陶瓷熔塊類釉漿長距離管道輸送研究

任戰(zhàn)士，黃知龍，梁國頌，曾健，肖恒

(佛山市三水新明珠建陶工業(yè)有限公司，佛山 528100)

1 前言

目前，陶瓷行業(yè)的熔塊釉漿從制釉車間到釉線車間生產(chǎn)線是采用桶裝，人力或電動車拉釉的方式，釉線車間到制釉車間有一段比較長的距離，且釉漿需求量也很大。滿桶釉漿含釉車重約700kg，采用人力方式或電動車方式拉釉，每日往返拉釉次數(shù)很多，安全隱患較大，易引起安全事故。

由于熔塊釉漿特性易沉淀，易固化，因此釉漿存儲時要不停攪拌，防止沉淀保持其性能。采用桶裝方式運輸，釉漿在運輸過程無攪拌，釉漿在桶內(nèi)易沉淀，在實際作業(yè)中約3～4 天要清洗一次釉桶。一個釉桶每次清洗掉沉淀釉漿約80～100kg，浪費數(shù)量巨大。同時釉桶內(nèi)沉淀釉漿較難清洗，此過程耗費大量的水資源。為了解決上述技術(shù)問題，專門設計一種長距離陶瓷釉漿輸送系統(tǒng)。

2 釉漿長距離輸送流程設計

長距離陶瓷釉漿輸送系統(tǒng)可分為制釉車間釉缸、第一輸送系統(tǒng)、中轉(zhuǎn)釉缸、第二輸送系統(tǒng)、線邊釉盅五大部分。長距離陶瓷釉漿輸送系統(tǒng)工藝流程圖如下圖1 所示。

圖1 陶瓷釉漿輸送系統(tǒng)工藝流程圖

制釉車間釉漿通過第一輸送系統(tǒng)輸送到中轉(zhuǎn)釉缸。第一輸送系統(tǒng)由若干氣動隔膜泵通過管道串聯(lián)組成，其工作方式是間歇式，控制間隔停頓時間遠遠小于沉淀發(fā)生時間，使用管道輸送釉漿滿足產(chǎn)能需求，又避免管道內(nèi)釉漿因靜止時間長導致堵塞管道。

中轉(zhuǎn)釉缸釉漿通過第二輸送系統(tǒng)輸送到若干個線邊釉盅。第二輸送系統(tǒng)輸送主管道由中轉(zhuǎn)釉缸到各線邊釉盅，最終回流到中轉(zhuǎn)釉缸、第二輸送系統(tǒng)、線邊釉盅，形成一個閉環(huán)回路，使釉漿在回路中不間歇流動。

3 輸送方案分析與設計

3.1 熔塊釉漿性能測試

實驗取生產(chǎn)用的熔塊釉漿測試其常規(guī)物理性能，并用透明膠管（DN25，長500mm）對釉漿的垂直沉降特征進行測試，測試結(jié)果見表1。

由測試結(jié)果可知：

a)釉漿比重在1800～2000kg/m3之間，比重遠大于水的比重，易沉淀分離，特別是鋯白熔塊面釉極易沉淀結(jié)塊。

b)釉漿的動力粘度在210～300mPa.S 之間。

c)釉漿在管內(nèi)靜置小于1h，釉漿會有微量沉淀，靜置時間越長，沉淀結(jié)塊越嚴重。

3.2 釉漿在管道內(nèi)的流動分析

根據(jù)熔塊釉漿測試結(jié)果，釉漿易沉淀固化的特性，為避免堵塞管道，須盡量減小釉漿在管道內(nèi)的靜止停頓時間，使其在管道內(nèi)不停流動。為了避免管壁結(jié)垢，采用高分子塑膠管或鋁塑復合材質(zhì)管道。

流體在管道內(nèi)流動時，由于流體的黏性和慣性，會造成能量損失，有一定的壓降產(chǎn)生，因此根據(jù)釉漿特性，計算釉漿在輸送管道內(nèi)沿程損失，從而對其進行輸送管道設計以及輸送泵選型。

表1 熔塊釉漿沉降實驗結(jié)果

當管內(nèi)釉漿不停輸送時，管內(nèi)釉漿體積流量W（單位:m3/h）：

式中，M為管內(nèi)釉漿質(zhì)量流量（單位kg/h），ρ 為釉漿比重。

管內(nèi)釉漿流速ν（單位:m/s）：

式中，S 為管道截面積。

根據(jù)管內(nèi)流體流動特性，流體流動時的慣性力和粘性力（內(nèi)摩擦力）之比為雷諾數(shù)Re：

式中，D 為管道內(nèi)徑，μ 為釉漿粘度。

在工程上，若雷諾數(shù)Re＜2000，認為管道內(nèi)釉漿是層流，摩擦系數(shù)只與雷諾數(shù)有關，因此根據(jù)層流的泊肅葉流定律，釉漿的摩擦系數(shù)：

若雷諾數(shù)Re 在2000～4000 之間的區(qū)域成為“臨界區(qū)”，摩擦系數(shù)是不確定的。

若雷諾數(shù)Re＞4000，認為管道內(nèi)釉漿是紊流，摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)以及相對粗糙度（管壁的絕對粗糙度與管道直徑之比）有關。

用達西方程計算輸送管道入口到出口釉漿的壓降，單位為米液柱：

式中，L 為釉漿在輸送管道內(nèi)的沿程。釉漿輸送的總揚程損失H，單位為m：

式中，ρ 為釉漿比重，h其他為管道出入口高度差、閥門、彎頭等產(chǎn)生的壓降。

3.3 釉漿輸送系統(tǒng)設計

（1）釉漿輸送管道相關計算。

根據(jù)現(xiàn)場第一輸送系統(tǒng)：制釉車間釉缸到中轉(zhuǎn)釉缸管道長約為500m，出口高于進口約為4m，采用φ50×4.6 mm PPR 管，管內(nèi)徑為40.8mm；

第二輸送系統(tǒng)：中轉(zhuǎn)釉缸到各線邊釉盅及回流管道長約120m，出口高于進口約為4m，采用φ63×4.6 mm PPR 管，管內(nèi)徑為53.8mm。

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，選定釉漿E 作為設計標準，其比重為1950kg/m3，粘度為280mPa.S，總需求量約80 噸/天。當釉漿E 在管內(nèi)不停輸送時，代入公式釉漿在管道內(nèi)的流動分析：

通過計算可得，第一輸送系統(tǒng)釉漿E 在管道內(nèi)雷諾數(shù)Re1=116，第二輸送系統(tǒng)釉漿E 在管道內(nèi)雷諾數(shù)Re2=78，雷諾數(shù)Re1、Re2均小于2000，則認為釉漿E 在管道內(nèi)是層流，摩擦系數(shù)只與雷諾數(shù)有關。

因此代入公式，通過計算可得第一輸送系統(tǒng)釉漿E在管道內(nèi)產(chǎn)生的壓降=50.13 米液柱，彎頭、閥門產(chǎn)生的壓降概算為壓降的10%，出入口壓降=4 米液柱，因此總揚程損失H1=115.33m。同理可得，第二輸送系統(tǒng)釉漿E在管道內(nèi)的總揚程損失H2=20.52m。

（2）泵的選型。

釉漿管道輸送采用氣動隔膜泵，氣動隔膜泵結(jié)構(gòu)簡單、易損件少，泵輸送的介質(zhì)不會接觸到氣閥，聯(lián)桿等運動部件，不像其他類型的泵因轉(zhuǎn)子、活塞、齒輪、葉片等部件的磨損而使性能逐步下降；隔膜泵可將物料與外界完全隔開，在輸送過程中不會對釉漿產(chǎn)生污染；流量可通過氣閥開度實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，且揚程可達70 米。

陶瓷廠空壓機氣壓基本控制在0.4～0.5MPa，對應氣動隔膜泵揚程為40～50m，采用一個隔膜泵無法滿足第一輸送系統(tǒng)內(nèi)的總揚程損失H1=，需在輸送管道上采用3 個氣動隔膜泵分段接力的方式，解決單個氣動隔膜泵揚程揚程不足的問題。而在第二輸送系統(tǒng)的總揚程損失H2=20.52m，采用單個氣動隔膜泵就能滿足要求。

（3）方案實施

根據(jù)上述的釉漿輸送管道研究及泵的選型，結(jié)合制釉車間、釉線車間的現(xiàn)場實際情況，釉漿輸送系統(tǒng)如下圖2 所示。

圖2 輸送系統(tǒng)示意圖

其中，圖2 中各圖標記所指代的技術(shù)特征如下：

（1）制釉車間釉缸；（2）氣動隔膜泵一；（3）空壓機（4）儲氣罐；（5）氣動隔膜泵二；（6）氣動隔膜泵三；（7）氣動隔膜泵四；（8）中轉(zhuǎn)釉缸；（9）超聲波探測器；（10）線邊釉盅；（11）攪拌裝置；（12）U 型回流管道

陶瓷車間生產(chǎn)使用的釉漿如表1 所示，從釉漿粘度特性知，釉漿屬于高粘度液固混合物料，計算其雷諾數(shù)小于2000，依據(jù)臨界雷諾數(shù)判定管道內(nèi)流體屬于層流特征。層流流體易發(fā)生沉淀粘壁堵管的現(xiàn)象，管路設計重點要避免沉淀粘壁的現(xiàn)象。

制釉車間釉缸和釉線車間中轉(zhuǎn)釉缸都設有攪拌機對釉漿進行攪拌，因為釉漿（尤其是面釉）在無攪拌時易沉淀。采用氣動隔膜泵進行管道泵送，管道使用PPR 管，空壓機提供壓縮空氣作為動力，氣壓為0.4～0.5MPa。在氣動隔膜泵旁邊都有儲氣罐，穩(wěn)定氣源的壓力。

制釉車間釉缸輸出口安裝氣動隔膜泵一，氣動隔膜泵到釉線車間中轉(zhuǎn)釉缸的管道中間安裝接力氣動隔膜泵二、三，工作方式為間歇式，由PLC 控制間歇泵送或連續(xù)泵送，間歇泵送時間可調(diào)，初始設定隔膜泵工作20min、停止10min 為一個周期。釉線車間中轉(zhuǎn)釉缸輸出口安裝氣動隔膜泵四，泵的輸出管道一直到線邊釉蠱，最后回流到釉線車間中轉(zhuǎn)釉缸。

另外，在釉線車間中轉(zhuǎn)釉缸上安裝超聲波測距傳感器，實時監(jiān)測釉缸容量變化，當中轉(zhuǎn)釉缸內(nèi)釉漿不足時，傳感器反饋低位信號，自動啟動氣動隔膜泵一、二、三開始工作；當釉漿在釉線車間中轉(zhuǎn)釉缸到達上限位置時，傳感器反饋高位信號，自動停止上述氣動隔膜泵工作。

4 結(jié)論

新設計的長距離陶瓷釉漿輸送系統(tǒng)，根據(jù)釉漿特性及釉漿產(chǎn)能需求，設計合適的管道內(nèi)徑，選用高效氣動隔膜泵，在中轉(zhuǎn)釉缸采用超聲波液位控制，并由PLC 自動控制間隔泵送或連續(xù)泵送，避免釉漿在管道內(nèi)長時間停頓，有效解決了熔塊類釉漿易沉淀、難以用管道長距離輸送的問題；同時管道材料采用高分子塑膠管材，摩擦系數(shù)小，不易結(jié)垢，隔膜泵隔膜采用鐵氟龍高分子材料，全程釉漿在管道內(nèi)與外界完全隔離，避免了釉漿在輸送過程中的污染。長距離陶瓷釉漿輸送系統(tǒng)的研發(fā)使用大幅度減少了工人勞動強度，節(jié)省了人力成本，減少了釉漿損耗，減少了機物件損耗，該系統(tǒng)應用效果顯著。