浅析重质碳酸钙产业发展及其粉体装备技术升级

2013-11-14秦广超崔啸宇袁凤宇邓小林

中国非金属矿工业导刊 2013年6期

秦广超，崔啸宇，陈飞，袁凤宇，邓小林

(合肥水泥研究设计院，安徽合肥 230051)

近20年来，随着中国经济的稳定递增，造纸、塑料、橡胶、涂料和建材等重质碳酸钙(简称重钙，英文缩写GCC)下游应用行业飞速发展，中国的重钙产能每年以10%以上的速度增长[1]。在世界著名碳酸钙粉体公司(欧米亚(Omya)、英格瓷(Imerys)等外资企业)纷纷进入中国重钙市场，并加大或加速对华投资的同时，国内重钙企业也在逐步扩大生产规模、完善产品结构、开发具有特定功能性的精细化产品，以满足国内乃至国际市场对重钙产品的规模化、精细化、功能化及多样化需求，逐步形成“重质碳酸钙热”趋势。

面对中国潜在的市场吸引，外资企业不仅带来了重钙产业发展模式，也带来了先进的粉体加工装备技术(如德国APLINE等公司的粉磨分级技术)，先进的加工装备与技术促进了中国重钙产业升级。

1 加工装备与技术升级

重钙粉体的生产方法有：干法和湿法。干法工艺代表装备有雷蒙磨、球磨机、环辊磨机和立式磨等，湿法工艺代表装备有立式搅拌磨和卧式搅拌磨。

上述装备在一定程度上、一定时期内满足了中国重钙产品加工的需求，实现了一定的经济效益。但是，随着下游应用行业对重钙粉体产品要求的升级和提高，以上装备不断进行技术升级来适应现代重钙产业规模化及其产品精细化发展的市场需求[1-3]。近年来，重钙加工装备与技术的不断升级，对重钙产业产能与产品升级做出巨大贡献。

1.1 干法装备与技术

(1)雷蒙磨及其技术。

早期的雷蒙磨主要以4R、5R机型为主，单机规模小、且以400目以下产品为主；近年来，随着重钙等非金属矿行业的规模化发展，雷蒙磨也大有改进。据中国非金属矿工业协会矿物加工利用专委会2012年会会议介绍，桂林鸿程公司推出的一款HC2000型大型雷蒙磨，单机最大产能可达40t/h，解决了雷蒙磨难以规模化生产的难题，且节能效果明显，在一定的产品范围要求内，具有较强的市场竞争优势[4]。

对于雷蒙磨来说，下一步的工作是需要在超细研磨与分级方面继续深入研究，目的是实现产品细度及其粒度分布有所提升或改善，便于与分级机等精加工设备配套组合，实现800目以上的粉体产品生产。

(2)环辊磨及其技术。

早期的环辊磨虽然机型小、产量低，但是其适应了重钙产业超细加工的需求，主要生产800～1250目的产品。近年来，随着该设备的大量应用及耐磨件材质的改善，福建丰力、亿丰等公司相继推出188、198等大型环辊磨并开始应用，单机产能也有所提升，1250目产品单机产能可达1.8～2.0t/h。

对于环辊磨来说，如果能够克服产品同质化的现象、改善或提高耐磨件材质及设备的应用性能，其明显的节能效果将使其具有一定市场竞争优势。

(3)球磨机与分级机技术。

早期传统的球磨机很少应用在重钙行业，分级机技术的应用使得球磨机加工重钙成为可能，如欧米亚等外资企业纷纷进入中国重钙市场，球磨机与分级机工艺开始走向中国重钙企业。上世纪末开始，国内上规模的超细重钙粉体企业引进Alpine、阿肯图等公司的分级机及其技术，与球磨机配套生产超细重钙。国内分级机及其技术的进步升级更使得该工艺在2000年前后得到大量应用。该工艺有利于实现800～2000目产品的精细化生产，产品特别适用于涂料及塑胶母料等中高端行业。

对于球磨机+分级机工艺来说，符合了重钙超细粉体加工的规模化、精细化发展要求，产品附加值相对较高，但是在节能降耗方面需进行深入的系统研究及改进，以改变业内对该工艺高能耗的认识。

(4)立式磨及其技术。

早期立式磨及其技术在中国重钙行业很少应用，而马来西亚、印尼和日本等国早在80年代就普遍采用立式磨技术，而且其应用领域不仅涉及重钙，还涉及白云石、叶蜡石和重晶石等非矿行业。随着台湾及东南沿海地区台资重钙企业的应用，立式磨及其技术在内地已经得到广泛应用[5-6]。

作为近年来重钙粉体干法超细加工技术的主要进展之一，其既有利于重钙产业升级加工的要求，又符合了国家节能减排政策的要求。

首先，立式磨是采用碾压、剪切原理，达到粒度要求的粉体颗粒能及时随气流带走，从而避免了过研磨情况，达到节能目的。其次，立式磨集细碎、粉磨、烘干(5%以下水分)、分级、输送功能于一身，工作效率较高，节能效果显著。再者，根据立式磨的粉碎原理，可以满足生产微观结构形态破坏性小(即保持原料颗粒的原有形貌)、污染小(磨耗小)的产品生产。立式磨及其技术特点：①吨产品电耗低；②满足产业规模化生产；③满足产品精细化深加工要求；④产品应用性能好(如流动性好)、粒度分布更合理。

1.2 湿法装备与技术

超微细化功能性粉体产品的加工方法多采用湿法搅拌磨。超细湿法搅拌磨机是随着现代材料科学技术的进步而发展起来的。国外已有专业制造厂家和许多先进设备，如美国Union Process公司、日本细川公司(HOSOKAWA)、德国的耐驰(NETZSCH)公司、德国道莱士(Drais)公司和美国美卓(Metso)矿机公司等生产的超细搅拌磨机成套设备，其设备型式有立式、卧式等形式。

近年来的研究表明：湿法工艺中，在微细介质磨机中添加粉碎助滤剂可制备亚微米甚至纳米超细粉体。一些学者开始用超细搅拌磨机械法生产纳米粉体或浆料，德国NETZSCH Feinmahl technik公司应用卧式循环搅拌磨机生产细度小于200nm的产品。J R麦克劳克林采用Drais DCP超细搅拌磨机型号有SC型、ZR120型等，它们的共同特点是：①采用氧化锆YTZ陶瓷微珠，尺寸从0.1～0.5mm；②均采用离心超细搅拌区域，力求粉碎区域受力均匀；③采用循环磨矿。

国内科研院所及企业也开始引进并应用国外超细(湿法)搅拌磨机装备及其技术，据报道长沙矿冶研究院已经取得了较大的进步，对于2μm含量达到95%以下的产品可以实现生产，但是2μm含量达到95%～98%的产品技术正在研发。

湿法搅拌磨的关键技术是粉碎腔形设计、筛网和搅拌器材质以及超细微珠级配要求。

2 地区产业整合升级

国内优质方解石资源主要分布在四川、广西、安徽、广东、湖南、湖北、江西、浙江、河南、辽宁、吉林、新疆、陕西和青海等地。地区产业整合的主旨：利用大型、高效、节能型装备技术，加快产业进步、发挥骨干企业的带头创新作用，在资源地及产业集聚地建立专业化生产、研发中心，开发适应下游产业需要的精细化产品。

2.1 产业整合升级现状

下面列举部分地区产业整合升级工作情况。

(1)广西地区。

2005年7月，广西壮族自治区贺州市组织专家学者对当地石材及重钙产业发展进行指导、规划，提出合理有效利用当地石材资源、利用石材及其边角料兴建规模化重钙企业。2012年7月广西壮族自治区在南宁研讨碳酸钙产业发展，主要议题：①结合碳酸钙及相关产业发展现状及趋势，探讨碳酸钙在传统造纸、塑料、油漆涂料、橡胶制品、胶粘剂和密封剂等领域中的应用；②碳酸钙及相关领域产业化发展方向和未来发展趋势及产业化发展瓶颈和制约因素，根据广西资源优势和产业基础，提出加快发展(重质)碳酸钙产业的建议和意见。

经当地政府的积极推进，依托当地重钙资源优势，广西已经发展成为全国最大的重质碳酸钙粉体生产基地，2012年广西重钙粉体产能达到500万t，约占当年全国重钙产能的22%。形成了广西贺州科隆粉体有限公司、贺州桂宝粉体有限公司等一批在国内具有影响力的规模化重钙企业，其中贺州科隆粉体有限公司实际年产能达到100万t，是国内重钙产能大、产品结构完善、精细化程度高的企业之一。

(2)浙江地区。

2006～2010年，浙江建德市、衢州市等地政府组织专家学者结合当地资源现状及碳酸钙在造纸、塑料等领域中的应用，碳酸钙产业化发展瓶颈和制约因素，根据当地资源优势和产业基础，提出适合当地碳酸钙产业深加工的建议和措施。2011年浙江长兴县根据建德、衢州等地的产业发展经验及本地的资源现状、企业现状、产品市场应用情况，将200多家企业规划整合成长兴华源化工有限公司、长兴金顶粉体有限公司等9家年产规模达到20万t的规模化精细化重钙粉体加工企业，统一建设重钙粉体基地产业集中示范区。企业合理规划进厂原料等级划分、成品生产方案、成品收集、储存与包装，特别是考虑到当地用工成本的节约，产品包装采用沈阳优特克公司的自动包装系统，改变了以往重钙企业包装纯手工或半自动的局面，大大降低了用工成本，提高了劳动效率。

(3)安徽、四川等地区。

近年来，安徽省泾县政府针对当地资源优势及重钙产业现状，借鉴其他地区产业整合的成功经验，积极寻求产业健康发展模式，依托原有产业群，规划建立了云岭工业功能园区，发展了安徽江东科技粉业有限公司、安徽申宝粉体科技有限公司等规模化重钙企业，稳步推进了产业升级发展模式，逐步淘汰落后产能及小作坊式的加工方式。

四川石棉等地依托当地资源优势及重钙产业基础，借鉴宝兴县产业的成功经验，在四川石棉发展了四川石棉巨丰粉体有限公司、四川石棉亿欣钙业有限责任公司等规模化精细化重钙生产企业，进一步促进了该地区重钙产业升级发展。

河南南召、江西永丰、湖北大冶、辽宁海城等地也积极调整原有的重钙企业生产方式，探索适合本地区重钙产业升级发展的模式。

2.2 产业升级条件与方式

在“十二五”开局之年的2011年8月，中国化工报刊登“我国碳酸钙行业‘重轻轻重’格局(重视轻质碳酸钙轻视重质碳酸钙)亟待改变”一文，目的是加大重质碳酸钙产业升级发展，替代一部分轻质碳酸钙的落后产能，做到碳酸钙产业“轻重”并举。

区域重钙产业升级势在必行，各地政府及重钙企业纷纷抓住非金属矿工业“十二五”发展规划及碳酸钙产业发展调整的契机，结合产品的市场需求及当地原矿品位差异，合理选用装备、优化工艺技术，开发出满足下游行业应用的特征或功能性重钙粉体，此举既能解决矿山开采造成的废料处理与污染问题，又可实现资源及产品附加值的提升，提高企业经济效益，促进地区乃至全国的重钙产业升级。

3 产能与产品升级

3.1 产能升级

20世纪80年代初，中国重钙产业开始从浙江建德、富阳起步，然后扩展到安徽、四川、广东、广西、湖北、江西等地。全国重钙产能从1985年的约20万t，到1995年的100万t、2000年的400万t、2006年突破1000万t、2009年逼近1500万t，而Roskill报道，2009年世界重钙产能刚刚接近9000万t。据全国重钙产地产能实地调查，2011年度中国重钙总产能约2000万t，而当年世界重钙总产能约为9300万t，中国约占当年世界重钙总产能的21.5%。

产能升级的主要原因：①重钙是典型的节能、绿色环保型矿物材料，用途极其广泛；②在造纸业中，使用碳酸钙作为填料和涂布材料的用量大幅增加；③塑料橡胶、油漆涂料、建筑材料等工业部门发展快速的缘故。产能升级的保障：中国是世界上出产优质方解石(或大理石)的五大国之一。

产能升级过程中也带来了以下问题：①矿产资源开发与保护统筹不足，资源浪费和破坏现象严重，部分优质矿源过度无序开采；②企业“小而散”，产业集中度低，规模效应差；③行业整体技术水平低，深加工及应用技术与国外还存在一定的差距；④行业管理体系不健全，运行监测体系亟待加强。

3.2 产品升级

产品升级的组成要素：产品结构、产品精细化程度和产品功能化开发，产品结构如树干、产品精细化如树枝、产品功能化如树叶，中国这棵重钙产品“树”正逐渐发育走向成熟。

(1)产品结构逐步完善：重钙产业起步到20世纪90年代初，产品品种主要以“双飞粉”(200目)、“三飞粉”(325目)、600目以下产品为主；90年代后，随着分级机的应用，市场上逐渐出现了600～800目、800～1500目的产品；本世纪初，随着分级机技术的进步，市场上逐渐出现了1250～2500目的产品；同时，湿法工艺开始普及，并可以生产2500目及其以上的超细重重质碳酸钙，湿法产品通常2μm含量达到60%～95%。从此重质碳酸钙粉体产品结构进人迅速完善的时期，逐渐形成金字塔形的产品结构比例。

(2)产品精细化程度大大提升：随着超细研磨装备与分级机技术的普及并应用，不仅完善了重钙产品结构，也提升了重钙产品精细化程度，从而改变了国内普通产品剩余、高档产品短缺，在市场上缺乏竞争力的局面。同时，先进的精细化加工工艺也加速了产品精细化程度的提升。

有必要说明一点，精细化并不是单一的粒度超细化，再者重钙并不是只强调粒度指标的粉体材料，作为一种工业中间体，其应用性能是最需要考虑的要素，过分追求颗粒度指标而忽视粉体材料的应用性能是不可取的。精细化是一种有针对性的功能性重钙粉体生产过程。

(3)产品功能化有待进一步开发：下游应用行业的功能化需求促进了重钙产品的功能化开发，也为产品功能化开发指明了方向。功能化重钙产品按用途可分为造纸、塑料、橡胶、涂料、牙膏、医药、饲料添加剂、食用等产品，而每种专用产品还可细化，如塑料专用钙还可分为PVC专用钙、PE专用钙、PP专用钙等，其专用产品取决于碳酸钙粒度、晶型及表面改性剂种类等。碳酸钙产品的用途首先要满足不同用户的粒度及晶型的要求，但同一粒度及晶型的情况，由于表面改性剂的不同，其用途也不同，效果相差很大，经济价值也有较大的悬殊。例如普通钙同牙膏级钙从粒径及晶型上看基本相同，但因原料品味差异大、处理工艺不同，单位价格相差6～8倍。

在产品功能化开发过程中要做到三点：①选择合适的原料；②生产粒度分布合理的产品，并保证分散性好；③进行适度表面处理，达到专用化及功能化。表面处理的一个指标就是活化度，切记不要过分追求活化度指标。

4 装备与工艺优化组合

在探讨装备与工艺优化之前，先来解释一个问题即不同地区生产的产品之所以品质不同，有以下三个方面的原因：一是矿石的质量，台湾的矿石质量确实优于国内某些地区；二是加工装备先进与否，台湾多采用立式磨、湿法磨及分级机等性能先进的装备；三是加工工艺方式，基本采用立式磨+二次(或三次)分级工艺，结合湿法磨及精细化、改性组合深加工工艺。

再者，Omya、Imerys等世界著名碳酸钙公司一直保持其产业规模化和产品系列化、精细化的主要原因有：首先是采用的研磨及精细分级装备技术领先；其次是系统设备选型合理、工艺技术组合创新；其三是先进的自动控制系统，确保了系统稳定生产和产品质量稳定。

因此，要实现中国重钙产业规模化和产品精细化深入发展，国内重钙企业有必要借鉴台湾企业、Omya、Imerys等世界著名碳酸钙公司的成功经验，采用高效节能大型装备与先进的生产工艺技术，例如其规模化生产基本上是利用立式磨或球磨机等大型干法研磨装备技术与超细分级机组合，而产品精细化采用大型湿法/干法装备技术、改性装备与超细分级机等成套深加工技术完成。

4.1 加工装备的选择

从实践应用来看，单台/套装备一般都能适应某一区间产品的生产，很难实现所有产品的经济生产，因此在装备的选择过程中应该结合周边市场需求，确立主机设备及其工艺方案，原则上要求：①主机设备选型能够满足当地产业技术的先进性；②主机设备选型和工艺方案是否满足节能环保的要求；③能否满足与深加工装备技术的有效衔接，形成装备与工艺组合系统，完成重钙粉体产品系列化、规模化、功能化生产。

从未来重钙粉体的市场应用来看，多台套装备与技术优化组合工艺将是规模化、功能化重钙企业的主要路线。

4.2 干湿法工艺的选择

干法工艺的优势：有利于实现产业规模化及一定程度的产品精细化；湿法加工的优势：有利于实现较高程度的产品精细化。从实践来看，1500目以下的产品，一般以干法生产为主；1500～2500目产品可以采用干法工艺，也可以采用湿法工艺生产，应用中需有针对性的合理搭配两种工艺产品配比；2500～6500目产品，通常以湿法生产为宜。根据干湿法工艺的优势分析可见，产品需求是装备及其工艺选择的根本所在。

4.3 立式磨+二次(三次)分级与湿法磨工艺组合

立式磨或立式磨+二次分级、三次分级工艺作为非金属矿粉体干法超细加工技术的主要进展之一，该工艺较为适宜于600～2500目超细重钙粉体的规模化生产，其最明显的优势在于节能。但是该工艺也存在二次分级下品如何处理及2500目以上功能化、超微细化产品如何实现的问题。因此在实践过程中，提出立式磨+二次分级+三次分级与湿法磨组合工艺，流程如下图所示。

立式磨工艺及其产品结构设计

该工艺可以适应现代市场对精细化产品的规模化需求，首先利用立式磨出品的325～800目的产品，适应市场对普通重钙粉的需求，这样充分发挥了立式磨的规模化和节能优势；其次采用超细分级设备对部分325～800目产品进行二次、三次分级，生产800～2500目的中高档精细粉，适应市场中高端需求，这样充分发挥了分级设备的精细分级和节能优势；对于分级下品采用湿法磨等设备进行精细研磨及功能化开发，生产2500～6500目的超微细功能性粉体，满足市场高端需求。这样即实现了重钙产业规模化产品精细化(功能化)，又完善了产品结构。