干法制粉技术在建筑陶瓷中的应用
刘可春+柯善军+刘俊荣
摘 要：我国建筑陶瓷行业迅速发展，陶瓷砖产量已连续多年稳居世界第一，但同时也存在着发展与资源、能源、废弃物排放之间的矛盾。干法制粉工艺是建筑陶瓷行业实现资源节约、节能减排的重要途径之一。本文针对干法制粉在建陶行业应用的现状、优势及存在的问题进行了综述。
关健词：干法制粉；建筑陶瓷；陶瓷砖
1 前言
我国是建筑陶瓷的生产大国和出口大国，产量多年位居世界首位。2015年陶瓷砖产量已超过百亿平方米，2016年达110.76亿平方米，较上年增长1.81%[1]。但建陶行业目前仍是一个高能耗、高污染的行业，其产品的生产能耗占陶瓷生产成本的30 ～ 40%[2]。能耗主要分布在粉料制备、烧成和后期加工三个阶段，其中粉料制备的能耗主要消耗在球磨和喷雾造粒环节（如图1所示），约占整个生产总能耗的15%[3]。目前，行业仍以传统制粉工艺为主，即通过球磨获得含水率高达35%的泥浆，将这些泥浆经过喷雾干燥，制成含水率为5 ～ 7%的粉料。该过程不仅浪费了30%的水，且还要消耗蒸发水所需的热量，不仅浪费资源和能源，而且还会产生燃烧废气，对环境造成较大的负面影响。近年来，干法制粉因其节能和环保优势，已成为建陶行业的研究热点之一。本文针对干法制粉在建陶行业应用的现状、优势及存在的问题进行了综述。
2 干法制粉工艺简介
传统湿法制粉是将原料加水湿法球磨成一定含水量的泥浆，泥浆过筛除铁后经液压柱塞泵送入喷雾干燥塔内造粒，造粒后经筛分及陈腐成为含水量5 ～ 7%的粉料（如图2（左）所示）。而干法制粉工艺是将各种原料单独粉碎到一定粒度后配料细磨，细磨后符合粒度要求的筛下料经增湿造粒机增湿造粒成含水量约10 ～ 12%的粉料颗粒再经干燥及振动筛分级处理，最后送至粉料仓陈腐，得到含水量合适的粉料（如图2（右）所示）。
湿法制粉的主要设备为喷雾干燥塔，其造粒原理是将泥浆用雾化器（高压喷枪或转盘旋转方式）分散成雾滴，雾滴在表面张力的作用下形成球状，并利用热空气（或其它气体）与雾滴直接接触，蒸发水分而获得粒状的粉料。尽管喷雾造粒制粉存在投资费用较高、热效率偏低等缺点，但其具有连续、操作简单灵活、特别适应于大工业生产等优点，且喷雾干燥得到的粉料为空心球状料，粉料的流动性好，是当前建陶行业普遍采用的一种方式。而干法制粉粉料的成形机理是通过湿化干细粉料（雾化水滴的方式），以湿化水核的表面张力吸附团聚干细粉，再通过外界机械力（造粒机）的强化整合，形成表面多棱角形状不规则的实心颗粒料[5]。由成形机理可看出，影响干法制粉粉料质量的因素有雾化液滴和干粉的粒径干粉与雾化液滴的接触程度以及造粒机的强化作用等，越细的干粉与雾滴充分接触后形成的颗粒也会越小，避免了大颗粒的产生，同时利于干粉与雾化液滴充分接触，提高粉料的成粒率，避免干粉的浪费。干法造粒设备不是唯一的，科研工作者根据不同的需求研制出了不同的干法造粒设备，包括转动造粒、流化床造粒和混合造粒等设备。
3 干法制粉技术应用现状[6-15]
国外在20世纪70年代，就开始研发建筑陶瓷干法制粉技术。随着机械制造技术的快速发展，意大利的LB公司于1985年成功设计出世界上第一台适用于建筑陶瓷干法制粉的增湿造粒机。随后，LB公司又研制出了LB35型卧式造粒机、TAG型卧式造粒机、BVC立式造粒机等各种不同用途的干法造粒机。此外，意大利GMV公司、MS公司，德国AGROB 公司、EIRICH（爱立许）公司及英国Atritor公司也相继开发出增湿造粒机。意大利GMV公司研制的立式环辊磨机带有循环热风干燥系统，即使原料初始含水率很高，对生产也不会产生影响。2012 年，德国EIRICH（爱立许）公司在“陶瓷工业最新节能制备工艺——干法造粒制备瓷砖技术推介会”上推出了EcoPrep干法工艺，该工艺能耗小，粉料性能好，可稳定生产出吸水率低于1%的陶瓷砖。
国内20世纪 80 年代末，咸阳陶瓷研究设计院把干法制粉工艺与装备结合，通过借鉴国外技术和经验，开始研究陶瓷墙地砖干法制粉工艺技术。相继研发出了不同机理的干法制粉设备，如WZ2500型、WZ3000型卧式造粒机、LZ - 1700型立式造粒机系列设备。90年代中期，咸阳陶瓷研究设计院又开始研究开发与大吨位自动压砖机配套的增湿造粒干法制粉生产线，并相继研发了新型辊筒式造粒机和振动流化干燥床。但是由于干法粉体流动性、设备稳定性等问题，未能得到进一步的推广应用。随后，唐山盛源机械研究所也攻克了干法制粉、流化干燥、除尘净化等技术难题，成功研发出了干法制粉设备。近年来，我国各陶瓷研究单位相继进行了新一轮的干法制粉工艺及设备开发。2008年在广东省建筑陶瓷技术路线中，将干法制粉技术和装备的研发列入重点项目。2010年，佛山市溶洲陶瓷二厂和山东义科节能科技有限公司率先开始研发干法制粉工艺相关技术与装备。2012年，义科节能研发的第一条干法制粉中试生产线在淄博投产。2013年，义科节能的“陶瓷干法制粉工艺及其装备”通过了山东省科技厅组织的专家鉴定。2014年，溶洲陶瓷二厂的“陶瓷粉料高效节能干法制备技术及成套设備”通过了中国建筑材料联合会主持的科技成果鉴定。2015年，义科节能的“建筑陶瓷干法制粉技术与关键装备”通过了中国建筑材料联合会主持的科技成果鉴定。同年，佛山市博晖机电有限公司宣布与意大利LB公司合作，推动建筑陶瓷干法制粉。随后，博晖机电与LB公司联手打造的山东东鹏陶瓷干法制粉示范生产线投产。2016年，咸阳陶瓷研究设计院的“陶瓷砖新型干法短流程工艺关键技术与示范”通过了中国建筑材料联合会组织的专家验收。同年10月，山东东鹏陶瓷的“干法制粉用于制造釉面砖（陶质砖）的关键技术研究与应用示范”项目通过了中国建筑材料联合会主持的科技成果鉴定。
4 干法工艺粉料特性
粉料颗粒大小和形态对建陶产品性能的影响较大。一般而言，粉料中颗粒尺寸小，在烧成时易形成小晶粒，且由于比表面积相对较大更容易形成液相，降低烧成温度。但如果颗粒粒度都偏小，形状不规则，粒度分布范围不合理则会导致坯体烧成时局部收缩大，产生变形甚至开裂。于等[16]详细研究了干法造粒制备的坯体粉料的颗粒形貌、粒度分布、含水率密度和流动性等特性。结果表明，干法造粒工艺所制备粉料颗粒表面粗糙不规整，球形度较差；干法造粒工艺制备的物料粒度分布范围较窄，颗粒较粗，湿法造粒工艺制备的物料粒度分布范围较宽，颗粒较细；干法工艺粉料的含水率、休止角和崩溃角都较湿法工艺的略高，但差值并不大。
张等[17]采用正交试验方法，分析了陶瓷粉料干法造粒机喷水时的转速、造粒时的延时转速以及喷头类型这三个因素对干法造粒中颗粒大小的影响，通过直观分析、方差分析和贡献率分析，结果一致表明，各因素对陶瓷粉料干法造粒颗粒大小影响显著性的大小顺序为：喷头类型>喷水转速>造粒延时转速。吴等[18]针对陶瓷墙地砖干法造粒制粉存在的颗粒级配分布不均匀的现象，搭建试验平台研究转轴偏心率对造粒过程中颗粒级配的影响，同时基于欧拉 - 欧拉模型模拟造粒过程颗粒的分散性及验证实验结果的可靠性，优化转轴偏心率。实验结果表明，当偏心率为0.25时，颗粒级配均匀性最佳。同时数值模拟结果表明，数值模拟与实验结果基本相吻合，验证了实验的可靠性。吴等[19]针对陶瓷干法造粒机造粒过程温度场对造粒效果的影响，结合实验与数值模拟对比分析了造粒过程温度场对造粒效果的影响。仿真结果与實验数据对比分析表明，当造粒室内温度值高于80℃时，将在一定程度上降低造粒的成品率。
Conserva等[20]研究了不同组成的坯体配方在湿法和干法造粒的条件下烧结瓷坯的性能。结果表明，同一组成配方，相同的烧成温度，干法造粒工艺烧成收缩更小，吸水率更大，高温液相粘度更高，抗变形能力更好。主要原因是干法细粉颗粒较大，且形貌不规整（如图3所示），高温烧结过程中，残留的晶相颗粒尺寸较大，数量较多（如图4所示）；而湿法颗粒较细，且形貌多呈类球状，易于部分溶解到高温熔体中。此外，张等[21]以抛光废渣为主要原料，结合其他陶瓷原料，采用干法造粒工艺，经辊道窑快速烧成制备了轻质陶瓷砖，通过正交试验，结合综合性能指数量化得出最佳配方，其抗折强度3.19 MPa、吸水率2.31%、显气孔率1.72%、容重0.74 g/cm3。张等[22]以抛光废渣、高铝泥、恒峰砂、力鸿砂、黑滑石为原料，采用干法造粒工艺，在1100 ～ 1200℃保温10 ～ 30 min的条件下，制备轻质陶瓷砖，并研究了烧成制度对轻质陶瓷砖性能的影响。结果表明，随着烧成温度的升高，轻质陶瓷砖线膨胀率逐渐升高，吸水率呈先升高再降低而后升高的趋势，在1170℃时达到最低值；抗折强度和容重随着烧成温度的升高逐渐降低；随着保温时间的延长，试样容重和抗折强度逐渐降低，但变化不明显。
5 干法制粉工艺应用前景
干法制粉工艺替代湿法制粉工艺，可节约电耗20%，节约热耗65%，节约水耗80%（见表1所示）。在节省大量的资源和能耗的同时，显著降低产品成本，经济效益明显，这是推动陶瓷企业实施干法制粉工艺的内在动力。同时，随着环保要求的提高，建陶行业作为高能耗企业，节能考核压力巨大。节能减排政策的驱使成为干法制粉工艺外在的推动力。因此，干法制粉工艺在建陶行业的推广应用，对实现建陶工业的绿色制造，实现建陶工业可持续发展，具有重要的现实意义，其推广应用前景较好。
6 结语
干法制粉工艺是目前建陶行业最具潜力的节能技术之一，现已被行业热点报道。但目前的干法制粉技术尚存在较大的提升空间，如干法制粉工艺的普适性不强，对原料产地和配方选择性较为狭窄，且大生产的稳定性还值得进一步分析优化。此外，干法粉料的物理特性还不足以与湿法粉料媲美，尚存在流动性差、成型率低等缺陷。同时，在干法制粉的过程中，诸如干法除铁等工序的可行性尚待考量。目前，虽有少量示范性工程投产，但多为高吸水率的墙砖产品，对于常规的瓷质地砖的应用还要做更多更深入的研究。总之，作为建陶行业一种异于常规的工艺，虽然目前仍有较多问题未能解决，但随着机械设计、自动化控制和制粉技术的发展，干法制粉技术一定会对建陶行业做出巨大的贡献。
参考文献
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