懸浮式干法增濕造粒工藝及顆粒優(yōu)化技術(shù)的研究

陶曉文 閻蛇民 成智文 胡小敏

(咸陽陶瓷研究設(shè)計院 陜西 咸陽 71200)

目前國內(nèi)大型陶瓷墻地磚生產(chǎn)線均采用噴霧干燥濕法制粉工藝：配方原料經(jīng)濕法球磨達(dá)到一定細(xì)度后入均化泥漿池，經(jīng)噴霧干燥塔噴霧造粒，制成空心球粉料用于壓制陶瓷磚。這種采用濕法制粉工藝技術(shù)制備的粉料可滿足大噸位自動壓磚機(jī)的要求，可生產(chǎn)出高品質(zhì)、高檔次的產(chǎn)品。因該工藝一次性投資較大、能耗較高，所以在當(dāng)今能源價格上漲及墻地磚市場競爭中的劣勢顯得十分突出。

目前，有一種投資少，能耗低的新型干法工藝及裝備技術(shù)的研究開發(fā)工作已經(jīng)開始進(jìn)入陶瓷磚工業(yè)的原料制備領(lǐng)域。筆者結(jié)合“十二五”國家科技支撐計劃項目“陶瓷磚新型干法短流程工藝技術(shù)及示范”，對關(guān)鍵設(shè)備新型懸浮盤式干法造粒機(jī)組開發(fā)和試驗，對干法造粒的成球機(jī)理，生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)對造粒效果和粉料質(zhì)量的影響因素進(jìn)行了初步探討和總結(jié)。經(jīng)過該工藝和設(shè)備制備的粉料性能優(yōu)良，解決了原有干法造粒機(jī)生產(chǎn)出的造粒粉料顆粒過硬，流動性差的缺陷。

1 干法制粉成粒機(jī)制、造粒效果及其影響因素的探索研究

濕法噴霧干燥制粉工藝是通過干燥蒸發(fā)霧化泥漿小點滴中的多余水分產(chǎn)生顆粒，因而形成的顆粒是空心的，表面較光滑。而干法制粉是通過濕化(水化)干細(xì)粉料，以濕化液體(水核)的表面張力吸附、團(tuán)聚干細(xì)粉，再通過外界機(jī)械力(來自整粒機(jī))的強(qiáng)化、整合、優(yōu)化，形成實心顆粒料。干法制粉由于濕化液體是由顆粒中心向外滲透，對顆粒表面的細(xì)粉粘附力降低，形成的顆粒表面疏松粗糙，形狀為不規(guī)則球狀體。粉料中還有部分未被濕化液體吸附的粉料殘留在顆粒粉料中。干法制粉的粉料性能主要指粉料顆粒的形狀及粒度分布，粉料的流動性，粉料的容重等參數(shù)。筆者就干法工藝的關(guān)鍵設(shè)備造粒機(jī)的開發(fā)及工藝試驗結(jié)果總結(jié)如下：

1.1 粉料性能受原料影響因素的研究

1.1.1 粉料性能受原料及配方的性能影響

通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，原料及配方的可塑性越強(qiáng)，粉料的顆粒分布就越均勻，且顆粒強(qiáng)度越好。一般配方原料的可塑性指數(shù)在10～12時，粉料的性能最佳。

1.1.2 粉料性能受配方原料干粉細(xì)度的影響

通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，配方原料干磨時，粉末越細(xì)，表現(xiàn)出更強(qiáng)的可塑性，后續(xù)造粒時，制備的粉料性能更佳。考慮到研磨時間和電耗經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，一般要求研磨時粉末細(xì)度達(dá)到250目。

1.1.3 粉料性能受造粒前原料干細(xì)粉的含水率的影響

通常原料含水率越低，越容易干磨，造粒時加入的水量大，成球的幾率會增大，粉料的性能就越好。

1.2 粉料性能受增濕液體方面的影響因素的研究

1.2.1 增濕量(即增濕液體的加入量)的影響

我們將增濕量定義為造粒時進(jìn)入造粒機(jī)的粉末原料的原始含水率與造粒后粉料的含水率的差值。

在試驗過程中，造粒前原料細(xì)磨后的含水率為4.5%,細(xì)度為250目篩余3%。表1分別列出了造粒試驗不同水分含量條件下對造粒成球效果的影響，當(dāng)造粒粉料增濕水量為7.5%，細(xì)粉(≤100目)超過39%時，成球率極低。隨著增濕水量的逐步提高，中顆粒(20～80目)顯著增多，成球率提高，成球粒子圓度也明顯改善。當(dāng)增濕水>14%時，大顆粒增加顯著，并且出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象，不利于機(jī)組正常工作。

表1 不同含水量對造粒效果的影響

從以上實驗數(shù)據(jù)可知，加入造粒機(jī)的水量愈多，霧化水產(chǎn)生的水核愈多，水核吸附粉末料產(chǎn)生的微顆粒也就愈多，粉末成球的幾率就愈大，從而粉末形成的顆粒分布愈好，粉料的流動性愈好。綜合各種因素，確定增濕水量在11%～13%時，成球質(zhì)量最佳，顆粒在10～80目時成球率最高。

1.2.2 增濕液體在造粒機(jī)內(nèi)的霧化效果對粉料性能的影響

加入增濕液體即水，依靠高壓水泵加入，由裝在造粒機(jī)內(nèi)的霧化噴頭產(chǎn)生霧化水，通過試驗我們發(fā)現(xiàn)霧化水的霧化效果，直接影響著造粒效果，霧化效果依靠高壓水泵的壓力調(diào)節(jié)，霧化壓力一般控制在0.6～0.8 MPa比較合適。

1.2.3 增濕液體的性能對粉料性能的影響

增濕液體主要為水，當(dāng)原料塑性較好時，直接用水作為增濕液體，即可制備出流動性較好的粉料。當(dāng)原料塑性較差時，可在水中加入膠性材料，如甲基纖維素、尿素等。改善水的粘性，增大增濕液體的吸附性和粘性，可制備流動性更好的粉料。

1.3 造粒機(jī)對粉料性能影響的研究

1.3.1 造粒機(jī)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)對粉料性能的影響

通過比較國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的造粒設(shè)備，比較各自的優(yōu)缺點。我們開發(fā)設(shè)計了新型懸浮盤式造粒機(jī)，經(jīng)試驗該造粒機(jī)的設(shè)計非常成功，除了可制備出合適的顆粒度分布的粉料外，粉料的顆粒、強(qiáng)度適合壓形時對粉料顆粒強(qiáng)度的要求，克服了其它方式造粒時顆粒強(qiáng)度太大，顆粒壓不碎，而影響陶瓷磚表面裝飾效果。

1.3.2 造粒機(jī)工況參數(shù)對粉料性能的影響

依據(jù)造粒機(jī)的原理設(shè)計，影響粉料造粒效果的主要因素為進(jìn)入造粒機(jī)的粉料量，粉料在造粒機(jī)內(nèi)的分散效果，另外還有整理盤的轉(zhuǎn)速。粉料的分散效果除分散器的結(jié)構(gòu)外，外配的分散霧化風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓是主要工藝參數(shù)。依據(jù)粉料量的大小，確定風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓的大小，使其達(dá)到合理的配比，保證粉料在造粒機(jī)內(nèi)充分霧化，以達(dá)到與霧化水的充分結(jié)合。

本干法造粒機(jī)組為兩步式造粒，粉料在懸浮增濕塔內(nèi)為一次造粒，在整粒機(jī)內(nèi)為二次造粒。進(jìn)入懸浮增濕塔的粉料量，粉料在懸浮增濕塔內(nèi)的分散效果也影響著造粒結(jié)果。粉料的分散效果除特殊的分散器的結(jié)構(gòu)外，外配的分散霧化風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓是主要工藝參數(shù)。依據(jù)粉料量來確定風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓的大小，以達(dá)到合理的配比，可保證粉料在造粒機(jī)內(nèi)充分霧化懸浮，達(dá)到與霧化水的充分結(jié)合。粉料在懸浮增濕塔內(nèi)經(jīng)增濕、碰撞、成核、團(tuán)聚形成了一次造粒粉料。

一次造粒粉料顆粒直徑小、松散、強(qiáng)度低，必須在整粒機(jī)組內(nèi)離心強(qiáng)化，進(jìn)行二次造粒、優(yōu)化。落入整理盤的微顆粒，依靠整理盤離心力作用，粉料從盤心逐步向外滾動，實現(xiàn)顆粒的整形和強(qiáng)化，當(dāng)達(dá)到一定的顆粒度時，顆粒粉料會沿離心盤切線方向自動甩出，從出料口流出。離心盤轉(zhuǎn)速的大小也直接影響著顆粒分布，當(dāng)離心盤轉(zhuǎn)速高，離心力較大，小顆粒較多；而當(dāng)離心盤轉(zhuǎn)速低時，離心力較小，離心強(qiáng)化時間長，會造成大顆粒增多，造粒粉因離心強(qiáng)化過大從而導(dǎo)致粒子堅硬，不利于墻地磚坯體壓形。試驗針對開發(fā)設(shè)計的特珠結(jié)構(gòu)整粒盤，確定了其最佳的轉(zhuǎn)速和產(chǎn)量。

表2為干法制備的粉料性能和濕法制備的粉料性能比較表；圖1為干法制備的粉料顆粒在40倍放大鏡下的表觀圖。

圖1 干法粒子40×放大鏡下表觀圖

性能指標(biāo)干法制備粉料性能濕法制備粉料性能粉料顆粒結(jié)構(gòu)實心顆粒空心顆粒粉料顆粒形狀表面毛糙、不規(guī)則的顆粒光滑的球形顆粒粉料顆粒流動性(休止角)(°)3330容重(g/cm3)0.980.92

2 結(jié)論

通過試驗探索研究，影響成球的因素主要為以下幾個方面：

1)配方原料的性能。配方料中粘土含量越高，粉料的親水性越好，毛細(xì)粘接力就越大，增濕造粒的成球性就越好。

2)原料粉磨的細(xì)度。原料細(xì)度越細(xì)，則顆粒之間排列越緊密，毛細(xì)粘接力越強(qiáng)，球體強(qiáng)度越高。

3)增濕水量的大小及霧化效果。增濕水量增大，顆粒之間粘接力加大，易于成球，霧化壓力大，則霧化半徑增大，細(xì)粉能更好地潤濕，成球率提高。但過多的水量容易產(chǎn)生大顆粒，很容易使母球粘壁，從而堵塞設(shè)備。

4)整粒離心盤的速度，決定著粉料的顆粒分布，實際生產(chǎn)中根據(jù)需要，可合理調(diào)整離心盤轉(zhuǎn)速及出料口高度，以保證粉料性能達(dá)到最佳效果。

本機(jī)組采用微機(jī)對各參數(shù)實行動態(tài)控制，基本實現(xiàn)了機(jī)組內(nèi)的閉環(huán)自動化控制。可實現(xiàn)連續(xù)式生產(chǎn)，產(chǎn)量高(臺產(chǎn)量為6～8 t/h)，顆粒粒徑大小可調(diào)整，流動性好，完全可滿足大型墻地磚短流程生產(chǎn)需求。