66 48 6 5 4 medel 89 78 90 54 53 46 5 4 4 std.avvik. 5,4 14,6 1,8 8,7 15,0 2,9 1,5 1,9 0,4 min-max 72-99 48-97 86-93 33-69 25-75 40-51 3-8 1-7 3-5 konf vall 2,1 5,9 0,4 3,5 6,0 0,7 0,6 0,8 0,1 Parameter Flisighetsindex Korndensitet LA-värde före krossen efter krossen slutprodukt före krossen efter krossen före krossen efter krossen n 24 24 66 14 19 19 24 Q25 12 7 15 2,61 2,61 29 25 Q50 13 8 16 2,61 2,61 31 27 Q75 14 10 18 2,61 2,62 31 28 medel 13 9 17 2,61 2,61 30 27 std.avvik. 1,8 2,3 3,4 0,01 0,00 2,0 2,3 min-max 10-17 5-13 11-24 2,60-2,62 2,61-2,62 26-33 22-31 konf vall 0,8 0,9 0,8 0,00 0,00 0,9 0,9 Parameter Bergartsfördelning granit pegmatit gnejs före krossen efter krossen före krossen efter krossen före krossen efter krossen n 19 24 19 24 19 24 Q25 28 27 51 57 3 2 Q50 32 33 61 59 4 5 Q75 43 37 67 69 8 8 medel 34 34 60 61 5 5 std.avvik. 10,9 10,4 11,2 10,5 3,3 3,6 min-max 16-54 20-55 43-82 43-78 1-12 1-14 konf vall 4,9 4,2 5,1 4,2 1,5 1,4 Standardavvikelsen för D90 ut (efter krossen) är närmare 3 gånger så stor som för D90 in (14,6 jämfört med 5,4) och spridningsvidden för D90 ut är nästan två gånger större än för D90 in (47-98 jämfört med 72-99). Per definition bör medelvärdet och Q50 vara så nära talet 90 som möjligt men så är inte fallet för D90 ut (medel = 78, Q50=77). Det kan visa på att den valda referenssikten (20mm)skulle vara en annan. Men om vi skulle välja nästa möjliga sikt som referens (25mm) så skulle värdena ligga
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen omkring 99-100 och dessa värden ger oss ingen information om provernas spridning. Vi kan se samma tendens med en mycket större spridning på analysresultaten för D50 ut jämfört med D50 in. Spridningsvidd och standardavvikelse för flisighetsindex är ungefär detsamma för både in- och utgående material. Vi kan också se att spridningen är relativt liten genom att titta på standardavvikelsen (1,8 resp. 2,3). Som jämförelse kan nämnas att Europeiska standarden (pren 13043, 1999) anger i kravkriterierna klasser om 5 enheter i flisindex för korresponderande ändamål. Spridningsvidden för korndensiteten är mycket låg för både in- och utgående material: 20 kg/m 3 för PD in och 10 kg/ m 3 för PD ut. Variationen för LA-värden, både in- och utgående, är relativt stora vilket härstammar huvudsakligen från den femte dagens provresultat. Den femte dagens värden uppvisar betydligt bättre (lägre) LA-värden än de tidigare provtagningsdagarna, se bilaga B. Genom att studera Fig 3. ser vi också spridningen över dagarna. 34 32 24 30 21 LA-värde medel, kvartiler och 95% konfidensintervall 24 28 26 24 20 22 20 N = 5 5 2 2 2 2 5 5 5 1 2 3 4 Provtagningsdag 5 5 LAout LA in Figur 3. Boxplot för in- och utgående materials LA-värde. Femte provtagningsdagen har tydligt lägre värden än de övriga dagarna. Avvikelsen kan bero på att femte provtagningsdagen har en högre andel av granit i ingångsmaterialet. Spridningsvidden kan således anses vara stor i förhållande till den Europeiska standardens (pren 13040, 1999) klasser om 5 enheter för korresponderande ändamål och krav. 2.3.2. Mellandaglig och daglig variation En tidsserie, som diagram, av alla analyser per parametrar i de olika delarna av processen återfinns i bilaga B. Varje parameters bidrag till SS mellandaglig och SS daglig som andel av SS total variation återges i Tabell 9 samt i diagram i bilaga C. SS daglig är den del av variationen som är orsakad av andra faktorer än den fixerade faktorn (provtagningsdagar) i den utvärderade ANOVA-modellen. I vårt fall betyder det slumpmässiga fel och variationer som uppträder inom en provtagningsdag. 11
Anna Klingberg Tabell 9. Fördelning mellan mellandagliga och dagliga variationer av den totala variationen för varje provtagningsställe, före (0/65) och efter (0/25) tredje krossen samt den slutliga produkten (0/8). Resultaten redovisas också i diagramform i Bilaga C. Analys Provtagningsplats SS daglig SS mellandaglig 1. Kornstorleksfördelning D90 Före tredje krossen 45,5 54,5 D50 -- -- 45,2 54,8 D5 -- -- 52,9 47,1 D90 Efter tredje krossen 7,1* 92,9* D50 -- -- 7,6 92,4 D5 -- -- 13,0 87,0 D90 Slutprodukt (0/8) 87,3* 12,7* D50 -- -- 87,3 12,7 D5 -- -- 70,6 29,4 2. Flisighetsindex -- -- Före tredje krossen 85,6* 14,4* -- -- Efter tredje krossen 19,8 80,2 -- -- Slutprodukt (0/8) 48,4 51,6 3. LA-värde -- -- Före tredje krossen 26,2 73,8 -- -- Efter tredje krossen 31,8 68,2 4. Korndensitet -- -- Före tredje krossen 66,9* 33,1* -- -- Efter tredje krossen 79,9* 20,1* 5. Bergarter Granit Före tredje krossen 34,1 65,9 Pegmatit -- -- 38,2 61,8 Gnejs -- -- 39,0 61,0 Granit Efter tredje krossen 17,5 82,5 Pegmatit -- -- 29,2 70,8 Gnejs -- -- 57,0 43,0 * Icke signifikant på nivå α <0,05. Kornstorleksfördelning D90, D50 och D5 För ingående material före krossen är bidraget till variationen inom kornstorleksfördelningen mellan dagar och inom dagen ungefär lika stora, 50-50%, för alla tre parametrarna. Den huvudsakliga delen av variationen för det utgående materialets 0/25 kornstorleksfördelning kommer från provtagningen mellan dagarna, ca 90% för alla tre parametrarna. I diagrammet som visar fördelningen över provtagningstiden, bilaga B, kan vi se att värdena sjunker under de första fyra dagarna och sedan under femte provtagningsdagen ökar till högre värden än de tidigare dagarna. Detta gäller både D90 och D50. Kornstorleksfördelningen för slutprodukten 0/8 har sin huvudsakliga variationsdel inom provtagningsdagarna. D90 och D50 har ca 90% medan D5 har ca 70% av sin variation inom dagliga variationen. Amplituden under provdag 2 för D90 och D50 är tydligt större än under de andra dagarna, Bilaga B. Flisighetsindex Den huvudsakliga delen av variationen (85%) för det ingående materialet återfinns inom provdagarna. Tvärtemot så visar det utgående materialet upp den huvudsakliga variationen mellandagarna (80%). Vi kan se den mellandagliga variationen som en försiktigt ökande trend, bilaga B, de
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen första fyra dagarna och sedan den femte dagen sjunker värdena. Det är en spegelvänd tendens jämfört med kornstorleksfördelningen i samma provtagningsplats. För slutprodukten 0/8 är andelarna (50-50%) lika mellan den mellandagliga och dagliga variationerna. Detta kan man också se i diagrammen, bilaga B. Den mellandagliga variationen kan ses som en svag trend uppåt de fyra första dagarna och en tydlig minskning den femte dagen. Den dagliga variationen härrör sig från den relativt stora amplituden på variationen inom dagarna. LA-värde Både materialet före och materialet efter krossen har den huvudsakliga variationen mellan dagarna ((70%). Enligt diagrammet, bilaga B, följer det utgående LA-värdet det ingående LAvärdet ganska väl. Vi kan också se att både in- och utgående värde hos LA, under femte provtagningsdagen, är påtagligt lägre än de fyra tidigare dagarna. Korndensitet Vi återfinner den största delen av variationen (70%) inom dagen både för in- och utgående material. Bergartsfördelning För bergarterna granit och pegmatit uppvisar den största variationen som mellandaglig (70-80%) för både in- och utgående material. För gnejs är de mellandagliga och dagliga andelarna av variationen grovt sett lika stora. 2.3.3. Singelkorrelation mellan in- och utgående parametrar Genom att utföra en linjär regressionsanalys samt titta på de korrelationer som har en signifikansnivå på mindre än 5% för koefficienten (b 1 ), ekvation (12), så erhåller vi korrelationen mellan de olika parametrarna på ingående material, utgående material och krossens drifttid. Mellan fjärde och femte provtagningsdagen byttes slitdelarna i krossen. Därför har en analys först gjorts för de första fyra provtagningsdagarna som en grupp och sedan har det jämförts med resultat från analysen gjord på alla fem provtagningsdagarna. Vi kan nämligen ana att förutsättningarna för det genomgående materialet förändras genom bytet av slitdelarna. 13
Anna Klingberg Tabell 10. Utgående materials parametrar (y) som funktion av krossens drifttid och av ingående materials parametrar (x) med konstanter, erhållna från linjär regressionsanalys (b 0 och b 1 ) (se ekvation 5), samt med korrelationsfaktor (r), erhållen från anpassad linje i punktdiagram. Fet stil anger samma tecken på korrelationen (positiv eller negativ lutning av den anpassade linjen) för alla delgrupper, varje provtagningsdag. Endast resultat med signifikant konstant b 1 (nivå < 0,5) är redovisade i tabellen. Y x dagar b 0 b 1 r 1. Drifttid kross D90 ut D.t kr 4 180** -0.46 ** -0.93 D50 ut D.t kr 4 160** -0.48 ** -0.94 D5 ut D.t kr 4 15** -0.052 ** -0.88 FI ut D.t kr 4-11** 0.088 ** 0.91 LA ut D.t kr 4 21** 0.032 * 0.48 LA ut D.t kr 5 23** 0.020 ** 0.81 2. Kornstorleksfördelning LA-värde D90 ut LA in 5 230** -4.9 ** -0.58 D5 out LA in 5 200** -4.9 ** -0.58 D5 ut LA in 5 25** -0.69 ** 0.66 3. LA-värde LA ut LA in 5-5.4 1.1 ** 0.81 LA ut D50 in 5 33** -0.12 * -0.44 4. Flisighetsindex FI ut FI in 5 1.5 0.53 * 0.41 FI ut D90 in 4 34** -0.28 ** -0.66 FI ut D90 in 5 28** -0.22 ** -0.51 FI ut D50 in 4 18** -1.5 ** 0.61 FI ut D50 in 5 18** -0.16 ** -0.62 ** signifikansnivå < 0.01 * signifikansnivå < 0.05 Negativt tecken på r visar på negativ korrelation. Följande resultat kan avläsas ur ovanstående Tabell 10: 1. Krossens drifttid som avspeglar slitaget på krossens slitdelar, har ett tydligt inflytande på passerat materials kornstorleksfördelning (D90, D50 och D5) och flisighetsindex. Inflytandet bekräftas av den höga korrelationsfaktorn, r = 0,9, för de fyra första provtagningsdagarna. Vidare kan vi läsa att LA-värdets beroende av drifttiden har en högre korrelationsfaktor för alla fem provtagningsdagarna jämfört med de fyra första dagarna. 2. Det utgående materialets alla tre parametrar för kornstorleksfördelningen är korrelerade till LAvärdet men korrelationsfaktorn är inte så hög, r = 0,6. 3. Det utgående materialets LA-värdet efter krossen är korrelerat till det ingående materialets LAvärde och kornstorleksfördelningens D50. Korrelationsfaktorn mellan de två LA-värdena är högt och sambandet förstärks ytterligare av att korrelationsfaktorn för varje delgrupp (för varje enskild provtagningsdag) har alla samma lutning, fig. 4. Korrelationsfaktorn mellan LA ut och D50 in får anses som låg (r = 0,4) och sambandet försvagas ytterligare av det faktum att två av tre kornstorleksparametrar i kornstorleksfördelningen inte har någon korrelation till LA ut.
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen 32 30 Provtagningsdag 28 26 5 r = 0.21 4 r =0.47 3 2 1 r = 0.13 Alla prover r = 0.81 24 LA ut 22 26 27 28 29 30 31 32 33 LA in Figur 4.Korrelation mellan LA in och LA ut. Korrelationsfaktorn r för alla dagar är signifikant (r=0,81) och sambandet styrks av att lutningen på den anpassade linjen är densamma för de enskilda dagarna. Linjerna för dag 2 och 3 kan inte visas då de dagarna innehåller endast 2 prover vardera. 4. Korrelationen mellan FI ut och kornstorleksfördelningens D90 in och D50 in är signifikant. Men då en av de tre parametrarna (D5) inte visar upp någon direkt korrelation samt att korrelationsfaktorn inte är så hög så försvagas vikten av sambandet. 5. Ingen signifikant korrelation mellan någon av parametrarna och korndensiteten har påvisats. 2.3.4. Multikorrelation mellan ingående och utgående material Alla ingående parametrar (oberoende variabler) som uppvisade signifikant korrelation till en utgångsparameter (beroende variabel) har testats i samma kombination. Ekvationerna (14) och (15)- (20) har tillämpats för de första fyra provdagarna, innan slitdelarna i krossen byttes ut, med tanke på slitdelarnas drifttid (D.t kr ). Ekvation (15) är tillämpad för alla fem provtagningsdagarna, detta för att se hur den oberoende variabeln (D.t kr ) förhåller sig till de andra oberoende variablerna. Ekvation (16) testas för alla fem provtagningsdagarna men utan (D.t kr ) som oberoende variabel. Nedan ser vi att för alla ekvationer återfinns (D.t kr ) som oberoende variabel i slutekvationerna efter testet. Gäller ej ekvation (16). Endast ekvationerna för LA ut, ekvation (14), och FI ut, ekvation (17), innehåller ytterligare oberoende variabler. Således fick vi ekvationerna med de kvarvarande oberoende variablerna: Testad ekvation Resultat Signifikant Ekvation LA ut = f(d.t kr, LA in,d50 in ) = > f(d.t kr, LA in ) = 0.77 LA in + 0.03 D.t kr 2.5 (14) LA ut * = f(d.t kr, LA in,d50 in ) => f(d.t kr ) = (15) LA ut * = f(la in,d50 in ) => f(, LA in ) = 1.1 LA in 5.4 (16) FI ut = f (D.t kr, FI in,d90/50/5 in ) => f(d.t kr, FI in ) = 0.31 FI in + 0.084 D.t kr 14 (17) D90 ut = f(la in, D.t kr ) => f (D.t kr ) = 180 0.46 D.t kr (18) D50 ut = f(la in,, D.t kr ) => f(d.t kr ) = 160 0.49 D.t kr (19) D5 ut = f(la in, D.t kr ) => f(d.t kr ) = 15 0.052 D.t kr (20) * analys gjord för alla fem dagar 15
Anna Klingberg 2.3.5. Korrelation mellan parametrarna De erhållna signifikanta korrelationerna mellan de enskilda parametrarna visas i Tabell 11. Tabell 11. Parametrar (y) som funktion av andra parametrar (x), med koefficienter från linjär regressionsanalys (b 0 och b 1 ) samt korrelationsfaktor (r) från anpassad linje i punktdiagram. Fet stil anger samma tecken på korrelationen (positiv eller negativ lutning av den anpassade linjen) för alla delgrupper, varje provtagningsdag. Endast resultat med signifikant konstant b 1 (nivå < 0,5) är redovisade i tabellen. y x b 0 b 1 r LA D50 33** -0.088 ** - 0.41 LA FI 22** 0.56 ** 0.66 FI D50 16** -0.10 ** - 0.40 ** signifikant nivå < 0.01 Negativt tecken på r visar på negativ korrelation. Det visar sig att både LA-talet och FI är korrelerade till en av kornstorleksfördelningens parametrar (D50) men sambandet försvagas av att de andra två (D90, och D5) inte finns. Samtidigt visas en korrelation mellan FI och LA-talet. När sedan en test görs med LA som beroende variabel och med FI och D50 som oberoende variabler, ekvation (21) så faller D50 bort och sambandet visar endast LAtalet och FI enligt: LA = f(fi, D50) => f(fi) = 22 + 0.56FI (21) Om vi kvadrerar korrelationsfaktorn (r = 0,66), Fig. 5, så får vi fram den så kallade förklaringsgraden dvs hur stor del av resuktatet på LA kan förklaras av värdet på FI. I detta fall så kan LA-värdet till (r 2 = 0,44) ca 44 % förklaras av värdet på FI. 34 32 Provtagningsdag 5 30 r = 0.89 4 28 r = 0.27 3 26 r = 0.92 2 24 r = 0.51 1 LA 22 20 4 6 8 10 12 14 16 18 r = 0.76 Alla provtagningsdagar r = 0.66 FI Figur 5. Korrelationen mellan LA och FI har en korrelationsfaktor på 0,66. Även om detta inte är en stark korrelation så visar varje provningsdags riktning och korrelationsfaktor att det föreligger ett tydligt samband. 2.4 DISKUSSION Det visade sig i resultaten att drifttiden för krossens slitdelar har stor betydelse för utgångsmaterialets parametrar, därför kan det vara på sin plats att visa ett diagram över drifttiden på slitdelarna under provtagningstiden, Fig. 6. Notera att driftdelarna byttes ut mellan fjärde och femte provtagningsdagen.
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen 300 260 222 227 Antal timmar 200 100 194 0 1 2 3 4 5 Provtagningsdag Figur 6. Den passerade krossens slitdelars ackumulerade drifttimmar under de olika provtagningsdagar. 5 2.4.1 Kornstorleksfördelning Alla resultaten visar på att D50 och D90 är påverkade av förändringar som sker mellan dagarna. Av detta kan vi då ana att det beror på variation i ingångsmaterialets variation i bergarter som också varierar över dagarna. Den inomdagliga variationen härrör sig både från materialets bergartsvariation och variation pga. själva provberedning och siktanalysen. Då materialet har passerat krossen har andelen av variationen som varierar mellan dagarna ökat väsentligt och korrelationen mellan de tre siktparametrarna D90, D50 och D5 och krossens drifttid har blivit signifikant, med en korrelationsfaktor på 0,6. Av detta kan slutsatsen dras att krossens drifttid har en tydlig påverkan på kornstorleksfördelningen. Resonemanget förstärks av att diagrammet, bilaga B, för D90 och D50 för det utgående materialet uppvisar en spegelbild av krossens drifttid. Ju länge drifttid desto grövre sortering (sämre reduktionsgrad). Gällande slutprodukten 0/8: Effekten från krossens drifttid och effekten av den mellandagliga variationen av bergartssammansättning verkar inte ha stått sig genom processen då den huvudsakliga variationen står att finna inom dagen och där förmodligen till största delen härrör sig från variation i provtagning, provberedning och analys samt eventuellt den dagliga variationen i bergartssammansättningen hos det ingående materialet. 2.4.2. Form Flisighetsindex Det verkar som om flisighetsindexet är relativt okänsligt för den stora mellandaglig variation bergartssammansättning har i det ingående materialet då vi i flisighetsindexet för det ingående materialet endast kan återse en liten del av den variationen (20%). Men då materialet har passerat krossen visar flisighetsindexet upp ett helt annat beteende som tyder på att det är påtagligt beroende av krossens drifttid. Korrelationstesten visar också på ett beroende av drifttiden. Även om korrelationsfaktorn inte är så hög så får vi anse att förhållandet är stärkt då även varje dags korrelation har samma tecken. Beroendet kan ses i Fig. 7. 17
Anna Klingberg 15 Flisighetsindex 10 5 FI efter Drifttid 0 1 2 3 4 5 Provtagningsdag Figur 7. Flisighetsindexets variation i jämförelse med den passerade krossens drifttid på slitdelarna. 14 Provtagningsdag 12 5 r = 0,75 4 10 r = 0,81 3 r = 0,70 8 2 r = 0,20 6 1 r = 0,35 FI ut 4 8 10 12 14 16 18 Alla dagar r = 0,41 FI in Figur 8. Korrelation mellan in- och utgående materials flisighetsindex. Trots att korrelationsfaktorn för alla dagar är svag kan beroendet anses vara visat då alla enskilda dagars korrelation visar upp samma mönster. Trots att korrelationen mellan in- och utgående flisighetsindex inte är hög så är också här sambandet signifikant, vilket förstärks av att alla enskilda provtagningsdagar har samma tendens på korrelationen. Det utgående materialets flisighetsindex beroende av det ingående materialets flisighetsindex kan sägas vara bekräftat, Fig. 8. Av detta kan vi dra slutsatsen att både krossens drifttid och ingående material har betydelse för partikelformen på det utgående materialet. För slutproduktens (0/8mm) flisighetsindex kan vi se variationen mellan dagarna som en fortsättning av variationen vi såg i materialet direkt ut från krossen om än inte så tydligt och med något förändrat utseende, Fig. 9. Det beror främst på att ca 25% av materialet i slutprodukten ej har passerat tredje krossen i processen. Heikkilä (1991) visade att ett materials flisighetsindex förbättrades
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen för varje krossteg. Det är således väntat att vi kan se en försämring av flisighetsindexet i 0/8 sorteringen jämfört med 0/25 mm materialet som passerat 3:dje krossteget i sin helhet. Den dagliga variationen, i 0/8mm sorteringen, av flisighetsindex härrör mestadels från variationer i provtagningen, provberedningen och själva analysen. 30 95% Konfidensintervall Flisighetsindex 20 10 0 N = 5 5 14 5 5 14 4 4 11 5 5 13 5 5 1 2 3 4 5 14 efter krossen före krossen slutprodukten PROVDAG Figur 9. Skillnaderna i flisighetsindex mellan provdagarna och provtagningsplatserna. Effekten av den mellandagliga variationen i materialet efter krossen kan skönjas i slutprodukten, något förändrat och med förhöjda värden som beror på det faktum att ca 25% av slutproduktens material endast har krossats 2 gånger. 2.4.3. Styrka Los Angeles värde Korrelationsfaktorn mellan LA in och LA ut är så hög att vi kan dra slutsatsen att LA-värdet på det ingående materialet i krossen har en avgörande betydelse för LA-värdet på det utgående materialet. Delgrupperna för varje provtagningsdag visar upp samma beteende och förstärker således antagandet, figur 4. Det visade sig att också korrelationen mellan utgående materials LA-värde och krossens drifttid var signifikant men studerar vi Fig. 10 där vi ser varje dags medelvärde för både in- och utgående materials LA-värde så kan slutsatsen dras att den korrelationen är mest en tillfällighet och inte så stark som den verkar vara Trenden för LA ut, Fig. 10, ser ut att ganska väl följa trenden för drifttiden men trenden att följa LA in är starkare. Dock kan man se att skillnaderna på varje dags medelvärde LA sk verkar bli mindre ju längre drifttid. Av detta kan vi dra slutledningen att LA ut är primärt beroende av ingående LA in och sekundärt beroende av drifttiden. 19
Anna Klingberg 32 30 LA sk1 medel LA in medel LA ut drifttid LA sk1 LAsk =LA LA in LA ut sk1 LAsk1 LA-värde 28 26 195 tim 225 tim 235 tim 260 tim 24 22 1 2 3 4 5 Provtagningsdag Figur 10. Varje dags medelvärde för LA in resp. La ut med krossens drifttid inlagd samt markeringar för varje dags skillnad mellan in- och utgående LA-värden. I både diagrammet, Fig. 10 och från resultaten i Tabell 12 kan vi se att förändringen av medelvärdet är beroende av drifttiden, medan tendensen inte är lika klar när vi tittar på medel på den enskilda skillnaden mellan in- och utgående LA-värden. Det kan dock bero på att antalet prov och standardavvikelse varierar för varje provtagningsdag. Av detta kan vi dra slutsatsen att trots att vi tidigare visat att LA-värdet på utgående material är i första hand påverkat av ingående materials LA-värde påverkas det också av krossens drifttid. Det innebär att förbättringen (som ju skillnaden mellan in- och utgående LA-värde ger) av LA-värdet som sker vid passage av krossen minskar vid ökad drifttid. Kopplingen till krossens drifttid bekräftas också av LA-värdet beroende av Flisindexet, Fig. 5, som i sin tur visats också vara påverkat av krossens drifttid, jmf ekvation (21). Tabell 12. LA-värdets förbättring (medelvärde) för varje provtagningsdag. Två sätt att ta fram skillnaden mellan LA-värdet före och efter krossen, LA sk.. Provtagningsdag medel skillnad LA sk = LA in LA ut LA sk = medel LA in medel LA ut 1 4.2 3.8 2 2.9 3.5 3 3.8 2.8 4 2.2 2.4 5 4.0 4.1 Förhållandet mellan LA-värde och FI blir lite tydligare om vi tittar på respektive korrelation för inrespektive utgående material, Fig. 11. Där ser vi att korrelationen mellan dem är betydligt starkare för det ingående materialet och att det har försvagats efter att materialet har passerat krossen. Det tyder på att flisighetsindex beroende av krossens drifttid är större än vad det är för LA-värdet. 5 tim
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen 34 32 30 28 26 LA ut / FI ut LA-värde 24 22 4 6 8 10 12 14 16 18 r = 0,48 LA in / FI in r = 0,15 Flisighetsindex Figur 11. De olika korrelationen mellan LA-värde och FI för in- och utgående material. 3. VARIATIONER I OLIKA NEDDELNINGSMETODER 3.1 PROVTAGNING OCH MATERIAL Proverna till detta delprojekt kommer från två olika krossanläggningar i sydvästra Sverige. Ingående material är krossat berg och består generellt av granit och pegmatit. Dock anses materialet inte ha någon inverkan på resultatet av denna studie och har därför inte studerat mer ingående. Huvuddelen av denna studie behandlar materialet 0/8 mm från Frölandskrossen. Senare tillkom sorteringarna 11/16 mm och 16/25 mm från en annan anläggning för att se om storleken på sorteringen påverkar resultatet. 3.2 NEDDELNINGSMETODER För sorteringen 0/8 mm har tre olika neddelningsmetoder har studerats; roterande neddelare, halvering med neddelningsapparat samt halvering med återblandning, Fig 12, 13 och 14. Då det visade sig att den sistnämnda metoden var mycket tidsödande samt att den visade upp den största spridningen i resultaten så valdes den metoden bort vid analysen av effekterna av neddelningsmetoder för de de båda sorteringarna 11/16 mm och 16/25 mm. Variationen som uppstår från själva provtagningen är en relativt betydelsefull del av den totala variationen. Av denna anledning så togs endast ett prov ut för en inbördes jämförelse av varje sortering och neddelades först med en roterande neddelare enligt Fig. 12. Denna metod antages ge den minsta möjliga variationen vid neddelning. Detta skall också tas med i beräkningen vid utvärderingen av studien. 21
Anna Klingberg Neddelning av prover med roterande neddelare ( i Borås) m Laboratorieprov Neddelning 1:a gång Sammanslagning 1:a gång m/2 m/4 Reserv Varje delvikt m/16 Varje delvikt m/32 m/4 Sammanslagning 2:a gång Figur 1 m/4 Fetmarkerade prov vidare till neddelningsanalys Streckade till siktningsanalys Figur 12. Illustration av den initiala neddelningen till tre lika prov för vidare neddelning med olika metoder. Tre olika metoder analyserades; halvering med neddelningsapparat, Fig. 13, halvering med återblandning, Fig. 14 och 15 b, samt neddelningen med den roterande neddelaren, figur 15a, enligt ovanstående Fig.12. Neddelning med halvering Sammanslaget 2:a gången m/4 Neddelat prov från den initiala neddelningen, figur 11. Neddelat 3:e gången m/8 Neddelat 4:e gången m/16 Neddelat 5:e gången m/32 Vid varje neddelning görs en vägning av proverna Vid 5:de neddelningen analyseras siktkurvan på provet Figur 13. Illustration över neddelningen med halvering med hjälp av en neddelningsapparat. Den mest förekommande neddelningsmetoden sker med neddelningsapparaten. Det är en metod som går relativt fort att genomföra en reducering av laboratorieprov till en lämplig storlek för analysprov. Alla tre ovan nämnda metoderna kan användas separat och kombinerat och de är beskrivna i de europiska standarderna för provtagning och neddelning (EN 932-1, 1996 och EN 932-2, 1999). Även andra metoder finns beskrivna i dessa standarder medan de syftar till att neddela mycket större laboratorieprov till analysprov.
Variationer hos materialparametrar inom ballasttillverkningen Neddelning m ed halvering och sam m anslagning Neddelat prov från den initiala neddelningen, figur 11 m/4 m /8 1:a återblandningen av delprov Varje nivå minskas med 1/4 m /16 3m /16 3m/32 2:a återblandningen av delprov 3m/64 9m /64 Provdel som återanvändes till framtagande av nästa analysprov Neddelning och sammanslagning pågår tills m/32 återstår Figur 14. Illustrationen visar metoden neddelning av prov med neddelningsapparat med återblandning. En metod som antages ge ett mer representativt analysprov än metoden med enbart halvering med neddelningsapparat. Figur 15 a & b. Två olika typer av neddelningsutrustning. Roterande neddelare till vänster (a) samt en neddelningsapparat till höger (b). Pilarna visar att separation uppträder under neddelningsfasen. Den roterande neddelaren portionerar ut delproverna, med några hundra småportioner, som blir till åtta delprov i den åttadelade behållaren. Detta kan jämföras med neddelningsapparaten som delar upp materialet i 16 småportioner som blir till två delprov. Totalt har ca 160 analysprov siktats upp för de tre olika sorteringarna, Tabell 13. 23