干法制粉技術在建筑陶瓷中的應用

劉可春+柯善軍+劉俊榮

摘 要：我國建筑陶瓷行業迅速發展，陶瓷磚產量已連續多年穩居世界第一，但同時也存在著發展與資源、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實現資源節約、節能減排的重要途徑之一。本文針對干法制粉在建陶行業應用的現狀、優勢及存在的問題進行了綜述。

關健詞：干法制粉；建筑陶瓷；陶瓷磚

1 前言

我國是建筑陶瓷的生產大國和出口大國，產量多年位居世界首位。2015年陶瓷磚產量已超過百億平方米，2016年達110.76億平方米，較上年增長1.81%[1]。但建陶行業目前仍是一個高能耗、高污染的行業，其產品的生產能耗占陶瓷生產成本的30 ～ 40%[2]。能耗主要分布在粉料制備、燒成和后期加工三個階段，其中粉料制備的能耗主要消耗在球磨和噴霧造粒環節（如圖1所示），約占整個生產總能耗的15%[3]。目前，行業仍以傳統制粉工藝為主，即通過球磨獲得含水率高達35%的泥漿，將這些泥漿經過噴霧干燥，制成含水率為5 ～ 7%的粉料。該過程不僅浪費了30%的水，且還要消耗蒸發水所需的熱量，不僅浪費資源和能源，而且還會產生燃燒廢氣，對環境造成較大的負面影響。近年來，干法制粉因其節能和環保優勢，已成為建陶行業的研究熱點之一。本文針對干法制粉在建陶行業應用的現狀、優勢及存在的問題進行了綜述。

2 干法制粉工藝簡介

傳統濕法制粉是將原料加水濕法球磨成一定含水量的泥漿，泥漿過篩除鐵后經液壓柱塞泵送入噴霧干燥塔內造粒，造粒后經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粉碎到一定粒度后配料細磨，細磨后符合粒度要求的篩下料經增濕造粒機增濕造粒成含水量約10 ～ 12%的粉料顆粒再經干燥及振動篩分級處理，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（高壓噴槍或轉盤旋轉方式）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，蒸發水分而獲得粒狀的粉料。盡管噴霧造粒制粉存在投資費用較高、熱效率偏低等缺點，但其具有連續、操作簡單靈活、特別適應于大工業生產等優點，且噴霧干燥得到的粉料為空心球狀料，粉料的流動性好，是當前建陶行業普遍采用的一種方式。而干法制粉粉料的成形機理是通過濕化干細粉料（霧化水滴的方式），以濕化水核的表面張力吸附團聚干細粉，再通過外界機械力（造粒機）的強化整合，形成表面多棱角形狀不規則的實心顆粒料[5]。由成形機理可看出，影響干法制粉粉料質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的強化作用等，越細的干粉與霧滴充分接觸后形成的顆粒也會越小，避免了大顆粒的產生，同時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。干法造粒設備不是唯一的，科研工作者根據不同的需求研制出了不同的干法造粒設備，包括轉動造粒、流化床造粒和混合造粒等設備。

3 干法制粉技術應用現狀[6-15]

國外在20世紀70年代，就開始研發建筑陶瓷干法制粉技術。隨著機械制造技術的快速發展，意大利的LB公司于1985年成功設計出世界上第一臺適用于建筑陶瓷干法制粉的增濕造粒機。隨后，LB公司又研制出了LB35型臥式造粒機、TAG型臥式造粒機、BVC立式造粒機等各種不同用途的干法造粒機。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公司也相繼開發出增濕造粒機。意大利GMV公司研制的立式環輥磨機帶有循環熱風干燥系統，即使原料初始含水率很高，對生產也不會產生影響。2012 年，德國EIRICH（愛立許）公司在“陶瓷工業最新節能制備工藝——干法造粒制備瓷磚技術推介會”上推出了EcoPrep干法工藝，該工藝能耗小，粉料性能好，可穩定生產出吸水率低于1%的陶瓷磚。

國內20世紀 80 年代末，咸陽陶瓷研究設計院把干法制粉工藝與裝備結合，通過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。相繼研發出了不同機理的干法制粉設備，如WZ2500型、WZ3000型臥式造粒機、LZ - 1700型立式造粒機系列設備。90年代中期，咸陽陶瓷研究設計院又開始研究開發與大噸位自動壓磚機配套的增濕造粒干法制粉生產線，并相繼研發了新型輥筒式造粒機和振動流化干燥床。但是由于干法粉體流動性、設備穩定性等問題，未能得到進一步的推廣應用。隨后，唐山盛源機械研究所也攻克了干法制粉、流化干燥、除塵凈化等技術難題，成功研發出了干法制粉設備。近年來，我國各陶瓷研究單位相繼進行了新一輪的干法制粉工藝及設備開發。2008年在廣東省建筑陶瓷技術路線中，將干法制粉技術和裝備的研發列入重點項目。2010年，佛山市溶洲陶瓷二廠和山東義科節能科技有限公司率先開始研發干法制粉工藝相關技術與裝備。2012年，義科節能研發的第一條干法制粉中試生產線在淄博投產。2013年，義科節能的“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“陶瓷粉料高效節能干法制備技術及成套設備”通過了中國建筑材料聯合會主持的科技成果鑒定。2015年，義科節能的“建筑陶瓷干法制粉技術與關鍵裝備”通過了中國建筑材料聯合會主持的科技成果鑒定。同年，佛山市博暉機電有限公司宣布與意大利LB公司合作，推動建筑陶瓷干法制粉。隨后，博暉機電與LB公司聯手打造的山東東鵬陶瓷干法制粉示范生產線投產。2016年，咸陽陶瓷研究設計院的“陶瓷磚新型干法短流程工藝關鍵技術與示范”通過了中國建筑材料聯合會組織的專家驗收。同年10月，山東東鵬陶瓷的“干法制粉用于制造釉面磚（陶質磚）的關鍵技術研究與應用示范”項目通過了中國建筑材料聯合會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對建陶產品性能的影響較大。一般而言，粉料中顆粒尺寸小，在燒成時易形成小晶粒，且由于比表面積相對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，形狀不規則，粒度分布范圍不合理則會導致坯體燒成時局部收縮大，產生變形甚至開裂。于等[16]詳細研究了干法造粒制備的坯體粉料的顆粒形貌、粒度分布、含水率密度和流動性等特性。結果表明，干法造粒工藝所制備粉料顆粒表面粗糙不規整，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；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]采用正交試驗方法，分析了陶瓷粉料干法造粒機噴水時的轉速、造粒時的延時轉速以及噴頭類型這三個因素對干法造粒中顆粒大小的影響，通過直觀分析、方差分析和貢獻率分析，結果一致表明，各因素對陶瓷粉料干法造粒顆粒大小影響顯著性的大小順序為：噴頭類型>噴水轉速>造粒延時轉速。吳等[18]針對陶瓷墻地磚干法造粒制粉存在的顆粒級配分布不均勻的現象，搭建試驗平臺研究轉軸偏心率對造粒過程中顆粒級配的影響，同時基于歐拉 - 歐拉模型模擬造粒過程顆粒的分散性及驗證實驗結果的可靠性，優化轉軸偏心率。實驗結果表明，當偏心率為0.25時，顆粒級配均勻性最佳。同時數值模擬結果表明，數值模擬與實驗結果基本相吻合，驗證了實驗的可靠性。吳等[19]針對陶瓷干法造粒機造粒過程溫度場對造粒效果的影響，結合實驗與數值模擬對比分析了造粒過程溫度場對造粒效果的影響。仿真結果與實驗數據對比分析表明，當造粒室內溫度值高于80℃時，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瓷坯的性能。結果表明，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。主要原因是干法細粉顆粒較大，且形貌不規整（如圖3所示），高溫燒結過程中，殘留的晶相顆粒尺寸較大，數量較多（如圖4所示）；而濕法顆粒較細，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，結合其他陶瓷原料，采用干法造粒工藝，經輥道窯快速燒成制備了輕質陶瓷磚，通過正交試驗，結合綜合性能指數量化得出最佳配方，其抗折強度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，制備輕質陶瓷磚，并研究了燒成制度對輕質陶瓷磚性能的影響。結果表明，隨著燒成溫度的升高，輕質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，在1170℃時達到最低值；抗折強度和容重隨著燒成溫度的升高逐漸降低；隨著保溫時間的延長，試樣容重和抗折強度逐漸降低，但變化不明顯。

5 干法制粉工藝應用前景

干法制粉工藝替代濕法制粉工藝，可節約電耗20%，節約熱耗65%，節約水耗80%（見表1所示）。在節省大量的資源和能耗的同時，顯著降低產品成本，經濟效益明顯，這是推動陶瓷企業實施干法制粉工藝的內在動力。同時，隨著環保要求的提高，建陶行業作為高能耗企業，節能考核壓力巨大。節能減排政策的驅使成為干法制粉工藝外在的推動力。因此，干法制粉工藝在建陶行業的推廣應用，對實現建陶工業的綠色制造，實現建陶工業可持續發展，具有重要的現實意義，其推廣應用前景較好。

6 結語

干法制粉工藝是目前建陶行業最具潛力的節能技術之一，現已被行業熱點報道。但目前的干法制粉技術尚存在較大的提升空間，如干法制粉工藝的普適性不強，對原料產地和配方選擇性較為狹窄，且大生產的穩定性還值得進一步分析優化。此外，干法粉料的物理特性還不足以與濕法粉料媲美，尚存在流動性差、成型率低等缺陷。同時，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，但多為高吸水率的墻磚產品，對于常規的瓷質地磚的應用還要做更多更深入的研究。總之，作為建陶行業一種異于常規的工藝，雖然目前仍有較多問題未能解決，但隨著機械設計、自動化控制和制粉技術的發展，干法制粉技術一定會對建陶行業做出巨大的貢獻。

參考文獻

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