陶瓷原料制備新工藝和新設(shè)備的探索

張柏清

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

陶瓷原料制備新工藝和新設(shè)備的探索

張柏清

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

本文主要介紹陶瓷企業(yè)原料粉磨工藝與粉磨機(jī)械相關(guān)的技術(shù)裝備的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。

陶瓷原料；球磨機(jī)；新工藝；新設(shè)備

0 引 言

通常，將米數(shù)量級的原料經(jīng)過外力作用使之變?yōu)楹撩讛?shù)量級且物料顆粒粒徑小于100 mm 的過程，稱之為破碎。而將毫米數(shù)量級的物料顆粒經(jīng)過外力作用使之變?yōu)槲⒚讛?shù)量級且物料顆粒粒徑小于0.01 mm 的過程，稱之為粉磨。一般來講，物料的粉磨過程既存在物料的破碎過程、又存在物料的粉磨過程。因此，可以將物料破碎和粉磨過程統(tǒng)稱為粉碎。陶瓷企業(yè)原料的制備過程主要是粉磨。本文主要介紹陶瓷企業(yè)原料粉磨工藝與粉磨機(jī)械相關(guān)的技術(shù)裝備的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。

目前陶瓷行業(yè)的粉磨裝備主要是球磨機(jī)。球磨機(jī)是最早出現(xiàn)且應(yīng)用最為普遍的粉磨設(shè)備，其粉磨機(jī)理可歸納為“料群粉磨”。料群粉磨的最大缺點(diǎn)是有用功少、效率低下。研究結(jié)果表明，球磨機(jī)的機(jī)械效率僅為2%～5%。球磨機(jī)雖然已經(jīng)過上百年不斷的改進(jìn)、發(fā)展，并且已經(jīng)開發(fā)出大型球磨機(jī)和連續(xù)球磨機(jī)，但總體看來，從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面提升球磨機(jī)的機(jī)械效能幾乎已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)的極限。

1 陶瓷原料制備的現(xiàn)狀

我國是世界陶瓷生產(chǎn)的第一大國， 2013年全國建陶產(chǎn)量達(dá)到96.9億平方米，比2012年增長7.8%。然而，我國陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的原料制備普遍存在工藝流程落后，裝備幾十年不變，能源利用率低，能耗巨大這一嚴(yán)峻而現(xiàn)實(shí)的問題。特別是陶瓷原料的制備一直采用開流式的球磨工藝(用間隙式球磨機(jī))，幾十年來幾乎沒有改變，一直沿用至今，然而國外早已經(jīng)開始采用圈流式連續(xù)球磨工藝(用連續(xù)式球磨機(jī))，國內(nèi)卻一直推廣不了。

我們知道陶瓷原料的種類繁多，含水率又各不相同，為保證原料粉磨前后配方的一致性，中國的陶瓷企業(yè)一直采用落后的開流式球磨工藝。該球磨工藝的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠確保陶瓷原料的配比在球磨前后不會發(fā)生變化，物料混合得非常均勻，間隙式球磨機(jī)在將物料粉磨的同時，還起到了將物料混合均勻的作用，正由于間隙式球磨機(jī)具有這一優(yōu)點(diǎn)，在陶瓷行業(yè)原料的粉磨工序中占據(jù)了不可動搖的地位。然而這一球磨工藝的最大缺點(diǎn)是，物料在粉磨過程中不可避免地會出現(xiàn)“過度粉碎”現(xiàn)象。所謂“過度粉碎”是指己達(dá)到了細(xì)度要求的物料不及時地排出，仍然在機(jī)內(nèi)繼續(xù)球磨，這部分物料必然過細(xì)，消耗多余的能量，而且過細(xì)的物料還會把粗顆粒包裹起來，使粗顆粒不易直接受到粉碎作用，結(jié)果使粉碎機(jī)生產(chǎn)能力降低，單位功耗增加。因此“過度粉碎”現(xiàn)象應(yīng)該盡可能地避免出現(xiàn)。

眾所周知，陶瓷原料加工環(huán)節(jié)中“球磨成漿”生產(chǎn)工藝落后，球磨時間長，用電量占企業(yè)用電的40%以上，而且有能量利用率非常低(一般只有2%-3%)，噪音大、體積笨重，占地面積大等缺點(diǎn)。但由于中國的陶瓷原料的標(biāo)準(zhǔn)化問題一直未能解決，因此中國的陶瓷企業(yè)至今仍采用這一落后的原料制備工藝路線和間隙式球磨機(jī)。

2 連續(xù)式球磨機(jī)

2.1 單筒連續(xù)式球磨機(jī)

連續(xù)式濕法球磨機(jī)( 以下簡稱連續(xù)式球磨機(jī))以前廣泛應(yīng)用在選礦行業(yè)中。1984 年左右, 連續(xù)式球磨機(jī)開始在意大利陶瓷墻地磚行業(yè)應(yīng)用，隨后，國外的一些陶瓷企業(yè)普遍使用連續(xù)式球磨機(jī)。早期的連續(xù)式球磨機(jī)只有一個水平放置的筒體, 筒體被隔板分成2 一3 個研磨腔，每個研磨腔內(nèi)裝有尺寸大小不一的研磨體, 如圖1 所示。與間歇式球磨機(jī)一樣, 筒體旋轉(zhuǎn)時, 筒體內(nèi)研磨體等在摩擦力和離心力的作用下被筒體提升到一定高度后,在重力的作用下沿近似拋物線軌跡落下來, 沖擊和研磨物料, 并產(chǎn)生一定的軸向運(yùn)動促使物料研磨和混合均勻。但由于球磨機(jī)的筒體直徑較大，大型球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，筒內(nèi)的研磨體基本上不存在拋落運(yùn)動，筒內(nèi)的物料主要是受到研磨體的研磨作用。從加料端至卸料端連續(xù)加人的物料, 一邊粉磨, 同時依次通過各篩板逐漸移向卸料端, 最后由卸料端卸出筒體, 卸出筒體的泥漿通篩分機(jī)械進(jìn)行分級，達(dá)到粒度要求的物粒送到下道工序，未能達(dá)到粒度要求的物料送回到磨機(jī)內(nèi)繼續(xù)完成對物料的連續(xù)粉磨作用。

2.2 多單元連續(xù)式球磨機(jī)

多單元連續(xù)式球磨機(jī)一般制造成2 段或3 段具有單獨(dú)的傳動系統(tǒng)的球磨機(jī)，可以理解成多個單圓柱筒形連續(xù)式球磨機(jī)的組合，但每個單元的體積小很多，與間歇式球磨機(jī)相似(見圖2)。幾個單元結(jié)構(gòu)相同，都有獨(dú)立的驅(qū)動(變頻)和球石加入裝置，每個單元有獨(dú)立的轉(zhuǎn)速和球石級配， 將研磨到一定細(xì)度的泥漿送到下一個單元繼續(xù)球磨。這種球磨方式完全符合濕法球磨理論，即可根據(jù)粉磨物料的細(xì)度不同，選擇合適的料球比和轉(zhuǎn)速，所以效率無疑是最高的。據(jù)介紹，多單元連續(xù)式球磨機(jī)比間歇式球磨機(jī)節(jié)能15%左右。這種多單元連續(xù)式球磨機(jī)的各個單元的外型尺寸與普通球磨機(jī)基本相同，所以其制造、運(yùn)輸、安裝都更加容易操作。

2.3 連續(xù)式球磨機(jī)與間歇式球磨機(jī)的特點(diǎn)

(1)連續(xù)式球磨機(jī)采用的是圈流式粉磨工藝，不會產(chǎn)生“過度粉碎”現(xiàn)象，提高了粉磨效率。

(2) 陶瓷工業(yè)連續(xù)式球磨機(jī)的筒體通常被分成2-3 個研磨腔, 每個倉配備適宜的研磨體, 從而研磨效果最佳; 因此物料由加人端進(jìn)人筒體后, 依次經(jīng)各研磨腔逐級破碎研磨, 極易達(dá)到所需的粒度要求。此外從卸料端卸出的泥漿, 經(jīng)振動篩篩分后, 未達(dá)到粒度要求的篩上料又經(jīng)皮帶輸送機(jī)或泥漿泵等重新送人加料端,進(jìn)人球磨機(jī)再次研磨, 直至達(dá)到所需的粒度要求。

(3)由于連續(xù)式球磨機(jī)筒體內(nèi)溫度的升高和動態(tài)出漿, 使得出磨泥漿的粘度降低, 從而減少了球磨物料的用水量和噴霧干燥塔的蒸發(fā)量, 節(jié)能效果明顯。

圖1 連續(xù)式球磨機(jī)工作原理簡圖Fig.1 Mechanism of continuous ball mill

圖2 多單元連續(xù)式球磨機(jī)Fig.2 Multi-compartment continuous ball mill

(4) 整套設(shè)備采用PLC 控制, 基本實(shí)現(xiàn)無人操作和集中控制，大大節(jié)省了人力，實(shí)現(xiàn)自動化操作。

(5) 進(jìn)出料是連續(xù)的, 省去了間歇式球磨機(jī)的進(jìn)料及放漿時間, 工作效率高且便于實(shí)現(xiàn)自動化。

(6)和間歇式球磨機(jī)相比大大減少占地面積。

綜上所述，連續(xù)球磨工藝連續(xù)式球磨機(jī)在節(jié)能和生產(chǎn)管理（增加人均生產(chǎn)率，節(jié)約占地面積，便于工藝管理）方面都有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 連續(xù)式球磨機(jī)的自動稱量配料系統(tǒng)

連續(xù)式球磨機(jī)的原料連續(xù)自動稱量配料系統(tǒng)，是由計算機(jī)控制每一種物料由皮帶機(jī)分別貯存到各個料倉中，每個料倉均有上、下控制的料位儀來控制料的量，料倉下錐有一倉壁振動器，下端有葉輪下料器下料，料倉下有電子皮帶秤。電子皮帶秤的作用是隨時確定皮帶喂料機(jī)的重量，即當(dāng)實(shí)際重量與定好的重量出現(xiàn)偏差時，及時調(diào)整葉輪給料機(jī)的速度。自動配料系統(tǒng)能夠按照所確定的坯體配方提供均勻的原料，它不會因為一種或幾種原料的重量出現(xiàn)波動而變化。配好的料由皮帶輸送機(jī)和斗式提升機(jī)送到連續(xù)式球磨機(jī)前的小料倉中，小料倉配有上、下限料位控制儀，用以控制自動配料系統(tǒng)的停開。有了這個小料倉，前邊的配料系統(tǒng)就可以根據(jù)需要停機(jī)或進(jìn)行日常檢修。小料倉下也裝有電子皮帶秤，其性能與稱量配料系統(tǒng)中的一樣。電子皮帶秤的作用是確定實(shí)際重量與定好重量之間的偏差，根據(jù)需要自動調(diào)整皮帶機(jī)的速度。磨機(jī)前有一溜槽，將料、水及解膠和返回來的篩上料自動流入球磨機(jī)，篩上料先用計量控制的水稀釋后用螺桿泵送入磨機(jī)的前溜槽。

3 陶瓷原料制備新工藝和新設(shè)備的探索

節(jié)能顯著的連續(xù)式球磨機(jī)一直在我國推廣不開，一個主要的問題是國內(nèi)陶瓷原料難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，且原料的種類繁多，水份差異較大，無法實(shí)現(xiàn)自動給料和配料。但在陶瓷行業(yè)節(jié)能呼聲愈來愈高的今天，改革原料加工工藝，采用先進(jìn)的粉磨設(shè)備，研究、制造出適合我國陶瓷原料配方工藝與陶瓷生產(chǎn)技術(shù)的粉磨設(shè)備，已成為行業(yè)亟需解決的重要問題?？上驳氖?，這幾年，一直沒有什么變化的原料加工工藝和加工設(shè)備受到了一些企業(yè)的重視，經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，有了新的變化和新的思路，針對中國的陶瓷原料的現(xiàn)實(shí)，尋找到可以操作的工藝路線和新型的粉磨設(shè)備，取得了可喜的成效。下面將近年來陶瓷原料制備新工藝和新設(shè)備的探索作一個簡單介紹。

3.1 間歇式球磨機(jī)＋間歇式球磨機(jī)

一些企業(yè)將原料的一段式球磨，改為二段式球磨，也取得較好的節(jié)能效果。通過改變每段球磨機(jī)的研磨體大小以及配比和轉(zhuǎn)速的大小，即不同球磨階段的轉(zhuǎn)速和球石的大小、級配不同。在粗磨階段，以較大球石擊碎原材料中的大顆粒，而在細(xì)磨階段，因為是研磨為主，故裝載的研磨體尺寸小，數(shù)量多，研磨體與原料的接觸面積增大，次數(shù)增多，因此球磨效率得到提高，但帶來的問題是周轉(zhuǎn)漿池增多。

3.2 間歇式球磨機(jī)＋連續(xù)式球磨機(jī)

這種方案的好處在于完全可以適應(yīng)現(xiàn)有所有陶瓷廠的原料加工。如某企業(yè)采用7臺40噸間歇磨加上一臺MMC180球磨機(jī)，一天可以出1680噸泥漿，實(shí)際用電22080kWh，如果不用MMC180球磨機(jī)，要產(chǎn)出同樣多的泥漿，至少需要32臺40噸球磨機(jī)，實(shí)際耗電量達(dá)到了60480kWh，這樣下來，可以節(jié)省63%的電耗。平均計算下來，每天可以節(jié)省38400kWh的電。這種方案比較穩(wěn)妥，對現(xiàn)有原料車間變動不大，廠家生產(chǎn)時比較容易接受。該工藝保留了傳統(tǒng)的間歇式球磨機(jī)的研磨工藝，但大大縮短了間歇式球磨機(jī)的時間，在一定產(chǎn)量下所需要的間歇式球磨機(jī)數(shù)量較少。該工藝可適應(yīng)于老廠改造也可用新廠建設(shè)，其投資少、產(chǎn)量高、質(zhì)量穩(wěn)定，同時還能達(dá)到滿意的節(jié)能效果。不但可以節(jié)省用電成本，也可以節(jié)省人力成本。

3.3 神工快磨＋間歇球磨或神工快磨＋連續(xù)式球磨

博暉的神工快磨系統(tǒng)采用“快磨機(jī)”與“球磨機(jī)”相組合的二段粉磨流程，有效地避免了物料在球磨機(jī)的初始粉碎階段所消耗的大量的能量，降低了球磨機(jī)的能耗，同時還可以極大地縮短了物料的整個球磨過程所耗費(fèi)的時間，從而達(dá)到了在原料制備階段的節(jié)能。所謂神工快磨，其實(shí)際是立式磨的一種改革。立式磨的粉磨機(jī)理屬于“料床粉磨”，或稱之為“料床擠壓粉磨”。料床擠壓粉磨的優(yōu)點(diǎn)是有用功多、機(jī)械效率高。

神工磨與球磨機(jī)在陶瓷原料粉磨中的聯(lián)合應(yīng)用，是針對當(dāng)前陶企普遍使用的陶瓷原料（砂石料和泥料）用“傳統(tǒng)單一球磨”的加工工藝進(jìn)行的一種陶瓷原料加工工藝的創(chuàng)新。先將砂石料經(jīng)神工磨進(jìn)行粗粉磨處理后，再送入球磨機(jī)進(jìn)行研磨。采用二段粉磨流程，避免大的物料在球磨機(jī)初始粉碎階段的大的能量消耗，極大地縮短了物料的整個球磨過程時間，大大降低了球磨機(jī)的能耗，從而達(dá)到了在原料制備階段的節(jié)能。工藝布置見圖3。

這一種工藝容易實(shí)現(xiàn)原料加工過程的自動化，從進(jìn)料到出料以及各種配方的物料都是可以通過電腦編程等數(shù)字化控制，每個關(guān)鍵部位都有監(jiān)控圖像點(diǎn)。

目前試驗的神工快磨＋間歇球磨系統(tǒng)，是一種高效、節(jié)能的陶瓷原料粉磨的新工藝，解決傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)工藝流程中能耗巨大問題，降低陶瓷原料粉磨的能耗，提高陶瓷生產(chǎn)的生產(chǎn)效率，對整個陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)由于神工快磨運(yùn)行中磨輥和磨盤沒有金屬間的直接接觸，磨損小，成品料滿足陶瓷生產(chǎn)工藝的要求。

圖3 神工磨與球磨機(jī)聯(lián)合應(yīng)用的工藝布置Fig.3 The processing set-up combining Shengong fast grinding system and ball mill

(2)新工藝采用的是：進(jìn)入神工磨的是≤60mm粒度的原料，神工磨將原料粉碎至≤10目的顆粒，再送入球磨機(jī)研磨，從目前實(shí)際使用的效果可達(dá)到節(jié)能25%左右，詳見表1。

(3)為陶瓷原料加工流程的智能控制開創(chuàng)了先河：針對陶瓷原料粉磨流程，在主要設(shè)備上采用集中式工業(yè)控制器，對陶瓷原料的加工參數(shù)進(jìn)行精確控制，可實(shí)現(xiàn)陶瓷原料粉磨流程自動化控制。

(4)新的球磨工藝，送入球磨機(jī)的是粒度≤10目的原料，原料粒度相對均等，為進(jìn)一步的提高研磨原料的效能，縮短球磨時間，降低球石的磨耗 。

(5)目前采用的方案是神工快磨＋間歇球磨，今后采用神工快磨＋連續(xù)式球磨工藝，不但節(jié)能效果將進(jìn)一步提高，而且有望實(shí)現(xiàn)原料制備工序的全自動化和數(shù)字化，為陶瓷企業(yè)原料制備的技術(shù)和裝備的提升尋找到了一種可行的道路。

Explorations on New Ceramic Material Preparation Technology and Equipment

ZHANG Baiqing
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China)

This paper introduces the status quo and future tendencies of raw material grinding and crushing technology and equipment for ceramic enterprises.

ceramic material; ball mill; new technology; new equipment

表1 神工快磨的節(jié)能效果Tab.1 Energy saving effect of Shengong fast grinding system

TQ174.75

A

1006-2874(2014)04-0021-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2014.04.005

2014-05-15。

2014-05-21。

張柏清，男，教授。

Received date: 2014-05-15. Revised date: 2014-05-21.

Correspondent author:ZHANG Baiqing, male, Professor.

E-mail:zbqxjq168@sina.com