連續(xù)式干法造粒工藝及顆粒優(yōu)化技術(shù)的研究*

閻蛇民　陶曉文　成智文　胡小敏

(咸陽(yáng)陶瓷研究設(shè)計(jì)院　陜西 咸陽(yáng)　712000)

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連續(xù)式干法造粒工藝及顆粒優(yōu)化技術(shù)的研究*

閻蛇民陶曉文成智文胡小敏

(咸陽(yáng)陶瓷研究設(shè)計(jì)院陜西 咸陽(yáng)712000)

通過對(duì)連續(xù)式干法造粒機(jī)組不斷的實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了在負(fù)壓條件下形成閉環(huán)連續(xù)式生產(chǎn)，產(chǎn)品顆粒具有成球率高，顆粒級(jí)配合理、無(wú)殘存硬顆粒。分析了新型干法造粒的成球機(jī)理，著重探討了新型連續(xù)式干法造粒工藝參數(shù)與成粒質(zhì)量的關(guān)系，對(duì)造粒機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備工藝控制提出了新的思路。

干法造粒短流程流動(dòng)性

干法制粉工藝是未來建筑陶瓷生產(chǎn)的技術(shù)典范。目前國(guó)內(nèi)大型墻地磚自動(dòng)化生產(chǎn)線均采用噴霧干燥濕法制粉工藝：配方原料經(jīng)濕法球磨達(dá)到一定細(xì)度后入均化泥漿池，經(jīng)壓力式噴霧干燥塔噴霧造粒，制成空心球粒。采用濕法制粉工藝技術(shù)制備的粉料可滿足大噸位自動(dòng)壓機(jī)的要求，可生產(chǎn)出高質(zhì)量、高檔次的產(chǎn)品，但該工藝一次性投資較大、能耗高。國(guó)內(nèi)近年來相繼開發(fā)了不少干法生產(chǎn)機(jī)組，試圖縮短與濕法噴霧制粉工藝研究上的差距,但由于采用落后的強(qiáng)力攪拌造粒法，致使造粒粉硬顆粒太多,壓制后產(chǎn)品表面“爆裂紋”較多而難以推廣應(yīng)用。筆者結(jié)合對(duì)新型連續(xù)式干法造粒機(jī)組開發(fā)和調(diào)試，初步探討了干法造粒的成球機(jī)理，探索出在生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)對(duì)造粒質(zhì)量的影響因子。徹底解決了現(xiàn)有干法造粒機(jī)組生產(chǎn)出的造粒粉質(zhì)過硬、壓制表面不光滑及產(chǎn)量小、造粒機(jī)無(wú)法連續(xù)式生產(chǎn)等缺陷。

1　實(shí)驗(yàn)過程

制粒機(jī)組包括粉料增濕工段、連續(xù)式顆粒整粒工段及粒子烘干工段，具體工藝過程見圖1。從前端均化料倉(cāng)取配方料80 t，經(jīng)送粉風(fēng)機(jī)及給料機(jī)送入增濕倉(cāng)進(jìn)行充分霧化，與此同時(shí)按比例逆向噴入霧化水，粉料與水接觸團(tuán)聚成粗粒子，而后從增濕倉(cāng)底部進(jìn)入整粒工段，控制整粒機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)壓，粒子在盤中旋轉(zhuǎn)，擠壓，搓合最終成圓球度較好，硬度合適的造粒粉。經(jīng)優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)負(fù)壓等參數(shù)，可制成符合壓制級(jí)配的實(shí)心造粒粉，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量為6～10 t/h。測(cè)試粉料的顆粒級(jí)配、含水量、流動(dòng)性及粉料容重，最終將造粒粉壓制成500 mm×500 mm的仿古磚并測(cè)試其燒成收縮及外觀性能等。

圖1　干法工藝流程圖

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1粉料增濕水量對(duì)干法制粉成球質(zhì)量的影響

干法造粒本身是一種過濕造粒的過程，圖2和表1分別說明了不同水分含量條件下對(duì)造粒成球質(zhì)量的影響，當(dāng)粉料增濕水量小于8%時(shí)，則未成球細(xì)粉(≤80目)超過44%，成球率極低；隨著增濕水分的提高，中顆粒(30～80目)顯著增多，成球率提高，成球粒子圓球度也明顯改善。另外，從表1可以看出，粒度在60～80目時(shí)隨增濕水量的增加變化不大，但細(xì)顆粒隨水含量增加顯著減??；當(dāng)增濕水>15.0%時(shí)，大顆粒增加顯著，并且粘壁，不利于機(jī)組正常工作，綜合各種因素，確定增濕在13.5%時(shí)，成球質(zhì)量最佳，30～80目顆粒成球率最高。從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，增濕水對(duì)成球質(zhì)量影響極大，粉料在增濕塔內(nèi)自上而下高速離心霧化，增濕水在一定壓力下經(jīng)霧化后逆向與粉料顆粒接觸增濕；水量越大，顆粒增濕后形成母核的幾率會(huì)大大增加，顆粒之間碰撞形成“液橋”，進(jìn)而團(tuán)聚，在重力作用下，墜落在增濕塔底部。

表1　不同水分含量對(duì)顆粒大小的影響

圖2　增濕水含量對(duì)顆粒大小的影響

2.2霧化水壓力對(duì)干法制粉成球質(zhì)量的影響

表2　不同水壓對(duì)顆粒大小分布的影響

干法制粉關(guān)注的是20～80目成球顆粒的累計(jì)量，可簡(jiǎn)單的用有效成球率表示(有效成球率=20～80目篩分累計(jì)量/總量)，霧化壓力對(duì)顆料組成影響極大。

從表2可以看出，當(dāng)霧化壓力為0.4 MPa時(shí)，成球率只有48%；而當(dāng)霧化壓力達(dá)到0.8 MPa時(shí)，成球率最大為78.95%；但霧化壓力超過1.0 MPa時(shí)，有效成球率反而減小。這主要是因?yàn)樵谠鰸袼?nèi)，水壓越大，霧化半徑就越大，粉料能得到充分潤(rùn)濕，當(dāng)霧化壓力過量后，水的霧化半徑超過粉料離心霧化半徑，造成粉料粘壁及20目以上無(wú)效大顆粒過多，因此水壓不能過大，霧化噴頭標(biāo)準(zhǔn)壓力在85%為宜。

2.3整粒機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)干法制粉成球質(zhì)量的影響

干法造粒機(jī)組為兩步式造粒：粉料在增濕塔內(nèi)為一次造粒；在整粒機(jī)內(nèi)為二次造粒。粉料在增濕塔內(nèi)經(jīng)增濕、碰撞、成核、團(tuán)聚形成的一次造粒粉，顆粒直徑小、松散、強(qiáng)度低，必須在整粒機(jī)組內(nèi)離心強(qiáng)化，并提高粒子圓球度和表面光滑度，部分小粒子在整粒機(jī)內(nèi)經(jīng)粘合，擠壓變成大顆粒；當(dāng)二次造粒粉的尺寸及圓球度達(dá)到試驗(yàn)要求后，在離心力的作用下，會(huì)沿離心盤切線方向自動(dòng)甩出，從而完成二次造粒。因此離心盤轉(zhuǎn)速的大小也直接影響著顆粒分布，轉(zhuǎn)速大，離心力大，小顆粒多；而當(dāng)離心盤轉(zhuǎn)速小時(shí)，離心力較小，離心強(qiáng)化時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)造成大顆粒增多，造粒粉因離心強(qiáng)化過大從而導(dǎo)致粒子堅(jiān)硬，不利于墻地磚坯體壓形。

表3　粒子級(jí)配及相關(guān)性能參數(shù)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，離心盤設(shè)計(jì)成特珠結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)速在200轉(zhuǎn)/min左右為宜。表3為200轉(zhuǎn)/min時(shí)最佳顆粒分布，圖3為顆料在40倍放大鏡下的造粒粉表觀圖。

圖3　干法粒子在放大鏡下表觀圖(40×)

2.4連續(xù)式干法造粒工藝成球原理的探討

連續(xù)式干法造料機(jī)組成球機(jī)理主要是增濕成核，離心強(qiáng)化。從工藝上可分為兩次造粒，一次造粒在增濕塔內(nèi)完成；二次造粒在整粒機(jī)組上完成。對(duì)于仿古磚配方料，當(dāng)物料潤(rùn)濕度達(dá)到最大結(jié)合水時(shí)，理論上粉料就開始成球，粉料表面在毛細(xì)管力作用下，使相互碰撞的顆粒聚集形成母核，粉料霧化力越大，顆粒單位時(shí)間內(nèi)碰撞的機(jī)率越高，當(dāng)母核增長(zhǎng)到一定尺寸后，其重力大于浮力，顆粒則在重力作用下墜入離心盤上從而完成一次造粒。在離心盤的作用下，一次造粒的顆粒由于直徑小、松散、強(qiáng)度低，必須在整粒機(jī)組內(nèi)經(jīng)離心盤離心強(qiáng)化，以提高粒子園度和表面光滑度，部分小離子在整粒機(jī)內(nèi)經(jīng)粘合，擠壓變成大顆粒，當(dāng)二次造粒粉的尺寸及圓度達(dá)到本試驗(yàn)要求后，在離心力的作用下，會(huì)沿離心盤切線方向自動(dòng)甩出，從而完成二次造粒。

影響成球的因素主要有以下幾個(gè)方面：

1)配方料的粘土含量越高，粉料的親水性越好，毛細(xì)粘接力就越大，增濕造粒的成球性就越好。

2)增濕水量的大小及霧化壓力對(duì)成球性影響也很大，水量增大顆粒之間粘接力加大，易于成球，霧化壓力大，則霧化半徑增大，細(xì)粉能更好地潤(rùn)濕，成球率提高。但過多的水量容易產(chǎn)生大顆粒，很容易使母球粘壁，從而堵塞設(shè)備。

3)原料細(xì)度越細(xì)，則顆粒之間排列越緊密，毛細(xì)粘接力越強(qiáng)，球體強(qiáng)度越高。

4)離心盤轉(zhuǎn)速越大，則20～100目的顆粒分布越集中，有效成球率越高，實(shí)際生產(chǎn)中可合理調(diào)整離心盤轉(zhuǎn)速及出料高度。

5)系統(tǒng)負(fù)壓對(duì)成球質(zhì)量的影響也不可忽視，負(fù)壓過大，細(xì)粉容易被抽走，會(huì)造成離心盤二次造粒失效，球體在離心盤中因尺寸增長(zhǎng)緩慢而徘徊時(shí)間過長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低下，同時(shí)也增加末端旋風(fēng)收塵器的負(fù)荷。

3　結(jié)論

由于采用機(jī)電一體化對(duì)各參數(shù)實(shí)行動(dòng)態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組內(nèi)的閉環(huán)自動(dòng)化控制。霧化后的細(xì)粉料與霧化水在增濕塔體內(nèi)均勻增濕形成顆粒核，顆粒核在離心盤的作用下，顆粒間相互劇烈碰撞、摩擦、擠壓滾大，使顆粒強(qiáng)度增加，顆粒核連續(xù)往復(fù)，離心強(qiáng)化后自動(dòng)甩出,顆粒強(qiáng)度適中、無(wú)硬顆粒且表面光滑、圓球度好。本機(jī)組可連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)量高(臺(tái)產(chǎn)量6～10 t/h)，顆粒粒徑可調(diào)，可滿足大型墻地磚短流程生產(chǎn)需求。

1陶曉文.陶瓷墻地磚干法制粉工藝技術(shù)的研究[J].全國(guó)性科技核心期刊——陶瓷,1996(2):11～15

2翟富勤,李成波.增濕造粒機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)與工藝參數(shù)調(diào)整[J].全國(guó)性科技核心期刊——陶瓷,1999(2):30～33

3蔡祖光.陶瓷墻地磚的干法制粉生產(chǎn)技術(shù)[J].全國(guó)性科技核心期刊——陶瓷,2003(5):30～31

4于世超,李輝.兩種不同工藝制備陶瓷磚坯體粉料的物理性能[J].硅酸鹽通報(bào),2013(5):961～964

閻蛇民(1965-)，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師；主要從事工業(yè)陶瓷的研究。

TQ174

A

1002-2872(2016)02-0027-03

*國(guó)家支撐計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：陶瓷磚新型干法短流程工藝關(guān)鍵技術(shù)與示范(項(xiàng)目編號(hào)：2013BAF09B02)。