一種利用結(jié)晶粉碎法生產(chǎn)陶瓷用五水偏硅酸鈉的工藝及裝備研究

馮曉文 ， 王斌 ，林慶娜， 鐘春林 ，汪陽(yáng) ，孫熠，蔣瑜琦

（1. 肇慶市歐陶新型材料有限公司，肇慶 526113 2. 江西省歐陶科技有限公司，高安 330811 3.廣西歐陶新材料科技有限公司，藤縣 543300）

1 前言

五水偏硅酸鈉，是一種無機(jī)化合物，分子式為NaSiO3.5H2O，分子量為212.14，主要用作洗滌劑、陶瓷減水劑和金屬清洗劑的助劑、人造沸石、造紙脫墨、面紗蒸煮等方面。

目前五水偏硅酸鈉的生產(chǎn)工藝，主要有結(jié)晶粉碎法、母液循環(huán)法、連續(xù)造粒法（又分為結(jié)晶造粒法、噴霧造粒法），這幾種工藝各有千秋，但以造粒法質(zhì)量最優(yōu)，也是使用最廣的一種。

五水偏硅酸鈉也是一種優(yōu)質(zhì)的陶瓷泥漿解膠劑，它能夠顯著降低漿料的水份、賦予其一定的流動(dòng)性、懸浮性和抗觸變性，由于對(duì)產(chǎn)品使用的側(cè)重點(diǎn)不同，陶瓷行業(yè)急需一種工藝簡(jiǎn)單、成本低、對(duì)外觀要求不高，但效果卻和常規(guī)產(chǎn)品幾乎沒有差異的五水偏硅酸鈉產(chǎn)品，來達(dá)到滿足泥漿解膠效果，又能降低使用的成本目的。

用結(jié)晶粉碎法生產(chǎn)的五水偏硅酸鈉，就是針對(duì)陶瓷生產(chǎn)的這種需求而研發(fā)的一種高性價(jià)比的產(chǎn)品，特別適合在高溫、高濕季節(jié)以及海外市場(chǎng)使用，產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)可以達(dá)到HG/T2568-2008《工業(yè)偏硅酸鈉》的規(guī)定。

2 五水偏硅酸鈉生產(chǎn)的原材料、工器具

2.1 原材料

2.1.1 水玻璃

也稱液體硅酸鈉，多使用濕法工藝生產(chǎn)的水玻璃，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 水玻璃技術(shù)要求

2.1.2.燒堿

片狀氫氧化鈉，質(zhì)量符合GB/T209-2018《工業(yè)用氫氧化鈉》之規(guī)定，NaOH≮98%。

2.2 工裝、器具

（1）水玻璃儲(chǔ)罐，立式，200 立方米

（2）片堿堆場(chǎng)，做防潮、防腐處理

（3）帶重量傳感器的配料系統(tǒng)

（4）濃縮系統(tǒng)

（5）自走式旋耕機(jī)生產(chǎn)線

（6）粉碎系統(tǒng)

（7）稱重、包裝、碼垛系統(tǒng)

3 生產(chǎn)工藝

3.1 原材料的準(zhǔn)備

水玻璃：經(jīng)檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)符合第2.1.1 條之規(guī)定的水玻璃，進(jìn)入儲(chǔ)罐儲(chǔ)存?zhèn)溆茫?/p>

片堿：選用25Kg/袋，含量99%的片狀氫氧化鈉，檢驗(yàn)合格后用托盤碼放，每托1 噸，?；穼Ｓ脦?kù)房整齊堆存。

3.2 配料

配料利用帶重量傳感器的配料罐完成，配料罐安裝在地坑中，其罐口上沿和地面平齊，其操作方法是:

（1）首先檢查配料罐及其附屬設(shè)備是否完好，確保一切正常后開始作業(yè)；

（2）打開水玻璃儲(chǔ)罐的球閥，讓水玻璃通過管道自流進(jìn)泥漿泵；

（3）啟動(dòng)泥漿泵將水玻璃送入配料罐，添加的數(shù)量利用罐體下安裝的四個(gè)重量傳感器來獲取，當(dāng)顯示屏上的數(shù)值達(dá)到規(guī)定值時(shí)，關(guān)閉泥漿泵，啟動(dòng)配料罐中的攪拌機(jī)；

（4）用叉車將片堿轉(zhuǎn)運(yùn)到配料罐旁，用人工通過溜槽投入到配料罐中，數(shù)量利用傳感器監(jiān)控；

（5）配料完成后連續(xù)攪拌30min，直到片堿完全溶解混合均勻。通過配料罐上面的取樣口，取約200ml 料液送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，試樣含量應(yīng)該符合表2 規(guī)定，不合格要根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)配，然后再次檢測(cè)確認(rèn)合格。

圖1 配料罐示意圖

圖2 冷卻池網(wǎng)格狀預(yù)埋件示意圖

圖3 生產(chǎn)工藝流程圖

圖4 生產(chǎn)設(shè)備的布置圖

表2 初始料漿的技術(shù)指標(biāo)

3.3 濃縮

濃縮的作業(yè)方法：

（1）啟動(dòng)配料罐配置的泥漿泵，將料液抽送到濃縮罐中；

（2）濃縮設(shè)備可以是真空濃縮機(jī)或者簡(jiǎn)單的常壓濃縮鍋，只要濃縮成本低、效率高都可以采用，具體視實(shí)際狀況而定；

（3）濃縮過程要注意觀察，進(jìn)行一定時(shí)間后，取樣進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)含量達(dá)到下列規(guī)定后，濃縮結(jié)束；

（4）濃縮后的料漿技術(shù)指標(biāo)符合表3 的規(guī)定。

表3 濃縮后料漿的技術(shù)指標(biāo)

表4 結(jié)晶粗碎后產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)要求

3.4 放料、結(jié)晶、粗碎

3.4.1 放料的操作

（1）將濃縮罐（濃縮鍋）上的PVS 鋼絲纏繞管牢固對(duì)接到自走式旋耕機(jī)的噴淋管接口上；

（2）啟動(dòng)旋耕機(jī)上的刀片，做原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，打開濃縮罐（濃縮鍋）上的放料球閥，濃縮好的料漿通過旋耕機(jī)的噴淋管落入冷卻槽。

噴淋管固定在刀片上方，沿刀片安裝軸的長(zhǎng)度方向布設(shè)，其下方開孔，料漿通過該孔噴撒到刀片和軸上面，由于料漿的溫度約90℃左右，可以將刀片、軸上前一批次生產(chǎn)結(jié)晶的五水偏硅酸鈉加熱溶解到冷卻池中，料漿全部進(jìn)入冷卻池后，去除放料軟管，啟動(dòng)旋耕機(jī)開始工作。

3.4.2 自走式旋耕機(jī)的工作原理

（1）傳統(tǒng)的陶瓷用偏硅酸鈉的生產(chǎn)方法

為了降低生產(chǎn)成本，陶瓷解膠劑用的偏硅酸鈉多采用結(jié)晶粉碎法生產(chǎn)方式，是先將經(jīng)過混合反應(yīng)的料漿流放到一個(gè)容器中，經(jīng)過冷卻、結(jié)晶，然后人工敲打成塊或者直接傾倒在地面上、人工添加到刀片粉碎機(jī)粉碎，然后人工裝袋、稱重、縫包，與自走式旋耕機(jī)作業(yè)方式相比，同樣的產(chǎn)量下用人最少是10 倍以上。

由于這種工藝勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，用工數(shù)量多，已經(jīng)不能適應(yīng)規(guī)模化生產(chǎn)的需要，正在逐漸被淘汰；

（2）自走式旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1）自走式旋耕機(jī)系統(tǒng)是借鑒農(nóng)機(jī)旋耕機(jī)工作原理來研制、應(yīng)用的一種高效、低成本的偏硅酸鈉生產(chǎn)設(shè)備，包括：機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、刀盤、控制系統(tǒng)、噴淋管、軌道等；

2）機(jī)架寬度7 米左右，采用C 型鋼牢固焊接而成，其下兩端各安裝2 個(gè)軌道輪，軌道長(zhǎng)度60 米左右（可視氣候、場(chǎng)地靈活確定），旋耕機(jī)在軌道上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；

3）機(jī)架下安裝有兩根軸，其長(zhǎng)度是機(jī)架的1/2，其上沿軸的圓周方向勻布刀座三個(gè)，縱向每隔0.2 米排列一圈，每個(gè)刀座中插入一把旋耕機(jī)刀，用螺栓可靠固定；

4）以5.5.千瓦電機(jī)為動(dòng)力，每軸配一臺(tái)，通過減速機(jī)、鏈條、鏈輪將動(dòng)力傳遞給旋耕機(jī)刀軸，軸帶動(dòng)刀片做圓周運(yùn)動(dòng)，旋耕機(jī)的自走通過一臺(tái)3 千瓦電機(jī)，配合減速機(jī)、傳動(dòng)軸來實(shí)現(xiàn)；

5）旋耕機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刀片做圓周運(yùn)動(dòng)，在料漿處于液態(tài)時(shí)，通過旋耕機(jī)的攪動(dòng)，可以加速料漿降溫，當(dāng)溫度下降到初始結(jié)晶點(diǎn)后，刀片除了可以攪動(dòng)降溫外，還可以對(duì)形成的結(jié)晶進(jìn)行切削、拋撒、翻動(dòng)，阻止了物料結(jié)晶成一體，隨著溫度下降，結(jié)晶穩(wěn)定，顆粒狀五水偏硅酸鈉便生成了。

3.5 冷卻池

3.5.1 冷卻池的規(guī)格

一般情況下長(zhǎng)度60.00 米，寬度6.00 米，深度0.12米，這樣的規(guī)格產(chǎn)量高，一批次出料45.00 噸左右，而且比較好控制。

3.5.2 冷卻池的結(jié)構(gòu)

（1）地面預(yù)處理，整平、壓實(shí)后澆筑0.1 米混凝土墊層；

（2）用4#角鋼焊接成規(guī)格為：長(zhǎng)1.50，寬1.50 米，高0.20 米的連續(xù)方格結(jié)構(gòu)，建成后網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)為60.00米，總寬8.00 米；

（3）為防止網(wǎng)結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生位移，每間隔一定距離，用爆炸螺絲將其固定，框架的水平高差不得超過1.00mm;

（4）用C30 混凝土進(jìn)行澆筑，澆筑的高度要低于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上部角鋼面0.50mm，否則會(huì)導(dǎo)致接下來的焊接鋼板無法進(jìn)行，澆筑要一次性完成，每格內(nèi)表面要求平整、光滑；

（5）澆筑完成后，待混凝土凝固后，就可以焊接冷卻池的底板。底板的材質(zhì)為δ=4 的普通碳素鋼板，先將規(guī)格為6.00m×1.50m 的鋼板，沿長(zhǎng)度方向一分為二，然后再在每一小塊的中間，沿寬度方向勻布100×5 的長(zhǎng)孔3個(gè)，然后將其四邊焊接在網(wǎng)架的角鋼上，長(zhǎng)孔內(nèi)采用塞焊的方式滿焊，全部鋼板鋪設(shè)完畢后，靠配料罐端頭和兩個(gè)側(cè)邊用δ=10，高度15.00mm 的普通碳素鋼板圍邊，另外端頭，由于鏟車要進(jìn)出，不做固定封堵，用什么堵，仁者見仁智者見智吧；

（6）焊接要牢固可靠，確保不滲漏，整個(gè)冷卻池的水平高差不能超過1.00mm,這是一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，超差會(huì)導(dǎo)致整個(gè)旋耕機(jī)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

3.6 打料

不同的季節(jié)，室溫不同，夏秋季高溫高濕，料溫和室溫的差別相對(duì)較小，料漿的降溫速度慢，春冬天則反之，根據(jù)季節(jié)的不同，我們需要制定不同的打料作業(yè)制度。打料的時(shí)間間隔，應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況確定，沒有統(tǒng)一的規(guī)定。

自走式旋耕機(jī)有兩種控制方法，一種是利用按鈕開關(guān)人工操作，一種是采用時(shí)間繼電器和行程開關(guān)自動(dòng)控制啟停，但為了防止出現(xiàn)意外，還是需要專人照料和管理設(shè)備。

一般料漿的結(jié)晶溫度始于50℃左右，初期較慢，后期很快，當(dāng)料漿由液態(tài)變成固體，進(jìn)而變成顆粒狀，手捏后松開仍然能散開的，表明打料環(huán)節(jié)已經(jīng)完成。

該工序非常關(guān)鍵，特別是當(dāng)料漿出現(xiàn)結(jié)晶，呈現(xiàn)粥樣粘稠狀時(shí)，要特別注意設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)料漿進(jìn)入了快速結(jié)晶期，設(shè)備運(yùn)行間隔太長(zhǎng)或者出現(xiàn)故障停止運(yùn)行，都會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶體不能及時(shí)受到打擊、切削、拋撒、翻動(dòng)變成小顆粒，而結(jié)成一整塊，造成設(shè)備損壞，還要人工用風(fēng)鎬打碎結(jié)晶體、人工粉碎的方法來處理結(jié)料故障。

3.7 產(chǎn)品的收集

完成結(jié)晶、粗碎后的產(chǎn)品，借助鏟車來收集、堆放，經(jīng)過2-3 天的時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步冷卻降溫，讓結(jié)晶更加徹底，顆粒硬度增加，為接下來的細(xì)碎、檢斤、包裝做好準(zhǔn)備。

3.8 細(xì)碎

3.8.1 細(xì)碎的設(shè)備

為了確保五水偏硅酸鈉的顆粒均勻一致，需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行一次細(xì)碎，主要設(shè)備包括：鏟車、喂料機(jī)、錘片式粉碎機(jī)、斗式提升機(jī)等。

3.8.2 作業(yè)方法

（1）用鏟車將經(jīng)過堆放的五水偏硅酸鈉粗碎料鏟運(yùn)到喂料機(jī)中；

（2）依次啟動(dòng)錘片式粉碎機(jī)、喂料機(jī)，物料進(jìn)入粉碎機(jī)完成細(xì)碎后，落入斗式提升機(jī)，被提升至自動(dòng)包裝稱的料斗內(nèi)。

3.9 檢斤、包裝、碼垛

這三個(gè)工序利用定量包裝機(jī)、輸送縫包機(jī)、碼垛機(jī)器人完成，一般的稱定量包裝、封包設(shè)備都可以使用，包裝好的產(chǎn)品通過轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶到達(dá)機(jī)器人處，機(jī)器人抓手將其抓舉到托板，然后用叉車轉(zhuǎn)運(yùn)到庫(kù)房存放。

3.10 成品質(zhì)量檢測(cè)

根據(jù)HG/T2568-2008《工業(yè)偏硅酸鈉》的有關(guān)規(guī)定，對(duì)產(chǎn)品的總堿量和二氧化硅進(jìn)行檢測(cè)，累計(jì)一個(gè)月樣本的平均值見表5 成品的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表5 成品的檢測(cè)數(shù)據(jù)

從檢測(cè)數(shù)據(jù)看，產(chǎn)品質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品的解膠性能，在相同的工藝技術(shù)條件下，分別對(duì)H 公司采用噴霧造粒法，D 公司采用結(jié)晶造粒法、O 公司采用結(jié)晶粉碎法生產(chǎn)的五水偏硅酸鈉，在廣東W 陶瓷公司仿古磚坯體配方土中，分別進(jìn)行泥漿解膠性能的測(cè)試，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表6。

表6 不同工藝生產(chǎn)的五水偏硅酸鈉泥漿解膠能力對(duì)比

從上述數(shù)據(jù)可以看出，三種不同的工藝生產(chǎn)的五水偏硅酸鈉泥漿解膠性能，在相同的條件下，三者的泥漿解膠性能基本上沒有差別，正常情況相差3 秒以內(nèi)都視作質(zhì)量正常。

3.11 生產(chǎn)工藝流程圖

根據(jù)前述生產(chǎn)過程，可以得出如下生產(chǎn)工藝流程圖。生產(chǎn)設(shè)備的選型、定置，可以根據(jù)企業(yè)的實(shí)際狀況而定，借用其他行業(yè)成熟的設(shè)備時(shí)，要注意此類設(shè)備在五水偏硅酸鈉生產(chǎn)中的適應(yīng)性，不然就會(huì)走很多彎路，特別是高溫、高濕季節(jié)，五水偏硅酸鈉由于應(yīng)力的作用，吸附水、游離水不穩(wěn)定，釋放出來后導(dǎo)致產(chǎn)品溶解，粘附在傳動(dòng)、計(jì)量系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行不正常。

4 陶瓷用五水偏硅酸鈉生產(chǎn)的注意事項(xiàng)

4.1 原材料是基礎(chǔ)

50Be 水玻璃盡可能選用濃度高、模數(shù)高的產(chǎn)品，從而保證五水偏硅酸鈉成品SiO2 的含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；

4.2 濃縮是關(guān)鍵

由于采用50Be 水玻璃和99%片狀氫氧化鈉作為原材料來生產(chǎn)陶瓷用五水偏硅酸鈉，結(jié)晶后總的固含量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，所以料漿要經(jīng)過濃縮，蒸發(fā)器的選擇是關(guān)鍵，按照該產(chǎn)品的特性，以多效蒸發(fā)器較好，這樣可以實(shí)現(xiàn)熱量回收重復(fù)利用，降低濃縮成本；

4.3 刀片和軸的沖洗保障旋耕機(jī)正常運(yùn)行

采用高溫時(shí)的料漿對(duì)刀片和軸進(jìn)行沖洗，熱量使其上面結(jié)晶的產(chǎn)品溶化脫落，防止了刀片和軸由于產(chǎn)品結(jié)晶變成一個(gè)柱狀，當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)粉狀結(jié)晶時(shí)，刀片無法深入到產(chǎn)品中，機(jī)架被抬升，軌道輪離開軌道，導(dǎo)致設(shè)備脫軌，而且采用人工清理結(jié)晶物，費(fèi)時(shí)費(fèi)力還影響生產(chǎn)；

4.4 冷卻池地板的水平高差符合規(guī)定，焊接要牢靠不能出現(xiàn)任何滲漏

如果地板出現(xiàn)高低不平，或者高差超標(biāo)，就會(huì)導(dǎo)致刀片刮底不正常，要么打底、要么觸不到底，如此一來對(duì)產(chǎn)品的切削、拋撒、翻動(dòng)就不徹底，沒有攪翻到的地方，就會(huì)結(jié)成一塊，地板高起的部位，容易損壞刀片。

每次生產(chǎn)結(jié)束后，要仔細(xì)檢查地板，出現(xiàn)滲漏的要馬上焊補(bǔ)。剛鏟收產(chǎn)品后，漏點(diǎn)是濕的很容易發(fā)現(xiàn)，不及時(shí)維修溫度降低后產(chǎn)品會(huì)在地板下結(jié)晶，將地板頂起，出現(xiàn)不平整，影響使用，所以及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)并修補(bǔ)非常重要。

4.5 打料的時(shí)間

夏季由于環(huán)境溫度高，料漿的降溫非常慢，生產(chǎn)周期甚至可以達(dá)到36h,這個(gè)時(shí)期可以將自動(dòng)控制器的時(shí)間間隔調(diào)長(zhǎng)，冷卻初期，自走式旋耕機(jī)主要起攪拌、加快降溫的作用，當(dāng)出現(xiàn)粥樣稠化時(shí)，要有人照看設(shè)備運(yùn)行，防止由于間隔時(shí)間過長(zhǎng)，產(chǎn)品結(jié)晶變硬，旋耕機(jī)刀片無法割裂結(jié)晶面，出現(xiàn)設(shè)備故障，導(dǎo)致生產(chǎn)被迫停止，產(chǎn)品結(jié)成一體。

冬季產(chǎn)品的生產(chǎn)周期可以縮減到8h 左右，由于溫差大，降溫速度快，生產(chǎn)全程要有人員照看，防止出現(xiàn)故障。

4.6 產(chǎn)品的堆放

堆放是為了讓接下來的細(xì)碎更容易進(jìn)行，錘片式粉碎機(jī)依靠高速旋轉(zhuǎn)的刀盤上懸掛的垂片，將產(chǎn)品擊打、剪切為細(xì)小的顆粒，如果介質(zhì)濕軟，篩網(wǎng)孔堵塞，物料受到撞擊發(fā)熱、變軟，粉碎機(jī)就無法正常工作，所以結(jié)晶質(zhì)量和出槽后的堆放至關(guān)重要。

4.7 定量包裝、縫包、碼垛環(huán)節(jié)

按照操作說明正確使用設(shè)備，同時(shí)做好設(shè)備的防塵和班后的清掃，偏硅酸鈉是一種無機(jī)鹽，容易吸潮化解，造成設(shè)備精密零部件腐蝕，導(dǎo)致設(shè)備精準(zhǔn)度下降或者失靈，粘附的產(chǎn)品也會(huì)造成轉(zhuǎn)接皮帶運(yùn)輸機(jī)打滑、電子秤失準(zhǔn)，這些細(xì)節(jié)都是生產(chǎn)中需要高度重視的。

5 結(jié)論

五水偏硅酸鈉在陶瓷原料制備工序是作為泥漿解膠劑來使用的，主要著眼于它的解膠能力，由于與粘土、長(zhǎng)石、石英、水、球石等材料一起入球研磨，對(duì)外觀沒有十分嚴(yán)格的要求，只要方便添加、易于存放即可。

利用結(jié)晶粉碎法生產(chǎn)的陶瓷用五水偏硅酸鈉，不但具備其他工藝方法生產(chǎn)的五水偏硅酸鈉的性能，而且節(jié)省了造粒消耗的大量能源（一種是加熱、另一種是降溫），提升了產(chǎn)品的性價(jià)比，由于這種產(chǎn)品固含量高，解膠能力比水玻璃、七水偏硅酸鈉、九水偏硅酸鈉都強(qiáng)，而且高溫、高濕季節(jié)穩(wěn)定性好，特別適合遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、熱帶地區(qū)陶瓷廠和海外市場(chǎng)使用。

在全球都在大力實(shí)施節(jié)能減排低碳生產(chǎn)的背景下，推廣一種利用結(jié)晶粉碎法生產(chǎn)是陶瓷用五水偏硅酸鈉，產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)和使用環(huán)節(jié)都可以降低成本，間接也實(shí)現(xiàn)了減碳，是一種有助于助推產(chǎn)業(yè)鏈可持續(xù)發(fā)展的陶瓷新材料，值得推廣應(yīng)用。