干法制粉技術(shù)在建筑陶瓷中的應(yīng)用

劉可春+柯善軍+劉俊榮

摘 要：我國建筑陶瓷行業(yè)迅速發(fā)展，陶瓷磚產(chǎn)量已連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一，但同時(shí)也存在著發(fā)展與資源、能源、廢棄物排放之間的矛盾。干法制粉工藝是建筑陶瓷行業(yè)實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約、節(jié)能減排的重要途徑之一。本文針對(duì)干法制粉在建陶行業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀、優(yōu)勢(shì)及存在的問題進(jìn)行了綜述。

關(guān)健詞：干法制粉；建筑陶瓷；陶瓷磚

1 前言

我國是建筑陶瓷的生產(chǎn)大國和出口大國，產(chǎn)量多年位居世界首位。2015年陶瓷磚產(chǎn)量已超過百億平方米，2016年達(dá)110.76億平方米，較上年增長1.81%[1]。但建陶行業(yè)目前仍是一個(gè)高能耗、高污染的行業(yè)，其產(chǎn)品的生產(chǎn)能耗占陶瓷生產(chǎn)成本的30 ～ 40%[2]。能耗主要分布在粉料制備、燒成和后期加工三個(gè)階段，其中粉料制備的能耗主要消耗在球磨和噴霧造粒環(huán)節(jié)（如圖1所示），約占整個(gè)生產(chǎn)總能耗的15%[3]。目前，行業(yè)仍以傳統(tǒng)制粉工藝為主，即通過球磨獲得含水率高達(dá)35%的泥漿，將這些泥漿經(jīng)過噴霧干燥，制成含水率為5 ～ 7%的粉料。該過程不僅浪費(fèi)了30%的水，且還要消耗蒸發(fā)水所需的熱量，不僅浪費(fèi)資源和能源，而且還會(huì)產(chǎn)生燃燒廢氣，對(duì)環(huán)境造成較大的負(fù)面影響。近年來，干法制粉因其節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，已成為建陶行業(yè)的研究熱點(diǎn)之一。本文針對(duì)干法制粉在建陶行業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀、優(yōu)勢(shì)及存在的問題進(jìn)行了綜述。

2 干法制粉工藝簡介

傳統(tǒng)濕法制粉是將原料加水濕法球磨成一定含水量的泥漿，泥漿過篩除鐵后經(jīng)液壓柱塞泵送入噴霧干燥塔內(nèi)造粒，造粒后經(jīng)篩分及陳腐成為含水量5 ～ 7%的粉料（如圖2（左）所示）。而干法制粉工藝是將各種原料單獨(dú)粉碎到一定粒度后配料細(xì)磨，細(xì)磨后符合粒度要求的篩下料經(jīng)增濕造粒機(jī)增濕造粒成含水量約10 ～ 12%的粉料顆粒再經(jīng)干燥及振動(dòng)篩分級(jí)處理，最后送至粉料倉陳腐，得到含水量合適的粉料（如圖2（右）所示）。

濕法制粉的主要設(shè)備為噴霧干燥塔，其造粒原理是將泥漿用霧化器（高壓噴槍或轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)方式）分散成霧滴，霧滴在表面張力的作用下形成球狀，并利用熱空氣（或其它氣體）與霧滴直接接觸，蒸發(fā)水分而獲得粒狀的粉料。盡管噴霧造粒制粉存在投資費(fèi)用較高、熱效率偏低等缺點(diǎn)，但其具有連續(xù)、操作簡單靈活、特別適應(yīng)于大工業(yè)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，且噴霧干燥得到的粉料為空心球狀料，粉料的流動(dòng)性好，是當(dāng)前建陶行業(yè)普遍采用的一種方式。而干法制粉粉料的成形機(jī)理是通過濕化干細(xì)粉料（霧化水滴的方式），以濕化水核的表面張力吸附團(tuán)聚干細(xì)粉，再通過外界機(jī)械力（造粒機(jī)）的強(qiáng)化整合，形成表面多棱角形狀不規(guī)則的實(shí)心顆粒料[5]。由成形機(jī)理可看出，影響干法制粉粉料質(zhì)量的因素有霧化液滴和干粉的粒徑干粉與霧化液滴的接觸程度以及造粒機(jī)的強(qiáng)化作用等，越細(xì)的干粉與霧滴充分接觸后形成的顆粒也會(huì)越小，避免了大顆粒的產(chǎn)生，同時(shí)利于干粉與霧化液滴充分接觸，提高粉料的成粒率，避免干粉的浪費(fèi)。干法造粒設(shè)備不是唯一的，科研工作者根據(jù)不同的需求研制出了不同的干法造粒設(shè)備，包括轉(zhuǎn)動(dòng)造粒、流化床造粒和混合造粒等設(shè)備。

3 干法制粉技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[6-15]

國外在20世紀(jì)70年代，就開始研發(fā)建筑陶瓷干法制粉技術(shù)。隨著機(jī)械制造技術(shù)的快速發(fā)展，意大利的LB公司于1985年成功設(shè)計(jì)出世界上第一臺(tái)適用于建筑陶瓷干法制粉的增濕造粒機(jī)。隨后，LB公司又研制出了LB35型臥式造粒機(jī)、TAG型臥式造粒機(jī)、BVC立式造粒機(jī)等各種不同用途的干法造粒機(jī)。此外，意大利GMV公司、MS公司，德國AGROB 公司、EIRICH（愛立許）公司及英國Atritor公司也相繼開發(fā)出增濕造粒機(jī)。意大利GMV公司研制的立式環(huán)輥磨機(jī)帶有循環(huán)熱風(fēng)干燥系統(tǒng)，即使原料初始含水率很高，對(duì)生產(chǎn)也不會(huì)產(chǎn)生影響。2012 年，德國EIRICH（愛立許）公司在“陶瓷工業(yè)最新節(jié)能制備工藝——干法造粒制備瓷磚技術(shù)推介會(huì)”上推出了EcoPrep干法工藝，該工藝能耗小，粉料性能好，可穩(wěn)定生產(chǎn)出吸水率低于1%的陶瓷磚。

國內(nèi)20世紀(jì) 80 年代末，咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院把干法制粉工藝與裝備結(jié)合，通過借鑒國外技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，開始研究陶瓷墻地磚干法制粉工藝技術(shù)。相繼研發(fā)出了不同機(jī)理的干法制粉設(shè)備，如WZ2500型、WZ3000型臥式造粒機(jī)、LZ - 1700型立式造粒機(jī)系列設(shè)備。90年代中期，咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院又開始研究開發(fā)與大噸位自動(dòng)壓磚機(jī)配套的增濕造粒干法制粉生產(chǎn)線，并相繼研發(fā)了新型輥筒式造粒機(jī)和振動(dòng)流化干燥床。但是由于干法粉體流動(dòng)性、設(shè)備穩(wěn)定性等問題，未能得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。隨后，唐山盛源機(jī)械研究所也攻克了干法制粉、流化干燥、除塵凈化等技術(shù)難題，成功研發(fā)出了干法制粉設(shè)備。近年來，我國各陶瓷研究單位相繼進(jìn)行了新一輪的干法制粉工藝及設(shè)備開發(fā)。2008年在廣東省建筑陶瓷技術(shù)路線中，將干法制粉技術(shù)和裝備的研發(fā)列入重點(diǎn)項(xiàng)目。2010年，佛山市溶洲陶瓷二廠和山東義科節(jié)能科技有限公司率先開始研發(fā)干法制粉工藝相關(guān)技術(shù)與裝備。2012年，義科節(jié)能研發(fā)的第一條干法制粉中試生產(chǎn)線在淄博投產(chǎn)。2013年，義科節(jié)能的“陶瓷干法制粉工藝及其裝備”通過了山東省科技廳組織的專家鑒定。2014年，溶洲陶瓷二廠的“陶瓷粉料高效節(jié)能干法制備技術(shù)及成套設(shè)備”通過了中國建筑材料聯(lián)合會(huì)主持的科技成果鑒定。2015年，義科節(jié)能的“建筑陶瓷干法制粉技術(shù)與關(guān)鍵裝備”通過了中國建筑材料聯(lián)合會(huì)主持的科技成果鑒定。同年，佛山市博暉機(jī)電有限公司宣布與意大利LB公司合作，推動(dòng)建筑陶瓷干法制粉。隨后，博暉機(jī)電與LB公司聯(lián)手打造的山東東鵬陶瓷干法制粉示范生產(chǎn)線投產(chǎn)。2016年，咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院的“陶瓷磚新型干法短流程工藝關(guān)鍵技術(shù)與示范”通過了中國建筑材料聯(lián)合會(huì)組織的專家驗(yàn)收。同年10月，山東東鵬陶瓷的“干法制粉用于制造釉面磚（陶質(zhì)磚）的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范”項(xiàng)目通過了中國建筑材料聯(lián)合會(huì)主持的科技成果鑒定。

4 干法工藝粉料特性

粉料顆粒大小和形態(tài)對(duì)建陶產(chǎn)品性能的影響較大。一般而言，粉料中顆粒尺寸小，在燒成時(shí)易形成小晶粒，且由于比表面積相對(duì)較大更容易形成液相，降低燒成溫度。但如果顆粒粒度都偏小，形狀不規(guī)則，粒度分布范圍不合理則會(huì)導(dǎo)致坯體燒成時(shí)局部收縮大，產(chǎn)生變形甚至開裂。于等[16]詳細(xì)研究了干法造粒制備的坯體粉料的顆粒形貌、粒度分布、含水率密度和流動(dòng)性等特性。結(jié)果表明，干法造粒工藝所制備粉料顆粒表面粗糙不規(guī)整，球形度較差；干法造粒工藝制備的物料粒度分布范圍較窄，顆粒較粗，濕法造粒工藝制備的物料粒度分布范圍較寬，顆粒較細(xì)；干法工藝粉料的含水率、休止角和崩潰角都較濕法工藝的略高，但差值并不大。

張等[17]采用正交試驗(yàn)方法，分析了陶瓷粉料干法造粒機(jī)噴水時(shí)的轉(zhuǎn)速、造粒時(shí)的延時(shí)轉(zhuǎn)速以及噴頭類型這三個(gè)因素對(duì)干法造粒中顆粒大小的影響，通過直觀分析、方差分析和貢獻(xiàn)率分析，結(jié)果一致表明，各因素對(duì)陶瓷粉料干法造粒顆粒大小影響顯著性的大小順序?yàn)椋簢婎^類型>噴水轉(zhuǎn)速>造粒延時(shí)轉(zhuǎn)速。吳等[18]針對(duì)陶瓷墻地磚干法造粒制粉存在的顆粒級(jí)配分布不均勻的現(xiàn)象，搭建試驗(yàn)平臺(tái)研究轉(zhuǎn)軸偏心率對(duì)造粒過程中顆粒級(jí)配的影響，同時(shí)基于歐拉 - 歐拉模型模擬造粒過程顆粒的分散性及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，優(yōu)化轉(zhuǎn)軸偏心率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)偏心率為0.25時(shí)，顆粒級(jí)配均勻性最佳。同時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果表明，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相吻合，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的可靠性。吳等[19]針對(duì)陶瓷干法造粒機(jī)造粒過程溫度場(chǎng)對(duì)造粒效果的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比分析了造粒過程溫度場(chǎng)對(duì)造粒效果的影響。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，當(dāng)造粒室內(nèi)溫度值高于80℃時(shí)，將在一定程度上降低造粒的成品率。

Conserva等[20]研究了不同組成的坯體配方在濕法和干法造粒的條件下燒結(jié)瓷坯的性能。結(jié)果表明，同一組成配方，相同的燒成溫度，干法造粒工藝燒成收縮更小，吸水率更大，高溫液相粘度更高，抗變形能力更好。主要原因是干法細(xì)粉顆粒較大，且形貌不規(guī)整（如圖3所示），高溫?zé)Y(jié)過程中，殘留的晶相顆粒尺寸較大，數(shù)量較多（如圖4所示）；而濕法顆粒較細(xì)，且形貌多呈類球狀，易于部分溶解到高溫熔體中。此外，張等[21]以拋光廢渣為主要原料，結(jié)合其他陶瓷原料，采用干法造粒工藝，經(jīng)輥道窯快速燒成制備了輕質(zhì)陶瓷磚，通過正交試驗(yàn)，結(jié)合綜合性能指數(shù)量化得出最佳配方，其抗折強(qiáng)度3.19 MPa、吸水率2.31%、顯氣孔率1.72%、容重0.74 g/cm3。張等[22]以拋光廢渣、高鋁泥、恒峰砂、力鴻砂、黑滑石為原料，采用干法造粒工藝，在1100 ～ 1200℃保溫10 ～ 30 min的條件下，制備輕質(zhì)陶瓷磚，并研究了燒成制度對(duì)輕質(zhì)陶瓷磚性能的影響。結(jié)果表明，隨著燒成溫度的升高，輕質(zhì)陶瓷磚線膨脹率逐漸升高，吸水率呈先升高再降低而后升高的趨勢(shì)，在1170℃時(shí)達(dá)到最低值；抗折強(qiáng)度和容重隨著燒成溫度的升高逐漸降低；隨著保溫時(shí)間的延長，試樣容重和抗折強(qiáng)度逐漸降低，但變化不明顯。

5 干法制粉工藝應(yīng)用前景

干法制粉工藝替代濕法制粉工藝，可節(jié)約電耗20%，節(jié)約熱耗65%，節(jié)約水耗80%（見表1所示）。在節(jié)省大量的資源和能耗的同時(shí)，顯著降低產(chǎn)品成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯，這是推動(dòng)陶瓷企業(yè)實(shí)施干法制粉工藝的內(nèi)在動(dòng)力。同時(shí)，隨著環(huán)保要求的提高，建陶行業(yè)作為高能耗企業(yè)，節(jié)能考核壓力巨大。節(jié)能減排政策的驅(qū)使成為干法制粉工藝外在的推動(dòng)力。因此，干法制粉工藝在建陶行業(yè)的推廣應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)建陶工業(yè)的綠色制造，實(shí)現(xiàn)建陶工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，其推廣應(yīng)用前景較好。

6 結(jié)語

干法制粉工藝是目前建陶行業(yè)最具潛力的節(jié)能技術(shù)之一，現(xiàn)已被行業(yè)熱點(diǎn)報(bào)道。但目前的干法制粉技術(shù)尚存在較大的提升空間，如干法制粉工藝的普適性不強(qiáng)，對(duì)原料產(chǎn)地和配方選擇性較為狹窄，且大生產(chǎn)的穩(wěn)定性還值得進(jìn)一步分析優(yōu)化。此外，干法粉料的物理特性還不足以與濕法粉料媲美，尚存在流動(dòng)性差、成型率低等缺陷。同時(shí)，在干法制粉的過程中，諸如干法除鐵等工序的可行性尚待考量。目前，雖有少量示范性工程投產(chǎn)，但多為高吸水率的墻磚產(chǎn)品，對(duì)于常規(guī)的瓷質(zhì)地磚的應(yīng)用還要做更多更深入的研究。總之，作為建陶行業(yè)一種異于常規(guī)的工藝，雖然目前仍有較多問題未能解決，但隨著機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制和制粉技術(shù)的發(fā)展，干法制粉技術(shù)一定會(huì)對(duì)建陶行業(yè)做出巨大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 尹虹. 2016年陶瓷工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì). 尹虹陶瓷頻道， 2017.02.17.

[2] 李紹勇， 周榮光， 梁飛峰. 超細(xì)化干法造粒制備陶瓷粉料技術(shù)[J]. 佛山陶瓷， 2010， 8：20-22.

[3] 張?jiān)Ｌ?江海東， 陸剛， 等. 陶瓷原料生產(chǎn)節(jié)能新技術(shù)探討[J]. 佛山陶瓷， 2016， 6：1-4.

[4] A. Mezquita， E. Monfort， S. Ferrer， et al. How to reduce energy and water consumption in the preparation of raw materials for ceramic tile manufacturing： Dry versus wet route[J]. https：//doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.04.082.

[5] 王斌， 鄭伍魁， 李輝， 等. 我國陶瓷墻地磚制粉工藝的進(jìn)展[J]. 硅酸鹽通報(bào)， 2015， 5：1312-1319.

[6] 占甜甜. 陶瓷墻地磚干法制粉坯料物性的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)， 景德鎮(zhèn)， 2016.

[7] P. Duminuco， B. Messiga， M.P. Riccardi. Firing process of natural clays. Some micro-textures and related phase compositions[J]. Thermochimica Acta， 1998， 321：185-190.

[8] M.P. Riccardi， B. Messiga， P. Duminuco. An approach to the dynamics of clay firing[J]. Applied Clay Science， 1999， 15： 393-409.

[9] V.G. Sampaio， B.C. Pinheiro， J.N.F. Holanda. Dry granulation of a ceramic paste for porcelain stoneware tile[J]. Ceramica， 2007， 53 （327）：295-299.