連續式球磨技術及裝備在陶瓷行業中的應用分析*

樊葉利 郭程長 曾成勇 王化能 李德發 楊 嘉 蔣孝云 夏昌奎 張文民 王美霞

(杭州諾貝爾陶瓷有限公司 杭州 311100)

前言

20世紀80年代，意大利I·C·F公司借鑒水泥工業中連續式球磨機的粉磨原理，制造出世界上第一臺陶瓷工業連續式球磨機，并在國外迅速推廣；但由于中國陶瓷原料的標準化一直未能解決，使得連續式球磨工藝技術及裝備在國內陶瓷行業難以得到推廣[1]。直到20世紀90年代中期，我國陶瓷行業的科技人員才逐漸認識到連續式球磨技術的應用價值，并根據中國陶瓷原料的現狀，研發出適合我國陶瓷原料的連續式球磨工藝技術及裝備[2]，咸陽陶瓷研究設計院有限公司在國內開了先河。

目前，我國陶瓷行業原料的制備基本上都采用球磨工藝，而且多數是采用間歇式的濕法球磨工藝進行原料制備。連續式球磨機與間歇式球磨機相比，研磨效果更佳，電力消耗大大下降，節能效果顯著，同時節約場地面積[3～4]。國內先后有咸陽陶瓷研究設計院有限公司、湖南五菱機械有限公司、佛山市浩豐重工有限公司、山東鼎匯能科技股份有限公司、佛山卓達豪機械有限公司、廣東博暉機電有限公司、福建敏捷機械有限公司、廣東一鼎科技有限公司、湘潭市億達機電設備有限公司等一批優秀設備企業加大了連續式球磨工藝技術及裝備的研究，近年來己經取得卓越的研究成果。

雖然在國產的陶瓷連續式球磨機出現之前，意大利SACMI公司曾向中國出口過連續式球磨機，但由于無法適應中國非標準化原材料現狀而遭遇挫折。直至2013年底，連續式球磨機才在國內正式應用，據不完全統計，截止目前，國內已經有十余家陶瓷企業采用了連續式球磨工藝技術和裝備。因此，基于國內陶瓷行業連續式球磨技術應用現狀，進一步開展推廣與應用連續式球磨技術的研究將是我國陶瓷行業今后研究的重要發展方向之一。

1 間歇式與連續式球磨技術的特點

1.1 間歇式球磨技術的特點

1)高污染。除了產生廢氣、粉塵，噪音污染的問題也很嚴重。

2)高能耗。原料制備這個環節占用整條陶瓷生產線高達40%的能源消耗。

3)自動化程度低。尤其是近幾年在窯爐后工序的自動化大幅提升之后，間歇式球磨機的每一球料是一個獨立的配方體系，須按配方比例進行投料，硬質性原料與黏土類原料混合球磨，這樣就不可避免地出現了“過度粉碎現象”，其優點就是確保陶瓷原料的配比在球磨前后一致，物料混合得非常均勻；但缺點就是球磨時間過長、能耗高、操作冗長且復雜、配料精度相對較低、工人工作環境差、勞動強度高[4]。原料球磨工藝成為整條生產線自動化程度最低的環節。

1.2 連續式球磨技術的特點

1)泥漿性能穩定，可以提高陶瓷產品質量和成品率。

2)泥漿溫度高、流動性好。由于溫度高連續式球磨的泥漿含水率可降到32%，比間歇式球磨的泥漿含水率(33%～34%)略低，這有利于降低水資源的消耗及噴霧干燥節能。

3)實現原料制備的自動化與智能化。連續式球磨系統采用自動智能化配料，原料顆粒從大到小，不同顆粒大小的物料采用不同的粉磨設備分別進行粉磨。這樣的組合，可以大大提高研磨效率，解決了原料車間主要靠人工，自動化水平低的現狀。

4)實現自動配料和連續化生產，便于生產管理，節省占地面積，能大幅提高勞動生產率。

每種原料都配有獨立的料斗，輸送系統只需將相應的原料運送到對應的料斗，可大大減少配料的勞動強度，節約了配料時間。根據配方的設計要求，通過控制下料速度來調整進入連續式球磨機的下料量[4]。為保障配料的準確性，還可配備自動檢測當前配料誤差的裝置，實現高精度增減，確保配料的準確性。

表1為連續式球磨機與間歇式球磨機運行性能參數對比。

表1 連續式球磨機與間歇式球磨機運行性能參數

根據表1數據計算，若采用連續式球磨技術日產1 800～2 300 t粉料，只需配備18個人(每班6人)，電耗18～23 kW·h/t粉料(節省40%以上)，球石成本減少30%以上，每年綜合節約成本近800萬元。因此釆用濕法連續式球磨是實現陶瓷工業原料制備的自動化和智能化生產的必然選擇。

2 原料預處理解決連續式球磨的難點和痛點

2.1 原料的預處理

原料的標準化問題一直阻礙著中國陶瓷行業的發展。通過創新思路，解決了非標準化原料制備的自動化。

瘠性料分類粉碎、稱料，泥料化漿工藝技術與裝備的應用，實現原料配方的一致性和穩定性，解決了連續式球磨難以推廣與應用的難點和痛點。

原料的預處理即原料分類粉碎球磨技術，實際上就是將瘠性料破碎，塑性料采用滾筒化漿機將含水率高的黏土化成泥漿，然后利用壓力泵將泥漿送入球磨機中和瘠性料混合一起球磨，一般就是干法立磨與濕法球磨相結合應用。目前國內最具代表的有廣東博暉機電有限公司出品的神工快磨裝備，它是采用干法立磨再結合濕法球磨的工藝，比傳統濕法球磨節能25%以上；而淄博唯能陶瓷有限公司則采用輥壓干法破碎瘠性料結合連續球磨技術，理論上這是一種更高效節能的原料加工技術組合，原料處理過程采用瘠性料對輥破碎、高效除鐵、連續球磨，整個原料加工粉碎研磨到出漿流程僅需1.5 h。分類粉碎球磨優勢明顯，不僅可以縮短粗磨時間，節省粗磨能耗，而且物料結構碎裂，粒徑均勻，易于球磨。

2.2 多級粉碎作業

根據所處理物料尺寸的大小不同，將大塊物料分裂成小塊的操作稱為破碎，將小塊物料變為細粉的操作稱為粉磨，統稱為粉碎作業。粉碎作業的級數取決于物料的原始顆粒和最終顆粒的大小尺寸。不同的原料尺寸大小對粉碎設備的要求是不一樣的：

破碎——粗碎：處理后物料尺寸大于100 mm；

破碎——中碎：處理后物料尺寸為30～100 mm；

破碎——細碎：處理后物料尺寸為3～30 mm；

粉磨——粗磨：處理后物料尺寸為0.1～3.0 mm；

粉磨——細磨：處理后物料尺寸為0.1 mm以下；

粉磨——超細磨：處理后物料尺寸為0.02 mm以下。

一般用一級(段)破碎、兩級(段)粉磨(粗磨和細磨)或一級(段)粉磨。粉碎的級(段)數越多，意味著程序越復雜，機械設備和廠房建筑的投資費用也越高。所以，在可能的條件下應盡量考慮使用較少的原料并采用多級粉碎作業來提高粉碎的效率。盡可能降低原料的粒度可提高粉磨效率，降低能耗。在連續球磨之前采用輥壓、立磨等工藝將瘠性料進行細碎和粗磨。

現在普遍釆用的流程是：

1)瘠性料。顎式破碎——對輥——立磨(立式復合破碎機)——連續球磨。

2)塑性料。筒式化漿機化漿——連續球磨。

3 連續式球磨機結構及研磨體的分析

3.1 多單元串聯式與單圓柱筒形連續式球磨機

多單元串聯式連續式球磨機，是由多個單圓柱筒形球磨機的組合，幾個單元結構相同，都有獨立的驅動(變頻)和球石加入裝置，每個單元有獨立的轉速和球石級配，將研磨到一定細度的泥漿送到下一個單元繼續球磨。這種多單元連續式球磨機的各個單元的外型尺寸與普通球磨機基本相同，所以其制造、運輸、安裝都更加容易操作。大產量宜釆用此種結構。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，減速機和傳動裝置組成的驅動系統使筒體作旋轉運動。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。原料經過與球石的強力研磨，經最后一個筒體(一般為3～5個筒體組合)的出料口流出，完成整個原料的球磨過程。

單圓柱筒形連續式球磨機的筒體內部被分隔成多個倉，可根據不同生產需求設計倉數，每個倉使用不同大小的球石。這種球磨機將所有的物料、球石、水全部加到球磨機內一起混磨，筒體以固定的轉速運行。小產量可釆用此種結構。

圖1為多單元串聯式和單圓柱筒形連續式球磨機的配置結構示意圖[5]。圖1(a)中的1、2、3、4均為球磨機，相互串聯，5、6、7均為流漿篩板。圖1(b)中的8、9、10、11、12、13均為流漿篩板。流漿篩板可由多個篩片組成，滿足不同產量及不同漿料粒度的生產需求。

(a)和單圓柱筒形

(b)連續式球磨機的配置結構示意圖

3.2 研磨體

球磨機中研磨體的尺寸應按大、中、小搭配，當研磨體之間的空隙率最小時，粉磨效果最好。當大球占50%，中球占10%，小球占40%時，研磨體的空隙率最小(空隙率22%)。

因為研磨體尺寸的大小和被粉磨物料粒度之間有一定的關系。在球磨機進行粉磨時，一方面物料受到研磨體的碰擊作用，另一方面受到研磨體的研磨作用。顯然，研磨體與物料的接觸點越多，粉磨操作越容易完成。也就是說，如果球磨機中研磨體裝填量一定時，研磨體的尺寸越小，個數則越多，粉磨效果越好。連續式球磨中物料沒有受到研磨體的碰擊作用，因此宜小不宜大。

4 連續式球磨技術的知識產權情況

表2為近幾年的連續式球磨技術應用專利情況。

表2 連續式球磨技術應用專利情況[6～10]

續表2

從表2可以看出，采用連續式球磨技術解決了現有間歇式球磨裝置研磨耗時加長、效率低的問題，連續自動地進行進料、研磨、出料，研磨質量高，操控方便靈活可實現自動配料和連續化生產，便于生產管理、節約占地面積、能大幅提高勞動生產率，解決了陶瓷行業現有間歇式球磨技術及裝置研磨耗時長、效率低的問題。

5 結語

1)原料車間的轉型升級，不能靠單一設備的技術升級，要注重將工藝與設備系統進行結合和優化，對原料制備系統進行優化、包括自動配料系統、易破碎系統、化漿系統等，實現各個環節之間的無縫對接，實現整線自動化與智能化。

2)因建筑陶瓷需制備原料的產量大，宜采用組合串聯式連續球磨機。

3)連續式球磨機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、極大提高勞動生產率等優勢。同時也存在一些不足，在陶瓷磚規格品種經常更換和原料不穩定的情況下，此工藝及設備不適宜，廠家應根據自己的實際情況靈活采用，才能發揮其優勢。