陶瓷行业原料制备新技术及未来趋势展望

    黄宾　刘春江

    摘 要：针对陶瓷行业原材料加工环节中单一的球磨工艺球磨时间长、能耗物耗大的现状，文章综述了神工快磨、干法制粉、连续球磨等新技术的特点和优势，分析了这些原料制备新技术在节能减排、环境保护方面的影响和作用，并对未来陶瓷原料制备技术的发展进行了展望。

    关键词：陶瓷；原料制备；技术

    1 引言

    我国是世界陶瓷生产的第一大国，在陶瓷生产的过程中，原料加工所消耗的能源占了很大的比例，同时原料加工技术也决定着陶瓷产品的质量。球磨设备是陶瓷厂的主要机械设备之一， 它的电耗占陶瓷厂总电耗的30%左右。因此如何提高球磨机的效率、降低能耗、减少生产成本， 对企业的发展至关重要。随着陶瓷行业的迅速发展，在瓷砖产品的推陈出新之余，陶瓷机械设备企业、原料化工企业倒逼升级进步的迫切感愈发强烈。只有原料制备技术的不断革新，才能推动陶瓷行业向高新技术产业发展。

    目前陶瓷行业的粉磨装备主要是球磨机。球磨机是最早出现且应用最为普遍的粉磨设备，国内建筑卫生陶瓷行业球磨制浆生产工序主要使用铝球石或天然鹅卵石作为球磨机球磨介质，与投磨原料按比例进行一次研磨，存在球磨机运行效率低、时间长、产量低、电耗高和球石损耗大等缺点，增加了生产经营成本，进而影响行业的进一步发展。

    国内外对提高球磨机研磨效率和节能做了大量的工作，研究结果表明，球磨机的机械效率仅为2%～5%。球磨机虽然已经过多年的不断改进、发展，并且已经开发出大型球磨机和连续球磨机，但总体看来，从机械结构方面提升球磨机的机械效能几乎已经达到了技术的极限。

    为了深度探讨陶瓷行业制备新技术上的新进展和存在的问题，推动陶瓷行业的科技进步，佛山市科学技术协会和佛山市陶瓷学会于2014年11月26日主办了2014陶瓷行业原料制备新技术论坛，其目的和初衷就是要推动原料加工技术和装备向高效与节能方向的发展，实现转型升级。这是建筑陶瓷行业发展多年来第一次专门针对原料制备的新技术举办的一次高规格论坛。

    2 陶瓷行业原料制备技术现状

    多年来，我国陶瓷生产企业的原料制备普遍存在工艺流程落后，装备几十年不变，能源利用率低，能耗巨大这一严峻而现实的问题。特别是陶瓷原料的制备一直采用间隙式球磨工艺，几十年沿用至今几乎没有改变，该工艺最大优点是能够确保陶瓷原料的配比在球磨前后不会发生变化，物料混合得非常均匀，正由于间隙式球磨机具有这一优点，在陶瓷行业原料的粉磨工序中占据了不可动摇的地位。然而这一球磨工艺的最大缺点是，物料在粉磨过程中不可避免地会出现“过度粉碎”现象，使粉碎机生产能力降低，单位功耗增加。而国外早已经开始采用连续式球磨机，连续式球磨机具有显著的节能效果，但该技术国内却一直没有推广开来。一个主要的问题是国内陶瓷原料难以达到标准化，且原料的种类繁多，水份差异较大，无法实现自动给料和配料。

    球磨机是目前陶瓷行业原材料加工环节中最常用的物料粉磨设备，具有粉碎比大，结构坚固，单机产量高和气密性好等优点，但球磨机球磨工艺相对落后，球磨时间长、能耗物耗大。多年来，陶业人对球磨效率的研究从未停止，渐渐总结出了影响球磨效率的因素，包括： 磨机转速、填料系数、研磨介质、料球水的比例、解胶剂、加料方法、入料粒度等。

    在陶瓷行业节能呼声愈来愈高的今天，针对陶瓷行业原材料加工环节中单一的球磨工艺球磨时间长、能耗物耗大的现状，采用先进的粉磨设备，研究、制造出适合我国陶瓷原料配方工艺与陶瓷生产技术的粉磨设备，已成为行业亟需解决的重要问题。这几年，一直没有什么变化的原料加工工艺和加工设备受到了一些企业的重视，经过多年的研究和实践，有了新的变化和新的思路，针对中国的陶瓷原料的现实，寻找到可以操作的工艺路线和新型的粉磨设备，并取得了一定的成效。

    3 陶瓷原料制备新技术

    近年来，为了适应陶瓷行业发展的需求，陶瓷行业原料与制备企业不断地探讨，针对陶瓷生产与应用的现状，研发出一系列新型、高效、节能的陶瓷原料专用设备，用于解决传统陶瓷生产工艺流程中球磨环节能耗巨大，耗量成本高的缺点，在原材料的快磨系统，连续球磨新技术、干法制粉等方面取得了很大的成功。

    3.1 神工快磨系统

    佛山市博晖机电有限公司研发的神工快磨系统采用“快磨机”与“球磨机”相组合的二段粉磨流程，有效地避免了物料在球磨机的初始粉碎阶段所消耗的大量的能量，降低了球磨机的能耗，同时还可以极大地缩短物料的整个球磨过程所耗费的时间，从而达到了在原料制备阶段的节能。

    3.1.1神工快磨节能原理分析

    所谓“神工快磨”，其实是立式磨的一种改革。其粉磨机理属于“料床粉磨”，或称之为“料床挤压粉磨”，优点是有用功多、机械效率高。神工磨与球磨机在陶瓷原料粉磨中的联合应用，是针对当前陶企普遍使用的陶瓷原料（砂石料和泥料）用“传统单一球磨”的加工工艺进行的一种陶瓷原料加工工艺的创新。先对粒径较大的砂石料进行粗破碎，使物料成粉片状，达到非常微小的细度（ ≤10 目筛），部分细小颗粒以片条状存在，研磨过程挤压内部也产生了裂纹，这样的物料进入球磨更容易研磨； 然后经过处理的碎砂石料与别的泥类料按一定的配比配好料再入球磨机，然后由球磨机内的 3 种不同尺寸的球石进行研磨，由于物料粒径都很小， 在球磨机中物料可以直接进入细磨阶段，然后经过 8 h 左右的球磨过程，最后得到泥浆状的陶瓷物料。 此工艺大大降低了球磨机能耗、缩短了球磨时间，，从而达到了在原料制备阶段的节能。

    神工快磨工艺节能的主要原因：

    （1） 神工快磨工艺的入球（硬质）物料粒径在2 mm（10目）以下，物料间粒径差异很小；传统球磨工艺的入球物料粒径在15 mm以下，且物料间粒径差异很大。

    （2） 神工快磨破碎后，物料的矿物结构出现微裂，易于球磨机研磨加工。

    （3） 神工快磨工艺改变了球磨机球石级配，增加球石与物料的接触面，提高研磨效率。

    传统球磨研磨最长时间为16 h，而神工快磨由于入磨粒径是一致的，这样可以减少过磨缩短球磨时间。如南庄新明珠陶瓷有限公司，从14 h变为8 h，综合耗电从38 kW·h降到26 kW·h。高明贝斯特，从14 h降为8 h，有时候能降到7小时，耗电是从43到29.8 kW·h。湖南兆邦陶瓷有限公司，从原来的22 h降到14 h，耗电是从39 kW·h降到27.9 kW·h。

    传统球磨工艺与神工快磨工艺在节能方面比较如下：

    （1） 神工快磨节约的成本：约520万元/年；

    （2） 神工运行每天产量： 1000 t，每吨电耗7.6 kW·h，磨辊磨耗约2.9元/t ；

    （3） 神工破碎料占磨球配方料的62%；球磨每天可以处理1600 t配方料，每年以300天计算；

    （4） 神工快磨新工艺，球磨单位电耗约21.18 kW/t，单位电费以0.79元/kW·h计算，球石磨耗约7.5元/t，球衬磨耗约1.4元/t；

    （5） 传统工艺，球磨单位电耗约35.12 kW/t，球石磨耗约12元/t，球衬磨耗约2元/t；

    （6） 传统工艺每天需要40台球磨机（40 t球）加工，神工快磨工艺由于球磨时间缩短至8 h，即只需要20台球磨机；从而神工快磨工艺可以节省20台球磨机，即节省600万元。

    3.1.2神工快磨与传统球磨工艺比较

    新的球磨工艺相对于传统球磨工艺有两大突破之处：其一，将粗细不同的大粒径的砂石料用立磨破碎成均匀的小粒径物料（ ≤10 目筛），此过程相当于球磨机里面的粗磨阶段， 但是立磨所用的能耗大大低于球磨机的粗磨能耗；其二，优化球磨机球石级配，由于新工艺入磨物料粒径都很小，可以直接进入细磨阶段，不需要大粒径的（如： D50 /D60 /D70 ）球石来粗磨，因而可以增加小粒径球石（如： D20 /D30 /D40 ）特别是增加 D20 球石的用量，以增加球石与物料的接触，提高研磨效率。 传统球磨工艺中球石级配（ D30﹕D40﹕D50﹕D60﹕D70 ）在整个球磨阶段（粗磨与细磨）是不变的， 在粗磨阶段主要是用到了 D70 /D60 /D50 等级配的球石，而细磨阶段主要是用到了 D30/D40 等级配的球石，球石级配中的不充分利用会极大的影响球磨效率， 增加球磨时间球磨能耗。神工快磨工艺与传统球磨工艺的节能对比如图1所示。神工快磨工艺与传统球磨工艺的原料入磨粒径对比如图2所示。

    3.2 干法制粉技术

    干法制粉，在喷雾干燥应用之前，一直是陶瓷墙地砖粉料制备的重要方法，最为普遍的就是轮碾加湿造粒。但是在湿法球磨喷雾干燥工艺诞生之后，由于湿法工艺制备的粉料在颗粒形状、流动性、颗粒级配控制等使用性能方面的优越性，湿法工艺几乎统治了整个陶瓷墙地砖生产的粉料制备。但是，人们一直没有放弃对于干法制粉的研究与应用，目前国内外在干法制粉技术方面已取得了显著的成效。干法制粉的实施与工业化应用，不仅仅是陶瓷原料加工工艺的重大突破，而且对于节能减排具有重大而深远的意义。

    3.2.1陶瓷行业干法制粉技术的历程与现状

    现在陶瓷企业在陶瓷墙地砖压型粉料的制备上采用的通常是喷雾干燥湿法制粉工艺技术，而这也就造成陶瓷企业生产现场粉尘多、喷雾干燥塔能耗高、用水量大的现状。近二三十年间，人们开始开发研究陶瓷墙地砖干法制粉工艺技术。国外比较有代表性的公司有意大利L.B公司、M.S公司、GMV公司，德国的 Eirich公司，英国的Atotor公司。国内也一直有企业在尝试，但一直没有比较成功的案例。

    我国在上世纪80年代后期，咸阳陶瓷研究设计院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。首先从原料干法细磨及造粒机理方面进行研究探讨，相继开发了不同机理的造粒设备，如：LZ-1700型立式造粒机，WZ2500型、WZ3000型卧式造粒机系列设备，曾在四川、广东等地推广应用，由于设备稳定性、粉体流动性等问题，未能得到很好的应用。2013年10月12日，由山东义科节能科技有限公司完成的"陶瓷干法制粉工艺及装备"通过山东省省级科技成果鉴定。项目研制了立式磨机制粉、干法增湿造粒、混合造粒优化一体机、窑炉烟气余热干燥等关键陶瓷干法制粉工艺及装备。鉴定总体技术达到国际先进水平。2014年广州工业展期间，LB公司曾专门推介他们的干法制粉技术。

    2014年6月21日，中国建筑材料联合会组织了“陶瓷粉料高效节能干法制备技术及成套设备”科技成果鉴定会。该项目由佛山溶洲建筑陶瓷二厂有限公司、华南理工大学、合肥水泥研究院、佛山绿岛环保科技有限公司共同研发完成。该项目是佛山产学研合作重大科技成果，拥有十余项专利。与会专家一致认为，该成果综合技术水平达到了国际先进水平。

    2014年8月23日，随着淄博金卡公司首批利用干法制粉核心专利技术生产的高档瓷砖的出窑，宣告了国内首条干法制粉生产线成功投产。此条生产线，由山东义科节能科技有限公司负责设计、施工，历时近一年建造而成。此条生产线的成功投产，标志着国内干法制粉工艺走向成熟，干法制粉工艺技术有望在瓷砖行业得到全面推广应用。这条生产线采用了义科自主研发的EDP干法制粉系统，原料处理采用先进的自动化电脑配料，粉料的研磨是用立式磨机，研磨方式发生了根本性的改变，大大提高了磨粉的效率。另外，此生产线采用多层震动硫化床进行粉料干燥，热源是利用窑炉的余热，不需要消耗额外的燃料，从而降低了制粉成本。在造粒方面，此条生产线采用了“分层振动流化干燥机”、“陶瓷墙地砖干法造粒及颗粒优化一体机”、“陶瓷粉料颗粒优化机”及“优化飞刀组”等义科公司自主研发的专利设备，使得粉料的混合、造粒及颗粒优化一次性完成，粉料合格率达到95%以上。

    3.2.2干法制粉新工艺技术

    干法制粉对目前的行业来讲是革命性的东西，在大力提倡节能环保的今天，干法制粉工艺显示了巨大的生命力。

    与传统湿法制粉工艺相比，干法制粉工艺简单连续，减少了湿法工艺的磨浆、沉淀和喷雾干燥环节，直接省掉了球磨机和喷雾塔设备，在同等产量的情况下，干法制粉工艺所需的设备投入比较小，厂房占地面积也相对较小，生产效率高。除此之外，干法制粉工艺最大的优势在于节能减排和节省成本方面。相比之下，干法制粉工艺生产效率高，整个粉料的生产过程可以做到全过程封闭自动化系统，只用电，不用任何燃料，能做到零废气、零粉尘、零污水排放，同时还能省掉大量的劳动力成本，综合能耗可以减少45%以上。干法制粉所制粉料为实心颗粒，密度较大，如果配置合适的压制成形工艺，可以提高砖坯强度，有利于减少坯体的变形、起层、粘模等缺陷。

    义科节能推出的陶瓷干法制粉新工艺，是对延续数十年传统陶瓷湿法制粉工艺的革命性升级和改造（包括水、电、煤、人工等）。其主要创新点在于：一是在原料粉碎和配料系统方面，由立式磨机代替传统的球磨机，研磨、干燥、风选一次完成，占地少、效率高、节能30%左右。二是采用电脑自动化配料，使得配料更精准，使后续的生产更稳定。而在干法造粒、优化及干燥系统方面，义科节能的专利产品混合造粒优化一体机一次完成混合，增湿造粒及颗粒优化，使生产工艺大大简化，效率也更高，也更容易控制；将传统湿法工艺中燃烧成本彻底革除，大大减少了对环境的污染；采用多层震动流化床干燥器，干燥效率提高一倍以上，可以全部使用窑炉的烟气余热，更加节能。以日产300 t粉料为例，全年综合节约成本超过750万，节水超3万t。以日产10000 m2抛光砖的生产线为例，综合节约成本比例超过60%，每年干法比湿法综合成本节约700～800万元左右。

    由佛山溶洲建筑陶瓷二厂有限公司、华南理工大学、合肥水泥研究院、佛山绿岛环保科技有限公司四单位联合开发的"陶瓷粉料高效节能干法制备技术及成套设备"，不仅研制开发了干粉增湿造粒制粉技术及其整套设备，而且引入了水泥行业的粉料均化概念与装备，研究开发了适应于陶瓷多种类原料的逐级放大均化系统，优化了均化系统的各项参数，满足了陶瓷多原料种类、多色料种类、多种大小批量特性的配方原料干法混合均化要求，提高了粉料的均化度、流动性等性能，使之更加适应陶瓷墙地砖的压制成型工艺，向工业化生产应用迈开了一大步，已经规模化生产了厚度超过10 mm的300 mm×90 mm规格的外墙砖产品。而且将干法制粉与陶瓷废渣利用相结合，大量在产品配方中使用陶瓷废渣，陶瓷废渣掺入量可达60%以上。

    3.2.3干法制粉的特性

    图3是义科干法和立磨研磨以后的粒度分布情况，从图3中可以看到，10微米以下的颗粒占42.54%，立磨时合格粒度的粉料会及时转移。所以立磨一般不存在过粉磨现象，这也是它节能、高效的地方。图4是造粒以后颗粒的形貌，放大倍数为200倍。颗粒球形度高，流动性好。表1是300 mm×600 mm地砖干法与湿法数据的对比，从表中可以看出，干法制粉的堆积密度较高，湿法的一般1 g/cm3左右，干法一般比湿法高15%～20%。而压缩比干法制粉是1.85，湿法制粉为2.15，干法明显比湿法小。对生坯强度来说，在同样压力的情况下，干法制粉生坯强度比湿法提高约50%。在满足要求的情况下，可以把黏土的用量减少。干燥以后的干坯强度接近，烧成以后的烧成强度也接近。在同样的情况下，干法的收缩率减少50%左右，吸水率基本上减少一半。

    3.3 连续球磨技术

    连续球磨机以前广泛应用在选矿行业中。1984 年左右， 连续球磨机开始在意大利陶瓷墙地砖行业应用。随后，“意大利核能和替代能源委员会”委托“意大利波罗尼亚陶瓷中心”对连续球磨从工艺、泥浆和粉料性能、能耗方面与间歇球磨进行了系统的测试和比较研究。研究证明， 连续球磨比间歇球磨具有较大的优越性。这对此后连续球磨机在意大利的推广起了很大的推动作用。从此， 连续球磨机在意大利陶瓷墙地砖行业的应用越来越多。而我国陶瓷行业采用连续球磨技术时间较短，亿达机电连续球磨机的推出，使在欧洲已经应用有20多年的连续球磨技术与设备开始了在中国瓷砖行业的应用。

    3.3.1组合式连续球磨机的节能原理

    组合式连续球磨机是一种新型球磨机，它的结构包括筒体、传动装置、原料和研磨体的进出料装置、自动检测和自动控制系统等组成。工作时由电机，减速机和皮带轮组成的驱动系统通过皮带带动，有皮带槽的筒体作旋转运动。原料和水在进料装置驱动下通过进料端空心轴进入筒体内。在筒体带动下，装有一半多的原料、水和球石作相互冲击，旋转运动。原料在球石的强力冲击下，迅速得到研磨。原料经过一个多小时的强力研磨，经第三个筒体的出料口流出，完成整个原料的球磨过程。

    传统球磨机是封闭式的研磨，原料、水和球石装满整球才能运转，研磨效果差。而组合式连续球磨机是开放式的，只装有一半多，原料、水和球石，球石上下落差大，对原料冲击势能大，球石被带到高处直接冲击原料而产生很好的研磨效果，研磨好的原料可以马上从第三节筒体流走，不会产生过磨现象。连续球磨机对每一节球体的转速可根据其内部原料粒度不同采用最佳运行速度，提高了生产效率。而且其自动化程度高，可实现无人操作和远程控制。并且泥浆温度高、流动性好。传统球磨的泥浆含水率在33%～34%，而连续球磨的泥浆含水率可降到32%。这对喷雾干燥节能有很大的效果，每降低2%的含水率，可节约煤2 kg左右。

    3.3.2连续球磨机的优势

    连续球磨的优势主要有以下几方面：

    首先，节电明显。每吨干粉，因每个陶瓷厂的配方、原料不一样，大概可节省10%～15%的电。如晶鹏陶瓷厂的抛光砖的配方含硬质料比较多，硬度比较高，节电效果在15%以下，10%～15%之间。节能则根据各个陶瓷厂的配方和生产砖的规格不一样，节能也不一样，一般在15%～20%的范围内上下波动。倘若连续球磨机与间歇式球磨机混合运用，单位耗电为每吨粉料31 kW·h左右。

    其次，球磨筒体内装的球石、水和原料不超过球体的中心位置。三联体的连续球磨机每一节承担不同的研磨任务。第一节进行粗磨，当它研磨到一定程度，进入第二节进行中磨，然后进入第三节进行精磨。不会像间歇球磨机那样，已经磨细达标的要与粗颗粒同磨。可连续进料和出料，减少大量装料和出料的时间。

    第三，达到细度的先流走，没有达到标准的，继续研磨。

    第四，连续球的球体带有标准的皮带槽，用标准的三角带，带动筒体运动。而间歇球用三角带传动没有皮带槽的光筒体。

    第五，其他优势。节能降耗显著，相比间歇球可节能20%以上。产能高，质量稳定，占地面积小，基础投资少，采用模块化设计，根据原料特点，可灵活调整模块的配置，两联体、三联体、四联体等。

    3.3.3连续球磨机节能效果

    组合式连续球磨机在广东恩平市晶鹏陶瓷厂顺利投产。通过连续球磨机8个月运行的生产情况来看，节能明显，使用连续球磨机生产原料的陶瓷厂产量越大，连续球磨机显示的优势也越大。如果是连续球磨机+立磨，优势更明显，研磨效果更好，节能效果更显著，产量更大。从恩平的陶瓷企业生产中得到的实际测量数据可知，连续球磨机可保证每小时大概38～40 t泥浆产能，250目的筛余是18 g。

    连续式球磨机产量大，有显著的节能效果，一套（3台Φ3400 mm×6000 mm）组合式连续球磨机。原料在2 mm以下，直接进入连续球磨机研磨，每小时的浆料产量在20 t以上。如果经过传统球磨机粗磨，250目筛余为8～12 g再进连续式球磨机精磨，每小时可生产40 t浆料250目筛余在0.8～1.2 g左右。由于产量大，它比传统球磨机加工工艺每吨粉料要节约15%～20%左右的电。

    4 展望

    随着我国能源价格持续上涨，能耗在墙地砖生产成本中所占的比例越来越大，国家的环保政策也越来越严厉，节能环保已成为陶瓷企业生存的新常态。在这种形势下，纵观国内外陶瓷行业生产技术的开发和应用，在原料制备方面，将呈现如下的发展趋势：

    （1） 连续球磨机由于能够显著降低原料制备的能耗、大幅度降低生产成本，而且由于泥浆性能稳定、使产品质量和成品率得到提高，还具有便于生产管理、实现自动配料和连续化生产、生产周期大大缩短、节省占地面积、极大地提高了劳动生产率等优势。可以预见，在不久的将来，连续球磨机将在我国墙地砖行业得到较快发展。

    （2） 神工快磨工艺系统的未来发展趋势为：快磨与连续球磨配套新工艺，其优势有：1） 缩短粗磨时间，节省粗磨能耗；2） 物料结构碎裂，粒径均匀，易于球磨；3） 优于常规连续球磨工艺。在运用中控管理，自动化监控方面，将实现：1） 节省人力、物力；2） 提高生产效率；3） 减少失误，降低废品率；4） 实现节能降耗。

    （3） 随着环保标准的推出和实施，以及在清洁生产、节能减排政策的压力下，原料制备环节对环境的影响促使企业不断改进技术，而干法制粉工艺由于其生产效率高、全过程封闭自动化、除了电之外不用任何燃料，能做到零废气、零粉尘、零污水排放，同时还能节省大量劳动力成本的优势，未来，干法制粉工艺必将成为陶瓷行业原料制备的首选技术之一。

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