介福水洗瓷土的开发与应用*

岳邦仁 张向卫 陈维尧 叶春南 林庆宗

(1 北京金隅集团有限责任公司 北京 100013)

(2 福建良瓷科技有限公司 福建 永春 362600)

(3 福建科福材料有限公司 福建 永春 362600)

产自于福建省泉州市永春县介福乡的介福瓷土为低质的陶瓷原料,在开发介福瓷土的过程中进行了许多技术工作,包括对介福瓷土和介福水洗瓷土的研究,水洗瓷土生产线的设计和建设,研制了新的瓷土破碎设备和锥打设备,完成了以介福伊利石型水洗瓷土作为主要原料的卫生陶瓷坯料配方的研究与应用,开发出伊利石型水洗瓷土的高压商品泥浆并投入市场等工作。同时福建科福材料有限公司作为负责起草单位之一,参加了中国建筑卫生陶瓷协会主持制定的《伊利石型水洗瓷土》团体标准的工作。

开发工作过程中共获得专利9项(发明专利3项,实用新型专利6项)。福建科福材料有限公司于2020年12月1日获得国家高新技术企业证书。

在开发与应用介福水洗瓷土取得良好经济和社会效益的同时,促进永春县建成卫生陶瓷生产原料的伊利石型水洗瓷土的生产基地。

1 开发与应用工作

2011年下半年开始,主要进行的开发与应用工作,如表1所示。

表1 技术与应用工作内容

续表1

1.1 介福瓷土的研究与应用开发

1.1.1 介福瓷土矿概况

此资源是2011年下半年笔者在调查福建地区卫生陶瓷原料的工作中发现的,按所在地定名为介福瓷土。矿山位于福建省泉州市永春县介福乡,距县道4 km,距永春县城24 km,距德化县城13 km,距泉州港约100 km。矿区地处亚热带,矿区海拔高度为600～700 m,矿区由若干连续的山丘组成(见图1)。矿区表土层很薄,一般只生长茅草。

图1 介福瓷土的部分矿山

笔者对介福瓷土矿矿区曾做过详细的地质勘探,勘探报告中叙述了矿的成因、矿床分布状况、矿体化学成分及矿物成分、储量、开采条件等。确定介福瓷土矿属风化残积型粘土。

矿山资源按其成矿原岩不同可分为花岗斑岩残余型和火山碎屑岩风化残余型两种类型。部分矿区断续分布长3 900 m 以上,宽为200～500 m,厚为1.5～35 m,呈平缓帽状随地形起伏盖于原岩之上。从风化程度上可分为完全风化和半风化,完全风化位于上层(见图2),半风化位于下层(见图3)。

图2 完全风化瓷土

图3 半风化瓷土

矿体平均化学成分为:SiO271%～76%;Al2O314%～18%;Fe2O31%～1.5%;TiO2:≤0.5%;Ca O+Mg O:≤0.5%;K2O:2.3%～3.3%;Na2O:≤0.2%;烧失量:3%～5%。局部地区勘探储量为1 021.5万t,整个矿区远景储量估计为4 000万t。可露天开采,开采条件优良。

当地人很早就知道这个矿区,但由于其原矿含铁量高达1%～1.5%,在当地的日用瓷生产中没有很大的使用价值,只有少量开采,因此大部分矿山资源保留完整。

1.1.2 介福瓷土的应用研究

(1)研究中,委托测试机构对矿体矿物成分做了测试,其结果见表2。

表2 介福瓷土矿物成分(质量%)

由表2可知,介福瓷土是以伊利石、高岭石和石英为主要矿物成分,钾长石为次要矿物成分的混合型矿物。其中伊利石远大于高岭石的含量,可以定名为伊利石型瓷土。

(2)多次对介福瓷土进行化学分析,其代表性化学成分见表3。

表3 介福瓷土代表性化学成分(质量%)

由表3可知介福瓷土的SiO2很高,Al2O3含量较低,K2O 含量低。

(3)对其稀释性能、干燥抗折强度、1 200℃烧后白度做了试验,结果见表4。

表4 稀释性能、干燥抗折强度、1 200℃烧后白度

(4)在卫生陶瓷配方中的添加试验,其结果表明,因其含铝量低,抗折强度低,可塑性不高,含铁量比较高,一般性原料最高添加量为10%。

1.1.3 介福水洗瓷土的研究

介福瓷土经过锥打、加水搅拌后经200～250目筛过滤,再压滤形成泥饼,泥饼称为介福水洗瓷土。对其做了矿物成分、化学成分和一些性能的测试。

(1)介福伊利石型水洗瓷土的矿物成分见表5。

表5 介福伊利石型水洗瓷土的矿物成分(质量%)

由表5可知,水洗瓷土的石英含量明显降低,约占25%;伊利石含量明显提高,约占50%;高岭石含量也有提高,约占25%;长石的含量稍有增加。

(2)介福伊利石型水洗瓷土的化学成分为:SiO262%～66%;Al2O321%～25%;Fe2O3≤1.4%;TiO2≤0.2%;CaO+Mg O ≤0.8%;K2O 3.5%～4.8%;Na2O ≤0.5%;烧失量5.5%～7.5%。

相比之下,水洗瓷土的SiO2含量明显降低,Al2O3含量明显提高,K2O 含量有所提高。

(3)介福水洗瓷土的一些性能见表6。

表6 介福水洗瓷土的一些性能

1.1.4 介福水洗瓷土在卫生陶瓷坯体中添加的试验

在卫生陶瓷配方中进行了应用介福水洗瓷土的试验。结果表明,该水洗瓷土具有可塑性强、细颗粒多,干燥抗折强度和吃浆速度适中,烧成弯曲小,杂质少的优点,对提高半成品和烧成品合格率有明显的作用,通过大量的试验,确定了介福伊利石型水洗瓷土在卫生陶瓷坯料配方中添加10%即有明显的效果,最大用量为40%～50%。在生产线的坯料配方中试用后,其表现良好。

这些研究成果为成立福建科福材料有限公司,从事以介福瓷土为原料生产水洗瓷土的决策提供了一定依据。

1.1.5 水洗瓷土生产线的建设

最终采用介福瓷土为原料生产水洗瓷土,使此资源转变为优质的陶瓷原料,长期地为卫生陶瓷行业提供稳定的介福伊利石型粘土原料的目标后,2012年12月至2013年5月,在地方政府的大力支持和协助下,独立完成水洗瓷土的生产工艺的设计,自主研发了笼式破碎机,投资建设加工生产线。2013年6月,水洗瓷土生产线投产,2013年9月,开始销售介福水洗瓷土。建成的生产线如图4所示。

图4 水洗瓷土生产线远景

(1)水洗瓷土生产工艺流程,如图5所示。工艺流程右侧采用了传统的电锥破碎加工设备,对完全风化的介福瓷土进行破碎加工,如图6所示。

图5 水洗瓷土生产工艺流程

图6 电锥破碎加工设备

(2)开发笼式破碎机。由于半风化的介福瓷土硬度较高,传统电锥破碎加工方式无法进行加破碎加工。本项目通过自主研究,开发了新型破碎设备笼式破碎机,如图7所示。

图7 笼式破碎机

图5中的左侧,对半风化的介福瓷土,先进入颚式破碎机,再利用笼式破碎机将原土破碎至8 mm 以下,最后通过两级四轮对辊机(如图8所示)进行碾压至3 mm 以下,对半风化的介福瓷土进行有效的破碎加工。

图8 四轮对辊机

笼式破碎机具有使用维修费用低、破碎效率高、性能可靠、粉尘少、噪音低等特点。

水洗瓷土的压滤情况及散装水洗瓷、袋装水洗瓷土如图9、图10、图11所示。

图9 水洗瓷土在压滤

图10 散装水洗瓷土

图11 袋装水洗瓷土

(3)矿区的环境保护。在工艺设计中对矿区的环境保护采取了以下措施:

①瓷土开采过程中开采出的矿物得到全部使用,不产生开矿废弃物;

②瓷土加工过程中产生的尾砂可作为陶瓷砖的原料使用;

③生产线用水重复使用,无工业废水排出;

④破碎工艺加入适当水分避免粉尘的产生;

⑤开采后的矿山地面坡度趋缓,覆盖土层后植树种草,实现全部绿化。当地的气候温暖、降水充沛,为绿化工作创造了有力条件。

1.1.6 生产线的质量管理

在建成的介福水洗瓷土生产线的生产中,不断对介福水洗瓷土等产品的质量标准进行调整和修正,于2015年正式制定出企业标准《科福瓷土》。

制定了QC工程表、水洗瓷土生产过程控制流程图、实验室日常检测安排和原料预混方法等技术文件,并在生产中实施,从而保证水洗瓷土的产品质量。

介福水洗瓷土的质量见表7,其中的“项目”及“测定结果”为中国建筑卫生陶瓷协会标准T/CBCSA 24-2020伊利石型水洗瓷土中规定的要求项目及按其试验方法进行测定的结果。

表7 介福水洗瓷土的质量

1.1.7 以介福伊利石型水洗瓷土为主要原料的卫生陶瓷坯料配方的研究与应用

在2014年底,根据福建某新建卫生陶瓷生产线的需要,进行了以介福伊利石型水洗瓷土为主,其它当地原料为辅的卫生陶瓷坯料配方的研究与应用工作。

按照在质量合格前提下就近取材,经过筛选,确定了坯体配方中的其他原料:钾长石、绢云母、叶腊石、白云石、高岭土(水洗)、黑泥(水洗)。

在坯料配方实验中,水洗瓷土的用量从10%开始,以依次增加5%的幅度,增加其用量,直至85%,测定配方的各项指标。最后认定,水洗瓷土的用量在40%～50%,配方的各项指标最优。

在此范围内,进一步以更小的变化幅度调整其用量,同时调整其他原料的用量。为调整配方中氧化铝的含量,提高泥浆的悬浮性能,调整泥浆的吃浆性能,加入一定量的高岭土(水洗);为提高坯体的干燥抗折强度,加入一定量的球土;为调整配方中氧化钾的含量,加入一定量的钾长石;加入一定量的叶腊石和绢云母使得其在配方中发挥各自的长处;为调整配方的烧成温度,加入少量的白云石。通过反复的实验与调整,最终确定坯料配方。

该配方投入新工厂使用,投产3个月后,注浆合格率达到96%,半成品合格率达到96%,烧成合格率达到91%,产品如图12所示。在新建生产线投产后如此短的时间内,合格率能够达到这么高的水平卫生陶瓷生产行业中是十分惊人的,应该说此配方起到了很大的作用。

图12 生产的产品品种(全包连体坐便器)

1.1.8 连续式钢制电锥瓷土加工线的研制

伊利石型瓷土在加工工艺流程中,锥打十分重要。锥打是将原矿瓷土通过电锥连续性不断锥打8 h 以上,对原矿瓷土进行破碎和搓捻。通过电锥的锥打,达到了破碎的要求,同时明显提高了伊利石型水洗瓷土的干燥抗折强度和可塑性,是不可替代的破碎方法。

传统木制电锥瓷土加工线在生产中,一般使用26个锥头,背靠背双排组成一组,由一个7.5 k W 的电机通过传动轴提供动力。制作该电锥的材料为优质木料,这种木料既有很大的硬度,又有很强的韧性;这样有大又好的木料价格很高,而且很难得到。每个锥单独对应一个臼槽,每个臼槽每班(8 h)可加工约250 kg瓷土原矿,即单每小时加工量为31 kg,生产效率低。在生产中瓷土原矿需要先分别放入臼中,锥打好的瓷土原矿需要分别从臼中取出,工作中都要靠人工作业。为了克服传统木制电锥存在的缺点,2016 年1 月开始,经过15个月的研究和反复试验,于2017年4月制作出第一条连续式钢制电锥瓷土加工线并投入使用,至2017年12月使用,效果良好,设备最终定型。

连续式钢制电锥的制作完全使用钢铁材料,取代原先使用的优质木材。多个电锥(如12个)串联一起使用;在连续式钢制电锥瓷土加工线头部安装有喂料装置,不断供应瓷土原矿。每个臼由臼槽连接在一起,整个臼槽具有一定的斜度,头部低、尾部高;瓷土原矿在每个臼中受到锥头锥打到一定程度后,沿着臼槽移动到下一个臼中,最终,经过充分锥打的瓷土原矿移动到尾部。在尾部设有皮带机,自动将锥打好的瓷土原矿送至下一工序,如图13～图16所示。

图13 连续式钢制电锥瓷土加工线单个电锥

图14 12个电锥串联

图15 连续式钢制电锥瓷土加工线进料

图16 连续式钢制电锥瓷土加工线出料

连续式钢制电锥瓷土加工线,12个电锥串联,产量为3 t/h,即单个电锥每小时加工量为250 kg。且在生产过程中实现连续性、自动化、机械化作业,减少人力成本。

1.1.9 利用介福伊利石型水洗瓷土的卫生陶瓷高压商品泥浆的研究与应用

在2017年5月根据某一新建卫生陶瓷高压蹲便器厂的要求,研究其生产所需的高压泥浆。根据高压成形产品生产的工艺特性,通过研究原料的物理性能、化学性能及性价比等情况,合理搭配,科学配比,研发出符合生产要求的高压泥浆配方。绢云母与叶腊石占比约55%,软质原料占比约45%,其中瓷土占比约25%。

该高压泥浆在科福公司配料生产,因场地、设备原因,采用一次性投料球磨。泥浆球磨后,检测性能达标,再放磨,直接装入罐车,运至使用工厂精制后使用(运输距离3 km)。自2017年10月开始高压泥浆生产并供应使用,保障了该新工厂的顺利投产,在较短时间内(试产4 个月)达到高质量(一次烧合格率到达90%)的要求。该配方的成功应用,既是对配方合理性的肯定,也是介福伊利石型水洗瓷土优良性能的表现,是生产、供应、使用卫生陶瓷高压成形商品泥浆的成功实践。蹲便器高压成形机、蹲便器半成品、蹲便器产品如图17～图19所示。

图17 某一新建工厂蹲便器高压成形机

图18 某一新建工厂蹲便器半成品

图19 某一新建工厂蹲便器产品(带S弯管蹲便器)

1.1.10 参加《伊利石型水洗瓷土》团体标准编制工作

2019年1月至2020年5月,福建科福材料有限公司作为负责起草单位之一,参加了中国建筑卫生陶瓷协会主持制定的《伊利石型水洗瓷土》团体标准的工作。调研了国内伊利石型水洗瓷土矿源及加工生产情况,参加了《伊利石型水洗瓷土》标准的起草工作。

2 介福水洗瓷土的生产与使用情况

2.1 生产情况

为了满足不断增长的需求量,福建科福材料有限公司一直在提高产量,仍处于供不应求的状态。

近几年水洗瓷土的产量见表8。

表8 福建科福材料有限公司水洗瓷土产量汇总表

2.2 使用情况

自2013年9月开始销售介福伊利石型水洗瓷土,目前已形成由一些大型卫生陶瓷生产企业组成的稳定的用户群。

在卫生陶瓷原有坯料配方中加入20%的介福伊利石型水洗瓷土,半成品合格率可提高5%～7%,烧成品合格率可提高3%～5%,对连体坐便器的效果更为明显。

由于介福伊利石型水洗瓷土的价格适中,性价比高,持续供不应求,一直在实施增产措施中。

2.3 经济效益

2018～2020年,福建科福材料有限公司累计实现利润3 523万元、税收2 309.94万元。

3 促进两个生产基地的建设

(1)项目的水洗瓷土的生产技术、管理和销售促进了矿山所在地永春县介福乡的瓷土加工产业的发展,形成具有特色的“介福水洗瓷土”的生产基地,2020年产量为12 万t(不包括福建科福材料有限公司的产量),十分畅销。

(2)福建科福材料有限公司的成功,促进了在当地投资建设卫生陶瓷生产的项目,形成了卫生陶瓷生产基地。

目前已在介福乡建成年产30万件坐便器和年产50万件蹲便器的生产企业各一个,分别于2015 年5月和2017年10月投入生产。

在永春县县城附近建成一期工程年产60万件坐便器的生产企业,于2020年5月投产。

这些卫生陶瓷生产项目极大地提升了当地的经济发展潜力和收入水平,为当地提供了就业机会。

4 结语

出产于福建省泉州市永春县介福乡的介福土资源为低质的瓷土原料,通过对其进行研究、开发、设计和建设了水洗瓷土生产线等工作,使其成为具有独特优良性能的介福水洗瓷土,在卫生陶瓷生产中的得到大量使用。项目的成果促进了矿山所在地永春县介福乡的瓷土加工产业的发展,形成具有特色的“介福水洗瓷土”生产基地;促进了在当地投资建设卫生陶瓷生产项目,形成了卫生陶瓷生产基地。

介福瓷土资源的开发实现了地方政府增加税收,矿区居民得到收益,矿区的环境得到很好的保护,企业的投资可以得到长期的回报,实现了多方的共赢。

此项目的成功经验对开发低值原料具有一定的参考价值。