球形氧化鋁粉體噴霧造粒法的制備及工藝研究

楊戰(zhàn)厚 徐子勤 王軍成 王明俊 蔣 翔 魏 婷

(咸陽(yáng)非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司 陜西 咸陽(yáng) 712021)

前言

氧化鋁(Al2O3)陶瓷具有強(qiáng)度高(機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)150 MPa)、硬度高(莫氏硬度達(dá)9)、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫以及導(dǎo)熱性好、高絕緣、低介電損耗、電性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、化工、醫(yī)藥、光電、航空航天等行業(yè)。氧化鋁(Al2O3)陶瓷按Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分為99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品種，有時(shí)將Al2O3含量在80%或75%陶瓷歸為普通氧化鋁陶瓷系列。Al2O3含量不同，其在工業(yè)中的用途不同。其中含量為99氧化鋁瓷材料用于制作軸承、陶瓷密封件、坩堝、爐管等；95氧化鋁瓷材料主要用作耐腐蝕、耐磨件；85氧化鋁瓷中常摻入部分滑石原料，用于提高陶瓷的電性能、機(jī)械強(qiáng)度，常用作電真空器件。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及制造技術(shù)的提高，氧化鋁陶瓷新品種不斷出現(xiàn)，在現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域中將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1 氧化鋁(Al2O3)陶瓷的成形方法

氧化鋁陶瓷制品成形方法主要有：干壓成形、注漿成形、擠壓成形、等靜壓成形、注射成形、流延成形、熱壓成形等多種方法。產(chǎn)品形狀、尺寸、造型與精度不同，需要采用不同的成形方法。干壓成形法是氧化鋁(Al2O3)工業(yè)生產(chǎn)中采用的一種主要方法，可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化或全自動(dòng)化生產(chǎn)，具有生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

在干壓成形過程中，模具對(duì)氧化鋁(Al2O3)顆粒粒徑分布、均勻填充要求非常高。粉體顆粒要大于60 μm，介于20～80目之間，粉體顆粒在模具內(nèi)達(dá)到最佳的自由流動(dòng)性，可制得最好的成形產(chǎn)品。顆粒充填量影響著氧化鋁陶瓷零件的尺寸和精度。對(duì)于干壓成形來說，原料必須用顆粒料，顆粒料造粒的方法有：一般造粒法、加壓造粒法、噴霧造粒法和凍結(jié)造粒法。以上幾種造粒方法以噴霧造粒的質(zhì)量最好，其常用于工業(yè)化生產(chǎn)中。

噴霧造粒法制備的氧化鋁(Al2O3)顆粒具有規(guī)則球狀、類球狀的結(jié)構(gòu), 顆粒級(jí)配好且呈正態(tài)分布，堆密度大，造粒粉在模腔內(nèi)流動(dòng)性好，具有良好的壓制成形和燒結(jié)等特性，制備出的顆粒可生產(chǎn)高質(zhì)量的陶瓷產(chǎn)品。

2 噴霧造粒制備氧化鋁(Al2O3)陶瓷粉體

噴霧造粒制備氧化鋁(Al2O3)粉體，系統(tǒng)主要由制漿系統(tǒng)、制備系統(tǒng)、熱風(fēng)輸送系統(tǒng)、泥漿輸送系統(tǒng)、噴霧霧化系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、風(fēng)力系統(tǒng)、粉料輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。熱風(fēng)爐燃燒生成的高溫?zé)犸L(fēng)，經(jīng)熱風(fēng)管道后進(jìn)入造粒塔頂部，經(jīng)過熱風(fēng)分配器形成均勻旋轉(zhuǎn)的熱氣流進(jìn)入造粒塔內(nèi)，熱氣流與輸漿泵將送入氧化鋁(Al2O3)料漿經(jīng)噴槍霧化后形成的微細(xì)的料霧接觸瞬間，氧化鋁(Al2O3)料漿水分在15 s左右迅速蒸發(fā)，形成球狀、類球狀顆粒產(chǎn)品，產(chǎn)品經(jīng)造粒塔底部排出，經(jīng)輸送系統(tǒng)進(jìn)入壓制料倉(cāng)。造粒塔內(nèi)的尾氣夾帶少量細(xì)粉經(jīng)布袋除塵器分離后，凈化后的尾氣經(jīng)由風(fēng)力系統(tǒng)(引風(fēng)機(jī))排出，除塵器分離出的粉末產(chǎn)品經(jīng)除塵器中的下料器排出，粉末產(chǎn)品進(jìn)入制漿系統(tǒng)循環(huán)使用，完成造粒過程。

3 噴霧造粒制備氧化鋁(Al2O3)粉體的工藝研究

噴霧造粒制備氧化鋁(Al2O3)陶瓷粉體的工藝流程為：漿料攪拌→輸送→造粒→氣固分離→輸送→成品料倉(cāng)。噴霧造粒氧化鋁陶瓷粉體工藝配置圖如圖1所示。

1-漿料攪拌機(jī) 2-泥漿泵 3-料倉(cāng) 4-輸送機(jī) 5-噴霧造粒塔 6-霧化系統(tǒng) 7-產(chǎn)品出口 8-除塵器 9-熱風(fēng)爐 10-風(fēng)力系統(tǒng) 11-噴淋泵 12-濕法洗滌器

圖1噴霧造粒設(shè)備配置圖

為了獲得球形、類球形粉體顆粒，造粒的顆粒大小與輸送泵的霧化壓力、霧化噴嘴孔徑的大小、噴霧角等因素有關(guān)，也與料漿所添加的粘合劑等因素有關(guān)。下面從幾方面研討一下造粒裝備過程調(diào)節(jié)控制對(duì)氧化鋁(Al2O3)陶瓷粉體生產(chǎn)工藝的影響。

3.1 熱風(fēng)的入塔溫度

在進(jìn)塔熱風(fēng)溫度穩(wěn)定的情況下，出塔熱風(fēng)溫度越低，進(jìn)出塔溫差就越大，熱風(fēng)傳遞給漿料用于干燥造粒的熱能就越大，因此熱風(fēng)利用率就越高。由于壓制成形對(duì)顆粒料的含水率(<1%)有嚴(yán)格要求，但出塔溫度也不可過低，低于130 ℃時(shí)因粉料含水率達(dá)不到產(chǎn)品要求，影響壓制成形。

3.2 熱風(fēng)爐溫度的控制

由于熱風(fēng)爐是噴霧塔造粒的熱風(fēng)源，其燃料消耗直接影響造粒成本的高低，所以熱風(fēng)爐是噴霧造粒塔節(jié)能的關(guān)鍵部分。熱風(fēng)爐效率主要取決于燃料的充分燃燒，燃料一般采用電、天然氣、液化石油氣，其燃燒充分時(shí)，熱效率最高。

3.3 塔體密閉型控制

由于系統(tǒng)采用負(fù)壓操作，若塔體、熱風(fēng)管道連接處有漏風(fēng)，就會(huì)增加能耗，所以設(shè)備各部位及連接法蘭處，熱風(fēng)爐、熱風(fēng)管道、排風(fēng)管道的測(cè)量插孔，塔體上的負(fù)壓測(cè)量孔以及塔體下錐下料器出料口，除塵器下料口等部位必須密封好。

3.4 提高熱風(fēng)的入塔溫度

在出塔溫度恒定的條件下，熱風(fēng)的入塔溫度(又稱進(jìn)風(fēng)溫度)越高，帶入的總熱量就越高，單位質(zhì)量的熱風(fēng)傳遞給泥漿霧滴的熱量就越多，單位熱風(fēng)所蒸發(fā)的水分也越多。在生產(chǎn)能力恒定不變的情況下，熱風(fēng)管道及設(shè)備保溫效果好，減少非生產(chǎn)熱能損失，提高熱風(fēng)的利用率及熱效率，使噴霧造粒制粉達(dá)到最佳狀態(tài)。熱風(fēng)的進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)溫度差越大，產(chǎn)品的堆密度越大，溫差小需要的熱風(fēng)量大，所消耗的熱能就大，因此溫差不宜過大，入塔熱風(fēng)溫度不可過高(不超過600 ℃)，溫度太高也會(huì)燒壞塔頂分風(fēng)器，影響設(shè)備系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.5 制漿的含水率

1)降低漿料的含水率，造粒所需熱量就少，但是含水率低的泥漿流動(dòng)性又不好，流動(dòng)性差，霧化效果就差。為了解決這一矛盾，可加入合適的粘結(jié)劑或電解質(zhì)來調(diào)節(jié)漿料的流動(dòng)性，同時(shí)降低漿料的含水率。另外，提高漿料溫度可有效降低漿料粘度，改善漿料霧化性能，防止?jié){中的大顆粒堵塞霧化噴嘴。

2)霧化噴嘴的霧化角、噴射高度、噴槍角度都應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)。一般霧化噴嘴的霧化角(α)為90°～120°，噴射高度為4～4.5 m。噴槍角度保持在110°～120°之間，多噴嘴霧化注意噴嘴的孔徑的合理搭配，保證漿料霧化后與熱風(fēng)可以進(jìn)行充分的熱交換，確保形成球形、類球形顆粒，使造粒的顆粒級(jí)配達(dá)到正態(tài)分布。

3.6 控制系統(tǒng)的報(bào)警及保護(hù)措施

霧化系統(tǒng)的噴槍總程安裝有流量監(jiān)控報(bào)警，噴槍霧化堵塞時(shí)可發(fā)出報(bào)警，人工進(jìn)行干預(yù)處理，避免了人工巡檢噴槍堵塞的漏查等弊端。當(dāng)噴槍堵塞，故障報(bào)警，熱風(fēng)爐的燃燒器自動(dòng)調(diào)節(jié)燃料供給及配風(fēng)，故障解除后，自動(dòng)恢復(fù)。在排風(fēng)系統(tǒng)中安裝有風(fēng)力比例調(diào)節(jié)閥，閥門依據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)開啟大小，也可控制調(diào)節(jié)排風(fēng)溫度，確保造粒產(chǎn)品質(zhì)量，相比人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，運(yùn)行更穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

氧化鋁(Al2O3)陶瓷作為應(yīng)用最廣的一種陶瓷材料，伴隨著整個(gè)工業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步，呈現(xiàn)出極好發(fā)展前景：

1)生產(chǎn)裝備水平的快速提高，促進(jìn)了先進(jìn)陶瓷材料的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，提升了制粉造粒設(shè)備自動(dòng)化、成套化，有利地推動(dòng)了陶瓷行業(yè)整體水平的提高，同時(shí)在產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、清潔生產(chǎn)、環(huán)保化生產(chǎn)方面效果明顯。

2)造粒從半自動(dòng)到自動(dòng)化，產(chǎn)品質(zhì)量從低到較高，水平不斷提高，經(jīng)過了一個(gè)快速發(fā)展的過程。

3)工業(yè)化生產(chǎn)，不斷提高造粒設(shè)備的機(jī)械性能，降低了生產(chǎn)成本，保證了質(zhì)量，擴(kuò)大氧化鋁(Al2O3)陶瓷產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。