納米級(jí)硅酸鋯生產(chǎn)線的開(kāi)發(fā)

趙祥啟，趙祥來(lái)，常傳平

(唐山賀祥集團(tuán)有限公司，河北　唐山　063304)

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納米級(jí)硅酸鋯生產(chǎn)線的開(kāi)發(fā)

趙祥啟，趙祥來(lái)，常傳平

(唐山賀祥集團(tuán)有限公司，河北唐山063304)

為了降低陶瓷生產(chǎn)廠家硅酸鋯的使用成本，擴(kuò)大硅酸鋯的銷(xiāo)量，唐山賀祥集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)了納米級(jí)硅酸鋯生產(chǎn)線。詳細(xì)介紹了納米級(jí)硅酸鋯生產(chǎn)線的主要設(shè)備組成、工藝流程及主要設(shè)備的研制和改造；對(duì)比分析了納米硅酸鋯生產(chǎn)線生產(chǎn)的納米級(jí)硅酸鋯與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的普通硅酸鋯的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。指出：本生產(chǎn)線生產(chǎn)的納米級(jí)硅酸鋯要比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的硅酸鋯每噸增加5 350元的收益；陶瓷用戶的使用成本每噸只要9 000元，降低了3 000元；由于省去了烘干工序，生產(chǎn)1 t納米硅酸鋯還可節(jié)省120 m3的天然氣，少排放1.964 kg的二氧化碳，極具推廣應(yīng)用價(jià)值。

納米硅酸鋯；高能球磨；攪拌磨；CO2

0　引　言

20世紀(jì)80年代末，淄博華光陶瓷廠使用從日本進(jìn)口的硅酸鋯替代氧化錫、氧化鋯乳濁劑生產(chǎn)出口咖啡杯，大幅度提升產(chǎn)品質(zhì)量，取得了良好經(jīng)濟(jì)效益，為此國(guó)內(nèi)許多廠家和研究單位開(kāi)始研制硅酸鋯粉，并逐步替代進(jìn)口。到1995年，硅酸鋯已在日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷中廣泛應(yīng)用。且由于國(guó)產(chǎn)硅酸鋯性能優(yōu)良、價(jià)格相對(duì)低廉，加之我國(guó)房地產(chǎn)迅猛發(fā)展，硅酸鋯需求量逐年增加，至2010年硅酸鋯的需求量達(dá)到5×105t，成為陶瓷原輔材料獨(dú)立的一大產(chǎn)業(yè)。但是，自2010年下半年，用于生產(chǎn)硅酸鋯的原料——鋯英砂價(jià)格開(kāi)始瘋漲，到2011年9月，由每噸8 500元升至20 000元。此時(shí)硅酸鋯的價(jià)格也飆升至每噸22 000～25 000元。導(dǎo)致下游用戶——陶瓷廠家難以消化陡增的成本，紛紛減少用量或?qū)ふ姨娲?，硅酸鋯銷(xiāo)量迅速下降。為了幫助用戶降低硅酸鋯的使用成本，硅酸鋯生產(chǎn)廠家開(kāi)始研制使用效果更好、用量少且生產(chǎn)過(guò)程環(huán)保的納米級(jí)硅酸鋯。

2012年，唐山賀祥集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)賀祥公司)投資8 000萬(wàn)元，建設(shè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的我國(guó)首條年產(chǎn)2×104t 的納米級(jí)硅酸鋯粉體自動(dòng)化生產(chǎn)線。該項(xiàng)目于2013年4月正式投產(chǎn)，2013年8月6日300 nm硅酸鋯下線，2013年8月8日600 nm功能型硅酸鋯超細(xì)粉體下線，并在唐山某大型衛(wèi)生潔具公司衛(wèi)生潔具生產(chǎn)中使用，其各項(xiàng)釉面性能指標(biāo)均有所提高，且硅酸鋯的用量由12%降低到8%，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

1　納米級(jí)硅酸鋯生產(chǎn)線的特點(diǎn)

賀祥公司開(kāi)發(fā)的納米級(jí)硅酸鋯生產(chǎn)線的特點(diǎn)是：①用物理研磨的方法批量制備納米級(jí)硅酸鋯，避免了用化學(xué)法制備納米級(jí)硅酸鋯所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題；②突破了物理法研磨超細(xì)陶瓷原料的效率和粒度極限，解決了陶瓷原料納米化一大障礙；③解決了料水分離、沉降、細(xì)顆粒陶瓷原料干法除鐵鈦等問(wèn)題；④實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程無(wú)粉塵、廢水自循環(huán)利用、過(guò)程自動(dòng)化、管理數(shù)據(jù)化的目標(biāo)。

2納米級(jí)硅酸鋯生產(chǎn)線的組成及裝備的研制和改造

2.1納米級(jí)硅酸鋯生產(chǎn)線的組成及工藝流程

賀祥公司納米級(jí)硅酸鋯生產(chǎn)線主要設(shè)備組成見(jiàn)表1。其工藝流程見(jiàn)圖1a，傳統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1b。

表1　賀祥公司納米級(jí)硅酸鋯生產(chǎn)線的主要設(shè)備

圖1　　　　納米級(jí)硅酸鋯生產(chǎn)工藝流程(a)與傳統(tǒng)硅酸鋯生產(chǎn)工藝流程(b)Fig.1　　　　Production process of nano-zirconium silicate (a) and traditional production process of zirconium silicate (b)

2.2設(shè)備研制與改造

2.2.1高能球磨機(jī)結(jié)構(gòu)的改造

本生產(chǎn)線建設(shè)對(duì)第一級(jí)滾筒式球磨機(jī)進(jìn)行了改造，在球磨機(jī)的中心增加了一個(gè)攪拌器，使球磨筒內(nèi)的球體和磨料在攪拌器攪動(dòng)力作用下碰撞研磨，改變了磨球和磨料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)增加磨料的填充率，由50%提高到70%，提高了研磨效率。

2.2.2攪拌球磨機(jī)結(jié)構(gòu)的改造

將微米級(jí)、亞微米級(jí)陶瓷料漿研磨到納米級(jí)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)的一個(gè)難題。有人采用攪拌球磨和砂磨進(jìn)行過(guò)小批量試驗(yàn)，但由于能效低、成本高，無(wú)法批量生產(chǎn)，并因此限制了硅酸鋯在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用。本生產(chǎn)線建設(shè)對(duì)攪拌球磨機(jī)進(jìn)行了改造，提高攪拌球磨的效能。具體措施是：①將攪拌筒由圓柱形改為圓臺(tái)形結(jié)構(gòu)，改變研磨球體的運(yùn)行曲線和動(dòng)態(tài)形狀，由原來(lái)的V字形變?yōu)闄E圓形，不但運(yùn)動(dòng)路線延長(zhǎng)，而且增大了徑向速度差和縱向速度差，從而提高了研磨效率;②由于攪拌筒形狀的改變使筒下端的荷載減少，攪拌產(chǎn)生的扭矩減小，為磨機(jī)轉(zhuǎn)速提升提供了前提條件，將磨機(jī)轉(zhuǎn)速每分鐘提高了70轉(zhuǎn)，使物料的最大線速度由4 m/s提升到9～11 m/s，使研磨動(dòng)能提高4倍;③將攪拌筒底部的固定方式由傳統(tǒng)的固定不動(dòng)，改為在固定板上設(shè)置彈簧，使筒體在隨著攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，產(chǎn)生以攪拌軸為中心的前后擺動(dòng)，擺幅約為25 mm，從而使磨介和磨料在隨筒體做圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)上下震動(dòng)，提高研磨效率達(dá)50%以上。

2.2.3納米漿料固液分離系統(tǒng)的研制

濕法研磨漿料傳統(tǒng)的處理方法是將漿料送入固液分離機(jī)進(jìn)行固液分離，然后放入沉漿桶，轉(zhuǎn)送到烘干、粉碎系統(tǒng)，進(jìn)行烘干、粉碎，然后包裝出售。用戶使用時(shí)仍要配成具有一定液固比例的漿料。本生產(chǎn)線建設(shè)研制了納米漿料固液分離機(jī)組對(duì)濕磨漿料進(jìn)行固液分離，分離至滿足用戶使用要求的液固比例直接向客戶提供漿料。由于納米顆粒的比表面積大，活性比較高，與水結(jié)合后因范德華力的作用兩者難以分離，單純依靠物理作用很難除去水分，也就是一般的壓濾機(jī)不能完成這個(gè)任務(wù)。因此，賀祥公司研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米硅酸鋯漿料脫水系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)動(dòng)力消耗，其排水動(dòng)力是依靠在料漿中加入一種料水分離助劑，使納米顆粒在料水分離助劑的作用下微團(tuán)聚，并將水?dāng)D出，被擠出的水再依靠自身的重力滲出，排水效果良好，最終實(shí)現(xiàn)料水分離。產(chǎn)品的固液比例可由加入的料水分離助劑的量來(lái)調(diào)節(jié)。

2.2.4漿料自動(dòng)包裝系統(tǒng)的研制

在儲(chǔ)存運(yùn)輸納米級(jí)硅酸鋯漿料過(guò)程中需要做到：①料漿的水分保持不變；②料漿保持懸浮不沉淀，不沾壁；③使用時(shí)易于分散，且分散狀態(tài)良好。因此，賀祥公司根據(jù)納米級(jí)硅酸鋯漿料自身的特點(diǎn)及用戶對(duì)其的使用要求，研制了納米級(jí)硅酸鋯漿料自動(dòng)計(jì)量包裝系統(tǒng)和儲(chǔ)運(yùn)裝置。該系統(tǒng)可自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)裝料、自動(dòng)密封，保證漿料在運(yùn)輸過(guò)程中保持水分不變，且不沉淀、不沾壁、不團(tuán)聚，具有良好的分散狀態(tài)。

3納米級(jí)硅酸鋯使用特性及本工藝產(chǎn)品的性能指標(biāo)

3.1納米級(jí)硅酸鋯的使用特性

從納米級(jí)硅酸鋯在陶瓷及功能材料生產(chǎn)中使用的結(jié)果來(lái)看，具有如下特性。

(1)硅酸鋯作為陶瓷釉面添加劑，在一定粒徑范圍內(nèi)隨粒徑減小白度、強(qiáng)度、耐磨性、抗水解性、耐腐蝕性均提高，自潔能力增強(qiáng)，用量減少。

(2)由于納米級(jí)硅酸鋯粉體抗水解能力強(qiáng)，因此可以在水環(huán)境下作為納米功能粉的載體。例如，賀祥公司制備的納米能量石就是以納米級(jí)硅酸鋯作為載體。

(3)由于納米級(jí)硅酸鋯抗氧化性強(qiáng)，可以作為功能性粉體的表面包覆劑。例如，中國(guó)紅陶瓷的紅色釉料就是用納米級(jí)硅酸鋯作包覆劑，色澤紅亮，不褪色。

(4)由于納米級(jí)硅酸鋯強(qiáng)度高、耐磨性好，因此納米級(jí)硅酸鋯粉體是優(yōu)質(zhì)磨介和工程陶瓷原料。

3.2本工藝產(chǎn)品的性能指標(biāo)

硅酸鋯粒度與陶瓷釉面白度試驗(yàn)表明，硅酸鋯的平均粒徑在100～500 nm之間，均具有優(yōu)異的乳濁性能。平衡質(zhì)量的穩(wěn)定性和加工成本等諸因素后，賀祥公司生產(chǎn)了100、300、450 nm 3種不同粒度的納米級(jí)硅酸鋯產(chǎn)品。其中450 nm的硅酸鋯產(chǎn)品采用高檔澳砂制作，在陶瓷中的用量比D50≤1.05 μm硅酸鋯少30%，且白度指標(biāo)高、燒失率低，用于陶瓷生產(chǎn)，使陶瓷的亮度好、表面光潔度高、易清洗。其各項(xiàng)理化性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2　　　　高檔衛(wèi)生陶瓷釉面專(zhuān)用的賀祥450 nm硅酸鋯產(chǎn)品的理化性能指標(biāo)

4　產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性分析

表3為本生產(chǎn)線生產(chǎn)的納米級(jí)硅酸鋯與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的普通硅酸鋯產(chǎn)品主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對(duì)比。

分析表3數(shù)據(jù)可以得出，從生產(chǎn)廠家的效益來(lái)看，雖然本生產(chǎn)線生產(chǎn)1 t 300 nm的硅酸鋯成本要比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)1 tD50≤1.05 μm的硅酸鋯高650元，但是在陶瓷生產(chǎn)中的用量卻降低50%，而銷(xiāo)售價(jià)格卻增加了6 000元，每噸可增加收益5 350元。從用戶使用成本來(lái)看，由于硅酸鋯的用量可以減少一半，雖然每噸的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格高了6 000元，但實(shí)際的使用成本只有9 000元，反而降低了3 000元；另外，用納米級(jí)硅酸鋯作為陶瓷釉料的添加劑，可使陶瓷產(chǎn)品的白度、亮度、強(qiáng)度提高，釉面耐化學(xué)腐

表3　本生產(chǎn)線生產(chǎn)的300 nm硅酸鋯與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的 D50≤1.05 μm硅酸鋯主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比量

蝕性和自潔性能增強(qiáng)，且由于硅酸鋯的用量減少，輻射性會(huì)降低，陶瓷產(chǎn)品的品質(zhì)提高，銷(xiāo)售價(jià)格也會(huì)隨之提高。從環(huán)保方面來(lái)看，由于生產(chǎn)線建設(shè)省去了烘干粉碎工序，生產(chǎn)每噸納米級(jí)硅酸鋯還可節(jié)省120 m3的天然氣。據(jù)資料顯示，1 m3天然氣燃燒可產(chǎn)生1.964 kg二氧化碳。我國(guó)目前硅酸鋯的年產(chǎn)量為2.5×105t，每年可少排放二氧化碳量為：120×1.964×250 000=5.892×104t。

從上述分析不難看出，賀祥公司開(kāi)發(fā)的納米級(jí)硅酸鋯生產(chǎn)線，不但經(jīng)濟(jì)效益可觀，在陶瓷生產(chǎn)中使用效果良好，而且綠色環(huán)保，極具推廣應(yīng)用價(jià)值。

Development of Nano-zirconium Silicate Production Line

Zhao Xiangqi，Zhao Xianglai，Chang Chuanping

(Tangshan Hexiang Group Co., Ltd.， Tangshan 063304,China)

In order to reduce the use-cost of nano-zirconium silicate ceramic factories, and increase the sales of zirconium silicate, a nano-zirconium silicate production line was developed by Tangshan Hexiang Group Co., Ltd.The development and transformation of the main equipments and process in the production line were introduced, and the economic indicators of nano-zirconium silicate produced by nano-zirconium silicate production line and ordinary zirconium silicate produced by traditional process were compared. The results show that, comparing with the zirconium silicate produced by traditional process, the profit can increase 5 350 RMB per ton for nano-zirconium silicate produced by the new production line. The use-cost of ceramic factories is only 9 000 RMB per ton, which reduces 3 000 RMB per ton.120 m3natural gas can be saved and 1.964 kg carbon dioxide emission can also be reduced for produced one ton zirconium silicate for eliminating the dring process. So it is worth using extensively.

nano-zirconium silicate；high-energy ball milling；stirred mill；carbon dioxide

2015-06-22

常傳平(1962—)，男，高級(jí)工程師。

TQ134.1+2

A

1009-9964(2016)01-0041-04