一種利用結晶粉碎法生產陶瓷用五水偏硅酸鈉的工藝及裝備研究

馮曉文 ， 王斌 ，林慶娜， 鐘春林 ，汪陽 ，孫熠，蔣瑜琦

（1. 肇慶市歐陶新型材料有限公司，肇慶 526113 2. 江西省歐陶科技有限公司，高安 330811 3.廣西歐陶新材料科技有限公司，藤縣 543300）

1 前言

五水偏硅酸鈉，是一種無機化合物，分子式為NaSiO3.5H2O，分子量為212.14，主要用作洗滌劑、陶瓷減水劑和金屬清洗劑的助劑、人造沸石、造紙脫墨、面紗蒸煮等方面。

目前五水偏硅酸鈉的生產工藝，主要有結晶粉碎法、母液循環法、連續造粒法（又分為結晶造粒法、噴霧造粒法），這幾種工藝各有千秋，但以造粒法質量最優，也是使用最廣的一種。

五水偏硅酸鈉也是一種優質的陶瓷泥漿解膠劑，它能夠顯著降低漿料的水份、賦予其一定的流動性、懸浮性和抗觸變性，由于對產品使用的側重點不同，陶瓷行業急需一種工藝簡單、成本低、對外觀要求不高，但效果卻和常規產品幾乎沒有差異的五水偏硅酸鈉產品，來達到滿足泥漿解膠效果，又能降低使用的成本目的。

用結晶粉碎法生產的五水偏硅酸鈉，就是針對陶瓷生產的這種需求而研發的一種高性價比的產品，特別適合在高溫、高濕季節以及海外市場使用，產品的技術指標可以達到HG/T2568-2008《工業偏硅酸鈉》的規定。

2 五水偏硅酸鈉生產的原材料、工器具

2.1 原材料

2.1.1 水玻璃

也稱液體硅酸鈉，多使用濕法工藝生產的水玻璃，其主要技術指標見表1.

表1 水玻璃技術要求

2.1.2.燒堿

片狀氫氧化鈉，質量符合GB/T209-2018《工業用氫氧化鈉》之規定，NaOH≮98%。

2.2 工裝、器具

（1）水玻璃儲罐，立式，200 立方米

（2）片堿堆場，做防潮、防腐處理

（3）帶重量傳感器的配料系統

（4）濃縮系統

（5）自走式旋耕機生產線

（6）粉碎系統

（7）稱重、包裝、碼垛系統

3 生產工藝

3.1 原材料的準備

水玻璃：經檢測，各項指標符合第2.1.1 條之規定的水玻璃，進入儲罐儲存備用；

片堿：選用25Kg/袋，含量99%的片狀氫氧化鈉，檢驗合格后用托盤碼放，每托1 噸，危化品專用庫房整齊堆存。

3.2 配料

配料利用帶重量傳感器的配料罐完成，配料罐安裝在地坑中，其罐口上沿和地面平齊，其操作方法是:

（1）首先檢查配料罐及其附屬設備是否完好，確保一切正常后開始作業；

（2）打開水玻璃儲罐的球閥，讓水玻璃通過管道自流進泥漿泵；

（3）啟動泥漿泵將水玻璃送入配料罐，添加的數量利用罐體下安裝的四個重量傳感器來獲取，當顯示屏上的數值達到規定值時，關閉泥漿泵，啟動配料罐中的攪拌機；

（4）用叉車將片堿轉運到配料罐旁，用人工通過溜槽投入到配料罐中，數量利用傳感器監控；

（5）配料完成后連續攪拌30min，直到片堿完全溶解混合均勻。通過配料罐上面的取樣口，取約200ml 料液送實驗室進行檢測，試樣含量應該符合表2 規定，不合格要根據檢測數據進行調配，然后再次檢測確認合格。

圖1 配料罐示意圖

圖2 冷卻池網格狀預埋件示意圖

圖3 生產工藝流程圖

圖4 生產設備的布置圖

表2 初始料漿的技術指標

3.3 濃縮

濃縮的作業方法：

（1）啟動配料罐配置的泥漿泵，將料液抽送到濃縮罐中；

（2）濃縮設備可以是真空濃縮機或者簡單的常壓濃縮鍋，只要濃縮成本低、效率高都可以采用，具體視實際狀況而定；

（3）濃縮過程要注意觀察，進行一定時間后，取樣進行檢測，當含量達到下列規定后，濃縮結束；

（4）濃縮后的料漿技術指標符合表3 的規定。

表3 濃縮后料漿的技術指標

表4 結晶粗碎后產品的技術指標要求

3.4 放料、結晶、粗碎

3.4.1 放料的操作

（1）將濃縮罐（濃縮鍋）上的PVS 鋼絲纏繞管牢固對接到自走式旋耕機的噴淋管接口上；

（2）啟動旋耕機上的刀片，做原地旋轉運動，打開濃縮罐（濃縮鍋）上的放料球閥，濃縮好的料漿通過旋耕機的噴淋管落入冷卻槽。

噴淋管固定在刀片上方，沿刀片安裝軸的長度方向布設，其下方開孔，料漿通過該孔噴撒到刀片和軸上面，由于料漿的溫度約90℃左右，可以將刀片、軸上前一批次生產結晶的五水偏硅酸鈉加熱溶解到冷卻池中，料漿全部進入冷卻池后，去除放料軟管，啟動旋耕機開始工作。

3.4.2 自走式旋耕機的工作原理

（1）傳統的陶瓷用偏硅酸鈉的生產方法

為了降低生產成本，陶瓷解膠劑用的偏硅酸鈉多采用結晶粉碎法生產方式，是先將經過混合反應的料漿流放到一個容器中，經過冷卻、結晶，然后人工敲打成塊或者直接傾倒在地面上、人工添加到刀片粉碎機粉碎，然后人工裝袋、稱重、縫包，與自走式旋耕機作業方式相比，同樣的產量下用人最少是10 倍以上。

由于這種工藝勞動強度大，生產周期長，用工數量多，已經不能適應規模化生產的需要，正在逐漸被淘汰；

（2）自走式旋耕機的結構和工作原理

1）自走式旋耕機系統是借鑒農機旋耕機工作原理來研制、應用的一種高效、低成本的偏硅酸鈉生產設備，包括：機架、傳動系統、刀盤、控制系統、噴淋管、軌道等；

2）機架寬度7 米左右，采用C 型鋼牢固焊接而成，其下兩端各安裝2 個軌道輪，軌道長度60 米左右（可視氣候、場地靈活確定），旋耕機在軌道上做往復運動；

3）機架下安裝有兩根軸，其長度是機架的1/2，其上沿軸的圓周方向勻布刀座三個，縱向每隔0.2 米排列一圈，每個刀座中插入一把旋耕機刀，用螺栓可靠固定；

4）以5.5.千瓦電機為動力，每軸配一臺，通過減速機、鏈條、鏈輪將動力傳遞給旋耕機刀軸，軸帶動刀片做圓周運動，旋耕機的自走通過一臺3 千瓦電機，配合減速機、傳動軸來實現；

5）旋耕機做往復運動，刀片做圓周運動，在料漿處于液態時，通過旋耕機的攪動，可以加速料漿降溫，當溫度下降到初始結晶點后，刀片除了可以攪動降溫外，還可以對形成的結晶進行切削、拋撒、翻動，阻止了物料結晶成一體，隨著溫度下降，結晶穩定，顆粒狀五水偏硅酸鈉便生成了。

3.5 冷卻池

3.5.1 冷卻池的規格

一般情況下長度60.00 米，寬度6.00 米，深度0.12米，這樣的規格產量高，一批次出料45.00 噸左右，而且比較好控制。

3.5.2 冷卻池的結構

（1）地面預處理，整平、壓實后澆筑0.1 米混凝土墊層；

（2）用4#角鋼焊接成規格為：長1.50，寬1.50 米，高0.20 米的連續方格結構，建成后網格結構的總長為60.00米，總寬8.00 米；

（3）為防止網結構件產生位移，每間隔一定距離，用爆炸螺絲將其固定，框架的水平高差不得超過1.00mm;

（4）用C30 混凝土進行澆筑，澆筑的高度要低于網格結構上部角鋼面0.50mm，否則會導致接下來的焊接鋼板無法進行，澆筑要一次性完成，每格內表面要求平整、光滑；

（5）澆筑完成后，待混凝土凝固后，就可以焊接冷卻池的底板。底板的材質為δ=4 的普通碳素鋼板，先將規格為6.00m×1.50m 的鋼板，沿長度方向一分為二，然后再在每一小塊的中間，沿寬度方向勻布100×5 的長孔3個，然后將其四邊焊接在網架的角鋼上，長孔內采用塞焊的方式滿焊，全部鋼板鋪設完畢后，靠配料罐端頭和兩個側邊用δ=10，高度15.00mm 的普通碳素鋼板圍邊，另外端頭，由于鏟車要進出，不做固定封堵，用什么堵，仁者見仁智者見智吧；

（6）焊接要牢固可靠，確保不滲漏，整個冷卻池的水平高差不能超過1.00mm,這是一個關鍵數據，超差會導致整個旋耕機系統無法正常運行。

3.6 打料

不同的季節，室溫不同，夏秋季高溫高濕，料溫和室溫的差別相對較小，料漿的降溫速度慢，春冬天則反之，根據季節的不同，我們需要制定不同的打料作業制度。打料的時間間隔，應根據實際生產狀況確定，沒有統一的規定。

自走式旋耕機有兩種控制方法，一種是利用按鈕開關人工操作，一種是采用時間繼電器和行程開關自動控制啟停，但為了防止出現意外，還是需要專人照料和管理設備。

一般料漿的結晶溫度始于50℃左右，初期較慢，后期很快，當料漿由液態變成固體，進而變成顆粒狀，手捏后松開仍然能散開的，表明打料環節已經完成。

該工序非常關鍵，特別是當料漿出現結晶，呈現粥樣粘稠狀時，要特別注意設備的運行狀態，此時料漿進入了快速結晶期，設備運行間隔太長或者出現故障停止運行，都會導致結晶體不能及時受到打擊、切削、拋撒、翻動變成小顆粒，而結成一整塊，造成設備損壞，還要人工用風鎬打碎結晶體、人工粉碎的方法來處理結料故障。

3.7 產品的收集

完成結晶、粗碎后的產品，借助鏟車來收集、堆放，經過2-3 天的時間進行進一步冷卻降溫，讓結晶更加徹底，顆粒硬度增加，為接下來的細碎、檢斤、包裝做好準備。

3.8 細碎

3.8.1 細碎的設備

為了確保五水偏硅酸鈉的顆粒均勻一致，需要對產品進行一次細碎，主要設備包括：鏟車、喂料機、錘片式粉碎機、斗式提升機等。

3.8.2 作業方法

（1）用鏟車將經過堆放的五水偏硅酸鈉粗碎料鏟運到喂料機中；

（2）依次啟動錘片式粉碎機、喂料機，物料進入粉碎機完成細碎后，落入斗式提升機，被提升至自動包裝稱的料斗內。

3.9 檢斤、包裝、碼垛

這三個工序利用定量包裝機、輸送縫包機、碼垛機器人完成，一般的稱定量包裝、封包設備都可以使用，包裝好的產品通過轉運皮帶到達機器人處，機器人抓手將其抓舉到托板，然后用叉車轉運到庫房存放。

3.10 成品質量檢測

根據HG/T2568-2008《工業偏硅酸鈉》的有關規定，對產品的總堿量和二氧化硅進行檢測，累計一個月樣本的平均值見表5 成品的檢測數據。

表5 成品的檢測數據

從檢測數據看，產品質量符合標準規定。

為了進一步驗證產品的解膠性能，在相同的工藝技術條件下，分別對H 公司采用噴霧造粒法，D 公司采用結晶造粒法、O 公司采用結晶粉碎法生產的五水偏硅酸鈉，在廣東W 陶瓷公司仿古磚坯體配方土中，分別進行泥漿解膠性能的測試，檢測數據見表6。

表6 不同工藝生產的五水偏硅酸鈉泥漿解膠能力對比

從上述數據可以看出，三種不同的工藝生產的五水偏硅酸鈉泥漿解膠性能，在相同的條件下，三者的泥漿解膠性能基本上沒有差別，正常情況相差3 秒以內都視作質量正常。

3.11 生產工藝流程圖

根據前述生產過程，可以得出如下生產工藝流程圖。生產設備的選型、定置，可以根據企業的實際狀況而定，借用其他行業成熟的設備時，要注意此類設備在五水偏硅酸鈉生產中的適應性，不然就會走很多彎路，特別是高溫、高濕季節，五水偏硅酸鈉由于應力的作用，吸附水、游離水不穩定，釋放出來后導致產品溶解，粘附在傳動、計量系統，會導致設備運行不正常。

4 陶瓷用五水偏硅酸鈉生產的注意事項

4.1 原材料是基礎

50Be 水玻璃盡可能選用濃度高、模數高的產品，從而保證五水偏硅酸鈉成品SiO2 的含量達到標準要求；

4.2 濃縮是關鍵

由于采用50Be 水玻璃和99%片狀氫氧化鈉作為原材料來生產陶瓷用五水偏硅酸鈉，結晶后總的固含量達不到標準要求，所以料漿要經過濃縮，蒸發器的選擇是關鍵，按照該產品的特性，以多效蒸發器較好，這樣可以實現熱量回收重復利用，降低濃縮成本；

4.3 刀片和軸的沖洗保障旋耕機正常運行

采用高溫時的料漿對刀片和軸進行沖洗，熱量使其上面結晶的產品溶化脫落，防止了刀片和軸由于產品結晶變成一個柱狀，當產品出現粉狀結晶時，刀片無法深入到產品中，機架被抬升，軌道輪離開軌道，導致設備脫軌，而且采用人工清理結晶物，費時費力還影響生產；

4.4 冷卻池地板的水平高差符合規定，焊接要牢靠不能出現任何滲漏

如果地板出現高低不平，或者高差超標，就會導致刀片刮底不正常，要么打底、要么觸不到底，如此一來對產品的切削、拋撒、翻動就不徹底，沒有攪翻到的地方，就會結成一塊，地板高起的部位，容易損壞刀片。

每次生產結束后，要仔細檢查地板，出現滲漏的要馬上焊補。剛鏟收產品后，漏點是濕的很容易發現，不及時維修溫度降低后產品會在地板下結晶，將地板頂起，出現不平整，影響使用，所以及時發現漏點并修補非常重要。

4.5 打料的時間

夏季由于環境溫度高，料漿的降溫非常慢，生產周期甚至可以達到36h,這個時期可以將自動控制器的時間間隔調長，冷卻初期，自走式旋耕機主要起攪拌、加快降溫的作用，當出現粥樣稠化時，要有人照看設備運行，防止由于間隔時間過長，產品結晶變硬，旋耕機刀片無法割裂結晶面，出現設備故障，導致生產被迫停止，產品結成一體。

冬季產品的生產周期可以縮減到8h 左右，由于溫差大，降溫速度快，生產全程要有人員照看，防止出現故障。

4.6 產品的堆放

堆放是為了讓接下來的細碎更容易進行，錘片式粉碎機依靠高速旋轉的刀盤上懸掛的垂片，將產品擊打、剪切為細小的顆粒，如果介質濕軟，篩網孔堵塞，物料受到撞擊發熱、變軟，粉碎機就無法正常工作，所以結晶質量和出槽后的堆放至關重要。

4.7 定量包裝、縫包、碼垛環節

按照操作說明正確使用設備，同時做好設備的防塵和班后的清掃，偏硅酸鈉是一種無機鹽，容易吸潮化解，造成設備精密零部件腐蝕，導致設備精準度下降或者失靈，粘附的產品也會造成轉接皮帶運輸機打滑、電子秤失準，這些細節都是生產中需要高度重視的。

5 結論

五水偏硅酸鈉在陶瓷原料制備工序是作為泥漿解膠劑來使用的，主要著眼于它的解膠能力，由于與粘土、長石、石英、水、球石等材料一起入球研磨，對外觀沒有十分嚴格的要求，只要方便添加、易于存放即可。

利用結晶粉碎法生產的陶瓷用五水偏硅酸鈉，不但具備其他工藝方法生產的五水偏硅酸鈉的性能，而且節省了造粒消耗的大量能源（一種是加熱、另一種是降溫），提升了產品的性價比，由于這種產品固含量高，解膠能力比水玻璃、七水偏硅酸鈉、九水偏硅酸鈉都強，而且高溫、高濕季節穩定性好，特別適合遠距離運輸、熱帶地區陶瓷廠和海外市場使用。

在全球都在大力實施節能減排低碳生產的背景下，推廣一種利用結晶粉碎法生產是陶瓷用五水偏硅酸鈉，產品制造環節和使用環節都可以降低成本，間接也實現了減碳，是一種有助于助推產業鏈可持續發展的陶瓷新材料，值得推廣應用。