新型干法短流程制備陶瓷磚壓型粉料的工藝技術(shù)*

陶曉文 康建喜 劉 純 胡小敏 陶 金

(咸陽陶瓷研究設(shè)計院有限公司 陜西 咸陽 712000)

前言

陶瓷磚制品形狀簡單，其通常采用半干壓成形生產(chǎn)工藝將陶瓷粉料壓制成半成品，然后經(jīng)過裝飾、燒成等工藝生產(chǎn)出陶瓷磚成品。

陶瓷粉料制備工藝是陶瓷磚生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，經(jīng)歷了不同的工藝發(fā)展階段。早在20世紀(jì)60年代，人們就采用錘擊粉碎機或雷蒙磨將原料細碎后經(jīng)雙軸攪拌機噴水預(yù)混，再經(jīng)輪碾機噴水增濕造粒，最后經(jīng)篩分和陳腐后制備成干壓成形用粉料。這種干法制粉生產(chǎn)工藝技術(shù)不僅勞動強度大、工作環(huán)境差、嚴(yán)重危害工人的身體健康，而且所獲得的陶瓷粉料成分不均勻、干濕差別大、粉料的流動性較差，導(dǎo)致坯體成形時易起層、坯體強度偏低、易于粘模，嚴(yán)重影響陶瓷墻地磚的產(chǎn)品質(zhì)量。

到20世紀(jì)70年代末，我國陶瓷墻地磚行業(yè)開發(fā)研制出噴霧干燥器工藝技術(shù)及制備，并成功應(yīng)用于制造陶瓷墻地磚粉料。噴霧干燥濕法制粉工藝技術(shù)工序：各種原料按配方配料后加入球磨機，加水35%～40%，球磨成泥漿；然后經(jīng)噴霧干燥設(shè)備將泥漿干燥到含水率為6%～8%，并實現(xiàn)制粉造粒。噴霧干燥制粉生產(chǎn)技術(shù)有許多優(yōu)點，如自動化程度高、制備的陶瓷粉料性能良好、能確保成形坯體的質(zhì)量等。但該工藝的不足之處是能耗較高，需要將含水率為35%～40%的泥漿干燥到含水率為6%～8%的粉料，加之濕法球磨機的高能耗，據(jù)測定原料制備工段的能耗占到整個陶瓷磚生產(chǎn)過程能耗的35～40%。高能耗帶來高成本、高污染。隨著國家環(huán)保政策和新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的出臺，高污染的陶瓷磚行業(yè)將面臨著巨大的壓力。研發(fā)新工藝、新設(shè)備，替代舊工藝，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，實現(xiàn)節(jié)能減排，減少對環(huán)境的污染，是科研工作者的責(zé)任。筆者已研究出一種能使制備的陶瓷粉料性能與噴霧干燥制粉粉料性能相似，且最終獲得產(chǎn)品質(zhì)量相同、能耗及生產(chǎn)成本較低的制粉生產(chǎn)技術(shù)——陶瓷墻地磚的干法短流程工藝制粉技術(shù)。筆者從事了“十二五”國家科技支撐計劃“陶瓷磚新型干法短流程工藝關(guān)鍵技術(shù)與示范”(編號2013BAF09B02)課題的研究開發(fā)，并建成日產(chǎn)20 000 m2的高檔陶瓷磚示范線。該技術(shù)成果已經(jīng)在國內(nèi)推廣應(yīng)用，顯示出良好的技術(shù)性、經(jīng)濟性，以及良好的節(jié)能減排效果，受到行業(yè)的廣泛關(guān)注。

1 陶瓷磚粉料干法短流程工藝技術(shù)簡介

陶瓷墻地磚新型干法短流程工藝有別于高能耗的濕法制粉工藝，其工藝流程可概述為：各種不同的軟質(zhì)原料和硬質(zhì)原料，經(jīng)鄂式破碎機或?qū)伿狡扑闄C進行粗、中碎；按配方用電子稱準(zhǔn)確地進行單元配料，經(jīng)混料機進行混合；再經(jīng)懸輥式磨粉機或立式磨粉機細磨細工藝要求的細度；再將細粉料投入混合均化式混料器進一步混合均化，混合均勻的細粉料進入造粒機系統(tǒng)，這時給粉料加水至10%～12%,進行“過濕”造粒；造粒后的粉料顆粒進入流化床干燥器干燥至含水率為6%～7%；經(jīng)篩分裝置篩分后，再進入料倉陳腐均化，供陶瓷磚壓型備用。干法制粉工藝流程圖如圖1所示。

2 干法短流程工藝技術(shù)及裝備的研究開發(fā)

陶瓷墻地磚新型干法短流程工藝及關(guān)鍵裝備技術(shù)的研究開發(fā)是一個整體的系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域，具體研究內(nèi)容可概括為以下幾個方面。

2.1 適應(yīng)于干法短流程工藝的原料性能及配方特點的研究

干法制粉工藝有別于濕法制粉工藝，先將原料經(jīng)過干法粉碎到工藝要求的細度，然后經(jīng)過加水造粒，形成壓型需要的粉料。適應(yīng)于干法制粉工藝的原料性能的研究包括原料的物理性能及化學(xué)性能研究。對于塑性原料，塑性指數(shù)是主要參數(shù)，它影響著最終粉料的成粒效果及粒度分布。對于瘠性原料，原料硬度決定著干法細磨的細度和干磨效率，其性能特點也是重要的研究內(nèi)容。

適應(yīng)于干法制粉工藝的原料配方的研究是干法制粉工藝的關(guān)鍵。由于干法粉碎及研磨設(shè)備是連續(xù)式工作狀態(tài)，達到工藝細度要求的細粉料，被粉磨機、風(fēng)選機及集料設(shè)備回收且用于造粒。雖然細度達到工藝要求的篩分細度，但與同樣篩分細度的濕法球磨機間歇式研磨的泥漿細度比較，其粉料粒度的發(fā)布和顆粒的表面能是有區(qū)別的，這些區(qū)別會影響后期的產(chǎn)品性能，如產(chǎn)品吸水率、強度。為了保證配方原料在干磨(粉碎)后成分的均勻性和穩(wěn)定性，從理論上講，干法制粉工藝由于其自身特點，要求配方中原料的硬度應(yīng)基本一致，并且原料種類不宜太多，在滿足粉料性能及產(chǎn)品性能的前提下，配料物理性能盡可能相似，這樣可保證原料細磨時，原料配方成分的均勻一致性和穩(wěn)定性。然而實際情況是：我國地域遼闊，生產(chǎn)廠家所處的地理位置不同，可供選擇的原料種類有限；不同廠家所生產(chǎn)的產(chǎn)品不同，不同種類的產(chǎn)品對原料的選擇也有不同的要求。

因此，對于原來采用濕法工藝制備粉料的廠家，若采用干法工藝替代原來的濕法工藝，原料的配方一定要進行重新調(diào)整、試驗。鑒于干法粉磨設(shè)備的要求，一般講，原料的含水率不能超過10%，大于該含水率的原料，在干磨時需要進行預(yù)干燥處理。

2.2 原料干磨工藝及設(shè)備的研究開發(fā)

與濕法球磨機間歇式研磨方式不同，干法粉碎及研磨設(shè)備是連續(xù)式工作狀態(tài)。為了保證配方料的均勻性和穩(wěn)定性，除了考慮研究設(shè)計配方的同時，考慮粉碎研磨工藝流程也是干法制粉工藝技術(shù)需要重點研究的內(nèi)容。對于原料種類較少或者原料性能接近的配料，粉碎研磨前，按配方將原料投入磨機粉碎研磨，達到細度要求的粉料，進入到造粒工序；對于原料種類較多的配方料，按原料特性，分軟質(zhì)料和硬質(zhì)料，單獨投入不同的磨機粉碎研磨，再按配方配比進行混料均化，最后進入到造粒工序。我國地域遼闊，南北方原料品種不同，陶瓷磚配方體系不同，依據(jù)不同的原料特點和配方體系，確定不同的原料干法研磨流程。

1)流程1。各種原料粗、中碎后，分別進入各種料倉，采用電子稱配料，后放入磨機粉磨，最后細粉料進入均化庫混合均化。

2)流程2。各種原料粗、中碎后，單獨進入磨機細磨，進入各自料倉，然后采用電子稱配料，再進一步用混料機混料，均化庫均化。

3)流程3。采用單元塊方式配料，以單位質(zhì)量的配方料為一個單元， 配好料后進行集中混合，混合均勻后進入磨機細磨，細粉料進入均化庫混合均化。

干法研磨設(shè)備是干法制粉工藝技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備之一，針對陶瓷墻地磚原料性能的特點，研制產(chǎn)量適合、投資費用低、節(jié)能、又能滿足工藝要求的新型高效節(jié)能磨粉機。針對陶瓷磚行業(yè)由于配方原料中長石、石英等硬質(zhì)原料，借鑒、集成采用水泥行業(yè)成功的干法研磨技術(shù)和設(shè)備，該設(shè)備具有產(chǎn)量大、效率高的特點，并能達到工藝要求的研磨細度。對于磚瓦行業(yè)，由于原料大部分為半硬質(zhì)頁巖原料，可選用懸輥式雷蒙磨機設(shè)備，該設(shè)備相對水泥行業(yè)的立式磨，投資較低。

針對我國南北方礦山原料的分布特點，南方地區(qū)多雨、濕度大、軟質(zhì)原料含水量高的特點，可選用帶熱風(fēng)干燥于一體的高效節(jié)能磨粉機，以實現(xiàn)原料的細磨。

2.3 干法制粉造粒工藝及造粒設(shè)備的研究開發(fā)

如同濕法制粉工藝技術(shù)中噴霧塔制粉設(shè)備是最關(guān)鍵的造粒設(shè)備一樣，陶瓷墻地磚干法制粉工藝技術(shù)其關(guān)鍵設(shè)備為干法造粒機。據(jù)資料介紹，目前國內(nèi)外研發(fā)的干法造粒機根據(jù)造粒原理和機體本身結(jié)構(gòu)的不同可分為：臥式造粒機、立軸式造粒機、輥筒式造粒機、盤式造粒機等。各種造粒機設(shè)備具有各自的特點和特性，制備的粉料顆粒性能存在著差異，可用于不同的工藝領(lǐng)域。針對陶瓷磚行業(yè)對壓型粉料的性能要求，上述造粒機由于采用強力攪拌方式造粒，粉料顆粒表面強度高、硬度大，特別是粗顆粒，在壓型時不易壓碎，使得磚坯表面在后續(xù)的干燥、施釉、燒成過程中產(chǎn)生許多缺陷，如磚坯表面斑點爆裂，邊角裂等。

通過比較國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的造粒設(shè)備，比較各自的優(yōu)缺點，我們研發(fā)了一種懸浮態(tài)新型造粒機，其原理為通過氣流分散粉末原料，由高壓泵提供的霧化水濕化液體，濕化液體(水核)的表面張力吸附、團聚干細粉，形成微顆粒包裹料，當(dāng)其質(zhì)量大于氣體懸浮力時下落到旋轉(zhuǎn)的整粒盤，再經(jīng)過整粒盤產(chǎn)生的機械力(離心力)的強化、整合、優(yōu)化，形成顆粒料。當(dāng)顆粒料達到一定的粒徑和質(zhì)量時，依靠整粒盤的離心作用，粉料顆粒從盤中甩出，從出料口流出。

這種造粒方式制備的顆粒粉料，其先進性在于粉料的性能如顆粒度，顆粒強度可依據(jù)生產(chǎn)需要進行調(diào)整。顆粒大小可通過調(diào)整不同風(fēng)機的風(fēng)壓和風(fēng)量，改變造粒塔內(nèi)的氣流場分布，進而改變塔內(nèi)氣流對形成的顆粒料的懸浮力，當(dāng)顆粒料的重力大于懸浮料時，顆粒粉料會下落在塔體下部的整粒盤。特殊的整粒盤結(jié)構(gòu)，當(dāng)顆粒料下落在盤中時，通過改變整粒盤的轉(zhuǎn)速，是對顆粒的整形，達到所需要的顆粒強度和顆粒光潔度，以保證顆粒加以流動性，使顆粒粉料的性能達到最優(yōu)化狀態(tài)。

2.4 干法制粉粉料成粒機制、造粒效果及其影響因素的研究

濕法噴霧干燥制粉工藝是通過干燥蒸發(fā)霧化泥漿小點滴中的多余水分產(chǎn)生顆粒，因而形成的顆粒是空心的，表面較光滑。而干法制粉是通過濕化(水化)干細粉料，以濕化液體(水核)的表面張力吸附、團聚干細粉，再通過外界機械力的強化、整合、優(yōu)化，形成實心顆粒料。由于濕化液體是由顆粒中心向外滲透，對顆粒表面的細粉粘附力降低，形成的顆粒表面疏松粗慥，形狀為不規(guī)則球狀體。干法制粉粉料性能主要指粉料顆粒的形狀及分布，粉料的流動性，粉料的容重。要使干法制粉粉料性能達到和接近濕法制粉粉料的性能，干法制粉的粉料成粒機制、造粒效果及其影響因素的研究顯得極其重要。

粉料性能受原料及配方的性能影響，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，原料及配方的可塑性愈好，粉料的顆粒分布愈好，且顆粒強度愈好。

粉料性能受配方原料干粉的細度影響，通過試驗研究我們發(fā)現(xiàn)：配料干磨時，粉末越細，表現(xiàn)出更好的可塑性，后續(xù)造粒時，制備的粉料性能更佳?？紤]到研磨時間和電耗，一般要求研磨粉料細度能達到250目。粉料性能受造粒前原料干細粉的含水率的影響，一般講原料含水率越小，越容易干磨，造粒時加入的水量大，成球的幾率增大，粉料的性能愈好。

粉料性能受增濕液體方面因素的影響，我們將增濕量定義為造粒時進入造粒機的粉末原料的原始含水率與造粒后粉料的含水率的差值。從實驗數(shù)據(jù)我們得出如下結(jié)論：加入造粒機的水量愈多，霧化水產(chǎn)生的水核愈多，水核吸附粉末料產(chǎn)生的微顆粒也就愈多，粉末成球的幾率愈多，粉末形成的顆粒分布愈好，粉料的流動性愈好。另外通過在霧化水加入其它粘結(jié)劑改善增濕液體的性能，也可達到改善造粒粉料性能的目的。造粒機設(shè)備的工況參數(shù)，粉料的分散效果，霧化水的增濕效果等因素，均會影響最終的粉料性能。

3 干法短流程工藝技術(shù)制備的粉料特性

由于干法工藝和濕法工藝的流程和原理的不同，相同的原料和配方采用不同的工藝流程，所制備粉料性能也存在著差異。表1和圖2為某陶瓷廠相同配方的原料，采用干法制粉生產(chǎn)工藝技術(shù)與噴霧干燥濕法制粉生產(chǎn)工藝技術(shù)制備的粉料工藝性能的比較。

陶瓷磚粉料的制備僅是陶瓷磚產(chǎn)品生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，只要對后續(xù)的壓型、干燥、燒成工藝加以調(diào)整，完全可生產(chǎn)出合格的陶瓷磚產(chǎn)品。該技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)開始推廣應(yīng)用，不僅可以生產(chǎn)各種規(guī)格的施釉陶瓷磚，也可以生產(chǎn)800 mm×800 mm×12 mm大規(guī)格、低吸水率的拋光磚和拋釉磚產(chǎn)品。

表1 不同制粉工藝制備的粉料性能比較

圖2 干法和濕法兩種造粒顆粒分布圖

4 干法短流程工藝技術(shù)的經(jīng)濟特性

表2 不同粉料制備工藝技術(shù)的經(jīng)濟指標(biāo)

干法制粉與噴霧干燥濕法制粉生產(chǎn)工藝技術(shù)相比，其優(yōu)點是節(jié)能。以某廠日產(chǎn)20 000 m2的陶瓷磚生產(chǎn)線為例，采用干法短流程工藝替代濕法工藝制備壓型粉料，其經(jīng)濟特性見表2。

從經(jīng)濟特性的比較可看出，干法短流程工藝技術(shù)制備陶瓷磚壓型粉料，可節(jié)省電耗、熱耗和水耗，并可減少工業(yè)廢氣的排放，這是陶瓷磚生產(chǎn)工藝未來首選的清潔生產(chǎn)技術(shù)。陶瓷墻地磚干法制粉工藝及裝備技術(shù)的成功研發(fā)，對實現(xiàn)建材工業(yè)的綠色制造，產(chǎn)業(yè)升級，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實意義。該技術(shù)不僅在陶瓷磚行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景，而且在磚瓦、輕工、醫(yī)藥、化工、石油領(lǐng)域的粉料原料制備領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。