一种利用结晶粉碎法生产陶瓷用五水偏硅酸钠的工艺及装备研究

冯晓文 ， 王斌 ，林庆娜， 钟春林 ，汪阳 ，孙熠，蒋瑜琦

（1. 肇庆市欧陶新型材料有限公司，肇庆 526113 2. 江西省欧陶科技有限公司，高安 330811 3.广西欧陶新材料科技有限公司，藤县 543300）

1 前言

五水偏硅酸钠，是一种无机化合物，分子式为NaSiO3.5H2O，分子量为212.14，主要用作洗涤剂、陶瓷减水剂和金属清洗剂的助剂、人造沸石、造纸脱墨、面纱蒸煮等方面。

目前五水偏硅酸钠的生产工艺，主要有结晶粉碎法、母液循环法、连续造粒法（又分为结晶造粒法、喷雾造粒法），这几种工艺各有千秋，但以造粒法质量最优，也是使用最广的一种。

五水偏硅酸钠也是一种优质的陶瓷泥浆解胶剂，它能够显著降低浆料的水份、赋予其一定的流动性、悬浮性和抗触变性，由于对产品使用的侧重点不同，陶瓷行业急需一种工艺简单、成本低、对外观要求不高，但效果却和常规产品几乎没有差异的五水偏硅酸钠产品，来达到满足泥浆解胶效果，又能降低使用的成本目的。

用结晶粉碎法生产的五水偏硅酸钠，就是针对陶瓷生产的这种需求而研发的一种高性价比的产品，特别适合在高温、高湿季节以及海外市场使用，产品的技术指标可以达到HG/T2568-2008《工业偏硅酸钠》的规定。

2 五水偏硅酸钠生产的原材料、工器具

2.1 原材料

2.1.1 水玻璃

也称液体硅酸钠，多使用湿法工艺生产的水玻璃，其主要技术指标见表1.

表1 水玻璃技术要求

2.1.2.烧碱

片状氢氧化钠，质量符合GB/T209-2018《工业用氢氧化钠》之规定，NaOH≮98%。

2.2 工装、器具

（1）水玻璃储罐，立式，200 立方米

（2）片碱堆场，做防潮、防腐处理

（3）带重量传感器的配料系统

（4）浓缩系统

（5）自走式旋耕机生产线

（6）粉碎系统

（7）称重、包装、码垛系统

3 生产工艺

3.1 原材料的准备

水玻璃：经检测，各项指标符合第2.1.1 条之规定的水玻璃，进入储罐储存备用；

片碱：选用25Kg/袋，含量99%的片状氢氧化钠，检验合格后用托盘码放，每托1 吨，危化品专用库房整齐堆存。

3.2 配料

配料利用带重量传感器的配料罐完成，配料罐安装在地坑中，其罐口上沿和地面平齐，其操作方法是:

（1）首先检查配料罐及其附属设备是否完好，确保一切正常后开始作业；

（2）打开水玻璃储罐的球阀，让水玻璃通过管道自流进泥浆泵；

（3）启动泥浆泵将水玻璃送入配料罐，添加的数量利用罐体下安装的四个重量传感器来获取，当显示屏上的数值达到规定值时，关闭泥浆泵，启动配料罐中的搅拌机；

（4）用叉车将片碱转运到配料罐旁，用人工通过溜槽投入到配料罐中，数量利用传感器监控；

（5）配料完成后连续搅拌30min，直到片碱完全溶解混合均匀。通过配料罐上面的取样口，取约200ml 料液送实验室进行检测，试样含量应该符合表2 规定，不合格要根据检测数据进行调配，然后再次检测确认合格。

图1 配料罐示意图

图2 冷却池网格状预埋件示意图

图3 生产工艺流程图

图4 生产设备的布置图

表2 初始料浆的技术指标

3.3 浓缩

浓缩的作业方法：

（1）启动配料罐配置的泥浆泵，将料液抽送到浓缩罐中；

（2）浓缩设备可以是真空浓缩机或者简单的常压浓缩锅，只要浓缩成本低、效率高都可以采用，具体视实际状况而定；

（3）浓缩过程要注意观察，进行一定时间后，取样进行检测，当含量达到下列规定后，浓缩结束；

（4）浓缩后的料浆技术指标符合表3 的规定。

表3 浓缩后料浆的技术指标

表4 结晶粗碎后产品的技术指标要求

3.4 放料、结晶、粗碎

3.4.1 放料的操作

（1）将浓缩罐（浓缩锅）上的PVS 钢丝缠绕管牢固对接到自走式旋耕机的喷淋管接口上；

（2）启动旋耕机上的刀片，做原地旋转运动，打开浓缩罐（浓缩锅）上的放料球阀，浓缩好的料浆通过旋耕机的喷淋管落入冷却槽。

喷淋管固定在刀片上方，沿刀片安装轴的长度方向布设，其下方开孔，料浆通过该孔喷撒到刀片和轴上面，由于料浆的温度约90℃左右，可以将刀片、轴上前一批次生产结晶的五水偏硅酸钠加热溶解到冷却池中，料浆全部进入冷却池后，去除放料软管，启动旋耕机开始工作。

3.4.2 自走式旋耕机的工作原理

（1）传统的陶瓷用偏硅酸钠的生产方法

为了降低生产成本，陶瓷解胶剂用的偏硅酸钠多采用结晶粉碎法生产方式，是先将经过混合反应的料浆流放到一个容器中，经过冷却、结晶，然后人工敲打成块或者直接倾倒在地面上、人工添加到刀片粉碎机粉碎，然后人工装袋、称重、缝包，与自走式旋耕机作业方式相比，同样的产量下用人最少是10 倍以上。

由于这种工艺劳动强度大，生产周期长，用工数量多，已经不能适应规模化生产的需要，正在逐渐被淘汰；

（2）自走式旋耕机的结构和工作原理

1）自走式旋耕机系统是借鉴农机旋耕机工作原理来研制、应用的一种高效、低成本的偏硅酸钠生产设备，包括：机架、传动系统、刀盘、控制系统、喷淋管、轨道等；

2）机架宽度7 米左右，采用C 型钢牢固焊接而成，其下两端各安装2 个轨道轮，轨道长度60 米左右（可视气候、场地灵活确定），旋耕机在轨道上做往复运动；

3）机架下安装有两根轴，其长度是机架的1/2，其上沿轴的圆周方向匀布刀座三个，纵向每隔0.2 米排列一圈，每个刀座中插入一把旋耕机刀，用螺栓可靠固定；

4）以5.5.千瓦电机为动力，每轴配一台，通过减速机、链条、链轮将动力传递给旋耕机刀轴，轴带动刀片做圆周运动，旋耕机的自走通过一台3 千瓦电机，配合减速机、传动轴来实现；

5）旋耕机做往复运动，刀片做圆周运动，在料浆处于液态时，通过旋耕机的搅动，可以加速料浆降温，当温度下降到初始结晶点后，刀片除了可以搅动降温外，还可以对形成的结晶进行切削、抛撒、翻动，阻止了物料结晶成一体，随着温度下降，结晶稳定，颗粒状五水偏硅酸钠便生成了。

3.5 冷却池

3.5.1 冷却池的规格

一般情况下长度60.00 米，宽度6.00 米，深度0.12米，这样的规格产量高，一批次出料45.00 吨左右，而且比较好控制。

3.5.2 冷却池的结构

（1）地面预处理，整平、压实后浇筑0.1 米混凝土垫层；

（2）用4#角钢焊接成规格为：长1.50，宽1.50 米，高0.20 米的连续方格结构，建成后网格结构的总长为60.00米，总宽8.00 米；

（3）为防止网结构件产生位移，每间隔一定距离，用爆炸螺丝将其固定，框架的水平高差不得超过1.00mm;

（4）用C30 混凝土进行浇筑，浇筑的高度要低于网格结构上部角钢面0.50mm，否则会导致接下来的焊接钢板无法进行，浇筑要一次性完成，每格内表面要求平整、光滑；

（5）浇筑完成后，待混凝土凝固后，就可以焊接冷却池的底板。底板的材质为δ=4 的普通碳素钢板，先将规格为6.00m×1.50m 的钢板，沿长度方向一分为二，然后再在每一小块的中间，沿宽度方向匀布100×5 的长孔3个，然后将其四边焊接在网架的角钢上，长孔内采用塞焊的方式满焊，全部钢板铺设完毕后，靠配料罐端头和两个侧边用δ=10，高度15.00mm 的普通碳素钢板围边，另外端头，由于铲车要进出，不做固定封堵，用什么堵，仁者见仁智者见智吧；

（6）焊接要牢固可靠，确保不渗漏，整个冷却池的水平高差不能超过1.00mm,这是一个关键数据，超差会导致整个旋耕机系统无法正常运行。

3.6 打料

不同的季节，室温不同，夏秋季高温高湿，料温和室温的差别相对较小，料浆的降温速度慢，春冬天则反之，根据季节的不同，我们需要制定不同的打料作业制度。打料的时间间隔，应根据实际生产状况确定，没有统一的规定。

自走式旋耕机有两种控制方法，一种是利用按钮开关人工操作，一种是采用时间继电器和行程开关自动控制启停，但为了防止出现意外，还是需要专人照料和管理设备。

一般料浆的结晶温度始于50℃左右，初期较慢，后期很快，当料浆由液态变成固体，进而变成颗粒状，手捏后松开仍然能散开的，表明打料环节已经完成。

该工序非常关键，特别是当料浆出现结晶，呈现粥样粘稠状时，要特别注意设备的运行状态，此时料浆进入了快速结晶期，设备运行间隔太长或者出现故障停止运行，都会导致结晶体不能及时受到打击、切削、抛撒、翻动变成小颗粒，而结成一整块，造成设备损坏，还要人工用风镐打碎结晶体、人工粉碎的方法来处理结料故障。

3.7 产品的收集

完成结晶、粗碎后的产品，借助铲车来收集、堆放，经过2-3 天的时间进行进一步冷却降温，让结晶更加彻底，颗粒硬度增加，为接下来的细碎、检斤、包装做好准备。

3.8 细碎

3.8.1 细碎的设备

为了确保五水偏硅酸钠的颗粒均匀一致，需要对产品进行一次细碎，主要设备包括：铲车、喂料机、锤片式粉碎机、斗式提升机等。

3.8.2 作业方法

（1）用铲车将经过堆放的五水偏硅酸钠粗碎料铲运到喂料机中；

（2）依次启动锤片式粉碎机、喂料机，物料进入粉碎机完成细碎后，落入斗式提升机，被提升至自动包装称的料斗内。

3.9 检斤、包装、码垛

这三个工序利用定量包装机、输送缝包机、码垛机器人完成，一般的称定量包装、封包设备都可以使用，包装好的产品通过转运皮带到达机器人处，机器人抓手将其抓举到托板，然后用叉车转运到库房存放。

3.10 成品质量检测

根据HG/T2568-2008《工业偏硅酸钠》的有关规定，对产品的总碱量和二氧化硅进行检测，累计一个月样本的平均值见表5 成品的检测数据。

表5 成品的检测数据

从检测数据看，产品质量符合标准规定。

为了进一步验证产品的解胶性能，在相同的工艺技术条件下，分别对H 公司采用喷雾造粒法，D 公司采用结晶造粒法、O 公司采用结晶粉碎法生产的五水偏硅酸钠，在广东W 陶瓷公司仿古砖坯体配方土中，分别进行泥浆解胶性能的测试，检测数据见表6。

表6 不同工艺生产的五水偏硅酸钠泥浆解胶能力对比

从上述数据可以看出，三种不同的工艺生产的五水偏硅酸钠泥浆解胶性能，在相同的条件下，三者的泥浆解胶性能基本上没有差别，正常情况相差3 秒以内都视作质量正常。

3.11 生产工艺流程图

根据前述生产过程，可以得出如下生产工艺流程图。生产设备的选型、定置，可以根据企业的实际状况而定，借用其他行业成熟的设备时，要注意此类设备在五水偏硅酸钠生产中的适应性，不然就会走很多弯路，特别是高温、高湿季节，五水偏硅酸钠由于应力的作用，吸附水、游离水不稳定，释放出来后导致产品溶解，粘附在传动、计量系统，会导致设备运行不正常。

4 陶瓷用五水偏硅酸钠生产的注意事项

4.1 原材料是基础

50Be 水玻璃尽可能选用浓度高、模数高的产品，从而保证五水偏硅酸钠成品SiO2 的含量达到标准要求；

4.2 浓缩是关键

由于采用50Be 水玻璃和99%片状氢氧化钠作为原材料来生产陶瓷用五水偏硅酸钠，结晶后总的固含量达不到标准要求，所以料浆要经过浓缩，蒸发器的选择是关键，按照该产品的特性，以多效蒸发器较好，这样可以实现热量回收重复利用，降低浓缩成本；

4.3 刀片和轴的冲洗保障旋耕机正常运行

采用高温时的料浆对刀片和轴进行冲洗，热量使其上面结晶的产品溶化脱落，防止了刀片和轴由于产品结晶变成一个柱状，当产品出现粉状结晶时，刀片无法深入到产品中，机架被抬升，轨道轮离开轨道，导致设备脱轨，而且采用人工清理结晶物，费时费力还影响生产；

4.4 冷却池地板的水平高差符合规定，焊接要牢靠不能出现任何渗漏

如果地板出现高低不平，或者高差超标，就会导致刀片刮底不正常，要么打底、要么触不到底，如此一来对产品的切削、抛撒、翻动就不彻底，没有搅翻到的地方，就会结成一块，地板高起的部位，容易损坏刀片。

每次生产结束后，要仔细检查地板，出现渗漏的要马上焊补。刚铲收产品后，漏点是湿的很容易发现，不及时维修温度降低后产品会在地板下结晶，将地板顶起，出现不平整，影响使用，所以及时发现漏点并修补非常重要。

4.5 打料的时间

夏季由于环境温度高，料浆的降温非常慢，生产周期甚至可以达到36h,这个时期可以将自动控制器的时间间隔调长，冷却初期，自走式旋耕机主要起搅拌、加快降温的作用，当出现粥样稠化时，要有人照看设备运行，防止由于间隔时间过长，产品结晶变硬，旋耕机刀片无法割裂结晶面，出现设备故障，导致生产被迫停止，产品结成一体。

冬季产品的生产周期可以缩减到8h 左右，由于温差大，降温速度快，生产全程要有人员照看，防止出现故障。

4.6 产品的堆放

堆放是为了让接下来的细碎更容易进行，锤片式粉碎机依靠高速旋转的刀盘上悬挂的垂片，将产品击打、剪切为细小的颗粒，如果介质湿软，筛网孔堵塞，物料受到撞击发热、变软，粉碎机就无法正常工作，所以结晶质量和出槽后的堆放至关重要。

4.7 定量包装、缝包、码垛环节

按照操作说明正确使用设备，同时做好设备的防尘和班后的清扫，偏硅酸钠是一种无机盐，容易吸潮化解，造成设备精密零部件腐蚀，导致设备精准度下降或者失灵，粘附的产品也会造成转接皮带运输机打滑、电子秤失准，这些细节都是生产中需要高度重视的。

5 结论

五水偏硅酸钠在陶瓷原料制备工序是作为泥浆解胶剂来使用的，主要着眼于它的解胶能力，由于与粘土、长石、石英、水、球石等材料一起入球研磨，对外观没有十分严格的要求，只要方便添加、易于存放即可。

利用结晶粉碎法生产的陶瓷用五水偏硅酸钠，不但具备其他工艺方法生产的五水偏硅酸钠的性能，而且节省了造粒消耗的大量能源（一种是加热、另一种是降温），提升了产品的性价比，由于这种产品固含量高，解胶能力比水玻璃、七水偏硅酸钠、九水偏硅酸钠都强，而且高温、高湿季节稳定性好，特别适合远距离运输、热带地区陶瓷厂和海外市场使用。

在全球都在大力实施节能减排低碳生产的背景下，推广一种利用结晶粉碎法生产是陶瓷用五水偏硅酸钠，产品制造环节和使用环节都可以降低成本，间接也实现了减碳，是一种有助于助推产业链可持续发展的陶瓷新材料，值得推广应用。