無機硅造粒裝置的研制與改進

王敬偉，紀發達(山東龍港硅業科技有限公司，山東 濰坊 261300)

0 引言

目前，在工業生產中，無機硅是一種重要的材料，無機硅主要包括二氧化硅、硅酸鈉、偏硅酸鈉、原硅酸鈉等含硅無機物。無機硅化物被廣泛應用于輕工、印染、造紙、機械鑄造、建材、涂料、橡膠、塑料、牙膏、農藥、醫藥、飼料、食品、石油化工、紡織、催化劑、洗滌劑等行業，是無機鹽工業重要的行業之一。

造粒裝置是一種將物料制造成特定形狀的機械設備，廣泛應用于化工、醫藥、食品等領域。目前市場上的無機硅造粒裝置，在使用過程中，電機和減速機主要以皮帶傳動，對皮帶沒有任何保護，在裸露的情況下運轉，容易出現皮帶磨損和脫落的情況，使造粒裝置運行的穩定性不夠，且存在造粒產出低、顆粒成型度差、造粒速度慢、操作工序繁多等諸多問題。

1 造粒裝置的研究及改進

運用濕法造粒生產具有污染少、高產、高效等優點，在工業生產中獲得了有效應用，并發揮了顯著的效果[1]。現有的造粒裝置一般是圓盤造粒機和滾筒造粒機，結構一般包括具有出料口和加料口的容器，容器內設置有攪拌槳或者容器本身可以滾動，同時容器設置有液體物料噴頭。工作時，容器內預先放入晶種，開啟液體物料噴頭，同時開啟攪拌槳或滾動容器本身，液體物料與晶種混溶結晶固化，而在攪拌槳或滾動容器的攪拌、撞擊作用下，形成固態晶粒聚集體，當晶粒在容器中的存量達到一定程度，就利用出料口將晶粒導出。

在上述結構造粒裝置的基礎上，我們充分認識到：非連續造粒時，容器應該具有容納固體物料的能力，且使固體物料無法流出，以對其充分攪拌；連續造粒時，也使固體物料在容器內存留盡可能長的時間，一般為5～60 min；攪拌槳的轉速必須高，才能將固態晶粒聚集體充分打散，形成小粒徑的顆粒。

基于以上幾點技術認識，現階段的造粒過程過于復雜，機械龐大，占地面積大，增加了制造成本。加工物料時，物料處理的不夠徹底，不利于造粒，為人們工作人員帶來較多麻煩，在造粒過程中容易出現堵塞的情況，而一旦出現堵塞時，必須要整個設備停機疏通后才能繼續運行，降低了生產的效率，浪費了人力物力，且出料量有限、成品率較低。現有的無機硅造粒裝置在結構上很難得到進一步的改進，也就是說，傳統造粒設備的能耗很難降低，生產的偏硅酸鈉類無機硅產品質量也難以提高。改進后，提高了造粒產品的質量和產量，效果良好[2]。

1.1 新研制的無機硅造粒裝置

新研制的無機硅造粒裝置包括用以盛裝固體物料的料槽，料槽內設有攪拌裝置，攪拌裝置安裝于料槽內部，至少有兩根攪拌槳，攪拌軸連接有驅動電機，料槽的開口上方設有料液噴頭，料槽的外壁設置有水冷夾層，出料邊沿連接有出料斜板，料槽安裝于支架上，且底部的一側設置有旋轉支撐。

如圖1所示，一種無機硅造粒裝置，包括料槽、攪拌裝置、和噴頭，料槽安裝于支架上，且底部的一側設置有旋轉支撐，該旋轉支撐包括絲杠、液壓桿、氣壓桿等可伸縮支撐桿，一般采用絲杠，絲杠可以伸縮，從而能夠對料槽的傾斜角度進行微調；料槽為U型槽，具有盛裝固體物料的槽腔，固體物料在槽腔內盛滿后會溢出，溢出物料的一側稱之為出料邊沿，在出料邊沿連接有出料斜板，以利于固體物料的導出，料槽的外部設置有水冷夾層，利于內部物料的結晶；攪拌裝置安裝于所述料槽內部，用來攪拌翻動料槽內的固體物料，攪拌裝置一般包括安裝于所述料槽內部的兩根攪拌槳，兩根攪拌槳均具有轉動安裝的攪拌軸和安裝于攪拌軸上的攪拌葉片，兩根攪拌軸平行并排安裝于所述料槽內，并且都連接有動力電機(圖中未示出)，在工作時靠近料槽出料邊沿一側的攪拌軸8的轉速高于另一側攪拌軸的轉速，且附圖中靠近料槽出料邊沿一側的攪拌軸順時針旋轉，而靠近所述料槽出料邊沿一側的攪拌軸8逆時針旋轉；噴頭設置于料槽的開口上方，用以向所述料槽內噴射液體物料。

圖1 一種無機硅造粒裝置

與傳統設備的區別在于：(1)料槽設有利于內部固體物料溢出的傾斜角度，其角度為25～35°，利于內部固體物料傾倒的角度是指料槽的開口會朝向一側傾斜，利于料槽內部的固體物料流出，而這個傾斜的角度則為25～35°；(2)水冷夾層內通入冷凝水為料槽內的物料降溫，利于液體物料結晶；(3)兩根攪拌軸的旋轉方向相反，且相對旋轉，靠近所述料槽出料邊沿一側的攪拌槳會給固體物料施加一個翻向槽內的力，而遠離所述料槽出料邊沿一側的攪拌槳會給固體物料施加一個向槽外溢出的力，兩根攪拌軸中，靠近所述料槽出料邊沿一側的攪拌軸與另一側攪拌軸的轉速比在1.3∶1～2.1∶1之間；(4)旋轉支撐包括絲杠、液壓桿、氣壓桿等可伸縮支撐桿，利于調節料槽的傾斜角度。

新研制的無機硅造粒裝置有益效果如下：

(1)在設計本造粒裝置時，也曾沿用以前的技術構思，即：將料槽水平安裝，使料槽的側壁垂直于水平面，從而可以保證固體物料在料槽內存留盡可能長的時間，直至固體物料充滿料槽才會溢出。但是在使用料槽傾倒固體物料時意外發現：當設備工作時，料槽保持一個利于內部固體物料傾倒的角度，使之開口朝出料一側傾斜，尤其是該傾斜角度在25～35°時，具有幾點意料之外的效果：①固體物料在料槽內邊翻動邊向料槽出料邊沿轉移，從而液體物料噴射到固體物料表面時，不會出現固體物料與液體物料反復接觸的情況，每一個固體顆粒與液體物料接觸的概率大大提高，固體物料顆粒會非常接近圓珠狀，不容易形成大塊的固態晶粒聚 集體，提高了產品的質量；②由于設置該傾斜角度，固體物料更容易溢出，液體物料結晶速率更快，生產連續性更強，效率更高；③由于固體物料存在轉移現象，固體物料更易溢出，尤其在遠離料槽出料邊沿的一側攪拌槳阻力小，需要的功率也相應減小，從而降低了整套設備的能耗。

(2)在料槽的外壁設置有水冷夾層，水冷夾層內通入冷凝水為料槽內的物料降溫，利于液體物料結晶，提高了無機硅的結晶質量。

(3)在料槽內部設置有兩根攪拌槳，兩根攪拌槳旋轉方向相反，且遠離所述料槽出料邊沿一側的攪拌軸與另一側攪拌軸的轉速比在1∶1.3～1∶2.1之間，基于這種結構，料槽內的固體物料會受到旋轉方向相反的兩根攪拌槳的摩擦、撞擊，不會粘結成大塊聚集體，同時會進行有效的翻動并發生轉移，液體物料會均勻的噴灑到固體物料上，與之混合均勻，不易形成大塊的固態結晶體， 攪拌槳也因此不需要太高的轉速對形成的結晶體撞擊、剪切和粉碎，只起到攪拌的作用即可，遠離料槽出料邊沿一側的攪拌軸轉速一般在20～40 r/min就能滿足攪拌的需求。同樣的，降低了設備的能耗，提高了產品的質量。

(4)料槽安裝于支架上，且底部的一側設置有旋轉支撐，利用該旋轉支撐可以調節料槽的傾斜角度，實現對傾斜角度的微調。

1.2 改進后的造粒裝置

經長期使用后，對上述無機硅造粒裝置再次進行了改進，技術改進如下：

在料槽的出料口設有除鐵器，攪拌葉片上設有多個V形凸起，相鄰V形凸起之間設有多個通孔；攪拌葉輪的形狀為紡錘形，攪拌葉輪的表面設有多個錐形凸起部；料液噴頭改為螺旋噴頭，并且與料液螺旋噴頭相連通的料液管上設有溫度檢測器；在靠近出料口一側的料槽的槽體上設有溫度檢測器；料槽的形狀為U形，安裝在支架上，且料槽的底部一側設有旋轉支撐，如圖2所示。

圖2 改進后的無機硅造粒裝置

改進后的無機硅造粒裝置，如圖2所示，包括料槽1，料槽1內設有攪拌裝置，料槽1的開口上方設有料液螺旋噴頭2，料槽1的槽體外部設有冷卻夾套3；攪拌裝置包括平行設置的多個轉軸4(相鄰轉軸之間通過皮帶輪傳動連接)轉軸4沿軸向設有第一攪拌機構和第二攪拌機構，第一攪拌機構包括設置在轉軸上的轉盤5，轉盤5沿周向設有多個方形、扇形或梯形攪拌葉片6(攪拌葉片與轉盤焊接連接)，攪拌葉片6上設有V形凸起，相鄰V形凸起之間設有多個通孔；第二攪拌機構包括設置在轉軸上的攪拌框7(攪拌框和轉軸焊接連接)，攪拌框7上均勻設有多個紡錘形攪拌葉輪8(攪拌葉輪與攪拌框焊接連接)，且攪拌葉輪8的表面設有多個錐形凸起。其中料液噴頭2為料液螺旋噴頭，并且與料液螺旋噴頭相連通的料液管10上設有溫度檢測器11，并且在靠近出料口一側的料槽1的槽體上設有溫度檢測器12。

在造粒時，先將晶種預先放入料槽中，打開料液管上的電磁閥，料液管內的料液從螺旋噴頭噴出，同時開啟電機，在電機的作用下轉軸上設有的轉盤、轉盤上設有的攪拌葉片以及攪拌框、攪拌框上設有的攪拌葉輪在轉軸的作用下周向運動并對料槽內的物料進行攪拌混合，第一攪拌機構和第二攪拌機構協同對料槽內的物料進行均勻混合，并將成團物料進行分散，攪拌裝置按照15～20 r/min的轉速就可以將料槽內的物料混勻，并且料液與晶種形成的固態晶粒聚集體充分打散，形成小粒徑的顆粒。造粒過程中，通過料液管道上設有的溫度檢測器以及料槽槽體一側設有的溫度檢測器，可以隨時檢測造粒時液體物料溫度以及料槽內的溫度。

料槽1的出料口設有梯形除鐵器9(或方形)，除鐵器9的殼體設有進料口和出料口，殼體的內部活動設有與殼體形狀相適應的由磁鐵制作的吸鐵箱，吸鐵箱的箱體頂部和底部分別設有多個鐵性異物排出孔。吸鐵箱與殼體滑動連接，吸鐵箱9的兩側外壁上分別設有滑塊，殼體的兩側內壁上分別設有與滑塊相適配的滑道。晶粒從出料口進入除鐵器內，晶粒中含有的鐵性異物吸附在吸鐵箱內部，將吸鐵箱從殼體內滑出，鐵性異物從鐵性異物通孔中排出。

其中料槽1的形狀為U形，料槽1安裝在支架13上，且料槽1的底部一側設有旋轉支撐14，旋轉支撐14包括可伸縮的絲桿或氣壓桿，調整料槽的角度，使晶粒排出。

采用了上述改進后的有益效果是：

(1)攪拌裝置包括平行設置的多個轉軸，轉軸沿軸向設有第一攪拌機構和第二攪拌機構，第一攪拌機構包括設置在轉軸上的轉盤，轉盤沿周向設有多個攪拌葉片；第二攪拌機構包括設置在轉軸上的攪拌框，攪拌框上均勻設有多個攪拌葉輪。在造粒時，先將晶種預先放入料槽中，電機驅動轉軸轉動，轉軸上設有的轉盤、轉盤上設有的攪拌葉片以及攪拌框、攪拌框上設有的攪拌葉輪在轉軸的作用下周向旋轉并對料槽內的物料進行攪拌混合，第一攪拌機構和第二攪拌機構協同對料槽內的物料進行均勻混合，并將成團物料進行分散，攪拌裝置結構設計合理，攪拌裝置按照15～20 r/min的轉速就可以將料槽內的物料混勻，并且料液與晶種形成的固態晶粒聚集體充分打散，形成小粒徑的顆粒。

(2)料槽的出料口設有除鐵器，除鐵器包括殼體，殼體設有進料口和出料口，殼體內活動設有與吸鐵箱，吸鐵箱的箱體頂部和底部分別設有多個鐵性異物排出孔。造粒時一些鐵性異物的混入，除鐵器可以吸附晶粒中鐵性異物，有效解決鐵性異物的混入導致后續設備損壞，且影響產品質量這一技術問題。

(3)攪拌葉片上設有多個V形凸起，相鄰V形凸起之間設有多個通孔。在造粒過程中，攪拌葉片對料槽內的物料進行混合，V形凸起和通孔協同作用將成塊物料分散開，使物料混合更加均勻。攪拌葉輪的形狀為紡錘形，且攪拌葉輪的表面設有多個錐形凸起部。采用這一設計，更有助于將成團物料進行分散，形成小粒徑的顆粒。

(4)料液噴頭改為螺旋噴頭，并且與料液螺旋噴頭相連通的料液管上設有溫度檢測器。液體料溫度過高，導致晶種熔化，結晶受阻、二次結晶及多次結晶等問題，通過溫度檢測器可以隨時測定料液管內的料液的溫度，進而便于調控料液管內的料液溫度。

(5)在靠近出料口一側的料槽的槽體上設有溫度檢測器。通過溫度檢測器可以檢測料槽內物料的溫度，進而及時調整料槽內物料造粒時所需的適宜溫度。

2 結語

通過對造粒裝置進行設計、改進及優化，使造粒裝置不需要攪拌裝置高速旋轉可將物料混合均勻，避免固體物料與液體物料反復接觸，不容易形成大塊的固態晶粒聚集體，使顆粒更加圓潤，使造粒裝置的成球更加均勻，有效提升造粒裝置的生產效率及產品質量；設置的傾斜角度利于固體物料的溢出，出料快，生產連續性強，效率高；同時可降低整套裝置的能耗，增設的除鐵器、螺旋噴頭、溫度檢測器，還可以除去鐵性異物的干擾，防止晶種熔化，結晶受阻、二次結晶及多次結晶等問題，同時料液溫度可控，現場運行安全可靠，實現自動化控制。造粒裝置的創新與應用具有實用性、經濟型，且效益明顯，已獲得實際應用[3]。突破了現有技術中的傳統思維觀念，從而大大提高造粒的生產效率，且能耗低，生產工藝簡單，生產過程穩定，方法簡單易操作，有效降低生產成本，大大提高了產品成品率，提高了顆粒大小的可控性，取得良好的經濟效益和社會效益，具有推廣應用價值。