連續(xù)式球磨技術(shù)及裝備在陶瓷行業(yè)中的應(yīng)用分析*

樊葉利 郭程長 曾成勇 王化能 李德發(fā) 楊 嘉 蔣孝云 夏昌奎 張文民 王美霞

(杭州諾貝爾陶瓷有限公司 杭州 311100)

前言

20世紀(jì)80年代，意大利I·C·F公司借鑒水泥工業(yè)中連續(xù)式球磨機(jī)的粉磨原理，制造出世界上第一臺陶瓷工業(yè)連續(xù)式球磨機(jī)，并在國外迅速推廣；但由于中國陶瓷原料的標(biāo)準(zhǔn)化一直未能解決，使得連續(xù)式球磨工藝技術(shù)及裝備在國內(nèi)陶瓷行業(yè)難以得到推廣[1]。直到20世紀(jì)90年代中期，我國陶瓷行業(yè)的科技人員才逐漸認(rèn)識到連續(xù)式球磨技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，并根據(jù)中國陶瓷原料的現(xiàn)狀，研發(fā)出適合我國陶瓷原料的連續(xù)式球磨工藝技術(shù)及裝備[2]，咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司在國內(nèi)開了先河。

目前，我國陶瓷行業(yè)原料的制備基本上都采用球磨工藝，而且多數(shù)是采用間歇式的濕法球磨工藝進(jìn)行原料制備。連續(xù)式球磨機(jī)與間歇式球磨機(jī)相比，研磨效果更佳，電力消耗大大下降，節(jié)能效果顯著，同時(shí)節(jié)約場地面積[3～4]。國內(nèi)先后有咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司、湖南五菱機(jī)械有限公司、佛山市浩豐重工有限公司、山東鼎匯能科技股份有限公司、佛山卓達(dá)豪機(jī)械有限公司、廣東博暉機(jī)電有限公司、福建敏捷機(jī)械有限公司、廣東一鼎科技有限公司、湘潭市億達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司等一批優(yōu)秀設(shè)備企業(yè)加大了連續(xù)式球磨工藝技術(shù)及裝備的研究，近年來己經(jīng)取得卓越的研究成果。

雖然在國產(chǎn)的陶瓷連續(xù)式球磨機(jī)出現(xiàn)之前，意大利SACMI公司曾向中國出口過連續(xù)式球磨機(jī)，但由于無法適應(yīng)中國非標(biāo)準(zhǔn)化原材料現(xiàn)狀而遭遇挫折。直至2013年底，連續(xù)式球磨機(jī)才在國內(nèi)正式應(yīng)用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止目前，國內(nèi)已經(jīng)有十余家陶瓷企業(yè)采用了連續(xù)式球磨工藝技術(shù)和裝備。因此，基于國內(nèi)陶瓷行業(yè)連續(xù)式球磨技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，進(jìn)一步開展推廣與應(yīng)用連續(xù)式球磨技術(shù)的研究將是我國陶瓷行業(yè)今后研究的重要發(fā)展方向之一。

1 間歇式與連續(xù)式球磨技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 間歇式球磨技術(shù)的特點(diǎn)

1)高污染。除了產(chǎn)生廢氣、粉塵，噪音污染的問題也很嚴(yán)重。

2)高能耗。原料制備這個環(huán)節(jié)占用整條陶瓷生產(chǎn)線高達(dá)40%的能源消耗。

3)自動化程度低。尤其是近幾年在窯爐后工序的自動化大幅提升之后，間歇式球磨機(jī)的每一球料是一個獨(dú)立的配方體系，須按配方比例進(jìn)行投料，硬質(zhì)性原料與黏土類原料混合球磨，這樣就不可避免地出現(xiàn)了“過度粉碎現(xiàn)象”，其優(yōu)點(diǎn)就是確保陶瓷原料的配比在球磨前后一致，物料混合得非常均勻；但缺點(diǎn)就是球磨時(shí)間過長、能耗高、操作冗長且復(fù)雜、配料精度相對較低、工人工作環(huán)境差、勞動強(qiáng)度高[4]。原料球磨工藝成為整條生產(chǎn)線自動化程度最低的環(huán)節(jié)。

1.2 連續(xù)式球磨技術(shù)的特點(diǎn)

1)泥漿性能穩(wěn)定，可以提高陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量和成品率。

2)泥漿溫度高、流動性好。由于溫度高連續(xù)式球磨的泥漿含水率可降到32%，比間歇式球磨的泥漿含水率(33%～34%)略低，這有利于降低水資源的消耗及噴霧干燥節(jié)能。

3)實(shí)現(xiàn)原料制備的自動化與智能化。連續(xù)式球磨系統(tǒng)采用自動智能化配料，原料顆粒從大到小，不同顆粒大小的物料采用不同的粉磨設(shè)備分別進(jìn)行粉磨。這樣的組合，可以大大提高研磨效率，解決了原料車間主要靠人工，自動化水平低的現(xiàn)狀。

4)實(shí)現(xiàn)自動配料和連續(xù)化生產(chǎn)，便于生產(chǎn)管理，節(jié)省占地面積，能大幅提高勞動生產(chǎn)率。

每種原料都配有獨(dú)立的料斗，輸送系統(tǒng)只需將相應(yīng)的原料運(yùn)送到對應(yīng)的料斗，可大大減少配料的勞動強(qiáng)度，節(jié)約了配料時(shí)間。根據(jù)配方的設(shè)計(jì)要求，通過控制下料速度來調(diào)整進(jìn)入連續(xù)式球磨機(jī)的下料量[4]。為保障配料的準(zhǔn)確性，還可配備自動檢測當(dāng)前配料誤差的裝置，實(shí)現(xiàn)高精度增減，確保配料的準(zhǔn)確性。

表1為連續(xù)式球磨機(jī)與間歇式球磨機(jī)運(yùn)行性能參數(shù)對比。

表1 連續(xù)式球磨機(jī)與間歇式球磨機(jī)運(yùn)行性能參數(shù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算，若采用連續(xù)式球磨技術(shù)日產(chǎn)1 800～2 300 t粉料，只需配備18個人(每班6人)，電耗18～23 kW·h/t粉料(節(jié)省40%以上)，球石成本減少30%以上，每年綜合節(jié)約成本近800萬元。因此釆用濕法連續(xù)式球磨是實(shí)現(xiàn)陶瓷工業(yè)原料制備的自動化和智能化生產(chǎn)的必然選擇。

2 原料預(yù)處理解決連續(xù)式球磨的難點(diǎn)和痛點(diǎn)

2.1 原料的預(yù)處理

原料的標(biāo)準(zhǔn)化問題一直阻礙著中國陶瓷行業(yè)的發(fā)展。通過創(chuàng)新思路，解決了非標(biāo)準(zhǔn)化原料制備的自動化。

瘠性料分類粉碎、稱料，泥料化漿工藝技術(shù)與裝備的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)原料配方的一致性和穩(wěn)定性，解決了連續(xù)式球磨難以推廣與應(yīng)用的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。

原料的預(yù)處理即原料分類粉碎球磨技術(shù)，實(shí)際上就是將瘠性料破碎，塑性料采用滾筒化漿機(jī)將含水率高的黏土化成泥漿，然后利用壓力泵將泥漿送入球磨機(jī)中和瘠性料混合一起球磨，一般就是干法立磨與濕法球磨相結(jié)合應(yīng)用。目前國內(nèi)最具代表的有廣東博暉機(jī)電有限公司出品的神工快磨裝備，它是采用干法立磨再結(jié)合濕法球磨的工藝，比傳統(tǒng)濕法球磨節(jié)能25%以上；而淄博唯能陶瓷有限公司則采用輥壓干法破碎瘠性料結(jié)合連續(xù)球磨技術(shù)，理論上這是一種更高效節(jié)能的原料加工技術(shù)組合，原料處理過程采用瘠性料對輥破碎、高效除鐵、連續(xù)球磨，整個原料加工粉碎研磨到出漿流程僅需1.5 h。分類粉碎球磨優(yōu)勢明顯，不僅可以縮短粗磨時(shí)間，節(jié)省粗磨能耗，而且物料結(jié)構(gòu)碎裂，粒徑均勻，易于球磨。

2.2 多級粉碎作業(yè)

根據(jù)所處理物料尺寸的大小不同，將大塊物料分裂成小塊的操作稱為破碎，將小塊物料變?yōu)榧?xì)粉的操作稱為粉磨，統(tǒng)稱為粉碎作業(yè)。粉碎作業(yè)的級數(shù)取決于物料的原始顆粒和最終顆粒的大小尺寸。不同的原料尺寸大小對粉碎設(shè)備的要求是不一樣的：

破碎——粗碎：處理后物料尺寸大于100 mm；

破碎——中碎：處理后物料尺寸為30～100 mm；

破碎——細(xì)碎：處理后物料尺寸為3～30 mm；

粉磨——粗磨：處理后物料尺寸為0.1～3.0 mm；

粉磨——細(xì)磨：處理后物料尺寸為0.1 mm以下；

粉磨——超細(xì)磨：處理后物料尺寸為0.02 mm以下。

一般用一級(段)破碎、兩級(段)粉磨(粗磨和細(xì)磨)或一級(段)粉磨。粉碎的級(段)數(shù)越多，意味著程序越復(fù)雜，機(jī)械設(shè)備和廠房建筑的投資費(fèi)用也越高。所以，在可能的條件下應(yīng)盡量考慮使用較少的原料并采用多級粉碎作業(yè)來提高粉碎的效率。盡可能降低原料的粒度可提高粉磨效率，降低能耗。在連續(xù)球磨之前采用輥壓、立磨等工藝將瘠性料進(jìn)行細(xì)碎和粗磨。

現(xiàn)在普遍釆用的流程是：

1)瘠性料。顎式破碎——對輥——立磨(立式復(fù)合破碎機(jī))——連續(xù)球磨。

2)塑性料。筒式化漿機(jī)化漿——連續(xù)球磨。

3 連續(xù)式球磨機(jī)結(jié)構(gòu)及研磨體的分析

3.1 多單元串聯(lián)式與單圓柱筒形連續(xù)式球磨機(jī)

多單元串聯(lián)式連續(xù)式球磨機(jī)，是由多個單圓柱筒形球磨機(jī)的組合，幾個單元結(jié)構(gòu)相同，都有獨(dú)立的驅(qū)動(變頻)和球石加入裝置，每個單元有獨(dú)立的轉(zhuǎn)速和球石級配，將研磨到一定細(xì)度的泥漿送到下一個單元繼續(xù)球磨。這種多單元連續(xù)式球磨機(jī)的各個單元的外型尺寸與普通球磨機(jī)基本相同，所以其制造、運(yùn)輸、安裝都更加容易操作。大產(chǎn)量宜釆用此種結(jié)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)包括筒體、傳動裝置、原料和研磨體的進(jìn)出料裝置、自動檢測和自動控制系統(tǒng)等組成。工作時(shí)由電機(jī)，減速機(jī)和傳動裝置組成的驅(qū)動系統(tǒng)使筒體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。原料和水在進(jìn)料裝置驅(qū)動下通過進(jìn)料端空心軸進(jìn)入筒體內(nèi)。原料經(jīng)過與球石的強(qiáng)力研磨，經(jīng)最后一個筒體(一般為3～5個筒體組合)的出料口流出，完成整個原料的球磨過程。

單圓柱筒形連續(xù)式球磨機(jī)的筒體內(nèi)部被分隔成多個倉，可根據(jù)不同生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)倉數(shù)，每個倉使用不同大小的球石。這種球磨機(jī)將所有的物料、球石、水全部加到球磨機(jī)內(nèi)一起混磨，筒體以固定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。小產(chǎn)量可釆用此種結(jié)構(gòu)。

圖1為多單元串聯(lián)式和單圓柱筒形連續(xù)式球磨機(jī)的配置結(jié)構(gòu)示意圖[5]。圖1(a)中的1、2、3、4均為球磨機(jī)，相互串聯(lián)，5、6、7均為流漿篩板。圖1(b)中的8、9、10、11、12、13均為流漿篩板。流漿篩板可由多個篩片組成，滿足不同產(chǎn)量及不同漿料粒度的生產(chǎn)需求。

(a)和單圓柱筒形

(b)連續(xù)式球磨機(jī)的配置結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 研磨體

球磨機(jī)中研磨體的尺寸應(yīng)按大、中、小搭配，當(dāng)研磨體之間的空隙率最小時(shí)，粉磨效果最好。當(dāng)大球占50%，中球占10%，小球占40%時(shí)，研磨體的空隙率最小(空隙率22%)。

因?yàn)檠心ンw尺寸的大小和被粉磨物料粒度之間有一定的關(guān)系。在球磨機(jī)進(jìn)行粉磨時(shí)，一方面物料受到研磨體的碰擊作用，另一方面受到研磨體的研磨作用。顯然，研磨體與物料的接觸點(diǎn)越多，粉磨操作越容易完成。也就是說，如果球磨機(jī)中研磨體裝填量一定時(shí)，研磨體的尺寸越小，個數(shù)則越多，粉磨效果越好。連續(xù)式球磨中物料沒有受到研磨體的碰擊作用，因此宜小不宜大。

4 連續(xù)式球磨技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)情況

表2為近幾年的連續(xù)式球磨技術(shù)應(yīng)用專利情況。

表2 連續(xù)式球磨技術(shù)應(yīng)用專利情況[6～10]

續(xù)表2

從表2可以看出，采用連續(xù)式球磨技術(shù)解決了現(xiàn)有間歇式球磨裝置研磨耗時(shí)加長、效率低的問題，連續(xù)自動地進(jìn)行進(jìn)料、研磨、出料，研磨質(zhì)量高，操控方便靈活可實(shí)現(xiàn)自動配料和連續(xù)化生產(chǎn)，便于生產(chǎn)管理、節(jié)約占地面積、能大幅提高勞動生產(chǎn)率，解決了陶瓷行業(yè)現(xiàn)有間歇式球磨技術(shù)及裝置研磨耗時(shí)長、效率低的問題。

5 結(jié)語

1)原料車間的轉(zhuǎn)型升級，不能靠單一設(shè)備的技術(shù)升級，要注重將工藝與設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合和優(yōu)化，對原料制備系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化、包括自動配料系統(tǒng)、易破碎系統(tǒng)、化漿系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)各個環(huán)節(jié)之間的無縫對接，實(shí)現(xiàn)整線自動化與智能化。

2)因建筑陶瓷需制備原料的產(chǎn)量大，宜采用組合串聯(lián)式連續(xù)球磨機(jī)。

3)連續(xù)式球磨機(jī)能夠顯著降低原料制備的能耗、大幅度降低生產(chǎn)成本，而且由于泥漿性能穩(wěn)定使產(chǎn)品質(zhì)量和成品率得到提高，還具有便于生產(chǎn)管理、實(shí)現(xiàn)自動配料和連續(xù)化生產(chǎn)、生產(chǎn)周期大大縮短、節(jié)省占地面積、極大提高勞動生產(chǎn)率等優(yōu)勢。同時(shí)也存在一些不足，在陶瓷磚規(guī)格品種經(jīng)常更換和原料不穩(wěn)定的情況下，此工藝及設(shè)備不適宜，廠家應(yīng)根據(jù)自己的實(shí)際情況靈活采用，才能發(fā)揮其優(yōu)勢。