连续式球磨技术及装备在陶瓷行业中的应用分析*

樊叶利 郭程长 曾成勇 王化能 李德发 杨 嘉 蒋孝云 夏昌奎 张文民 王美霞

(杭州诺贝尔陶瓷有限公司 杭州 311100)

前言

20世纪80年代，意大利I·C·F公司借鉴水泥工业中连续式球磨机的粉磨原理，制造出世界上第一台陶瓷工业连续式球磨机，并在国外迅速推广；但由于中国陶瓷原料的标准化一直未能解决，使得连续式球磨工艺技术及装备在国内陶瓷行业难以得到推广[1]。直到20世纪90年代中期，我国陶瓷行业的科技人员才逐渐认识到连续式球磨技术的应用价值，并根据中国陶瓷原料的现状，研发出适合我国陶瓷原料的连续式球磨工艺技术及装备[2]，咸阳陶瓷研究设计院有限公司在国内开了先河。

目前，我国陶瓷行业原料的制备基本上都采用球磨工艺，而且多数是采用间歇式的湿法球磨工艺进行原料制备。连续式球磨机与间歇式球磨机相比，研磨效果更佳，电力消耗大大下降，节能效果显著，同时节约场地面积[3～4]。国内先后有咸阳陶瓷研究设计院有限公司、湖南五菱机械有限公司、佛山市浩丰重工有限公司、山东鼎汇能科技股份有限公司、佛山卓达豪机械有限公司、广东博晖机电有限公司、福建敏捷机械有限公司、广东一鼎科技有限公司、湘潭市亿达机电设备有限公司等一批优秀设备企业加大了连续式球磨工艺技术及装备的研究，近年来己经取得卓越的研究成果。

虽然在国产的陶瓷连续式球磨机出现之前，意大利SACMI公司曾向中国出口过连续式球磨机，但由于无法适应中国非标准化原材料现状而遭遇挫折。直至2013年底，连续式球磨机才在国内正式应用，据不完全统计，截止目前，国内已经有十余家陶瓷企业采用了连续式球磨工艺技术和装备。因此，基于国内陶瓷行业连续式球磨技术应用现状，进一步开展推广与应用连续式球磨技术的研究将是我国陶瓷行业今后研究的重要发展方向之一。

1 间歇式与连续式球磨技术的特点

1.1 间歇式球磨技术的特点

1)高污染。除了产生废气、粉尘，噪音污染的问题也很严重。

2)高能耗。原料制备这个环节占用整条陶瓷生产线高达40%的能源消耗。

3)自动化程度低。尤其是近几年在窑炉后工序的自动化大幅提升之后，间歇式球磨机的每一球料是一个独立的配方体系，须按配方比例进行投料，硬质性原料与黏土类原料混合球磨，这样就不可避免地出现了“过度粉碎现象”，其优点就是确保陶瓷原料的配比在球磨前后一致，物料混合得非常均匀；但缺点就是球磨时间过长、能耗高、操作冗长且复杂、配料精度相对较低、工人工作环境差、劳动强度高[4]。原料球磨工艺成为整条生产线自动化程度最低的环节。

1.2 连续式球磨技术的特点

1)泥浆性能稳定，可以提高陶瓷产品质量和成品率。

2)泥浆温度高、流动性好。由于温度高连续式球磨的泥浆含水率可降到32%，比间歇式球磨的泥浆含水率(33%～34%)略低，这有利于降低水资源的消耗及喷雾干燥节能。

3)实现原料制备的自动化与智能化。连续式球磨系统采用自动智能化配料，原料颗粒从大到小，不同颗粒大小的物料采用不同的粉磨设备分别进行粉磨。这样的组合，可以大大提高研磨效率，解决了原料车间主要靠人工，自动化水平低的现状。

4)实现自动配料和连续化生产，便于生产管理，节省占地面积，能大幅提高劳动生产率。

每种原料都配有独立的料斗，输送系统只需将相应的原料运送到对应的料斗，可大大减少配料的劳动强度，节约了配料时间。根据配方的设计要求，通过控制下料速度来调整进入连续式球磨机的下料量[4]。为保障配料的准确性，还可配备自动检测当前配料误差的装置，实现高精度增减，确保配料的准确性。

表1为连续式球磨机与间歇式球磨机运行性能参数对比。

表1 连续式球磨机与间歇式球磨机运行性能参数

根据表1数据计算，若采用连续式球磨技术日产1 800～2 300 t粉料，只需配备18个人(每班6人)，电耗18～23 kW·h/t粉料(节省40%以上)，球石成本减少30%以上，每年综合节约成本近800万元。因此釆用湿法连续式球磨是实现陶瓷工业原料制备的自动化和智能化生产的必然选择。

2 原料预处理解决连续式球磨的难点和痛点

2.1 原料的预处理

原料的标准化问题一直阻碍着中国陶瓷行业的发展。通过创新思路，解决了非标准化原料制备的自动化。

瘠性料分类粉碎、称料，泥料化浆工艺技术与装备的应用，实现原料配方的一致性和稳定性，解决了连续式球磨难以推广与应用的难点和痛点。

原料的预处理即原料分类粉碎球磨技术，实际上就是将瘠性料破碎，塑性料采用滚筒化浆机将含水率高的黏土化成泥浆，然后利用压力泵将泥浆送入球磨机中和瘠性料混合一起球磨，一般就是干法立磨与湿法球磨相结合应用。目前国内最具代表的有广东博晖机电有限公司出品的神工快磨装备，它是采用干法立磨再结合湿法球磨的工艺，比传统湿法球磨节能25%以上；而淄博唯能陶瓷有限公司则采用辊压干法破碎瘠性料结合连续球磨技术，理论上这是一种更高效节能的原料加工技术组合，原料处理过程采用瘠性料对辊破碎、高效除铁、连续球磨，整个原料加工粉碎研磨到出浆流程仅需1.5 h。分类粉碎球磨优势明显，不仅可以缩短粗磨时间，节省粗磨能耗，而且物料结构碎裂，粒径均匀，易于球磨。

2.2 多级粉碎作业

根据所处理物料尺寸的大小不同，将大块物料分裂成小块的操作称为破碎，将小块物料变为细粉的操作称为粉磨，统称为粉碎作业。粉碎作业的级数取决于物料的原始颗粒和最终颗粒的大小尺寸。不同的原料尺寸大小对粉碎设备的要求是不一样的：

破碎——粗碎：处理后物料尺寸大于100 mm；

破碎——中碎：处理后物料尺寸为30～100 mm；

破碎——细碎：处理后物料尺寸为3～30 mm；

粉磨——粗磨：处理后物料尺寸为0.1～3.0 mm；

粉磨——细磨：处理后物料尺寸为0.1 mm以下；

粉磨——超细磨：处理后物料尺寸为0.02 mm以下。

一般用一级(段)破碎、两级(段)粉磨(粗磨和细磨)或一级(段)粉磨。粉碎的级(段)数越多，意味着程序越复杂，机械设备和厂房建筑的投资费用也越高。所以，在可能的条件下应尽量考虑使用较少的原料并采用多级粉碎作业来提高粉碎的效率。尽可能降低原料的粒度可提高粉磨效率，降低能耗。在连续球磨之前采用辊压、立磨等工艺将瘠性料进行细碎和粗磨。

现在普遍釆用的流程是：

1)瘠性料。颚式破碎——对辊——立磨(立式复合破碎机)——连续球磨。

2)塑性料。筒式化浆机化浆——连续球磨。

3 连续式球磨机结构及研磨体的分析

3.1 多单元串联式与单圆柱筒形连续式球磨机

多单元串联式连续式球磨机，是由多个单圆柱筒形球磨机的组合，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。大产量宜釆用此种结构。它的结构包括筒体、传动装置、原料和研磨体的进出料装置、自动检测和自动控制系统等组成。工作时由电机，减速机和传动装置组成的驱动系统使筒体作旋转运动。原料和水在进料装置驱动下通过进料端空心轴进入筒体内。原料经过与球石的强力研磨，经最后一个筒体(一般为3～5个筒体组合)的出料口流出，完成整个原料的球磨过程。

单圆柱筒形连续式球磨机的筒体内部被分隔成多个仓，可根据不同生产需求设计仓数，每个仓使用不同大小的球石。这种球磨机将所有的物料、球石、水全部加到球磨机内一起混磨，筒体以固定的转速运行。小产量可釆用此种结构。

图1为多单元串联式和单圆柱筒形连续式球磨机的配置结构示意图[5]。图1(a)中的1、2、3、4均为球磨机，相互串联，5、6、7均为流浆筛板。图1(b)中的8、9、10、11、12、13均为流浆筛板。流浆筛板可由多个筛片组成，满足不同产量及不同浆料粒度的生产需求。

(a)和单圆柱筒形

(b)连续式球磨机的配置结构示意图

3.2 研磨体

球磨机中研磨体的尺寸应按大、中、小搭配，当研磨体之间的空隙率最小时，粉磨效果最好。当大球占50%，中球占10%，小球占40%时，研磨体的空隙率最小(空隙率22%)。

因为研磨体尺寸的大小和被粉磨物料粒度之间有一定的关系。在球磨机进行粉磨时，一方面物料受到研磨体的碰击作用，另一方面受到研磨体的研磨作用。显然，研磨体与物料的接触点越多，粉磨操作越容易完成。也就是说，如果球磨机中研磨体装填量一定时，研磨体的尺寸越小，个数则越多，粉磨效果越好。连续式球磨中物料没有受到研磨体的碰击作用，因此宜小不宜大。

4 连续式球磨技术的知识产权情况

表2为近几年的连续式球磨技术应用专利情况。

表2 连续式球磨技术应用专利情况[6～10]

续表2

从表2可以看出，采用连续式球磨技术解决了现有间歇式球磨装置研磨耗时加长、效率低的问题，连续自动地进行进料、研磨、出料，研磨质量高，操控方便灵活可实现自动配料和连续化生产，便于生产管理、节约占地面积、能大幅提高劳动生产率，解决了陶瓷行业现有间歇式球磨技术及装置研磨耗时长、效率低的问题。

5 结语

1)原料车间的转型升级，不能靠单一设备的技术升级，要注重将工艺与设备系统进行结合和优化，对原料制备系统进行优化、包括自动配料系统、易破碎系统、化浆系统等，实现各个环节之间的无缝对接，实现整线自动化与智能化。

2)因建筑陶瓷需制备原料的产量大，宜采用组合串联式连续球磨机。

3)连续式球磨机能够显著降低原料制备的能耗、大幅度降低生产成本，而且由于泥浆性能稳定使产品质量和成品率得到提高，还具有便于生产管理、实现自动配料和连续化生产、生产周期大大缩短、节省占地面积、极大提高劳动生产率等优势。同时也存在一些不足，在陶瓷砖规格品种经常更换和原料不稳定的情况下，此工艺及设备不适宜，厂家应根据自己的实际情况灵活采用，才能发挥其优势。