鋯鋁耐磨陶瓷研磨體在蒸壓加氣混凝土硅質材料濕法連續磨的應用初探

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

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

0 引言

據了解，目前應用鋯鋁陶瓷研磨體應用于蒸壓加氣混凝土粉磨料漿的制備國內外尚無先例，基于佛山市恒益建材有限公司（以下簡稱“恒益建材”）本著促進行業實現節能降耗、低碳環保、提質增效的目的和華南理工大學材料學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、生產和應用方面的經驗，在恒益建材的主導下開展產學研合作，共同促成本項目研究性開發。

1 現有粉磨體系技術難題

恒益建材擁有一條年產30 萬立方蒸壓加氣混凝土先進生產線，目前硅質砂粉體料漿的制備采用傳統的球磨機研磨體系。目前生產中存在如下技術難題：

⑴研磨體裝載量大、磨機負荷高、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，產生環保和工藝難控制等問題。

針對該技術難題，恒益建材將現有三臺φ1.83×7m 磨機中的一臺采用新型陶瓷研磨體進行實驗，另外兩臺仍采用傳統的研磨方式生產，進行平行比較，為蒸壓加氣混凝土生產實現環保、優質、低耗、節能取得技術突破。

2 項目實施的理論支持

⑴硬度對比分析

硅質砂的莫氏硬度為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砂理論上是可行的。

⑵應用鋯鋁陶瓷研磨體節能機理

①負荷下降：球磨機裝載量減少、整體負荷下降，球磨機功率減少。

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理不同，磨內溫度下降，減少了電能轉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 粉磨系統配置

球磨機配置參數（見表1）。

4 項目應用分析與研究

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，形成多晶結構（見圖1），強度和韌性提高，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，因此該項目選擇鋯鋁陶瓷研磨體。

表1 磨機配置

圖1 2K 倍SEM 電鏡掃描微觀結構

4.2 級配方案的設計與優化

從使用含鉻鋼鍛存在的技術難題出發，結合磨機配置情況及工藝需求，級配方案的設計選用鋯鋁陶瓷研磨體，前后共設計和優化方案6 組，研究優化最佳級配方案，以求效果最佳化（見表2）。

4.3 出磨篦板的設計加裝

應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，要保持磨機臺時不降產或少降產，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，影響產品質量和研磨體的研磨效率，在置換中將磨尾設計孔徑為5mm 的沖孔篦板進行加裝，見圖2。

4.4 入磨原料的預處理

在砂場進行砂的預處理，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 應用前后磨尾出磨篦板對比

4.5 置換應用研究與分析

研究內容：在保證產品質量不變的情況下使磨機臺時產量不減產或少減產，同時能節能降耗，減少研磨體消耗。

結果顯示：6 種方案都是在保證粉磨產品質量不變的情況下比較：當研磨體的填充率相等時，鋯鋁陶瓷研磨體的裝載量僅為原鋼鍛的38.6%，在實現節能的同時，臺時產量降幅較大（21%）且球耗也偏高。為限制減產，在優化級配的同時逐步提高填充率，臺時產量隨之升高，電耗和球耗均有變化，在填充率達到43.6%時，在產量較高的同時電耗和球耗也達到最優。

通過級配方案優化和生產實踐對比，鋯鋁陶瓷研磨體在節能降耗方面均表現出明顯優勢，綜合分析，方案5 在臺產、電耗、球耗綜合使用效果最佳（見圖5 和圖6），后續調試優化圍繞方案5 進行優化調整。

4.6 應用效果

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

⑵高效研磨：應用陶瓷研磨體，在研磨體裝載量降低、主機負荷下降的情況下，臺時略有增長（見圖5），體現出鋯鋁陶瓷研磨體研磨效率高的優勢。

⑶提質增效：應用陶瓷研磨體，產品顆粒形貌以球形顆粒為主，成品顆粒組成更加連續，有利于后期蒸壓加氣混凝土澆注及發泡作業順利進行，改善了產品性能，強度的增進率提高。（見圖3 和圖4）

表2 級配方案優化篩選

圖3 不同磨機粉磨產品粒度分布

圖4 不同研磨體磨制的硅質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，從圖3 顯示數據都表明114#磨機砂漿產品顆粒明顯細于另外兩臺磨；從區間分布曲線上看，114#相比115#和116#分布更加連續、均勻，且中值和最頻值分布曲線重疊，另兩臺磨機兩曲線峰值均偏離左側。說明用陶瓷研磨體磨制成的砂漿產品顆粒細而均勻。

從不同放大倍數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，都有相同規律：陶瓷研磨體磨制的產品的球形度比較好，且產品的粒徑也比較細。

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綠色環保：鋯鋁陶瓷研磨體研磨效果好，無機材質自發熱小，且導熱系數小，料漿溫度可降低5℃左右，夏季降溫效果尤為明顯；磨機噪音降低3db 左右，且不含六價鉻，改善環境。鋯鋁陶瓷研磨體從原材料、生產、應用全生命周期內清潔環保、粉塵小，熱利用率高，碳排放低，無六價鉻，工人作業環境好，綠色環保無公害。

圖5 應用前后各參數對比

圖6 應用前后變化對比

⑹減負耐用：鋯鋁陶瓷研磨體質輕，置換含鉻鋼鍛后，裝載量明顯降低，對磨機橡膠襯板撞擊磨損小，磨主電機及減速機運行負荷下降，壽命顯著提高

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

表3 不同研磨體研磨產品對比

5 項目應用效益分析

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

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

⑵年節省襯板效益：（10 萬元+1 萬元）÷2=5.5 萬元；

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

⑷環保效益：降溫減噪、無六價鉻公害，促進低碳環保、職業健康和終端客戶人身健康；

⑸質量效益：提質增效，因為料漿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，工藝保障系數提高，水化反應質量提升，使得硅鈣水化反應更加充分，可縮小坯體上中下層容重和強度的梯度，產品的耐久性增強、收縮及導熱系數降低，進一步提高產品質量，可以實現優質優價提高效益。

⑹社會效益：目前在國內蒸壓加氣混凝土行業還沒有使用鋯鋁耐磨陶瓷研磨體磨制砂漿的先例，該技術革新了蒸壓加氣混凝土行業料漿研磨新思路，將引領行業粉磨新思考，推動行業的技術進步。

6 置換應用總結與展望

該項目的成功實踐表明，鋯鋁陶瓷研磨體應用于硅質砂蒸壓加氣混凝土料漿體系是是可行的，能夠有效改善環境和產品質量，有效的實現了高產、優質、高效生產，節能、節材，降本增效。該技術創新，屬于新技術、新工藝、新材料的技術范疇，是屬于加氣混凝土行業中研磨體系的一個重要變革，一個年產30 萬立方米蒸壓加氣混凝土的企業，年可節電70 萬度，僅節電成本約70萬元，全國類似規模的企業約有千家，僅節電成本約7億元，社會經濟效益顯著。而且在陶瓷、水泥、礦產、化工等行業的粉體加工都有應用，具有廣闊的前景。