陶瓷外墻磚干法造粒坯料顆粒與膨潤(rùn)土含量的影響

余冬玲 ，劉子碩 ，黃韓凌燕

(1． 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2． 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 陶瓷美術(shù)學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引 言

眾所周知，陶瓷行業(yè)“球磨-噴霧”濕法造粒制粉工藝帶來的高污染、高能耗等局限性問題已嚴(yán)重制約建筑陶瓷行業(yè)的發(fā)展[1-2]，而干法造粒制粉工藝能夠在很大程度上改善高污染、高能耗等問題，是建筑陶瓷行業(yè)原料制備車間可持續(xù)發(fā)展的主要方向之一[3-5]，但干法造粒制粉工藝制備的坯料顆粒存在流動(dòng)性偏差、分散性不均勻、壓縮率偏小、成份不均等問題[6-10]，導(dǎo)致干法造粒制粉工藝一直未獲得行業(yè)認(rèn)可。因此，優(yōu)化干法造粒制粉工藝對(duì)建筑陶瓷行業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

膨潤(rùn)土是陶瓷外墻磚干法造粒原材料之一，其粘結(jié)力強(qiáng)、可塑性高、脫膜好、透氣性優(yōu)、高溫濕態(tài)環(huán)境下物理化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)使其成為影響陶瓷外墻磚干法造粒坯料顆粒流動(dòng)性優(yōu)劣、有效顆粒含量高低的關(guān)鍵因素之一。筆者針對(duì)干法造粒坯料顆粒的流動(dòng)性指數(shù)，坯料顆粒級(jí)配以及顆粒的球形度，檢測(cè)坯料顆粒的休止角、壓縮度、平板角、均齊度、凝聚度，篩選坯料顆粒，測(cè)量坯料顆粒球形度，基于測(cè)定的物性參數(shù)，分析獲取坯料顆粒的流動(dòng)性指數(shù)、坯料顆粒合格率以及顆粒球形度，從而研究陶瓷外墻磚干法造粒坯料顆粒與膨潤(rùn)土含量的影響，優(yōu)化干法造粒制粉過程的造粒參數(shù)，改善坯料的顆粒物理性能及造粒效果。其研究成果對(duì)干法造粒制粉工藝在建筑陶瓷行業(yè)全面推廣具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 坯料制備

以黏土類、石英類、長(zhǎng)石類等超細(xì)粉體為原料，詳細(xì)的原料名稱、產(chǎn)地、比例及粒徑大小如表1實(shí)驗(yàn)原料所示。按一定質(zhì)量比配置造粒添加劑溶液，其組成成分及作用詳見表2實(shí)驗(yàn)造粒添加劑溶液。

使用建筑陶瓷干法造粒制粉試驗(yàn)樣機(jī)制備陶瓷外墻磚坯料顆粒，主軸轉(zhuǎn)速為2800 RPM，混料時(shí)間為2．5 min，造粒時(shí)間為40 s，基于不同膨潤(rùn)土含量對(duì)2．5 kg原料進(jìn)行干法造粒，造粒過程如圖1坯料制備工藝流程圖。將粉體原料加入造粒室內(nèi)充分混合均勻；按表2配制造粒添加劑溶液經(jīng)壓力式噴嘴霧化加入造粒室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)細(xì)粉體原料造粒成形；將制備好的坯料顆粒取出以待檢測(cè)分析。

1.2 檢測(cè)分析

采用多功能智能粉體物性測(cè)試儀(型號(hào)：BT-1001，丹東百特儀器有限公司)對(duì)坯料顆粒的休止角、壓縮度、平板角、均齊度、凝聚度進(jìn)行檢測(cè)以評(píng)判坯料顆粒的流動(dòng)性指數(shù)；用分樣網(wǎng)篩(規(guī)格：20目、30目、40目、50目、60目、70目、80目，安平縣鑫隆絲網(wǎng)制品廠)對(duì)坯料顆粒篩分獲得坯料的粒度分布及合格率，其中顆粒粒度分布的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為20-80目為合格，30目、60目為良，40目、50目為優(yōu)，20目以上及80目以下為不合格；球形度的檢測(cè)方法是采用顆粒Wadell球形度的測(cè)量方法，其測(cè)量原理是：顆粒在層流狀態(tài)時(shí)，自由沉降速度與顆粒的形狀有關(guān)，其關(guān)系可由Stokes形狀系數(shù)K與顆粒的Wadell球形度ψ的關(guān)聯(lián)確定[11]。

圖1 坯料制備工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of blank preparation

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 膨潤(rùn)土含量對(duì)流動(dòng)性指數(shù)的影響分析

基于不同膨潤(rùn)土含量采用干法造粒制粉技術(shù)制備坯料顆粒，并對(duì)其物理性能進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知：當(dāng)膨潤(rùn)土含量逐漸增大且小于5%時(shí)，坯料顆粒的休止角、壓縮度、平板角、均齊度、凝聚度均呈減小趨勢(shì)，坯料顆粒流動(dòng)性指數(shù)逐漸增大；當(dāng)膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)，坯料顆粒的休止角、壓縮度、平板角、均齊度、凝聚度均呈減小趨勢(shì)，坯料顆粒流動(dòng)性指數(shù)基本為最小值；當(dāng)膨潤(rùn)土含量大于5%時(shí)，坯料顆粒的休止角、壓縮度、平板角、均齊度、凝聚度基本呈增大趨勢(shì)，坯料顆粒流動(dòng)性指數(shù)逐漸減小。綜上可知：當(dāng)膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)，坯料顆粒流動(dòng)性指數(shù)達(dá)到最優(yōu)值。

2.2 膨潤(rùn)土含量對(duì)坯料顆粒合格率的影響分析

基于不同膨潤(rùn)土含量采用干法造粒制粉技術(shù)分別制備坯料顆粒，并對(duì)坯料顆粒篩分，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2不同膨潤(rùn)土含量坯料的粒度分布曲線圖所示，由圖2可以看出，膨潤(rùn)土含量為1%時(shí)，坯料顆粒合格率約為82．1%；膨潤(rùn)土含量為3%時(shí)，坯料顆粒合格率約為82．7%；膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)，坯料顆粒合格率約為85．9%；膨潤(rùn)土含量為7%時(shí)，坯料顆粒合格率約為77．6%；膨潤(rùn)土含量為9%時(shí)，坯料顆粒合格率約為20．9%。當(dāng)膨潤(rùn)土含量由1%增至5%，顆粒合格率呈遞增趨勢(shì)，當(dāng)膨潤(rùn)土含量由5%增至9%，顆粒合格率呈遞減趨勢(shì)。五組實(shí)驗(yàn)制備的坯料粒度分布類似于正態(tài)分布，顆粒的平均粒度隨膨潤(rùn)土含量的增加而增大，細(xì)粉含量隨黏土含量的增加而減少，而膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)顆粒粒度分布最接近正態(tài)分布，且優(yōu)良顆粒所占百分比最大。由此說明，當(dāng)膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)，坯料顆粒合格率達(dá)到最優(yōu)值。

2.3 膨潤(rùn)土含量對(duì)顆粒球形度的影響分析

表3 膨潤(rùn)土含量與流動(dòng)性指數(shù)關(guān)系Tab.3 Relationship between bentonite content and liquidity index

基于不同膨潤(rùn)土含量采用干法造粒制粉技術(shù)分別制備坯料顆粒，并測(cè)量各粒度顆粒的球形度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3不同膨潤(rùn)土含量坯料粒徑與顆粒球形度關(guān)系曲線所示。由圖3可以看出，膨潤(rùn)土含量為1%時(shí)，平均顆粒球形度約為0．24；膨潤(rùn)土含量為3%時(shí)，平均顆粒球形度約為0．42；膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)，平均顆粒球形度約為0．71；膨潤(rùn)土含量為7%時(shí)，平均顆粒球形度約為0．70；膨潤(rùn)土含量為9%時(shí)，平均顆粒球形度約為0．70。粒度自20目至80目變換時(shí)，顆粒球形度呈遞減趨勢(shì)，粒度變換至80目以上時(shí)，顆粒球形度減少至一定值不再變化；隨著膨潤(rùn)土含量的增高，顆粒球形度呈遞增趨勢(shì)，增至一定值時(shí)保持穩(wěn)定不變。綜上分析可知，坯料顆粒一定時(shí)，顆粒球形度隨膨潤(rùn)土含量增加而升高，且膨潤(rùn)土含量增至5%后顆粒球形度趨于穩(wěn)定值，即膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)，顆粒球形度達(dá)到最優(yōu)值。

圖3 不同膨潤(rùn)土含量坯料粒徑與顆粒球形度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between particle size andParticlesphericity of different bentonite content

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)陶瓷外墻磚干法造粒試樣機(jī)結(jié)構(gòu)建立模擬區(qū)域，模擬對(duì)象是造粒室內(nèi)顆粒、氣體的分布情況，模擬過程為干法造粒制粉過程。在仿真過程中，顆粒與氣體彼此相互共存，且各自擁有各自的速度、體積分布。

3.1 流動(dòng)性指數(shù)分析

圖4 造粒過程顆粒體積分布剖視云圖Fig.4 Cloud chart of particle volume distribution in granulation process

基于造粒過程顆粒體積分布情況，分別取膨潤(rùn)土含量1%、3%、5%、7%、9%，分析造粒室內(nèi)顆粒體積分布情況，具體祥見圖4造粒過程顆粒體積分布剖視云圖。從造粒過程顆粒體積分布剖視云圖可知，當(dāng)膨潤(rùn)土含量為1%時(shí)，造粒過程中造粒室底部存在較多堆積現(xiàn)象，顆粒在造粒室形成的堆積度為0．38，表明造粒顆粒比例較低，造粒效果不佳；當(dāng)膨潤(rùn)土含量為3%時(shí)，造粒室底端存在的堆積現(xiàn)象得以改善，顆粒在造粒室形成的堆積度為0．36，表明造粒顆粒比例增大，造粒效果變好；當(dāng)膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)，造粒過程中造粒室底部堆積現(xiàn)象不明顯，顆粒在造粒室形成的堆積度為0．33，表明造粒比例較高，造粒效果甚佳；當(dāng)膨潤(rùn)土含量為7%時(shí)，造粒過程中造粒室底部堆積現(xiàn)象增加，顆粒在造粒室形成的堆積度為0．35，表明造粒顆粒比例降低，造粒效果變差；當(dāng)膨潤(rùn)土含量為9%時(shí)，造粒過程中造粒室底部堆積現(xiàn)象嚴(yán)重化，顆粒在造粒室形成的堆積度為0．39，表明造粒顆粒比例低，造粒效果差。仿真結(jié)果表明，膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)，造粒室內(nèi)顆粒分布較均勻，造粒比例最高，造粒效果最佳，即此時(shí)制備的坯料顆粒流動(dòng)性指數(shù)最高。

圖5 顆粒體積分布云圖Fig.5 Particle volume distribution cloud chart

3.2 坯料顆粒合格率分析

為研究膨潤(rùn)土含量對(duì)坯料顆粒級(jí)配的影響，分別取膨潤(rùn)土含量1%、3%、5%、7%、9%，分析造粒室內(nèi)顆粒體積分布情況，具體祥見圖5顆粒體積分布云圖。當(dāng)膨潤(rùn)土含量為1%時(shí)：從顆粒體積分布云圖可知，造粒室底部存在較多堆積現(xiàn)象，且坯料顆粒分散性較差；當(dāng)膨潤(rùn)土含量為3%時(shí)：從顆粒體積分布云圖可知，較膨潤(rùn)土含量為1%時(shí)造粒室底部堆積顆粒明顯變少，且坯料顆粒分散性更好；當(dāng)膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)：從顆粒體積分布云圖可知，造粒室底部存在的堆積現(xiàn)象較膨潤(rùn)土含量為1%、3%時(shí)有所變化，造粒室底部存在的堆積現(xiàn)象不明顯，坯料顆粒分散性較好；當(dāng)膨潤(rùn)土含量為7%時(shí)：從顆粒體積分布云圖可知，造粒過程中造粒室底部堆積現(xiàn)象增加，顆粒分散性變差；當(dāng)膨潤(rùn)土含量為9%時(shí)：從顆粒體積分布云圖可知，造粒過程中造粒室底部堆積現(xiàn)象嚴(yán)重化，顆粒分散性較差。仿真結(jié)果表明，膨潤(rùn)土含量在5%時(shí)，造粒室內(nèi)顆粒分布較均勻，即此時(shí)造粒效果最佳。

4 結(jié) 論

⑴由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知：當(dāng)膨潤(rùn)土含量分別為1%、3%、5%、7%、9%時(shí)，坯料顆粒流動(dòng)性的流動(dòng)性指數(shù)依次為58．0、69．0、91．0、67．5、58．0，坯料顆粒合格率依次為82．1%、82．7%、85．9%、77．6%、20．9%，平均顆粒球形度依次為0．24、0．42、0．71、0．70、0．70，且當(dāng)膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)，坯料顆粒流動(dòng)性、坯料顆粒合格率、顆粒球形度最佳。同時(shí)數(shù)值模擬表明：當(dāng)膨潤(rùn)土含量分別為1%、3%、5%、7%、9%時(shí)，在造粒室形成的堆積度依次為0．38、0．36、0．33、0．35、0．39，且當(dāng)膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)，坯料顆粒分散性最好，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬基本吻合，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的可靠性，表明當(dāng)膨潤(rùn)土含量為原料的5%時(shí)，坯料顆粒流動(dòng)性、坯料顆粒合格率、顆粒球形度最優(yōu)。

⑵實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬充分說明，膨潤(rùn)土含量為原料的5%時(shí)，坯料顆粒流動(dòng)性、坯料顆粒合格率、顆粒球形度最優(yōu)。該優(yōu)化操作參數(shù)能在一定程度上改善干法造粒制粉技術(shù)坯料顆粒的流動(dòng)性，增加陶瓷墻外磚干法造粒坯料顆粒的合格率，提高陶瓷墻外磚干法造粒坯料顆粒的質(zhì)量，對(duì)干法造粒制粉技術(shù)進(jìn)一步在建筑陶瓷行業(yè)推廣提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。