硅酸鋯超微細(xì)粉體球磨干法加工技術(shù)與實(shí)踐

蘇 寧，方蒼舟，杜仁忠

（中建材(合肥)粉體科技裝備有限公司，安徽 合肥 230051）

1 前言

超細(xì)硅酸鋯(ZrSiO4)是由天然鋯英砂經(jīng)超細(xì)粉碎分選等工藝加工而成的一種外觀呈白色粉末狀的超細(xì)粉體。其特點(diǎn)是折射率高，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能，因此能作為乳濁劑廣泛應(yīng)用于建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷等，在釉料中或胚體中起增白作用。我國(guó)硅酸鋯的生產(chǎn)和應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代末90年代初，隨著我國(guó)基建規(guī)模不斷提高，硅酸鋯粉體的用量呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

生產(chǎn)D50=1.0～1.3μm硅酸鋯超細(xì)粉體的關(guān)鍵在于如何控制其粒徑大小及粒度分布，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外的超細(xì)硅酸鋯磨礦工藝大多采用球磨機(jī)或攪拌磨進(jìn)行濕法研磨。濕法球磨機(jī)內(nèi)的研磨體對(duì)物料具有很強(qiáng)的沖擊作用，對(duì)于物料前期粉碎起一定作用。但是隨著顆粒變細(xì)，為獲取更多較小的1μm的粒子，需選用擠壓、剪切作用較強(qiáng)的濕法攪拌磨以提高粉碎效率。所以，很多公司將兩種設(shè)備串聯(lián)使用，充分利用不同設(shè)備的粉碎比，采用分段研磨工藝生產(chǎn)超細(xì)硅酸鋯，提高研磨效率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在干法技術(shù)成熟前，濕法生產(chǎn)因產(chǎn)品質(zhì)量如顆粒細(xì)度、雜質(zhì)含量等容易控制，產(chǎn)品穩(wěn)定性較好，因而在國(guó)內(nèi)占主流。但是濕法生產(chǎn)的缺點(diǎn)也比較明顯：工藝流程長(zhǎng)，投資相對(duì)較大，廠區(qū)占地面積大，干燥費(fèi)用較高，特別是環(huán)保問題多，這一系列的問題都有待解決。

隨著硅酸鋯粉體生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用球磨配分級(jí)機(jī)的干法生產(chǎn)工藝，可以很好地生產(chǎn)中位徑在1μm左右的硅酸鋯超微細(xì)粉體。產(chǎn)品經(jīng)下游行業(yè)的長(zhǎng)期應(yīng)用表明，完全滿足高檔建筑衛(wèi)生陶瓷的要求。新工藝完全可以替代現(xiàn)有的濕法工藝。采用干法生產(chǎn)超細(xì)硅酸鋯投資較少、工藝路線簡(jiǎn)單、流程短、運(yùn)行費(fèi)用低、污染容易控制等優(yōu)勢(shì)明顯，現(xiàn)在越來越被生產(chǎn)超細(xì)硅酸鋯的企業(yè)青睞。

本文以蚌埠某公司年產(chǎn)5 000t超微細(xì)硅酸鋯粉末工程設(shè)計(jì)為例，主要生產(chǎn)中位徑1.0～1.3μm超細(xì)硅酸鋯粉末，淺析干法球磨分級(jí)工藝的開發(fā)和應(yīng)用。

2 生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝路線選擇

球磨機(jī)加分級(jí)機(jī)干法生產(chǎn)超細(xì)粉體的工藝技術(shù)，是一項(xiàng)非常成熟穩(wěn)定的工藝技術(shù)，在各類非金屬礦行業(yè)(碳酸鈣、重晶石、滑石、石英砂等)、煤系高嶺土行業(yè)、超硬材料行業(yè)(碳化硅、氧化鋯)、超細(xì)水泥行業(yè)等，都得到十分廣泛的應(yīng)用。

球磨機(jī)作為一種粉磨設(shè)備，已有100多年的使用歷史。目前，我國(guó)直徑5m以下的球磨機(jī)制造技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在超細(xì)加工中的應(yīng)用，國(guó)外已有60多年的歷史。但在國(guó)內(nèi)，很多人仍然存在質(zhì)疑，主要有兩個(gè)方面：①球磨機(jī)“傻大笨粗”，產(chǎn)生的-1 μm微粉量可能不多，不太適宜生產(chǎn)超微細(xì)微粉；②粉磨中鐵污染會(huì)比較大，這將導(dǎo)致產(chǎn)品的品質(zhì)降低。

針對(duì)干法球磨機(jī)作為研磨設(shè)備的上述問題，我公司一直致力于球磨機(jī)粉磨技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，目前已經(jīng)得到全面解決。并且取得了高細(xì)球磨機(jī)技術(shù)的國(guó)家發(fā)明專利，該專利在水泥、冶金、非金屬礦、化工等行業(yè)的粉體超細(xì)研磨生產(chǎn)上取得巨大成功。其特點(diǎn)是成倍強(qiáng)化研磨效果，極大提高了出料的-1μm細(xì)粉率(幅度達(dá)到40%以上)。

球磨機(jī)加分級(jí)機(jī)生產(chǎn)超細(xì)粉體的另外一大優(yōu)勢(shì)是，采用球磨機(jī)研磨的顆粒形狀基本呈現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)，顆粒形貌比較規(guī)整，表面能較沖擊或碾壓設(shè)備生產(chǎn)的粉體低，對(duì)下游產(chǎn)品的品質(zhì)有提升，所以很受下游客戶的歡迎。在有些特定場(chǎng)合，必須要用球磨機(jī)配分級(jí)機(jī)的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的粉體才能滿足新材料的性能要求。

因?yàn)闈穹庸び性S多不足之處(提資、能耗、污染等)，而采用干法球磨機(jī)配分級(jí)機(jī)的工藝路線生產(chǎn)硅酸鋯超微細(xì)粉體是可行的，為此選擇該工藝路線進(jìn)行研發(fā)和實(shí)踐。

2.2 工藝設(shè)計(jì)方案

根據(jù)超細(xì)硅酸鋯市場(chǎng)需求、國(guó)內(nèi)外超細(xì)加工裝備與技術(shù)的現(xiàn)狀，結(jié)合各單位在粉體加工與應(yīng)用研究等方面的經(jīng)驗(yàn)，為蚌埠某公司新建的年產(chǎn)5 000t超微細(xì)硅酸鋯生產(chǎn)線，就產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及品質(zhì)保證、加工工藝路線選擇、設(shè)備選型等進(jìn)行了充分的研究探討。

生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)規(guī)模為年產(chǎn)5 000t超細(xì)硅酸鋯；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為D50=1.0～1.3μm；采用高細(xì)球磨機(jī)＋超細(xì)分級(jí)機(jī)+自動(dòng)化控制一體化的工藝路線。采用高效節(jié)能、環(huán)保型裝備與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的雙贏。

在硅酸鋯粉體類粉體(硅酸鋯、石英砂、氧化鋯、碳化硅等超硬材料)的超細(xì)加工中，研磨分級(jí)生產(chǎn)時(shí)，避免粉體受到其他材料(主要是鐵質(zhì))的污染是一個(gè)需重點(diǎn)解決的問題，必須使整個(gè)超細(xì)加工后的粉體中鐵等雜質(zhì)含量在可控范圍之內(nèi)(0.01‰～0.03‰)，所生產(chǎn)的粉體才可以滿足電子級(jí)等行業(yè)的需求。

因此，在生產(chǎn)線的研發(fā)設(shè)計(jì)中需要充分考慮：①如何做到高細(xì)球磨機(jī)系統(tǒng)在高效研磨中的節(jié)能降耗及其規(guī)模化生產(chǎn)；②如何實(shí)現(xiàn)超細(xì)分級(jí)機(jī)對(duì)成品粒徑的精確切割以及分級(jí)效率的提高；③采取何種措施防止雜質(zhì)對(duì)成品的影響。

2.3 工藝流程

球磨+超細(xì)分級(jí)機(jī)生產(chǎn)超微細(xì)硅酸鋯工藝流程如下圖。

高純超微細(xì)硅酸鋯生產(chǎn)線工藝流程簡(jiǎn)圖

來自原料儲(chǔ)庫(kù)的硅酸鋯原料由皮帶喂料機(jī)定量喂入高細(xì)陶瓷球磨機(jī)中研磨，出磨粉料負(fù)壓抽吸進(jìn)入分級(jí)機(jī)中分級(jí)，成品與氣流一同進(jìn)入收塵器出料包裝；分級(jí)后的粗粉出分級(jí)機(jī)，直接輸送到球磨機(jī)頭部，與原料混合進(jìn)入球磨機(jī)再次研磨。

2.4 主機(jī)設(shè)備選型

經(jīng)過科研與實(shí)踐精確論證，確定了主機(jī)設(shè)備的選型。本生產(chǎn)線采用全智能化DCS控制系統(tǒng)、全國(guó)產(chǎn)化大型生產(chǎn)設(shè)備和工藝，極大節(jié)省了投資成本。其主要目的是使超細(xì)硅酸鋯粉體產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、產(chǎn)品精細(xì)化生產(chǎn)，提高產(chǎn)品檔次，完善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，達(dá)到國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品指標(biāo)，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

該生產(chǎn)線主機(jī)設(shè)備選型如表1所示。

為了達(dá)到超細(xì)無污染生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)目標(biāo)，必須對(duì)主機(jī)設(shè)備的配置有特殊的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 高細(xì)球磨機(jī)：本方案綜合國(guó)際先進(jìn)粉體公司的研磨技術(shù)，再經(jīng)過高細(xì)改造，完全滿足生產(chǎn)研磨需要，同時(shí)可以顯著提高研磨效率：①球磨機(jī)內(nèi)部采用陶瓷襯板，研磨介質(zhì)采用陶瓷球以防止鐵污染；②選用特殊的助磨劑技術(shù)，提高研磨效率。

(2) 超細(xì)分級(jí)機(jī)：分級(jí)機(jī)的效率和性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的效益，在整個(gè)生產(chǎn)線的設(shè)備中占據(jù)決定性的地位。本項(xiàng)目采用最先進(jìn)的ADW型多轉(zhuǎn)子渦輪分級(jí)機(jī)，具有切割精度高，分級(jí)效率高的優(yōu)點(diǎn)。較普通的該類型分級(jí)機(jī)進(jìn)行一定的改進(jìn)：①采用特制耐磨葉輪；②腔體隔鐵防護(hù)；③采用專有大顆粒阻斷裝置，確保100%的頂點(diǎn)切割精度。

(3) 高壓脈沖收塵器：收塵器性能的好壞一方面會(huì)極大地影響分級(jí)效率的高低及產(chǎn)品的粒度分布；另一方面決定設(shè)備流程的復(fù)雜程度。本生產(chǎn)線采用了我公司從美國(guó)引進(jìn)的高濃度高壓脈沖袋式收塵器，使從分級(jí)機(jī)出來的超細(xì)產(chǎn)品能直接進(jìn)入收塵器收集下來，避免了采用普通收塵器時(shí)，中間要加一臺(tái)旋風(fēng)收集器進(jìn)行產(chǎn)品預(yù)收集的環(huán)節(jié)，使設(shè)備流程變得非常簡(jiǎn)單。更重要的是，使產(chǎn)品的粒度分布確定一致，質(zhì)量均一。

表1 主機(jī)規(guī)格及裝機(jī)

(4) 高壓離心風(fēng)機(jī)：本設(shè)備為整個(gè)流程系統(tǒng)提供動(dòng)力，其性能與分級(jí)機(jī)的分級(jí)性能(產(chǎn)品精度)密切關(guān)聯(lián)，所以本設(shè)備的選型至關(guān)重要。要求其具有抽吸力強(qiáng)勁，風(fēng)機(jī)性能曲線平緩的特性。在遇系統(tǒng)壓力波動(dòng)時(shí)，風(fēng)量的波動(dòng)緩滯或能消峰填谷。

3 生產(chǎn)線實(shí)踐分析

3.1 原料的選擇和加工

硅酸鋯的化學(xué)通式為ZrSiO4，理論化學(xué)組成為：ZrO267.2%，SiO232.8%。鋯英砂因?yàn)殡s質(zhì)含量的不同而顯紅、黃、淺灰、棕色等不同顏色。

該生產(chǎn)線選用的原料采用澳大利亞某公司生產(chǎn)的優(yōu)級(jí)鋯英砂，化學(xué)成分見表2。

表2 原料鋯英砂的化學(xué)組成(%)

優(yōu)質(zhì)的原料是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)成品的前提和保障，對(duì)硅酸鋯乳濁作用不利的組成有Fe2O3，TiO2，Al2O3等，所以加工企業(yè)應(yīng)盡量在選礦及加工過程中減少以上三種成分的含量，一般要求：Fe2O3＜1.0%，TiO2＜1.0%，Al2O3＜1.0%。以上三個(gè)指標(biāo)偏高時(shí)，硅酸鋯的價(jià)格也會(huì)隨之下降。所以原料在進(jìn)入球磨機(jī)研磨之前，一般可采用強(qiáng)力除鐵或酸洗工藝將Fe2O3的含量減少；Al2O3一般是由研磨介質(zhì)引入的，所以加工過程中應(yīng)盡量采用磨耗小的Al2O3瓷球或采用氧化鋯球。

3.2 系統(tǒng)指標(biāo)

該生產(chǎn)線于2016年1月進(jìn)入項(xiàng)目設(shè)計(jì)，3月進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)土建施工，5月進(jìn)入設(shè)備安裝，于6月正式聯(lián)機(jī)調(diào)試，并圓滿完成。經(jīng)過近一年的穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)均在預(yù)期之內(nèi)。實(shí)踐證明，該生產(chǎn)線設(shè)備選型合理，能力匹配，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)小。

據(jù)下游客戶反饋，產(chǎn)品粒度分布合理，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。該系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量分析結(jié)果如表3所示。

表3 產(chǎn)品質(zhì)量分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

采用干法球磨機(jī)配分級(jí)機(jī)工藝系統(tǒng)，完全可以替代現(xiàn)有的濕法球磨或攪拌磨工藝生產(chǎn)線生產(chǎn)中位徑在1μm左右的超細(xì)硅酸鋯，無論粒徑分布還是鐵等雜質(zhì)含量控制，均可滿足高檔建筑衛(wèi)生陶瓷甚至是電子級(jí)功能材料的要求。

采用干法生產(chǎn)超細(xì)硅酸鋯，投資較少、工藝流程非常簡(jiǎn)潔、易于維護(hù)，且節(jié)能降耗、幾乎無環(huán)境污染。這個(gè)新工藝符合國(guó)家節(jié)能減排的大政方針，是目前生產(chǎn)超細(xì)硅酸鋯的優(yōu)選工藝路線。

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