陶瓷熔塊類釉漿長距離管道輸送研究

任戰(zhàn)士，黃知龍，梁國頌，曾健，肖恒

(佛山市三水新明珠建陶工業(yè)有限公司，佛山 528100)

1 前言

目前，陶瓷行業(yè)的熔塊釉漿從制釉車間到釉線車間生產(chǎn)線是采用桶裝，人力或電動(dòng)車?yán)缘姆绞?，釉線車間到制釉車間有一段比較長的距離，且釉漿需求量也很大。滿桶釉漿含釉車重約700kg，采用人力方式或電動(dòng)車方式拉釉，每日往返拉釉次數(shù)很多，安全隱患較大，易引起安全事故。

由于熔塊釉漿特性易沉淀，易固化，因此釉漿存儲(chǔ)時(shí)要不停攪拌，防止沉淀保持其性能。采用桶裝方式運(yùn)輸，釉漿在運(yùn)輸過程無攪拌，釉漿在桶內(nèi)易沉淀，在實(shí)際作業(yè)中約3～4 天要清洗一次釉桶。一個(gè)釉桶每次清洗掉沉淀釉漿約80～100kg，浪費(fèi)數(shù)量巨大。同時(shí)釉桶內(nèi)沉淀釉漿較難清洗，此過程耗費(fèi)大量的水資源。為了解決上述技術(shù)問題，專門設(shè)計(jì)一種長距離陶瓷釉漿輸送系統(tǒng)。

2 釉漿長距離輸送流程設(shè)計(jì)

長距離陶瓷釉漿輸送系統(tǒng)可分為制釉車間釉缸、第一輸送系統(tǒng)、中轉(zhuǎn)釉缸、第二輸送系統(tǒng)、線邊釉盅五大部分。長距離陶瓷釉漿輸送系統(tǒng)工藝流程圖如下圖1 所示。

圖1 陶瓷釉漿輸送系統(tǒng)工藝流程圖

制釉車間釉漿通過第一輸送系統(tǒng)輸送到中轉(zhuǎn)釉缸。第一輸送系統(tǒng)由若干氣動(dòng)隔膜泵通過管道串聯(lián)組成，其工作方式是間歇式，控制間隔停頓時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沉淀發(fā)生時(shí)間，使用管道輸送釉漿滿足產(chǎn)能需求，又避免管道內(nèi)釉漿因靜止時(shí)間長導(dǎo)致堵塞管道。

中轉(zhuǎn)釉缸釉漿通過第二輸送系統(tǒng)輸送到若干個(gè)線邊釉盅。第二輸送系統(tǒng)輸送主管道由中轉(zhuǎn)釉缸到各線邊釉盅，最終回流到中轉(zhuǎn)釉缸、第二輸送系統(tǒng)、線邊釉盅，形成一個(gè)閉環(huán)回路，使釉漿在回路中不間歇流動(dòng)。

3 輸送方案分析與設(shè)計(jì)

3.1 熔塊釉漿性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)取生產(chǎn)用的熔塊釉漿測(cè)試其常規(guī)物理性能，并用透明膠管（DN25，長500mm）對(duì)釉漿的垂直沉降特征進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

由測(cè)試結(jié)果可知：

a)釉漿比重在1800～2000kg/m3之間，比重遠(yuǎn)大于水的比重，易沉淀分離，特別是鋯白熔塊面釉極易沉淀結(jié)塊。

b)釉漿的動(dòng)力粘度在210～300mPa.S 之間。

c)釉漿在管內(nèi)靜置小于1h，釉漿會(huì)有微量沉淀，靜置時(shí)間越長，沉淀結(jié)塊越嚴(yán)重。

3.2 釉漿在管道內(nèi)的流動(dòng)分析

根據(jù)熔塊釉漿測(cè)試結(jié)果，釉漿易沉淀固化的特性，為避免堵塞管道，須盡量減小釉漿在管道內(nèi)的靜止停頓時(shí)間，使其在管道內(nèi)不停流動(dòng)。為了避免管壁結(jié)垢，采用高分子塑膠管或鋁塑復(fù)合材質(zhì)管道。

流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于流體的黏性和慣性，會(huì)造成能量損失，有一定的壓降產(chǎn)生，因此根據(jù)釉漿特性，計(jì)算釉漿在輸送管道內(nèi)沿程損失，從而對(duì)其進(jìn)行輸送管道設(shè)計(jì)以及輸送泵選型。

表1 熔塊釉漿沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)管內(nèi)釉漿不停輸送時(shí)，管內(nèi)釉漿體積流量W（單位:m3/h）：

式中，M為管內(nèi)釉漿質(zhì)量流量（單位kg/h），ρ 為釉漿比重。

管內(nèi)釉漿流速ν（單位:m/s）：

式中，S 為管道截面積。

根據(jù)管內(nèi)流體流動(dòng)特性，流體流動(dòng)時(shí)的慣性力和粘性力（內(nèi)摩擦力）之比為雷諾數(shù)Re：

式中，D 為管道內(nèi)徑，μ 為釉漿粘度。

在工程上，若雷諾數(shù)Re＜2000，認(rèn)為管道內(nèi)釉漿是層流，摩擦系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)，因此根據(jù)層流的泊肅葉流定律，釉漿的摩擦系數(shù)：

若雷諾數(shù)Re 在2000～4000 之間的區(qū)域成為“臨界區(qū)”，摩擦系數(shù)是不確定的。

若雷諾數(shù)Re＞4000，認(rèn)為管道內(nèi)釉漿是紊流，摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)以及相對(duì)粗糙度（管壁的絕對(duì)粗糙度與管道直徑之比）有關(guān)。

用達(dá)西方程計(jì)算輸送管道入口到出口釉漿的壓降，單位為米液柱：

式中，L 為釉漿在輸送管道內(nèi)的沿程。釉漿輸送的總揚(yáng)程損失H，單位為m：

式中，ρ 為釉漿比重，h其他為管道出入口高度差、閥門、彎頭等產(chǎn)生的壓降。

3.3 釉漿輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）釉漿輸送管道相關(guān)計(jì)算。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)第一輸送系統(tǒng)：制釉車間釉缸到中轉(zhuǎn)釉缸管道長約為500m，出口高于進(jìn)口約為4m，采用φ50×4.6 mm PPR 管，管內(nèi)徑為40.8mm；

第二輸送系統(tǒng)：中轉(zhuǎn)釉缸到各線邊釉盅及回流管道長約120m，出口高于進(jìn)口約為4m，采用φ63×4.6 mm PPR 管，管內(nèi)徑為53.8mm。

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，選定釉漿E 作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其比重為1950kg/m3，粘度為280mPa.S，總需求量約80 噸/天。當(dāng)釉漿E 在管內(nèi)不停輸送時(shí)，代入公式釉漿在管道內(nèi)的流動(dòng)分析：

通過計(jì)算可得，第一輸送系統(tǒng)釉漿E 在管道內(nèi)雷諾數(shù)Re1=116，第二輸送系統(tǒng)釉漿E 在管道內(nèi)雷諾數(shù)Re2=78，雷諾數(shù)Re1、Re2均小于2000，則認(rèn)為釉漿E 在管道內(nèi)是層流，摩擦系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)。

因此代入公式，通過計(jì)算可得第一輸送系統(tǒng)釉漿E在管道內(nèi)產(chǎn)生的壓降=50.13 米液柱，彎頭、閥門產(chǎn)生的壓降概算為壓降的10%，出入口壓降=4 米液柱，因此總揚(yáng)程損失H1=115.33m。同理可得，第二輸送系統(tǒng)釉漿E在管道內(nèi)的總揚(yáng)程損失H2=20.52m。

（2）泵的選型。

釉漿管道輸送采用氣動(dòng)隔膜泵，氣動(dòng)隔膜泵結(jié)構(gòu)簡單、易損件少，泵輸送的介質(zhì)不會(huì)接觸到氣閥，聯(lián)桿等運(yùn)動(dòng)部件，不像其他類型的泵因轉(zhuǎn)子、活塞、齒輪、葉片等部件的磨損而使性能逐步下降；隔膜泵可將物料與外界完全隔開，在輸送過程中不會(huì)對(duì)釉漿產(chǎn)生污染；流量可通過氣閥開度實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)，且揚(yáng)程可達(dá)70 米。

陶瓷廠空壓機(jī)氣壓基本控制在0.4～0.5MPa，對(duì)應(yīng)氣動(dòng)隔膜泵揚(yáng)程為40～50m，采用一個(gè)隔膜泵無法滿足第一輸送系統(tǒng)內(nèi)的總揚(yáng)程損失H1=，需在輸送管道上采用3 個(gè)氣動(dòng)隔膜泵分段接力的方式，解決單個(gè)氣動(dòng)隔膜泵揚(yáng)程揚(yáng)程不足的問題。而在第二輸送系統(tǒng)的總揚(yáng)程損失H2=20.52m，采用單個(gè)氣動(dòng)隔膜泵就能滿足要求。

（3）方案實(shí)施

根據(jù)上述的釉漿輸送管道研究及泵的選型，結(jié)合制釉車間、釉線車間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，釉漿輸送系統(tǒng)如下圖2 所示。

圖2 輸送系統(tǒng)示意圖

其中，圖2 中各圖標(biāo)記所指代的技術(shù)特征如下：

（1）制釉車間釉缸；（2）氣動(dòng)隔膜泵一；（3）空壓機(jī)（4）儲(chǔ)氣罐；（5）氣動(dòng)隔膜泵二；（6）氣動(dòng)隔膜泵三；（7）氣動(dòng)隔膜泵四；（8）中轉(zhuǎn)釉缸；（9）超聲波探測(cè)器；（10）線邊釉盅；（11）攪拌裝置；（12）U 型回流管道

陶瓷車間生產(chǎn)使用的釉漿如表1 所示，從釉漿粘度特性知，釉漿屬于高粘度液固混合物料，計(jì)算其雷諾數(shù)小于2000，依據(jù)臨界雷諾數(shù)判定管道內(nèi)流體屬于層流特征。層流流體易發(fā)生沉淀粘壁堵管的現(xiàn)象，管路設(shè)計(jì)重點(diǎn)要避免沉淀粘壁的現(xiàn)象。

制釉車間釉缸和釉線車間中轉(zhuǎn)釉缸都設(shè)有攪拌機(jī)對(duì)釉漿進(jìn)行攪拌，因?yàn)橛詽{（尤其是面釉）在無攪拌時(shí)易沉淀。采用氣動(dòng)隔膜泵進(jìn)行管道泵送，管道使用PPR 管，空壓機(jī)提供壓縮空氣作為動(dòng)力，氣壓為0.4～0.5MPa。在氣動(dòng)隔膜泵旁邊都有儲(chǔ)氣罐，穩(wěn)定氣源的壓力。

制釉車間釉缸輸出口安裝氣動(dòng)隔膜泵一，氣動(dòng)隔膜泵到釉線車間中轉(zhuǎn)釉缸的管道中間安裝接力氣動(dòng)隔膜泵二、三，工作方式為間歇式，由PLC 控制間歇泵送或連續(xù)泵送，間歇泵送時(shí)間可調(diào)，初始設(shè)定隔膜泵工作20min、停止10min 為一個(gè)周期。釉線車間中轉(zhuǎn)釉缸輸出口安裝氣動(dòng)隔膜泵四，泵的輸出管道一直到線邊釉蠱，最后回流到釉線車間中轉(zhuǎn)釉缸。

另外，在釉線車間中轉(zhuǎn)釉缸上安裝超聲波測(cè)距傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)釉缸容量變化，當(dāng)中轉(zhuǎn)釉缸內(nèi)釉漿不足時(shí)，傳感器反饋低位信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)氣動(dòng)隔膜泵一、二、三開始工作；當(dāng)釉漿在釉線車間中轉(zhuǎn)釉缸到達(dá)上限位置時(shí)，傳感器反饋高位信號(hào)，自動(dòng)停止上述氣動(dòng)隔膜泵工作。

4 結(jié)論

新設(shè)計(jì)的長距離陶瓷釉漿輸送系統(tǒng)，根據(jù)釉漿特性及釉漿產(chǎn)能需求，設(shè)計(jì)合適的管道內(nèi)徑，選用高效氣動(dòng)隔膜泵，在中轉(zhuǎn)釉缸采用超聲波液位控制，并由PLC 自動(dòng)控制間隔泵送或連續(xù)泵送，避免釉漿在管道內(nèi)長時(shí)間停頓，有效解決了熔塊類釉漿易沉淀、難以用管道長距離輸送的問題；同時(shí)管道材料采用高分子塑膠管材，摩擦系數(shù)小，不易結(jié)垢，隔膜泵隔膜采用鐵氟龍高分子材料，全程釉漿在管道內(nèi)與外界完全隔離，避免了釉漿在輸送過程中的污染。長距離陶瓷釉漿輸送系統(tǒng)的研發(fā)使用大幅度減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力成本，減少了釉漿損耗，減少了機(jī)物件損耗，該系統(tǒng)應(yīng)用效果顯著。