陶瓷外墻磚干法造粒坯料顆粒與膨潤土含量的影響

余冬玲 ，劉子碩 ，黃韓凌燕

(1． 景德鎮(zhèn)陶瓷大學 機械電子工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2． 景德鎮(zhèn)陶瓷大學 陶瓷美術學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引 言

眾所周知，陶瓷行業(yè)“球磨-噴霧”濕法造粒制粉工藝帶來的高污染、高能耗等局限性問題已嚴重制約建筑陶瓷行業(yè)的發(fā)展[1-2]，而干法造粒制粉工藝能夠在很大程度上改善高污染、高能耗等問題，是建筑陶瓷行業(yè)原料制備車間可持續(xù)發(fā)展的主要方向之一[3-5]，但干法造粒制粉工藝制備的坯料顆粒存在流動性偏差、分散性不均勻、壓縮率偏小、成份不均等問題[6-10]，導致干法造粒制粉工藝一直未獲得行業(yè)認可。因此，優(yōu)化干法造粒制粉工藝對建筑陶瓷行業(yè)發(fā)展具有深遠意義。

膨潤土是陶瓷外墻磚干法造粒原材料之一，其粘結力強、可塑性高、脫膜好、透氣性優(yōu)、高溫濕態(tài)環(huán)境下物理化學性能穩(wěn)定等特點使其成為影響陶瓷外墻磚干法造粒坯料顆粒流動性優(yōu)劣、有效顆粒含量高低的關鍵因素之一。筆者針對干法造粒坯料顆粒的流動性指數(shù)，坯料顆粒級配以及顆粒的球形度，檢測坯料顆粒的休止角、壓縮度、平板角、均齊度、凝聚度，篩選坯料顆粒，測量坯料顆粒球形度，基于測定的物性參數(shù)，分析獲取坯料顆粒的流動性指數(shù)、坯料顆粒合格率以及顆粒球形度，從而研究陶瓷外墻磚干法造粒坯料顆粒與膨潤土含量的影響，優(yōu)化干法造粒制粉過程的造粒參數(shù)，改善坯料的顆粒物理性能及造粒效果。其研究成果對干法造粒制粉工藝在建筑陶瓷行業(yè)全面推廣具有一定的實踐指導意義。

1 實驗過程

1.1 坯料制備

以黏土類、石英類、長石類等超細粉體為原料，詳細的原料名稱、產(chǎn)地、比例及粒徑大小如表1實驗原料所示。按一定質量比配置造粒添加劑溶液，其組成成分及作用詳見表2實驗造粒添加劑溶液。

使用建筑陶瓷干法造粒制粉試驗樣機制備陶瓷外墻磚坯料顆粒，主軸轉速為2800 RPM，混料時間為2．5 min，造粒時間為40 s，基于不同膨潤土含量對2．5 kg原料進行干法造粒，造粒過程如圖1坯料制備工藝流程圖。將粉體原料加入造粒室內(nèi)充分混合均勻；按表2配制造粒添加劑溶液經(jīng)壓力式噴嘴霧化加入造粒室內(nèi)，實現(xiàn)細粉體原料造粒成形；將制備好的坯料顆粒取出以待檢測分析。

1.2 檢測分析

采用多功能智能粉體物性測試儀(型號：BT-1001，丹東百特儀器有限公司)對坯料顆粒的休止角、壓縮度、平板角、均齊度、凝聚度進行檢測以評判坯料顆粒的流動性指數(shù)；用分樣網(wǎng)篩(規(guī)格：20目、30目、40目、50目、60目、70目、80目，安平縣鑫隆絲網(wǎng)制品廠)對坯料顆粒篩分獲得坯料的粒度分布及合格率，其中顆粒粒度分布的評價標準為20-80目為合格，30目、60目為良，40目、50目為優(yōu)，20目以上及80目以下為不合格；球形度的檢測方法是采用顆粒Wadell球形度的測量方法，其測量原理是：顆粒在層流狀態(tài)時，自由沉降速度與顆粒的形狀有關，其關系可由Stokes形狀系數(shù)K與顆粒的Wadell球形度ψ的關聯(lián)確定[11]。

圖1 坯料制備工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of blank preparation

2 實驗結果分析

2.1 膨潤土含量對流動性指數(shù)的影響分析

基于不同膨潤土含量采用干法造粒制粉技術制備坯料顆粒，并對其物理性能進行檢測分析，結果如表3所示。由表3可知：當膨潤土含量逐漸增大且小于5%時，坯料顆粒的休止角、壓縮度、平板角、均齊度、凝聚度均呈減小趨勢，坯料顆粒流動性指數(shù)逐漸增大；當膨潤土含量為5%時，坯料顆粒的休止角、壓縮度、平板角、均齊度、凝聚度均呈減小趨勢，坯料顆粒流動性指數(shù)基本為最小值；當膨潤土含量大于5%時，坯料顆粒的休止角、壓縮度、平板角、均齊度、凝聚度基本呈增大趨勢，坯料顆粒流動性指數(shù)逐漸減小。綜上可知：當膨潤土含量為5%時，坯料顆粒流動性指數(shù)達到最優(yōu)值。

2.2 膨潤土含量對坯料顆粒合格率的影響分析

基于不同膨潤土含量采用干法造粒制粉技術分別制備坯料顆粒，并對坯料顆粒篩分，實驗結果如圖2不同膨潤土含量坯料的粒度分布曲線圖所示，由圖2可以看出，膨潤土含量為1%時，坯料顆粒合格率約為82．1%；膨潤土含量為3%時，坯料顆粒合格率約為82．7%；膨潤土含量為5%時，坯料顆粒合格率約為85．9%；膨潤土含量為7%時，坯料顆粒合格率約為77．6%；膨潤土含量為9%時，坯料顆粒合格率約為20．9%。當膨潤土含量由1%增至5%，顆粒合格率呈遞增趨勢，當膨潤土含量由5%增至9%，顆粒合格率呈遞減趨勢。五組實驗制備的坯料粒度分布類似于正態(tài)分布，顆粒的平均粒度隨膨潤土含量的增加而增大，細粉含量隨黏土含量的增加而減少，而膨潤土含量為5%時顆粒粒度分布最接近正態(tài)分布，且優(yōu)良顆粒所占百分比最大。由此說明，當膨潤土含量為5%時，坯料顆粒合格率達到最優(yōu)值。

2.3 膨潤土含量對顆粒球形度的影響分析

表3 膨潤土含量與流動性指數(shù)關系Tab.3 Relationship between bentonite content and liquidity index

基于不同膨潤土含量采用干法造粒制粉技術分別制備坯料顆粒，并測量各粒度顆粒的球形度，實驗結果如圖3不同膨潤土含量坯料粒徑與顆粒球形度關系曲線所示。由圖3可以看出，膨潤土含量為1%時，平均顆粒球形度約為0．24；膨潤土含量為3%時，平均顆粒球形度約為0．42；膨潤土含量為5%時，平均顆粒球形度約為0．71；膨潤土含量為7%時，平均顆粒球形度約為0．70；膨潤土含量為9%時，平均顆粒球形度約為0．70。粒度自20目至80目變換時，顆粒球形度呈遞減趨勢，粒度變換至80目以上時，顆粒球形度減少至一定值不再變化；隨著膨潤土含量的增高，顆粒球形度呈遞增趨勢，增至一定值時保持穩(wěn)定不變。綜上分析可知，坯料顆粒一定時，顆粒球形度隨膨潤土含量增加而升高，且膨潤土含量增至5%后顆粒球形度趨于穩(wěn)定值，即膨潤土含量為5%時，顆粒球形度達到最優(yōu)值。

圖3 不同膨潤土含量坯料粒徑與顆粒球形度關系曲線Fig.3 Relationship between particle size andParticlesphericity of different bentonite content

3 仿真結果分析

根據(jù)陶瓷外墻磚干法造粒試樣機結構建立模擬區(qū)域，模擬對象是造粒室內(nèi)顆粒、氣體的分布情況，模擬過程為干法造粒制粉過程。在仿真過程中，顆粒與氣體彼此相互共存，且各自擁有各自的速度、體積分布。

3.1 流動性指數(shù)分析

圖4 造粒過程顆粒體積分布剖視云圖Fig.4 Cloud chart of particle volume distribution in granulation process

基于造粒過程顆粒體積分布情況，分別取膨潤土含量1%、3%、5%、7%、9%，分析造粒室內(nèi)顆粒體積分布情況，具體祥見圖4造粒過程顆粒體積分布剖視云圖。從造粒過程顆粒體積分布剖視云圖可知，當膨潤土含量為1%時，造粒過程中造粒室底部存在較多堆積現(xiàn)象，顆粒在造粒室形成的堆積度為0．38，表明造粒顆粒比例較低，造粒效果不佳；當膨潤土含量為3%時，造粒室底端存在的堆積現(xiàn)象得以改善，顆粒在造粒室形成的堆積度為0．36，表明造粒顆粒比例增大，造粒效果變好；當膨潤土含量為5%時，造粒過程中造粒室底部堆積現(xiàn)象不明顯，顆粒在造粒室形成的堆積度為0．33，表明造粒比例較高，造粒效果甚佳；當膨潤土含量為7%時，造粒過程中造粒室底部堆積現(xiàn)象增加，顆粒在造粒室形成的堆積度為0．35，表明造粒顆粒比例降低，造粒效果變差；當膨潤土含量為9%時，造粒過程中造粒室底部堆積現(xiàn)象嚴重化，顆粒在造粒室形成的堆積度為0．39，表明造粒顆粒比例低，造粒效果差。仿真結果表明，膨潤土含量為5%時，造粒室內(nèi)顆粒分布較均勻，造粒比例最高，造粒效果最佳，即此時制備的坯料顆粒流動性指數(shù)最高。

圖5 顆粒體積分布云圖Fig.5 Particle volume distribution cloud chart

3.2 坯料顆粒合格率分析

為研究膨潤土含量對坯料顆粒級配的影響，分別取膨潤土含量1%、3%、5%、7%、9%，分析造粒室內(nèi)顆粒體積分布情況，具體祥見圖5顆粒體積分布云圖。當膨潤土含量為1%時：從顆粒體積分布云圖可知，造粒室底部存在較多堆積現(xiàn)象，且坯料顆粒分散性較差；當膨潤土含量為3%時：從顆粒體積分布云圖可知，較膨潤土含量為1%時造粒室底部堆積顆粒明顯變少，且坯料顆粒分散性更好；當膨潤土含量為5%時：從顆粒體積分布云圖可知，造粒室底部存在的堆積現(xiàn)象較膨潤土含量為1%、3%時有所變化，造粒室底部存在的堆積現(xiàn)象不明顯，坯料顆粒分散性較好；當膨潤土含量為7%時：從顆粒體積分布云圖可知，造粒過程中造粒室底部堆積現(xiàn)象增加，顆粒分散性變差；當膨潤土含量為9%時：從顆粒體積分布云圖可知，造粒過程中造粒室底部堆積現(xiàn)象嚴重化，顆粒分散性較差。仿真結果表明，膨潤土含量在5%時，造粒室內(nèi)顆粒分布較均勻，即此時造粒效果最佳。

4 結 論

⑴由實驗結果分析可知：當膨潤土含量分別為1%、3%、5%、7%、9%時，坯料顆粒流動性的流動性指數(shù)依次為58．0、69．0、91．0、67．5、58．0，坯料顆粒合格率依次為82．1%、82．7%、85．9%、77．6%、20．9%，平均顆粒球形度依次為0．24、0．42、0．71、0．70、0．70，且當膨潤土含量為5%時，坯料顆粒流動性、坯料顆粒合格率、顆粒球形度最佳。同時數(shù)值模擬表明：當膨潤土含量分別為1%、3%、5%、7%、9%時，在造粒室形成的堆積度依次為0．38、0．36、0．33、0．35、0．39，且當膨潤土含量為5%時，坯料顆粒分散性最好，說明實驗結果與數(shù)值模擬基本吻合，驗證了實驗的可靠性，表明當膨潤土含量為原料的5%時，坯料顆粒流動性、坯料顆粒合格率、顆粒球形度最優(yōu)。

⑵實驗結果與數(shù)值模擬充分說明，膨潤土含量為原料的5%時，坯料顆粒流動性、坯料顆粒合格率、顆粒球形度最優(yōu)。該優(yōu)化操作參數(shù)能在一定程度上改善干法造粒制粉技術坯料顆粒的流動性，增加陶瓷墻外磚干法造粒坯料顆粒的合格率，提高陶瓷墻外磚干法造粒坯料顆粒的質量，對干法造粒制粉技術進一步在建筑陶瓷行業(yè)推廣提供可靠的試驗依據(jù)。