陶瓷行業原料制備新技術及未來趨勢展望

黃賓　劉春江

摘 要：針對陶瓷行業原材料加工環節中單一的球磨工藝球磨時間長、能耗物耗大的現狀，文章綜述了神工快磨、干法制粉、連續球磨等新技術的特點和優勢，分析了這些原料制備新技術在節能減排、環境保護方面的影響和作用，并對未來陶瓷原料制備技術的發展進行了展望。

關鍵詞：陶瓷；原料制備；技術

1 引言

我國是世界陶瓷生產的第一大國，在陶瓷生產的過程中，原料加工所消耗的能源占了很大的比例，同時原料加工技術也決定著陶瓷產品的質量。球磨設備是陶瓷廠的主要機械設備之一， 它的電耗占陶瓷廠總電耗的30%左右。因此如何提高球磨機的效率、降低能耗、減少生產成本， 對企業的發展至關重要。隨著陶瓷行業的迅速發展，在瓷磚產品的推陳出新之余，陶瓷機械設備企業、原料化工企業倒逼升級進步的迫切感愈發強烈。只有原料制備技術的不斷革新，才能推動陶瓷行業向高新技術產業發展。

目前陶瓷行業的粉磨裝備主要是球磨機。球磨機是最早出現且應用最為普遍的粉磨設備，國內建筑衛生陶瓷行業球磨制漿生產工序主要使用鋁球石或天然鵝卵石作為球磨機球磨介質，與投磨原料按比例進行一次研磨，存在球磨機運行效率低、時間長、產量低、電耗高和球石損耗大等缺點，增加了生產經營成本，進而影響行業的進一步發展。

國內外對提高球磨機研磨效率和節能做了大量的工作，研究結果表明，球磨機的機械效率僅為2%～5%。球磨機雖然已經過多年的不斷改進、發展，并且已經開發出大型球磨機和連續球磨機，但總體看來，從機械結構方面提升球磨機的機械效能幾乎已經達到了技術的極限。

為了深度探討陶瓷行業制備新技術上的新進展和存在的問題，推動陶瓷行業的科技進步，佛山市科學技術協會和佛山市陶瓷學會于2014年11月26日主辦了2014陶瓷行業原料制備新技術論壇，其目的和初衷就是要推動原料加工技術和裝備向高效與節能方向的發展，實現轉型升級。這是建筑陶瓷行業發展多年來第一次專門針對原料制備的新技術舉辦的一次高規格論壇。

2 陶瓷行業原料制備技術現狀

多年來，我國陶瓷生產企業的原料制備普遍存在工藝流程落后，裝備幾十年不變，能源利用率低，能耗巨大這一嚴峻而現實的問題。特別是陶瓷原料的制備一直采用間隙式球磨工藝，幾十年沿用至今幾乎沒有改變，該工藝最大優點是能夠確保陶瓷原料的配比在球磨前后不會發生變化，物料混合得非常均勻，正由于間隙式球磨機具有這一優點，在陶瓷行業原料的粉磨工序中占據了不可動搖的地位。然而這一球磨工藝的最大缺點是，物料在粉磨過程中不可避免地會出現“過度粉碎”現象，使粉碎機生產能力降低，單位功耗增加。而國外早已經開始采用連續式球磨機，連續式球磨機具有顯著的節能效果，但該技術國內卻一直沒有推廣開來。一個主要的問題是國內陶瓷原料難以達到標準化，且原料的種類繁多，水份差異較大，無法實現自動給料和配料。

球磨機是目前陶瓷行業原材料加工環節中最常用的物料粉磨設備，具有粉碎比大，結構堅固，單機產量高和氣密性好等優點，但球磨機球磨工藝相對落后，球磨時間長、能耗物耗大。多年來，陶業人對球磨效率的研究從未停止，漸漸總結出了影響球磨效率的因素，包括： 磨機轉速、填料系數、研磨介質、料球水的比例、解膠劑、加料方法、入料粒度等。

在陶瓷行業節能呼聲愈來愈高的今天，針對陶瓷行業原材料加工環節中單一的球磨工藝球磨時間長、能耗物耗大的現狀，采用先進的粉磨設備，研究、制造出適合我國陶瓷原料配方工藝與陶瓷生產技術的粉磨設備，已成為行業亟需解決的重要問題。這幾年，一直沒有什么變化的原料加工工藝和加工設備受到了一些企業的重視，經過多年的研究和實踐，有了新的變化和新的思路，針對中國的陶瓷原料的現實，尋找到可以操作的工藝路線和新型的粉磨設備，并取得了一定的成效。

3 陶瓷原料制備新技術

近年來，為了適應陶瓷行業發展的需求，陶瓷行業原料與制備企業不斷地探討，針對陶瓷生產與應用的現狀，研發出一系列新型、高效、節能的陶瓷原料專用設備，用于解決傳統陶瓷生產工藝流程中球磨環節能耗巨大，耗量成本高的缺點，在原材料的快磨系統，連續球磨新技術、干法制粉等方面取得了很大的成功。

3.1 神工快磨系統

佛山市博暉機電有限公司研發的神工快磨系統采用“快磨機”與“球磨機”相組合的二段粉磨流程，有效地避免了物料在球磨機的初始粉碎階段所消耗的大量的能量，降低了球磨機的能耗，同時還可以極大地縮短物料的整個球磨過程所耗費的時間，從而達到了在原料制備階段的節能。

3.1.1神工快磨節能原理分析

所謂“神工快磨”，其實是立式磨的一種改革。其粉磨機理屬于“料床粉磨”，或稱之為“料床擠壓粉磨”，優點是有用功多、機械效率高。神工磨與球磨機在陶瓷原料粉磨中的聯合應用，是針對當前陶企普遍使用的陶瓷原料（砂石料和泥料）用“傳統單一球磨”的加工工藝進行的一種陶瓷原料加工工藝的創新。先對粒徑較大的砂石料進行粗破碎，使物料成粉片狀，達到非常微小的細度（ ≤10 目篩），部分細小顆粒以片條狀存在，研磨過程擠壓內部也產生了裂紋，這樣的物料進入球磨更容易研磨； 然后經過處理的碎砂石料與別的泥類料按一定的配比配好料再入球磨機，然后由球磨機內的 3 種不同尺寸的球石進行研磨，由于物料粒徑都很小， 在球磨機中物料可以直接進入細磨階段，然后經過 8 h 左右的球磨過程，最后得到泥漿狀的陶瓷物料。 此工藝大大降低了球磨機能耗、縮短了球磨時間，，從而達到了在原料制備階段的節能。

神工快磨工藝節能的主要原因：

（1） 神工快磨工藝的入球（硬質）物料粒徑在2 mm（10目）以下，物料間粒徑差異很?。粋鹘y球磨工藝的入球物料粒徑在15 mm以下，且物料間粒徑差異很大。

（2） 神工快磨破碎后，物料的礦物結構出現微裂，易于球磨機研磨加工。

（3） 神工快磨工藝改變了球磨機球石級配，增加球石與物料的接觸面，提高研磨效率。

傳統球磨研磨最長時間為16 h，而神工快磨由于入磨粒徑是一致的，這樣可以減少過磨縮短球磨時間。如南莊新明珠陶瓷有限公司，從14 h變為8 h，綜合耗電從38 kW·h降到26 kW·h。高明貝斯特，從14 h降為8 h，有時候能降到7小時，耗電是從43到29.8 kW·h。湖南兆邦陶瓷有限公司，從原來的22 h降到14 h，耗電是從39 kW·h降到27.9 kW·h。

傳統球磨工藝與神工快磨工藝在節能方面比較如下：

（1） 神工快磨節約的成本：約520萬元/年；

（2） 神工運行每天產量： 1000 t，每噸電耗7.6 kW·h，磨輥磨耗約2.9元/t ；

（3） 神工破碎料占磨球配方料的62%；球磨每天可以處理1600 t配方料，每年以300天計算；

（4） 神工快磨新工藝，球磨單位電耗約21.18 kW/t，單位電費以0.79元/kW·h計算，球石磨耗約7.5元/t，球襯磨耗約1.4元/t；

（5） 傳統工藝，球磨單位電耗約35.12 kW/t，球石磨耗約12元/t，球襯磨耗約2元/t；

（6） 傳統工藝每天需要40臺球磨機（40 t球）加工，神工快磨工藝由于球磨時間縮短至8 h，即只需要20臺球磨機；從而神工快磨工藝可以節省20臺球磨機，即節省600萬元。

3.1.2神工快磨與傳統球磨工藝比較

新的球磨工藝相對于傳統球磨工藝有兩大突破之處：其一，將粗細不同的大粒徑的砂石料用立磨破碎成均勻的小粒徑物料（ ≤10 目篩），此過程相當于球磨機里面的粗磨階段， 但是立磨所用的能耗大大低于球磨機的粗磨能耗；其二，優化球磨機球石級配，由于新工藝入磨物料粒徑都很小，可以直接進入細磨階段，不需要大粒徑的（如： D50 /D60 /D70 ）球石來粗磨，因而可以增加小粒徑球石（如： D20 /D30 /D40 ）特別是增加 D20 球石的用量，以增加球石與物料的接觸，提高研磨效率。 傳統球磨工藝中球石級配（ D30﹕D40﹕D50﹕D60﹕D70 ）在整個球磨階段（粗磨與細磨）是不變的， 在粗磨階段主要是用到了 D70 /D60 /D50 等級配的球石，而細磨階段主要是用到了 D30/D40 等級配的球石，球石級配中的不充分利用會極大的影響球磨效率， 增加球磨時間球磨能耗。神工快磨工藝與傳統球磨工藝的節能對比如圖1所示。神工快磨工藝與傳統球磨工藝的原料入磨粒徑對比如圖2所示。

3.2 干法制粉技術

干法制粉，在噴霧干燥應用之前，一直是陶瓷墻地磚粉料制備的重要方法，最為普遍的就是輪碾加濕造粒。但是在濕法球磨噴霧干燥工藝誕生之后，由于濕法工藝制備的粉料在顆粒形狀、流動性、顆粒級配控制等使用性能方面的優越性，濕法工藝幾乎統治了整個陶瓷墻地磚生產的粉料制備。但是，人們一直沒有放棄對于干法制粉的研究與應用，目前國內外在干法制粉技術方面已取得了顯著的成效。干法制粉的實施與工業化應用，不僅僅是陶瓷原料加工工藝的重大突破，而且對于節能減排具有重大而深遠的意義。

3.2.1陶瓷行業干法制粉技術的歷程與現狀

現在陶瓷企業在陶瓷墻地磚壓型粉料的制備上采用的通常是噴霧干燥濕法制粉工藝技術，而這也就造成陶瓷企業生產現場粉塵多、噴霧干燥塔能耗高、用水量大的現狀。近二三十年間，人們開始開發研究陶瓷墻地磚干法制粉工藝技術。國外比較有代表性的公司有意大利L.B公司、M.S公司、GMV公司，德國的 Eirich公司，英國的Atotor公司。國內也一直有企業在嘗試，但一直沒有比較成功的案例。

我國在上世紀80年代后期，咸陽陶瓷研究設計院借鑒國外技術和經驗開始研究陶瓷墻地磚干法制粉工藝技術。首先從原料干法細磨及造粒機理方面進行研究探討，相繼開發了不同機理的造粒設備，如：LZ-1700型立式造粒機，WZ2500型、WZ3000型臥式造粒機系列設備，曾在四川、廣東等地推廣應用，由于設備穩定性、粉體流動性等問題，未能得到很好的應用。2013年10月12日，由山東義科節能科技有限公司完成的"陶瓷干法制粉工藝及裝備"通過山東省省級科技成果鑒定。項目研制了立式磨機制粉、干法增濕造粒、混合造粒優化一體機、窯爐煙氣余熱干燥等關鍵陶瓷干法制粉工藝及裝備。鑒定總體技術達到國際先進水平。2014年廣州工業展期間，LB公司曾專門推介他們的干法制粉技術。

2014年6月21日，中國建筑材料聯合會組織了“陶瓷粉料高效節能干法制備技術及成套設備”科技成果鑒定會。該項目由佛山溶洲建筑陶瓷二廠有限公司、華南理工大學、合肥水泥研究院、佛山綠島環保科技有限公司共同研發完成。該項目是佛山產學研合作重大科技成果，擁有十余項專利。與會專家一致認為，該成果綜合技術水平達到了國際先進水平。

2014年8月23日，隨著淄博金卡公司首批利用干法制粉核心專利技術生產的高檔瓷磚的出窯，宣告了國內首條干法制粉生產線成功投產。此條生產線，由山東義科節能科技有限公司負責設計、施工，歷時近一年建造而成。此條生產線的成功投產，標志著國內干法制粉工藝走向成熟，干法制粉工藝技術有望在瓷磚行業得到全面推廣應用。這條生產線采用了義科自主研發的EDP干法制粉系統，原料處理采用先進的自動化電腦配料，粉料的研磨是用立式磨機，研磨方式發生了根本性的改變，大大提高了磨粉的效率。另外，此生產線采用多層震動硫化床進行粉料干燥，熱源是利用窯爐的余熱，不需要消耗額外的燃料，從而降低了制粉成本。在造粒方面，此條生產線采用了“分層振動流化干燥機”、“陶瓷墻地磚干法造粒及顆粒優化一體機”、“陶瓷粉料顆粒優化機”及“優化飛刀組”等義科公司自主研發的專利設備，使得粉料的混合、造粒及顆粒優化一次性完成，粉料合格率達到95%以上。

3.2.2干法制粉新工藝技術

干法制粉對目前的行業來講是革命性的東西，在大力提倡節能環保的今天，干法制粉工藝顯示了巨大的生命力。

與傳統濕法制粉工藝相比，干法制粉工藝簡單連續，減少了濕法工藝的磨漿、沉淀和噴霧干燥環節，直接省掉了球磨機和噴霧塔設備，在同等產量的情況下，干法制粉工藝所需的設備投入比較小，廠房占地面積也相對較小，生產效率高。除此之外，干法制粉工藝最大的優勢在于節能減排和節省成本方面。相比之下，干法制粉工藝生產效率高，整個粉料的生產過程可以做到全過程封閉自動化系統，只用電，不用任何燃料，能做到零廢氣、零粉塵、零污水排放，同時還能省掉大量的勞動力成本，綜合能耗可以減少45%以上。干法制粉所制粉料為實心顆粒，密度較大，如果配置合適的壓制成形工藝，可以提高磚坯強度，有利于減少坯體的變形、起層、粘模等缺陷。

義科節能推出的陶瓷干法制粉新工藝，是對延續數十年傳統陶瓷濕法制粉工藝的革命性升級和改造（包括水、電、煤、人工等）。其主要創新點在于：一是在原料粉碎和配料系統方面，由立式磨機代替傳統的球磨機，研磨、干燥、風選一次完成，占地少、效率高、節能30%左右。二是采用電腦自動化配料，使得配料更精準，使后續的生產更穩定。而在干法造粒、優化及干燥系統方面，義科節能的專利產品混合造粒優化一體機一次完成混合，增濕造粒及顆粒優化，使生產工藝大大簡化，效率也更高，也更容易控制；將傳統濕法工藝中燃燒成本徹底革除，大大減少了對環境的污染；采用多層震動流化床干燥器，干燥效率提高一倍以上，可以全部使用窯爐的煙氣余熱，更加節能。以日產300 t粉料為例，全年綜合節約成本超過750萬，節水超3萬t。以日產10000 m2拋光磚的生產線為例，綜合節約成本比例超過60%，每年干法比濕法綜合成本節約700～800萬元左右。

由佛山溶洲建筑陶瓷二廠有限公司、華南理工大學、合肥水泥研究院、佛山綠島環保科技有限公司四單位聯合開發的"陶瓷粉料高效節能干法制備技術及成套設備"，不僅研制開發了干粉增濕造粒制粉技術及其整套設備，而且引入了水泥行業的粉料均化概念與裝備，研究開發了適應于陶瓷多種類原料的逐級放大均化系統，優化了均化系統的各項參數，滿足了陶瓷多原料種類、多色料種類、多種大小批量特性的配方原料干法混合均化要求，提高了粉料的均化度、流動性等性能，使之更加適應陶瓷墻地磚的壓制成型工藝，向工業化生產應用邁開了一大步，已經規?；a了厚度超過10 mm的300 mm×90 mm規格的外墻磚產品。而且將干法制粉與陶瓷廢渣利用相結合，大量在產品配方中使用陶瓷廢渣，陶瓷廢渣摻入量可達60%以上。

3.2.3干法制粉的特性

圖3是義科干法和立磨研磨以后的粒度分布情況，從圖3中可以看到，10微米以下的顆粒占42.54%，立磨時合格粒度的粉料會及時轉移。所以立磨一般不存在過粉磨現象，這也是它節能、高效的地方。圖4是造粒以后顆粒的形貌，放大倍數為200倍。顆粒球形度高，流動性好。表1是300 mm×600 mm地磚干法與濕法數據的對比，從表中可以看出，干法制粉的堆積密度較高，濕法的一般1 g/cm3左右，干法一般比濕法高15%～20%。而壓縮比干法制粉是1.85，濕法制粉為2.15，干法明顯比濕法小。對生坯強度來說，在同樣壓力的情況下，干法制粉生坯強度比濕法提高約50%。在滿足要求的情況下，可以把黏土的用量減少。干燥以后的干坯強度接近，燒成以后的燒成強度也接近。在同樣的情況下，干法的收縮率減少50%左右，吸水率基本上減少一半。

3.3 連續球磨技術

連續球磨機以前廣泛應用在選礦行業中。1984 年左右， 連續球磨機開始在意大利陶瓷墻地磚行業應用。隨后，“意大利核能和替代能源委員會”委托“意大利波羅尼亞陶瓷中心”對連續球磨從工藝、泥漿和粉料性能、能耗方面與間歇球磨進行了系統的測試和比較研究。研究證明， 連續球磨比間歇球磨具有較大的優越性。這對此后連續球磨機在意大利的推廣起了很大的推動作用。從此， 連續球磨機在意大利陶瓷墻地磚行業的應用越來越多。而我國陶瓷行業采用連續球磨技術時間較短，億達機電連續球磨機的推出，使在歐洲已經應用有20多年的連續球磨技術與設備開始了在中國瓷磚行業的應用。

3.3.1組合式連續球磨機的節能原理

組合式連續球磨機是一種新型球磨機，它的結構包括筒體、傳動裝置、原料和研磨體的進出料裝置、自動檢測和自動控制系統等組成。工作時由電機，減速機和皮帶輪組成的驅動系統通過皮帶帶動，有皮帶槽的筒體作旋轉運動。原料和水在進料裝置驅動下通過進料端空心軸進入筒體內。在筒體帶動下，裝有一半多的原料、水和球石作相互沖擊，旋轉運動。原料在球石的強力沖擊下，迅速得到研磨。原料經過一個多小時的強力研磨，經第三個筒體的出料口流出，完成整個原料的球磨過程。

傳統球磨機是封閉式的研磨，原料、水和球石裝滿整球才能運轉，研磨效果差。而組合式連續球磨機是開放式的，只裝有一半多，原料、水和球石，球石上下落差大，對原料沖擊勢能大，球石被帶到高處直接沖擊原料而產生很好的研磨效果，研磨好的原料可以馬上從第三節筒體流走，不會產生過磨現象。連續球磨機對每一節球體的轉速可根據其內部原料粒度不同采用最佳運行速度，提高了生產效率。而且其自動化程度高，可實現無人操作和遠程控制。并且泥漿溫度高、流動性好。傳統球磨的泥漿含水率在33%～34%，而連續球磨的泥漿含水率可降到32%。這對噴霧干燥節能有很大的效果，每降低2%的含水率，可節約煤2 kg左右。

3.3.2連續球磨機的優勢

連續球磨的優勢主要有以下幾方面：

首先，節電明顯。每噸干粉，因每個陶瓷廠的配方、原料不一樣，大概可節省10%～15%的電。如晶鵬陶瓷廠的拋光磚的配方含硬質料比較多，硬度比較高，節電效果在15%以下，10%～15%之間。節能則根據各個陶瓷廠的配方和生產磚的規格不一樣，節能也不一樣，一般在15%～20%的范圍內上下波動。倘若連續球磨機與間歇式球磨機混合運用，單位耗電為每噸粉料31 kW·h左右。

其次，球磨筒體內裝的球石、水和原料不超過球體的中心位置。三聯體的連續球磨機每一節承擔不同的研磨任務。第一節進行粗磨，當它研磨到一定程度，進入第二節進行中磨，然后進入第三節進行精磨。不會像間歇球磨機那樣，已經磨細達標的要與粗顆粒同磨?？蛇B續進料和出料，減少大量裝料和出料的時間。

第三，達到細度的先流走，沒有達到標準的，繼續研磨。

第四，連續球的球體帶有標準的皮帶槽，用標準的三角帶，帶動筒體運動。而間歇球用三角帶傳動沒有皮帶槽的光筒體。

第五，其他優勢。節能降耗顯著，相比間歇球可節能20%以上。產能高，質量穩定，占地面積小，基礎投資少，采用模塊化設計，根據原料特點，可靈活調整模塊的配置，兩聯體、三聯體、四聯體等。

3.3.3連續球磨機節能效果

組合式連續球磨機在廣東恩平市晶鵬陶瓷廠順利投產。通過連續球磨機8個月運行的生產情況來看，節能明顯，使用連續球磨機生產原料的陶瓷廠產量越大，連續球磨機顯示的優勢也越大。如果是連續球磨機+立磨，優勢更明顯，研磨效果更好，節能效果更顯著，產量更大。從恩平的陶瓷企業生產中得到的實際測量數據可知，連續球磨機可保證每小時大概38～40 t泥漿產能，250目的篩余是18 g。

連續式球磨機產量大，有顯著的節能效果，一套（3臺Φ3400 mm×6000 mm）組合式連續球磨機。原料在2 mm以下，直接進入連續球磨機研磨，每小時的漿料產量在20 t以上。如果經過傳統球磨機粗磨，250目篩余為8～12 g再進連續式球磨機精磨，每小時可生產40 t漿料250目篩余在0.8～1.2 g左右。由于產量大，它比傳統球磨機加工工藝每噸粉料要節約15%～20%左右的電。

4 展望

隨著我國能源價格持續上漲，能耗在墻地磚生產成本中所占的比例越來越大，國家的環保政策也越來越嚴厲，節能環保已成為陶瓷企業生存的新常態。在這種形勢下，縱觀國內外陶瓷行業生產技術的開發和應用，在原料制備方面，將呈現如下的發展趨勢：

（1） 連續球磨機由于能夠顯著降低原料制備的能耗、大幅度降低生產成本，而且由于泥漿性能穩定、使產品質量和成品率得到提高，還具有便于生產管理、實現自動配料和連續化生產、生產周期大大縮短、節省占地面積、極大地提高了勞動生產率等優勢。可以預見，在不久的將來，連續球磨機將在我國墻地磚行業得到較快發展。

（2） 神工快磨工藝系統的未來發展趨勢為：快磨與連續球磨配套新工藝，其優勢有：1） 縮短粗磨時間，節省粗磨能耗；2） 物料結構碎裂，粒徑均勻，易于球磨；3） 優于常規連續球磨工藝。在運用中控管理，自動化監控方面，將實現：1） 節省人力、物力；2） 提高生產效率；3） 減少失誤，降低廢品率；4） 實現節能降耗。

（3） 隨著環保標準的推出和實施，以及在清潔生產、節能減排政策的壓力下，原料制備環節對環境的影響促使企業不斷改進技術，而干法制粉工藝由于其生產效率高、全過程封閉自動化、除了電之外不用任何燃料，能做到零廢氣、零粉塵、零污水排放，同時還能節省大量勞動力成本的優勢，未來，干法制粉工藝必將成為陶瓷行業原料制備的首選技術之一。

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