介福水洗瓷土的開發與應用*

岳邦仁 張向衛 陳維堯 葉春南 林慶宗

(1 北京金隅集團有限責任公司 北京 100013)

(2 福建良瓷科技有限公司 福建 永春 362600)

(3 福建科福材料有限公司 福建 永春 362600)

產自于福建省泉州市永春縣介福鄉的介福瓷土為低質的陶瓷原料,在開發介福瓷土的過程中進行了許多技術工作,包括對介福瓷土和介福水洗瓷土的研究,水洗瓷土生產線的設計和建設,研制了新的瓷土破碎設備和錐打設備,完成了以介福伊利石型水洗瓷土作為主要原料的衛生陶瓷坯料配方的研究與應用,開發出伊利石型水洗瓷土的高壓商品泥漿并投入市場等工作。同時福建科福材料有限公司作為負責起草單位之一,參加了中國建筑衛生陶瓷協會主持制定的《伊利石型水洗瓷土》團體標準的工作。

開發工作過程中共獲得專利9項(發明專利3項,實用新型專利6項)。福建科福材料有限公司于2020年12月1日獲得國家高新技術企業證書。

在開發與應用介福水洗瓷土取得良好經濟和社會效益的同時,促進永春縣建成衛生陶瓷生產原料的伊利石型水洗瓷土的生產基地。

1 開發與應用工作

2011年下半年開始,主要進行的開發與應用工作,如表1所示。

表1 技術與應用工作內容

續表1

1.1 介福瓷土的研究與應用開發

1.1.1 介福瓷土礦概況

此資源是2011年下半年筆者在調查福建地區衛生陶瓷原料的工作中發現的,按所在地定名為介福瓷土。礦山位于福建省泉州市永春縣介福鄉,距縣道4 km,距永春縣城24 km,距德化縣城13 km,距泉州港約100 km。礦區地處亞熱帶,礦區海拔高度為600～700 m,礦區由若干連續的山丘組成(見圖1)。礦區表土層很薄,一般只生長茅草。

圖1 介福瓷土的部分礦山

筆者對介福瓷土礦礦區曾做過詳細的地質勘探,勘探報告中敘述了礦的成因、礦床分布狀況、礦體化學成分及礦物成分、儲量、開采條件等。確定介福瓷土礦屬風化殘積型粘土。

礦山資源按其成礦原巖不同可分為花崗斑巖殘余型和火山碎屑巖風化殘余型兩種類型。部分礦區斷續分布長3 900 m 以上,寬為200～500 m,厚為1.5～35 m,呈平緩帽狀隨地形起伏蓋于原巖之上。從風化程度上可分為完全風化和半風化,完全風化位于上層(見圖2),半風化位于下層(見圖3)。

圖2 完全風化瓷土

圖3 半風化瓷土

礦體平均化學成分為:SiO271%～76%;Al2O314%～18%;Fe2O31%～1.5%;TiO2:≤0.5%;Ca O+Mg O:≤0.5%;K2O:2.3%～3.3%;Na2O:≤0.2%;燒失量:3%～5%。局部地區勘探儲量為1 021.5萬t,整個礦區遠景儲量估計為4 000萬t。可露天開采,開采條件優良。

當地人很早就知道這個礦區,但由于其原礦含鐵量高達1%～1.5%,在當地的日用瓷生產中沒有很大的使用價值,只有少量開采,因此大部分礦山資源保留完整。

1.1.2 介福瓷土的應用研究

(1)研究中,委托測試機構對礦體礦物成分做了測試,其結果見表2。

表2 介福瓷土礦物成分(質量%)

由表2可知,介福瓷土是以伊利石、高嶺石和石英為主要礦物成分,鉀長石為次要礦物成分的混合型礦物。其中伊利石遠大于高嶺石的含量,可以定名為伊利石型瓷土。

(2)多次對介福瓷土進行化學分析,其代表性化學成分見表3。

表3 介福瓷土代表性化學成分(質量%)

由表3可知介福瓷土的SiO2很高,Al2O3含量較低,K2O 含量低。

(3)對其稀釋性能、干燥抗折強度、1 200℃燒后白度做了試驗,結果見表4。

表4 稀釋性能、干燥抗折強度、1 200℃燒后白度

(4)在衛生陶瓷配方中的添加試驗,其結果表明,因其含鋁量低,抗折強度低,可塑性不高,含鐵量比較高,一般性原料最高添加量為10%。

1.1.3 介福水洗瓷土的研究

介福瓷土經過錐打、加水攪拌后經200～250目篩過濾,再壓濾形成泥餅,泥餅稱為介福水洗瓷土。對其做了礦物成分、化學成分和一些性能的測試。

(1)介福伊利石型水洗瓷土的礦物成分見表5。

表5 介福伊利石型水洗瓷土的礦物成分(質量%)

由表5可知,水洗瓷土的石英含量明顯降低,約占25%;伊利石含量明顯提高,約占50%;高嶺石含量也有提高,約占25%;長石的含量稍有增加。

(2)介福伊利石型水洗瓷土的化學成分為:SiO262%～66%;Al2O321%～25%;Fe2O3≤1.4%;TiO2≤0.2%;CaO+Mg O ≤0.8%;K2O 3.5%～4.8%;Na2O ≤0.5%;燒失量5.5%～7.5%。

相比之下,水洗瓷土的SiO2含量明顯降低,Al2O3含量明顯提高,K2O 含量有所提高。

(3)介福水洗瓷土的一些性能見表6。

表6 介福水洗瓷土的一些性能

1.1.4 介福水洗瓷土在衛生陶瓷坯體中添加的試驗

在衛生陶瓷配方中進行了應用介福水洗瓷土的試驗。結果表明,該水洗瓷土具有可塑性強、細顆粒多,干燥抗折強度和吃漿速度適中,燒成彎曲小,雜質少的優點,對提高半成品和燒成品合格率有明顯的作用,通過大量的試驗,確定了介福伊利石型水洗瓷土在衛生陶瓷坯料配方中添加10%即有明顯的效果,最大用量為40%～50%。在生產線的坯料配方中試用后,其表現良好。

這些研究成果為成立福建科福材料有限公司,從事以介福瓷土為原料生產水洗瓷土的決策提供了一定依據。

1.1.5 水洗瓷土生產線的建設

最終采用介福瓷土為原料生產水洗瓷土,使此資源轉變為優質的陶瓷原料,長期地為衛生陶瓷行業提供穩定的介福伊利石型粘土原料的目標后,2012年12月至2013年5月,在地方政府的大力支持和協助下,獨立完成水洗瓷土的生產工藝的設計,自主研發了籠式破碎機,投資建設加工生產線。2013年6月,水洗瓷土生產線投產,2013年9月,開始銷售介福水洗瓷土。建成的生產線如圖4所示。

圖4 水洗瓷土生產線遠景

(1)水洗瓷土生產工藝流程,如圖5所示。工藝流程右側采用了傳統的電錐破碎加工設備,對完全風化的介福瓷土進行破碎加工,如圖6所示。

圖5 水洗瓷土生產工藝流程

圖6 電錐破碎加工設備

(2)開發籠式破碎機。由于半風化的介福瓷土硬度較高,傳統電錐破碎加工方式無法進行加破碎加工。本項目通過自主研究,開發了新型破碎設備籠式破碎機,如圖7所示。

圖7 籠式破碎機

圖5中的左側,對半風化的介福瓷土,先進入顎式破碎機,再利用籠式破碎機將原土破碎至8 mm 以下,最后通過兩級四輪對輥機(如圖8所示)進行碾壓至3 mm 以下,對半風化的介福瓷土進行有效的破碎加工。

圖8 四輪對輥機

籠式破碎機具有使用維修費用低、破碎效率高、性能可靠、粉塵少、噪音低等特點。

水洗瓷土的壓濾情況及散裝水洗瓷、袋裝水洗瓷土如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 水洗瓷土在壓濾

圖10 散裝水洗瓷土

圖11 袋裝水洗瓷土

(3)礦區的環境保護。在工藝設計中對礦區的環境保護采取了以下措施:

①瓷土開采過程中開采出的礦物得到全部使用,不產生開礦廢棄物;

②瓷土加工過程中產生的尾砂可作為陶瓷磚的原料使用;

③生產線用水重復使用,無工業廢水排出;

④破碎工藝加入適當水分避免粉塵的產生;

⑤開采后的礦山地面坡度趨緩,覆蓋土層后植樹種草,實現全部綠化。當地的氣候溫暖、降水充沛,為綠化工作創造了有力條件。

1.1.6 生產線的質量管理

在建成的介福水洗瓷土生產線的生產中,不斷對介福水洗瓷土等產品的質量標準進行調整和修正,于2015年正式制定出企業標準《科福瓷土》。

制定了QC工程表、水洗瓷土生產過程控制流程圖、實驗室日常檢測安排和原料預混方法等技術文件,并在生產中實施,從而保證水洗瓷土的產品質量。

介福水洗瓷土的質量見表7,其中的“項目”及“測定結果”為中國建筑衛生陶瓷協會標準T/CBCSA 24-2020伊利石型水洗瓷土中規定的要求項目及按其試驗方法進行測定的結果。

表7 介福水洗瓷土的質量

1.1.7 以介福伊利石型水洗瓷土為主要原料的衛生陶瓷坯料配方的研究與應用

在2014年底,根據福建某新建衛生陶瓷生產線的需要,進行了以介福伊利石型水洗瓷土為主,其它當地原料為輔的衛生陶瓷坯料配方的研究與應用工作。

按照在質量合格前提下就近取材,經過篩選,確定了坯體配方中的其他原料:鉀長石、絹云母、葉臘石、白云石、高嶺土(水洗)、黑泥(水洗)。

在坯料配方實驗中,水洗瓷土的用量從10%開始,以依次增加5%的幅度,增加其用量,直至85%,測定配方的各項指標。最后認定,水洗瓷土的用量在40%～50%,配方的各項指標最優。

在此范圍內,進一步以更小的變化幅度調整其用量,同時調整其他原料的用量。為調整配方中氧化鋁的含量,提高泥漿的懸浮性能,調整泥漿的吃漿性能,加入一定量的高嶺土(水洗);為提高坯體的干燥抗折強度,加入一定量的球土;為調整配方中氧化鉀的含量,加入一定量的鉀長石;加入一定量的葉臘石和絹云母使得其在配方中發揮各自的長處;為調整配方的燒成溫度,加入少量的白云石。通過反復的實驗與調整,最終確定坯料配方。

該配方投入新工廠使用,投產3個月后,注漿合格率達到96%,半成品合格率達到96%,燒成合格率達到91%,產品如圖12所示。在新建生產線投產后如此短的時間內,合格率能夠達到這么高的水平衛生陶瓷生產行業中是十分驚人的,應該說此配方起到了很大的作用。

圖12 生產的產品品種(全包連體坐便器)

1.1.8 連續式鋼制電錐瓷土加工線的研制

伊利石型瓷土在加工工藝流程中,錐打十分重要。錐打是將原礦瓷土通過電錐連續性不斷錐打8 h 以上,對原礦瓷土進行破碎和搓捻。通過電錐的錐打,達到了破碎的要求,同時明顯提高了伊利石型水洗瓷土的干燥抗折強度和可塑性,是不可替代的破碎方法。

傳統木制電錐瓷土加工線在生產中,一般使用26個錐頭,背靠背雙排組成一組,由一個7.5 k W 的電機通過傳動軸提供動力。制作該電錐的材料為優質木料,這種木料既有很大的硬度,又有很強的韌性;這樣有大又好的木料價格很高,而且很難得到。每個錐單獨對應一個臼槽,每個臼槽每班(8 h)可加工約250 kg瓷土原礦,即單每小時加工量為31 kg,生產效率低。在生產中瓷土原礦需要先分別放入臼中,錐打好的瓷土原礦需要分別從臼中取出,工作中都要靠人工作業。為了克服傳統木制電錐存在的缺點,2016 年1 月開始,經過15個月的研究和反復試驗,于2017年4月制作出第一條連續式鋼制電錐瓷土加工線并投入使用,至2017年12月使用,效果良好,設備最終定型。

連續式鋼制電錐的制作完全使用鋼鐵材料,取代原先使用的優質木材。多個電錐(如12個)串聯一起使用;在連續式鋼制電錐瓷土加工線頭部安裝有喂料裝置,不斷供應瓷土原礦。每個臼由臼槽連接在一起,整個臼槽具有一定的斜度,頭部低、尾部高;瓷土原礦在每個臼中受到錐頭錐打到一定程度后,沿著臼槽移動到下一個臼中,最終,經過充分錐打的瓷土原礦移動到尾部。在尾部設有皮帶機,自動將錐打好的瓷土原礦送至下一工序,如圖13～圖16所示。

圖13 連續式鋼制電錐瓷土加工線單個電錐

圖14 12個電錐串聯

圖15 連續式鋼制電錐瓷土加工線進料

圖16 連續式鋼制電錐瓷土加工線出料

連續式鋼制電錐瓷土加工線,12個電錐串聯,產量為3 t/h,即單個電錐每小時加工量為250 kg。且在生產過程中實現連續性、自動化、機械化作業,減少人力成本。

1.1.9 利用介福伊利石型水洗瓷土的衛生陶瓷高壓商品泥漿的研究與應用

在2017年5月根據某一新建衛生陶瓷高壓蹲便器廠的要求,研究其生產所需的高壓泥漿。根據高壓成形產品生產的工藝特性,通過研究原料的物理性能、化學性能及性價比等情況,合理搭配,科學配比,研發出符合生產要求的高壓泥漿配方。絹云母與葉臘石占比約55%,軟質原料占比約45%,其中瓷土占比約25%。

該高壓泥漿在科福公司配料生產,因場地、設備原因,采用一次性投料球磨。泥漿球磨后,檢測性能達標,再放磨,直接裝入罐車,運至使用工廠精制后使用(運輸距離3 km)。自2017年10月開始高壓泥漿生產并供應使用,保障了該新工廠的順利投產,在較短時間內(試產4 個月)達到高質量(一次燒合格率到達90%)的要求。該配方的成功應用,既是對配方合理性的肯定,也是介福伊利石型水洗瓷土優良性能的表現,是生產、供應、使用衛生陶瓷高壓成形商品泥漿的成功實踐。蹲便器高壓成形機、蹲便器半成品、蹲便器產品如圖17～圖19所示。

圖17 某一新建工廠蹲便器高壓成形機

圖18 某一新建工廠蹲便器半成品

圖19 某一新建工廠蹲便器產品(帶S彎管蹲便器)

1.1.10 參加《伊利石型水洗瓷土》團體標準編制工作

2019年1月至2020年5月,福建科福材料有限公司作為負責起草單位之一,參加了中國建筑衛生陶瓷協會主持制定的《伊利石型水洗瓷土》團體標準的工作。調研了國內伊利石型水洗瓷土礦源及加工生產情況,參加了《伊利石型水洗瓷土》標準的起草工作。

2 介福水洗瓷土的生產與使用情況

2.1 生產情況

為了滿足不斷增長的需求量,福建科福材料有限公司一直在提高產量,仍處于供不應求的狀態。

近幾年水洗瓷土的產量見表8。

表8 福建科福材料有限公司水洗瓷土產量匯總表

2.2 使用情況

自2013年9月開始銷售介福伊利石型水洗瓷土,目前已形成由一些大型衛生陶瓷生產企業組成的穩定的用戶群。

在衛生陶瓷原有坯料配方中加入20%的介福伊利石型水洗瓷土,半成品合格率可提高5%～7%,燒成品合格率可提高3%～5%,對連體坐便器的效果更為明顯。

由于介福伊利石型水洗瓷土的價格適中,性價比高,持續供不應求,一直在實施增產措施中。

2.3 經濟效益

2018～2020年,福建科福材料有限公司累計實現利潤3 523萬元、稅收2 309.94萬元。

3 促進兩個生產基地的建設

(1)項目的水洗瓷土的生產技術、管理和銷售促進了礦山所在地永春縣介福鄉的瓷土加工產業的發展,形成具有特色的“介福水洗瓷土”的生產基地,2020年產量為12 萬t(不包括福建科福材料有限公司的產量),十分暢銷。

(2)福建科福材料有限公司的成功,促進了在當地投資建設衛生陶瓷生產的項目,形成了衛生陶瓷生產基地。

目前已在介福鄉建成年產30萬件坐便器和年產50萬件蹲便器的生產企業各一個,分別于2015 年5月和2017年10月投入生產。

在永春縣縣城附近建成一期工程年產60萬件坐便器的生產企業,于2020年5月投產。

這些衛生陶瓷生產項目極大地提升了當地的經濟發展潛力和收入水平,為當地提供了就業機會。

4 結語

出產于福建省泉州市永春縣介福鄉的介福土資源為低質的瓷土原料,通過對其進行研究、開發、設計和建設了水洗瓷土生產線等工作,使其成為具有獨特優良性能的介福水洗瓷土,在衛生陶瓷生產中的得到大量使用。項目的成果促進了礦山所在地永春縣介福鄉的瓷土加工產業的發展,形成具有特色的“介福水洗瓷土”生產基地;促進了在當地投資建設衛生陶瓷生產項目,形成了衛生陶瓷生產基地。

介福瓷土資源的開發實現了地方政府增加稅收,礦區居民得到收益,礦區的環境得到很好的保護,企業的投資可以得到長期的回報,實現了多方的共贏。

此項目的成功經驗對開發低值原料具有一定的參考價值。