球形氧化鋁粉體噴霧造粒法的制備及工藝研究

楊戰厚 徐子勤 王軍成 王明俊 蔣 翔 魏 婷

(咸陽非金屬礦研究設計院有限公司 陜西 咸陽 712021)

前言

氧化鋁(Al2O3)陶瓷具有強度高(機械強度可達150 MPa)、硬度高(莫氏硬度達9)、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫以及導熱性好、高絕緣、低介電損耗、電性能穩定等特點，廣泛應用于電子、機械、化工、醫藥、光電、航空航天等行業。氧化鋁(Al2O3)陶瓷按Al2O3的質量分數分為99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品種，有時將Al2O3含量在80%或75%陶瓷歸為普通氧化鋁陶瓷系列。Al2O3含量不同，其在工業中的用途不同。其中含量為99氧化鋁瓷材料用于制作軸承、陶瓷密封件、坩堝、爐管等；95氧化鋁瓷材料主要用作耐腐蝕、耐磨件；85氧化鋁瓷中常摻入部分滑石原料，用于提高陶瓷的電性能、機械強度，常用作電真空器件。隨著科學技術的發展及制造技術的提高，氧化鋁陶瓷新品種不斷出現，在現代工業和現代科學領域中將會得到越來越廣泛的應用。

1 氧化鋁(Al2O3)陶瓷的成形方法

氧化鋁陶瓷制品成形方法主要有：干壓成形、注漿成形、擠壓成形、等靜壓成形、注射成形、流延成形、熱壓成形等多種方法。產品形狀、尺寸、造型與精度不同，需要采用不同的成形方法。干壓成形法是氧化鋁(Al2O3)工業生產中采用的一種主要方法，可實現半自動化或全自動化生產，具有生產效率高，產品質量穩定，生產環保等優點。

在干壓成形過程中，模具對氧化鋁(Al2O3)顆粒粒徑分布、均勻填充要求非常高。粉體顆粒要大于60 μm，介于20～80目之間，粉體顆粒在模具內達到最佳的自由流動性，可制得最好的成形產品。顆粒充填量影響著氧化鋁陶瓷零件的尺寸和精度。對于干壓成形來說，原料必須用顆粒料，顆粒料造粒的方法有：一般造粒法、加壓造粒法、噴霧造粒法和凍結造粒法。以上幾種造粒方法以噴霧造粒的質量最好，其常用于工業化生產中。

噴霧造粒法制備的氧化鋁(Al2O3)顆粒具有規則球狀、類球狀的結構, 顆粒級配好且呈正態分布，堆密度大，造粒粉在模腔內流動性好，具有良好的壓制成形和燒結等特性，制備出的顆粒可生產高質量的陶瓷產品。

2 噴霧造粒制備氧化鋁(Al2O3)陶瓷粉體

噴霧造粒制備氧化鋁(Al2O3)粉體，系統主要由制漿系統、制備系統、熱風輸送系統、泥漿輸送系統、噴霧霧化系統、除塵系統、風力系統、粉料輸送系統、控制系統等組成。熱風爐燃燒生成的高溫熱風，經熱風管道后進入造粒塔頂部，經過熱風分配器形成均勻旋轉的熱氣流進入造粒塔內，熱氣流與輸漿泵將送入氧化鋁(Al2O3)料漿經噴槍霧化后形成的微細的料霧接觸瞬間，氧化鋁(Al2O3)料漿水分在15 s左右迅速蒸發，形成球狀、類球狀顆粒產品，產品經造粒塔底部排出，經輸送系統進入壓制料倉。造粒塔內的尾氣夾帶少量細粉經布袋除塵器分離后，凈化后的尾氣經由風力系統(引風機)排出，除塵器分離出的粉末產品經除塵器中的下料器排出，粉末產品進入制漿系統循環使用，完成造粒過程。

3 噴霧造粒制備氧化鋁(Al2O3)粉體的工藝研究

噴霧造粒制備氧化鋁(Al2O3)陶瓷粉體的工藝流程為：漿料攪拌→輸送→造粒→氣固分離→輸送→成品料倉。噴霧造粒氧化鋁陶瓷粉體工藝配置圖如圖1所示。

1-漿料攪拌機 2-泥漿泵 3-料倉 4-輸送機 5-噴霧造粒塔 6-霧化系統 7-產品出口 8-除塵器 9-熱風爐 10-風力系統 11-噴淋泵 12-濕法洗滌器

圖1噴霧造粒設備配置圖

為了獲得球形、類球形粉體顆粒，造粒的顆粒大小與輸送泵的霧化壓力、霧化噴嘴孔徑的大小、噴霧角等因素有關，也與料漿所添加的粘合劑等因素有關。下面從幾方面研討一下造粒裝備過程調節控制對氧化鋁(Al2O3)陶瓷粉體生產工藝的影響。

3.1 熱風的入塔溫度

在進塔熱風溫度穩定的情況下，出塔熱風溫度越低，進出塔溫差就越大，熱風傳遞給漿料用于干燥造粒的熱能就越大，因此熱風利用率就越高。由于壓制成形對顆粒料的含水率(<1%)有嚴格要求，但出塔溫度也不可過低，低于130 ℃時因粉料含水率達不到產品要求，影響壓制成形。

3.2 熱風爐溫度的控制

由于熱風爐是噴霧塔造粒的熱風源，其燃料消耗直接影響造粒成本的高低，所以熱風爐是噴霧造粒塔節能的關鍵部分。熱風爐效率主要取決于燃料的充分燃燒，燃料一般采用電、天然氣、液化石油氣，其燃燒充分時，熱效率最高。

3.3 塔體密閉型控制

由于系統采用負壓操作，若塔體、熱風管道連接處有漏風，就會增加能耗，所以設備各部位及連接法蘭處，熱風爐、熱風管道、排風管道的測量插孔，塔體上的負壓測量孔以及塔體下錐下料器出料口，除塵器下料口等部位必須密封好。

3.4 提高熱風的入塔溫度

在出塔溫度恒定的條件下，熱風的入塔溫度(又稱進風溫度)越高，帶入的總熱量就越高，單位質量的熱風傳遞給泥漿霧滴的熱量就越多，單位熱風所蒸發的水分也越多。在生產能力恒定不變的情況下，熱風管道及設備保溫效果好，減少非生產熱能損失，提高熱風的利用率及熱效率，使噴霧造粒制粉達到最佳狀態。熱風的進風和排風溫度差越大，產品的堆密度越大，溫差小需要的熱風量大，所消耗的熱能就大，因此溫差不宜過大，入塔熱風溫度不可過高(不超過600 ℃)，溫度太高也會燒壞塔頂分風器，影響設備系統的正常運行。

3.5 制漿的含水率

1)降低漿料的含水率，造粒所需熱量就少，但是含水率低的泥漿流動性又不好，流動性差，霧化效果就差。為了解決這一矛盾，可加入合適的粘結劑或電解質來調節漿料的流動性，同時降低漿料的含水率。另外，提高漿料溫度可有效降低漿料粘度，改善漿料霧化性能，防止漿中的大顆粒堵塞霧化噴嘴。

2)霧化噴嘴的霧化角、噴射高度、噴槍角度都應控制在合適的范圍內。一般霧化噴嘴的霧化角(α)為90°～120°，噴射高度為4～4.5 m。噴槍角度保持在110°～120°之間，多噴嘴霧化注意噴嘴的孔徑的合理搭配，保證漿料霧化后與熱風可以進行充分的熱交換，確保形成球形、類球形顆粒，使造粒的顆粒級配達到正態分布。

3.6 控制系統的報警及保護措施

霧化系統的噴槍總程安裝有流量監控報警，噴槍霧化堵塞時可發出報警，人工進行干預處理，避免了人工巡檢噴槍堵塞的漏查等弊端。當噴槍堵塞，故障報警，熱風爐的燃燒器自動調節燃料供給及配風，故障解除后，自動恢復。在排風系統中安裝有風力比例調節閥，閥門依據系統負荷情況，自動調節開啟大小，也可控制調節排風溫度，確保造粒產品質量，相比人工手動調節，運行更穩定。

4 結語

氧化鋁(Al2O3)陶瓷作為應用最廣的一種陶瓷材料，伴隨著整個工業發展和科技進步，呈現出極好發展前景：

1)生產裝備水平的快速提高，促進了先進陶瓷材料的技術進步和發展，提升了制粉造粒設備自動化、成套化，有利地推動了陶瓷行業整體水平的提高，同時在產品質量、生產效率、清潔生產、環保化生產方面效果明顯。

2)造粒從半自動到自動化，產品質量從低到較高，水平不斷提高，經過了一個快速發展的過程。

3)工業化生產，不斷提高造粒設備的機械性能，降低了生產成本，保證了質量，擴大氧化鋁(Al2O3)陶瓷產品的應用領域，對建設資源節約型、環境友好型社會和實現可持續發展具有積極意義。