鋯鋁耐磨陶瓷研磨體在蒸壓加氣混凝土硅質(zhì)材料濕法連續(xù)磨的應(yīng)用初探

馮 斌 曾奕強(qiáng) 王京平 陳俊平 喬富東 張德強(qiáng) 林洪慶 任憲德 鄧大進(jìn) 張仲明 吳春裕 殷素紅

（1 佛山市陶瓷研究所集團(tuán)股份有限公司；2 佛山市恒益環(huán)保建材有限公司)(3 華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

0 引言

據(jù)了解，目前應(yīng)用鋯鋁陶瓷研磨體應(yīng)用于蒸壓加氣混凝土粉磨料漿的制備國內(nèi)外尚無先例，基于佛山市恒益建材有限公司（以下簡稱“恒益建材”）本著促進(jìn)行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、低碳環(huán)保、提質(zhì)增效的目的和華南理工大學(xué)材料學(xué)院在粉體制備和陶瓷研磨體方面的探索研究及佛山市陶瓷研究所在陶瓷研磨體研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)，在恒益建材的主導(dǎo)下開展產(chǎn)學(xué)研合作，共同促成本項(xiàng)目研究性開發(fā)。

1 現(xiàn)有粉磨體系技術(shù)難題

恒益建材擁有一條年產(chǎn)30 萬立方蒸壓加氣混凝土先進(jìn)生產(chǎn)線，目前硅質(zhì)砂粉體料漿的制備采用傳統(tǒng)的球磨機(jī)研磨體系。目前生產(chǎn)中存在如下技術(shù)難題：

⑴研磨體裝載量大、磨機(jī)負(fù)荷高、電耗高、橡膠襯板磨損快，動力和材料成本高。

⑵研磨體比重大，沖擊與研磨噪音大和料漿溫度高，產(chǎn)生環(huán)保和工藝難控制等問題。

針對該技術(shù)難題，恒益建材將現(xiàn)有三臺φ1.83×7m 磨機(jī)中的一臺采用新型陶瓷研磨體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，另外兩臺仍采用傳統(tǒng)的研磨方式生產(chǎn)，進(jìn)行平行比較，為蒸壓加氣混凝土生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、低耗、節(jié)能取得技術(shù)突破。

2 項(xiàng)目實(shí)施的理論支持

⑴硬度對比分析

硅質(zhì)砂的莫氏硬度為5～6，低于高鉻鋼鍛（7）和鋯鋁陶瓷研磨體（9），用鋯鋁陶瓷研磨體置換含鉻鋼鍛研磨硅質(zhì)砂理論上是可行的。

⑵應(yīng)用鋯鋁陶瓷研磨體節(jié)能機(jī)理

①負(fù)荷下降：球磨機(jī)裝載量減少、整體負(fù)荷下降，球磨機(jī)功率減少。

②重心上移：填充率增加，研磨體整體重心上移，在球磨機(jī)帶球高度不變的情況下克服重力做功減少。

③溫度降低：因陶瓷研磨體做功機(jī)理不同，磨內(nèi)溫度下降，減少了電能轉(zhuǎn)化為熱能的能量損失。

④流速加快：堆積密度較為松散，物料流速變快，減少阻力。

3 粉磨系統(tǒng)配置

球磨機(jī)配置參數(shù)（見表1）。

4 項(xiàng)目應(yīng)用分析與研究

4.1 研磨體的選型

鋯鋁陶瓷研磨體引入微量元素鋯改性增韌，利用相變增韌，形成多晶結(jié)構(gòu)（見圖1），強(qiáng)度和韌性提高，耐磨性好，使陶瓷研磨體的抗沖擊韌性能力大幅度提高，碎球率較低，因此該項(xiàng)目選擇鋯鋁陶瓷研磨體。

表1 磨機(jī)配置

圖1 2K 倍SEM 電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)

4.2 級配方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

從使用含鉻鋼鍛存在的技術(shù)難題出發(fā)，結(jié)合磨機(jī)配置情況及工藝需求，級配方案的設(shè)計(jì)選用鋯鋁陶瓷研磨體，前后共設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案6 組，研究優(yōu)化最佳級配方案，以求效果最佳化（見表2）。

4.3 出磨篦板的設(shè)計(jì)加裝

應(yīng)用前磨尾出料端為中空模式，沒有篦板。考慮到鋯鋁陶瓷研磨體比重約為含鉻鋼鍛的一半，要保持磨機(jī)臺時(shí)不降產(chǎn)或少降產(chǎn)，置換后就要適度加大填充率，為避免填充率的增高造成物料和研磨體從中空部分溢出，影響產(chǎn)品質(zhì)量和研磨體的研磨效率，在置換中將磨尾設(shè)計(jì)孔徑為5mm 的沖孔篦板進(jìn)行加裝，見圖2。

4.4 入磨原料的預(yù)處理

在砂場進(jìn)行砂的預(yù)處理，減少砂中大塊及布條、木塊類雜物，提高研磨體的做功效率。

圖2 應(yīng)用前后磨尾出磨篦板對比

4.5 置換應(yīng)用研究與分析

研究內(nèi)容：在保證產(chǎn)品質(zhì)量不變的情況下使磨機(jī)臺時(shí)產(chǎn)量不減產(chǎn)或少減產(chǎn)，同時(shí)能節(jié)能降耗，減少研磨體消耗。

結(jié)果顯示：6 種方案都是在保證粉磨產(chǎn)品質(zhì)量不變的情況下比較：當(dāng)研磨體的填充率相等時(shí)，鋯鋁陶瓷研磨體的裝載量僅為原鋼鍛的38.6%，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)，臺時(shí)產(chǎn)量降幅較大（21%）且球耗也偏高。為限制減產(chǎn)，在優(yōu)化級配的同時(shí)逐步提高填充率，臺時(shí)產(chǎn)量隨之升高，電耗和球耗均有變化，在填充率達(dá)到43.6%時(shí)，在產(chǎn)量較高的同時(shí)電耗和球耗也達(dá)到最優(yōu)。

通過級配方案優(yōu)化和生產(chǎn)實(shí)踐對比，鋯鋁陶瓷研磨體在節(jié)能降耗方面均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，綜合分析，方案5 在臺產(chǎn)、電耗、球耗綜合使用效果最佳（見圖5 和圖6），后續(xù)調(diào)試優(yōu)化圍繞方案5 進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4.6 應(yīng)用效果

⑴節(jié)能降耗：應(yīng)用陶瓷研磨體能夠降低磨機(jī)研磨體裝載量38%以上，磨主電機(jī)電流降低60A（300A 降至240A），粉磨每噸砂節(jié)電33%以上，電耗降低5.75KWh/t砂，節(jié)能效果顯著（見圖5 和圖6）。

⑵高效研磨：應(yīng)用陶瓷研磨體，在研磨體裝載量降低、主機(jī)負(fù)荷下降的情況下，臺時(shí)略有增長（見圖5），體現(xiàn)出鋯鋁陶瓷研磨體研磨效率高的優(yōu)勢。

⑶提質(zhì)增效：應(yīng)用陶瓷研磨體，產(chǎn)品顆粒形貌以球形顆粒為主，成品顆粒組成更加連續(xù)，有利于后期蒸壓加氣混凝土澆注及發(fā)泡作業(yè)順利進(jìn)行，改善了產(chǎn)品性能，強(qiáng)度的增進(jìn)率提高。（見圖3 和圖4）

表2 級配方案優(yōu)化篩選

圖3 不同磨機(jī)粉磨產(chǎn)品粒度分布

圖4 不同研磨體磨制的硅質(zhì)材料的形貌電鏡掃描SEM 對比

平均徑、D50 中位粒徑、D90、比表面積等是粉體材料的重要特征參數(shù)，從圖3 顯示數(shù)據(jù)都表明114#磨機(jī)砂漿產(chǎn)品顆粒明顯細(xì)于另外兩臺磨；從區(qū)間分布曲線上看，114#相比115#和116#分布更加連續(xù)、均勻，且中值和最頻值分布曲線重疊，另兩臺磨機(jī)兩曲線峰值均偏離左側(cè)。說明用陶瓷研磨體磨制成的砂漿產(chǎn)品顆粒細(xì)而均勻。

從不同放大倍數(shù)的電鏡掃描圖片比較分析，使用陶瓷研磨體磨制的砂漿和使用含鉻鋼鍛磨制的砂漿相比，都有相同規(guī)律：陶瓷研磨體磨制的產(chǎn)品的球形度比較好，且產(chǎn)品的粒徑也比較細(xì)。

⑷耐磨低碎：陶瓷研磨體的莫氏硬度為9.0，僅次于金剛石，耐磨抗碎（見圖5 和圖6）。

⑸綠色環(huán)保：鋯鋁陶瓷研磨體研磨效果好，無機(jī)材質(zhì)自發(fā)熱小，且導(dǎo)熱系數(shù)小，料漿溫度可降低5℃左右，夏季降溫效果尤為明顯；磨機(jī)噪音降低3db 左右，且不含六價(jià)鉻，改善環(huán)境。鋯鋁陶瓷研磨體從原材料、生產(chǎn)、應(yīng)用全生命周期內(nèi)清潔環(huán)保、粉塵小，熱利用率高，碳排放低，無六價(jià)鉻，工人作業(yè)環(huán)境好，綠色環(huán)保無公害。

圖5 應(yīng)用前后各參數(shù)對比

圖6 應(yīng)用前后變化對比

⑹減負(fù)耐用：鋯鋁陶瓷研磨體質(zhì)輕，置換含鉻鋼鍛后，裝載量明顯降低，對磨機(jī)橡膠襯板撞擊磨損小，磨主電機(jī)及減速機(jī)運(yùn)行負(fù)荷下降，壽命顯著提高

⑺性能提高：由于磨細(xì)后的硅砂比表面積增加5.8%，導(dǎo)致出釜抗壓強(qiáng)度上升11.76%（見表3）。

表3 不同研磨體研磨產(chǎn)品對比

5 項(xiàng)目應(yīng)用效益分析

年產(chǎn)30 萬立方蒸壓加氣混凝土生產(chǎn)線年用砂約12 萬t，平均電價(jià)按0.8 元/KWh 計(jì)，襯板每副10 萬元，人工拆卸：1 萬元（其他參數(shù)見表3），則單臺磨機(jī)應(yīng)用鋯鋁陶瓷研磨體的效益如下。

⑴年節(jié)電效益：（12 萬t÷3）×5.75KWh/t×0.8 元/KWh=18.4 萬元；

⑵年節(jié)省襯板效益：（10 萬元+1 萬元）÷2=5.5 萬元；

⑶間接效益：磨機(jī)總裝載量下降，磨機(jī)軸承、減速機(jī)、主電機(jī)等設(shè)備承載力降低，損耗下降，延長設(shè)備使用壽命；

⑷環(huán)保效益：降溫減噪、無六價(jià)鉻公害，促進(jìn)低碳環(huán)保、職業(yè)健康和終端客戶人身健康；

⑸質(zhì)量效益：提質(zhì)增效，因?yàn)榱蠞{溫度的同比下降和比表面積的增加，澆注溫度可有效地控制，工藝保障系數(shù)提高，水化反應(yīng)質(zhì)量提升，使得硅鈣水化反應(yīng)更加充分，可縮小坯體上中下層容重和強(qiáng)度的梯度，產(chǎn)品的耐久性增強(qiáng)、收縮及導(dǎo)熱系數(shù)降低，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)提高效益。

⑹社會效益：目前在國內(nèi)蒸壓加氣混凝土行業(yè)還沒有使用鋯鋁耐磨陶瓷研磨體磨制砂漿的先例，該技術(shù)革新了蒸壓加氣混凝土行業(yè)料漿研磨新思路，將引領(lǐng)行業(yè)粉磨新思考，推動行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

6 置換應(yīng)用總結(jié)與展望

該項(xiàng)目的成功實(shí)踐表明，鋯鋁陶瓷研磨體應(yīng)用于硅質(zhì)砂蒸壓加氣混凝土料漿體系是是可行的，能夠有效改善環(huán)境和產(chǎn)品質(zhì)量，有效的實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)，節(jié)能、節(jié)材，降本增效。該技術(shù)創(chuàng)新，屬于新技術(shù)、新工藝、新材料的技術(shù)范疇，是屬于加氣混凝土行業(yè)中研磨體系的一個重要變革，一個年產(chǎn)30 萬立方米蒸壓加氣混凝土的企業(yè)，年可節(jié)電70 萬度，僅節(jié)電成本約70萬元，全國類似規(guī)模的企業(yè)約有千家，僅節(jié)電成本約7億元，社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。而且在陶瓷、水泥、礦產(chǎn)、化工等行業(yè)的粉體加工都有應(yīng)用，具有廣闊的前景。