陶瓷粉體連續輥壓成型研究

徐春雷

摘 要：針對陶瓷粉體連續輥壓成型技術，本文分析了連續輥壓成型結構組成及原理，討論了粉體在輥壓過程中的流動與變形，研究了粉體輥壓成型得以進行的咬入必要條件及保證粉體對咬入壓制區的連續供給條件。開發的小型陶瓷連續輥壓成型機壓制出磚坯經燒制表明該技術比傳統陶瓷壓制成型技術優勢較顯著。

關鍵詞：陶瓷粉體;輥壓;成型

1 引 言

目前陶瓷大板及巖板在陶瓷行業異?；馃幔沟锰沾纱蟀宓某尚驮O備越來受到關注，由于輥壓成型機與傳統壓機相比具有加工制造方便、使用壽命長、生產過程穩定可靠、成型速度快、表面裝飾容易、坯體致密度高、分布均勻、成型精度高、節能45%以上、揚塵少、設備結構簡單、便于維護等優點。不僅如此，輥壓成型機更易于生產大規格或超大規格瓷磚、薄板磚或超薄磚，這是傳統模壓成型無法比擬的。

目前陶瓷連續輥壓成型設備有意大利薩克米Continua+系列壓機及科達Extenller1600大板輥壓成型系統。[1]輥壓成型是對陶瓷壓制成型工藝的重大突破，必將催生國內陶企對陶瓷磚輥壓成型的技術探索與創新。

2 連續輥壓成型結構組成及原理

連續輥壓成型包含輸送帶、環形模、主壓輥、輔壓輥、保壓釋放機構、上下壓實帶。（圖1）輸送帶將厚度均勻的粉體沿A方向輸送，[7]其中壓實段由上壓實帶和下壓實帶組成，上下壓實帶相互配合將陶瓷粉體壓實成陶瓷帶材，使得該陶瓷粉體帶材通過設置在上下壓實帶之間的傳送帶，并沿著平行于下壓實帶的前進方向向前輸送，上、下壓實帶分別卷繞在一對輥上，主動輥由馬達驅動。[7]為保證粉體向前推動的粉體層在寬度方向上具有幾乎恒定的厚度，以確保在出口處向前推進的壓實層可能具有均勻表觀密度，需要在壓實段的上游設置側向環形模，這些環形模通常包括一對平行邊，該平行邊固定在輸送面上的固定位置。[7]成型過程中，陶瓷粉體帶材首先通過一個粉體咬入壓制區，在粉體咬入壓制區中，首先施加的壓力從從小逐漸增大，粉體在漸變擠壓過程中將粉體中空氣排出，從而對粉體進行有效漸變擠壓，粉體的厚度逐漸減小，逐漸將粉體壓實形成具有一定強度坯體，再通過一個位于粉體咬入壓制區的坯體保壓釋放區，通過坯體保壓釋放區可通過對上述已壓制好坯體保壓壓制，以進一步增強坯體的密度均勻性及力學性能，然后通過逐漸減小施加的壓力，使已經壓實坯體可控回彈延展，避免或減少裂縫或裂紋的形成。隨后，對坯體邊緣進行修整，并把坯體切割成需要的規格大小，根據需要進行表面裝飾，然后送入窯爐進行燒制形成瓷磚。也可將已經裝飾好的粉體帶材通過輥壓成型機壓制成坯體，切割好的坯體被送入窯爐進行燒制形成瓷磚。

3 粉體在輥壓過程中的流動與變形

粉體在輥壓成型時，上、下壓實帶在驅動機構作用下連續轉動，由于摩擦力作用，粉體被送入上、下壓實帶的縫隙中，被連續轉動的上、下壓實帶連續擠壓，并在輔壓輥、主壓輥及保壓釋放機構的作用下，將粉體壓實形成坯體。上、下壓實帶間的粉體壓實過程可劃分為三個區域（圖2）：

A區-粉體修平裝飾區：粉體在輸送帶或下壓實帶的轉送下，依靠粉體間的摩擦力，向既定方向運動，該過程中可將粉體修平，以保證粉體壓制均勻，并且可在其上、下表面進行裝飾。

B區-粉體咬入壓制區：粉體受下壓實帶送入兩壓實帶間的縫隙，（上、下壓實帶的速度一樣即V=V0）縫隙越來越窄;上壓實帶與下壓實帶呈一定的夾角Ф1，Ф1>0且Ф1逐漸減小，圖2表明粉體上中下兩水平方向的移動速度不一，下層粉體的水平方向的移動速度V大于皮帶沿水平方向速度分量V0×COSФ1，陶瓷粉體在咬入壓實區由靠近下壓實帶沿運行方向進行擠壓，粉體層之間有相對滑動，產生內摩擦，粉體在上壓實帶的摩擦力和內摩擦力作用下向下并向前移動;同時將粉體間的氣體沿皮帶運行方向的反方向排出。隨著粉體不斷向前移動，受到的壓力也逐漸增大，粉體內的空隙逐步減小，顆粒間形成了一定的聯接，粉體開始被壓縮。粉體在壓制壓力下被壓緊，顆粒發生了顯著的變形甚至碎裂，顆粒接觸面積顯著增大，孔隙率顯著減小，顆粒間的聯接強度顯著提高，從而形成具有一定強度的坯體。

C區-坯體保壓釋放區：輥壓成型的坯體受到保壓釋放機構的作用，且坯體上、中、下層水平速度相等，坯體內部無相對運動，對坯體進行保壓，使壓力能夠傳遞到坯體一定深度，使坯體致密度更加均勻，增強坯體的強度及韌性。坯體經過保壓后，沿皮帶運行方向坯體受到的壓力不斷減小，坯體發生回彈，坯體厚度增加，與坯體接觸的上壓實帶與下壓實帶呈一定的夾角Ф2，Ф2逐漸增加。圖2表明粉體水平方向的移動速度V大于皮帶沿水平方向速度分量V0×COSФ1，坯體受到拉應力而被延展，坯體受到的拉應力與Ф2呈正相關的關系，在此過程中需要嚴格控制上壓實帶與下壓實帶夾角Ф2的變化，使坯體的強度大于坯體所受的拉應力。加之坯體所受的壓力在逐漸減小，坯體因內壓力釋放而膨脹。通過控制坯體的延展與坯體膨脹之間的關系，從而避免坯體產生裂紋或層裂，以保證坯體的完整性。

4 咬入條件

粉體輥壓成型得以進行的必要條件是粉體能被穩定的送入上、下壓實帶的縫隙中。輥壓成型中，下壓實帶輸送粉體進入咬入壓制區屬于強制供給，貼近下壓實帶處粉體基本上處于相對下壓實帶靜止狀態，而由于上壓實帶傾斜，粉體的速度發生變化，與皮帶接觸面速度變化最大，在咬入區內貼近上壓實帶曲面上取一微小粉體單元（圖2），該體積單元所受到的力有：

粉體單元的自重（mg）;

輥壓成型輥對粉體單元的壓力（F）;

下層粉體對該單元的支撐力（f）;

周圍粉體對該粉體單元體積的作用合力可視為摩擦力（μ1×f）;

粉體單元與壓實帶表面之間的摩擦力（μ2×F）;

咬入的驅動力，使得粉體由粉體修平裝飾區進入咬入壓制區的力，粉體單元水平方向的合力：

μ2×F×cos（Ф）-μ1×f-F×sin（Ф）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

[[6]它是粉體被咬入（即進入輥縫）的驅動力。該力有三種可能的情況，討論如下：小于零，表明該粉體單元會相對上壓實帶向后滑移，在接口處會堆積粉體，表明上壓實帶的傾角過大，會破壞上表面裝飾效果。等于零，表明粉單元水平方向不會相對移動。大于零，表明該粉體單元會相對上壓實帶向前滑移，粉體向前擠壓。粉體在咬入點理想狀態為相對上壓實帶不會移動，即：

咬入點粉體水平方向的合力為零。得：

μ2×F×cos（Ф）-μ1×f-F×sin（Ф）=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

由于壓制過程可以近視為勻速得：

mg+F×cos（Ф）+μ2×F×sin（Ф）=f? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

由于壓制過程中，輥壓成型輥對粉體的徑向壓力（F）與下層粉體對該單元的支撐力（f）均遠大于粉體單元的自重（mg），故可以將粉體單元的自重（mg）忽略不計，經推導簡化得 ：

其中：μ1為粉體與壓實帶之間滑動的摩擦因數，μ2為粉體之間的摩擦因數。由式（4）相等時得到的角度Ф稱為咬入角，由式（4）可以看出：上壓實帶的傾斜角只與粉體與壓實帶之間滑動的摩擦因數和粉體之間的摩擦因數有關，式（4）就是是咬入的基本條件。

當粉體單元所處的位置滿足式（4）時，能被壓實帶咬入，并與輸送帶一起向前移動，此時已進入粉體壓制區。

5 連續輥壓成型的條件

前面提到的粉體咬入條件，保證了粉體能被穩定的送入上、下壓實帶之間的縫隙中，與咬入區以外的粉體能否進入咬入壓制區沒有關系。[6]但要實現連續輥壓成型，還必須保證粉體對咬入壓制區的連續供給。[6]設輥壓斷面尺寸為板狀的型坯，板坯的厚度、寬度和密度分別為h、b和ρ2，板坯的成型速度為V2;同時，粉體修平裝飾區不斷有粉體進入，咬入壓制區的入口矩形截面長、寬各為H、B，此處粉體的密度和向前速度分別為ρ1和V1。[6]在連續輥壓條件下，單位時間進入咬入壓制區的粉體的質量數應當等于出坯質量數（圖2）：

H×B×ρ1×V1=h×b×ρ2×V2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

定義：

咬入厚度，兩輥壓成型對應于咬入角處的間隙寬度（H）。

壓制系數，輥壓成型變形前咬入厚度與輥壓成型板坯的厚度之比。壓制系數相當于前面的壓縮比：ε=H/h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 延伸系數，板坯輥壓成型出坯速度與粉體進入咬入區的速度之比：λ= V2/V1

壓實系數，板坯的密度與進入咬入區的粉體的密度之比：Z=ρ2/ρ1

實際輥壓成型時，由于受到環形模的限制，板坯的寬展幾乎沒有，可認為B≈b。由于進料速度與成型總速度均等于上、下壓實帶的總速度，故而V2=V1。故式（5）可改寫為：

H/h= ρ2/ρ1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

利用上面新引入的概念，連續輥壓成型條件又可簡化為：

ε=Z? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

由上式可得h=（ρ1×H）/ρ2，而的最大值是一定的。

因此，連續輥壓條件為坯體入口粉體高度H值應在（（ρ2min×h）/ρ1，（ρ2max×h）/ρ1）之間，其中表示壓實后坯體可形成的最大密度，表示壓實后坯體可形成的最小密度。否則坯體會出現開裂或強度、密度不夠而無法連續壓制成型所需要的坯體。

6 結 論

經過本人設計研發的小型輥壓機連續壓制出磚坯，并經切割成小磚后燒制成功，連續輥壓成型工藝的穩定，壓制工位少，噪音小，且無揚塵，功率小，結構簡單等，能夠滿足連續生產的要求，且經過連續輥壓成型壓制燒成的瓷磚比傳統壓制成型的瓷磚有更低的吸水率、更高的破壞強度及斷裂模數、表面光澤度更好（圖3）（圖4）。

參考文獻

[1] 李邵勇.曹飛.梁飛峰.Extenller1600大板輥壓成型系統的結構創新和工作原理[J].佛山陶瓷.2019（5）23-27.

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[4] 于世超.李輝.丁松雄.郭捷.王斌.王錦.兩種不同工藝制備陶瓷磚坯體粉體的物理性能[J].西安建筑科技大學材料與礦資學院.2013.32（5）：961-961.

[5] 王周福.粉體工程[M].武漢科技大學.2006.

[6] 吳成義.張麗英.[M]粉體成型力學原理.冶金工業出版社.2003.

[7] 薩克米伊莫拉機械合作社.200510129630.X.中文專利全文數據庫.2005.

[8] 薩克米伊莫拉機械合作社.201280049528.7.中文專利全文數據庫.2012.