陶瓷原料制备新工艺和新设备的探索

2014-04-18张柏清

中国陶瓷工业 2014年4期

关键词：连续式球磨机筒体

张柏清

（景德镇陶瓷学院，江西景德镇 333001）

陶瓷原料制备新工艺和新设备的探索

张柏清

（景德镇陶瓷学院，江西景德镇 333001）

本文主要介绍陶瓷企业原料粉磨工艺与粉磨机械相关的技术装备的现状以及发展趋势。

陶瓷原料；球磨机；新工艺；新设备

0 引言

通常，将米数量级的原料经过外力作用使之变为毫米数量级且物料颗粒粒径小于100 mm 的过程，称之为破碎。而将毫米数量级的物料颗粒经过外力作用使之变为微米数量级且物料颗粒粒径小于0.01 mm 的过程，称之为粉磨。一般来讲，物料的粉磨过程既存在物料的破碎过程、又存在物料的粉磨过程。因此，可以将物料破碎和粉磨过程统称为粉碎。陶瓷企业原料的制备过程主要是粉磨。本文主要介绍陶瓷企业原料粉磨工艺与粉磨机械相关的技术装备的现状以及发展趋势。

目前陶瓷行业的粉磨装备主要是球磨机。球磨机是最早出现且应用最为普遍的粉磨设备，其粉磨机理可归纳为“料群粉磨”。料群粉磨的最大缺点是有用功少、效率低下。研究结果表明，球磨机的机械效率仅为2%～5%。球磨机虽然已经过上百年不断的改进、发展，并且已经开发出大型球磨机和连续球磨机，但总体看来，从机械结构方面提升球磨机的机械效能几乎已经达到了技术的极限。

1 陶瓷原料制备的现状

我国是世界陶瓷生产的第一大国， 2013年全国建陶产量达到96.9亿平方米，比2012年增长7.8%。然而，我国陶瓷生产企业的原料制备普遍存在工艺流程落后，装备几十年不变，能源利用率低，能耗巨大这一严峻而现实的问题。特别是陶瓷原料的制备一直采用开流式的球磨工艺(用间隙式球磨机)，几十年来几乎没有改变，一直沿用至今，然而国外早已经开始采用圈流式连续球磨工艺(用连续式球磨机)，国内却一直推广不了。

我们知道陶瓷原料的种类繁多，含水率又各不相同，为保证原料粉磨前后配方的一致性，中国的陶瓷企业一直采用落后的开流式球磨工艺。该球磨工艺的最大优点是能够确保陶瓷原料的配比在球磨前后不会发生变化，物料混合得非常均匀，间隙式球磨机在将物料粉磨的同时，还起到了将物料混合均匀的作用，正由于间隙式球磨机具有这一优点，在陶瓷行业原料的粉磨工序中占据了不可动摇的地位。然而这一球磨工艺的最大缺点是，物料在粉磨过程中不可避免地会出现“过度粉碎”现象。所谓“过度粉碎”是指己达到了细度要求的物料不及时地排出，仍然在机内继续球磨，这部分物料必然过细，消耗多余的能量，而且过细的物料还会把粗颗粒包裹起来，使粗颗粒不易直接受到粉碎作用，结果使粉碎机生产能力降低，单位功耗增加。因此“过度粉碎”现象应该尽可能地避免出现。

众所周知，陶瓷原料加工环节中“球磨成浆”生产工艺落后，球磨时间长，用电量占企业用电的40%以上，而且有能量利用率非常低(一般只有2%-3%)，噪音大、体积笨重，占地面积大等缺点。但由于中国的陶瓷原料的标准化问题一直未能解决，因此中国的陶瓷企业至今仍采用这一落后的原料制备工艺路线和间隙式球磨机。

2 连续式球磨机

2.1 单筒连续式球磨机

连续式湿法球磨机( 以下简称连续式球磨机)以前广泛应用在选矿行业中。1984 年左右, 连续式球磨机开始在意大利陶瓷墙地砖行业应用，随后，国外的一些陶瓷企业普遍使用连续式球磨机。早期的连续式球磨机只有一个水平放置的筒体, 筒体被隔板分成2 一3 个研磨腔，每个研磨腔内装有尺寸大小不一的研磨体, 如图1 所示。与间歇式球磨机一样, 筒体旋转时, 筒体内研磨体等在摩擦力和离心力的作用下被筒体提升到一定高度后,在重力的作用下沿近似抛物线轨迹落下来, 冲击和研磨物料, 并产生一定的轴向运动促使物料研磨和混合均匀。但由于球磨机的筒体直径较大，大型球磨机的转速较低，筒内的研磨体基本上不存在抛落运动，筒内的物料主要是受到研磨体的研磨作用。从加料端至卸料端连续加人的物料, 一边粉磨, 同时依次通过各筛板逐渐移向卸料端, 最后由卸料端卸出筒体, 卸出筒体的泥浆通筛分机械进行分级，达到粒度要求的物粒送到下道工序，未能达到粒度要求的物料送回到磨机内继续完成对物料的连续粉磨作用。

2.2 多单元连续式球磨机

多单元连续式球磨机一般制造成2 段或3 段具有单独的传动系统的球磨机，可以理解成多个单圆柱筒形连续式球磨机的组合，但每个单元的体积小很多，与间歇式球磨机相似(见图2)。几个单元结构相同，都有独立的驱动(变频)和球石加入装置，每个单元有独立的转速和球石级配，将研磨到一定细度的泥浆送到下一个单元继续球磨。这种球磨方式完全符合湿法球磨理论，即可根据粉磨物料的细度不同，选择合适的料球比和转速，所以效率无疑是最高的。据介绍，多单元连续式球磨机比间歇式球磨机节能15%左右。这种多单元连续式球磨机的各个单元的外型尺寸与普通球磨机基本相同，所以其制造、运输、安装都更加容易操作。

2.3 连续式球磨机与间歇式球磨机的特点

(1)连续式球磨机采用的是圈流式粉磨工艺，不会产生“过度粉碎”现象，提高了粉磨效率。

(2) 陶瓷工业连续式球磨机的筒体通常被分成2-3 个研磨腔, 每个仓配备适宜的研磨体, 从而研磨效果最佳; 因此物料由加人端进人筒体后, 依次经各研磨腔逐级破碎研磨, 极易达到所需的粒度要求。此外从卸料端卸出的泥浆, 经振动筛筛分后, 未达到粒度要求的筛上料又经皮带输送机或泥浆泵等重新送人加料端,进人球磨机再次研磨, 直至达到所需的粒度要求。

(3)由于连续式球磨机筒体内温度的升高和动态出浆, 使得出磨泥浆的粘度降低, 从而减少了球磨物料的用水量和喷雾干燥塔的蒸发量, 节能效果明显。

图1 连续式球磨机工作原理简图Fig.1 Mechanism of continuous ball mill

图2 多单元连续式球磨机Fig.2 Multi-compartment continuous ball mill

(4) 整套设备采用PLC 控制, 基本实现无人操作和集中控制，大大节省了人力，实现自动化操作。

(5) 进出料是连续的, 省去了间歇式球磨机的进料及放浆时间, 工作效率高且便于实现自动化。

(6)和间歇式球磨机相比大大减少占地面积。

综上所述，连续球磨工艺连续式球磨机在节能和生产管理（增加人均生产率，节约占地面积，便于工艺管理）方面都有不可比拟的优点。

2.4 连续式球磨机的自动称量配料系统

连续式球磨机的原料连续自动称量配料系统，是由计算机控制每一种物料由皮带机分别贮存到各个料仓中，每个料仓均有上、下控制的料位仪来控制料的量，料仓下锥有一仓壁振动器，下端有叶轮下料器下料，料仓下有电子皮带秤。电子皮带秤的作用是随时确定皮带喂料机的重量，即当实际重量与定好的重量出现偏差时，及时调整叶轮给料机的速度。自动配料系统能够按照所确定的坯体配方提供均匀的原料，它不会因为一种或几种原料的重量出现波动而变化。配好的料由皮带输送机和斗式提升机送到连续式球磨机前的小料仓中，小料仓配有上、下限料位控制仪，用以控制自动配料系统的停开。有了这个小料仓，前边的配料系统就可以根据需要停机或进行日常检修。小料仓下也装有电子皮带秤，其性能与称量配料系统中的一样。电子皮带秤的作用是确定实际重量与定好重量之间的偏差，根据需要自动调整皮带机的速度。磨机前有一溜槽，将料、水及解胶和返回来的筛上料自动流入球磨机，筛上料先用计量控制的水稀释后用螺杆泵送入磨机的前溜槽。

3 陶瓷原料制备新工艺和新设备的探索

节能显著的连续式球磨机一直在我国推广不开，一个主要的问题是国内陶瓷原料难以达到标准化，且原料的种类繁多，水份差异较大，无法实现自动给料和配料。但在陶瓷行业节能呼声愈来愈高的今天，改革原料加工工艺，采用先进的粉磨设备，研究、制造出适合我国陶瓷原料配方工艺与陶瓷生产技术的粉磨设备，已成为行业亟需解决的重要问题。可喜的是，这几年，一直没有什么变化的原料加工工艺和加工设备受到了一些企业的重视，经过多年的研究和实践，有了新的变化和新的思路，针对中国的陶瓷原料的现实，寻找到可以操作的工艺路线和新型的粉磨设备，取得了可喜的成效。下面将近年来陶瓷原料制备新工艺和新设备的探索作一个简单介绍。

3.1 间歇式球磨机＋间歇式球磨机

一些企业将原料的一段式球磨，改为二段式球磨，也取得较好的节能效果。通过改变每段球磨机的研磨体大小以及配比和转速的大小，即不同球磨阶段的转速和球石的大小、级配不同。在粗磨阶段，以较大球石击碎原材料中的大颗粒，而在细磨阶段，因为是研磨为主，故装载的研磨体尺寸小，数量多，研磨体与原料的接触面积增大，次数增多，因此球磨效率得到提高，但带来的问题是周转浆池增多。

3.2 间歇式球磨机＋连续式球磨机

这种方案的好处在于完全可以适应现有所有陶瓷厂的原料加工。如某企业采用7台40吨间歇磨加上一台MMC180球磨机，一天可以出1680吨泥浆，实际用电22080kWh，如果不用MMC180球磨机，要产出同样多的泥浆，至少需要32台40吨球磨机，实际耗电量达到了60480kWh，这样下来，可以节省63%的电耗。平均计算下来，每天可以节省38400kWh的电。这种方案比较稳妥，对现有原料车间变动不大，厂家生产时比较容易接受。该工艺保留了传统的间歇式球磨机的研磨工艺，但大大缩短了间歇式球磨机的时间，在一定产量下所需要的间歇式球磨机数量较少。该工艺可适应于老厂改造也可用新厂建设，其投资少、产量高、质量稳定，同时还能达到满意的节能效果。不但可以节省用电成本，也可以节省人力成本。

3.3 神工快磨＋间歇球磨或神工快磨＋连续式球磨

博晖的神工快磨系统采用“快磨机”与“球磨机”相组合的二段粉磨流程，有效地避免了物料在球磨机的初始粉碎阶段所消耗的大量的能量，降低了球磨机的能耗，同时还可以极大地缩短了物料的整个球磨过程所耗费的时间，从而达到了在原料制备阶段的节能。所谓神工快磨，其实际是立式磨的一种改革。立式磨的粉磨机理属于“料床粉磨”，或称之为“料床挤压粉磨”。料床挤压粉磨的优点是有用功多、机械效率高。

神工磨与球磨机在陶瓷原料粉磨中的联合应用，是针对当前陶企普遍使用的陶瓷原料（砂石料和泥料）用“传统单一球磨”的加工工艺进行的一种陶瓷原料加工工艺的创新。先将砂石料经神工磨进行粗粉磨处理后，再送入球磨机进行研磨。采用二段粉磨流程，避免大的物料在球磨机初始粉碎阶段的大的能量消耗，极大地缩短了物料的整个球磨过程时间，大大降低了球磨机的能耗，从而达到了在原料制备阶段的节能。工艺布置见图3。

这一种工艺容易实现原料加工过程的自动化，从进料到出料以及各种配方的物料都是可以通过电脑编程等数字化控制，每个关键部位都有监控图像点。

目前试验的神工快磨＋间歇球磨系统，是一种高效、节能的陶瓷原料粉磨的新工艺，解决传统陶瓷生产工艺流程中能耗巨大问题，降低陶瓷原料粉磨的能耗，提高陶瓷生产的生产效率，对整个陶瓷产业的发展具有重大意义。其主要优点如下：

(1)由于神工快磨运行中磨辊和磨盘没有金属间的直接接触，磨损小，成品料满足陶瓷生产工艺的要求。