国内陶瓷干法制粉工艺与设备发展概况
国内陶瓷干法制粉工艺与设备发展概况
1.1干法制粉概念及其发展历程
1.1.1　干法制粉的概念
干法制粉是指利用立磨机、造粒机、流化床等设备实现的原料由粗到细、由干到干的加工过程。与传统湿法相比，干法制粉工艺取代了球磨与喷雾造粒两个最大的耗能工艺，具有极大的节能减排优势。干法制粉集中供粉的模式已在意大利、西班牙等国家实施数十年，是彻底解决陶瓷行业环保困局的有效手段。
1.1.2　干法制粉的发展历程
国外自20世纪80年代初开始研究陶瓷墙地砖干法制粉工艺，尝试将原料用干法粉磨后加水造粒，使粉料含水量达到5％～7％，经闷料后压型。后为了提高造粒效果，又于造粒时加水至10％～12％，再经流化床干燥（至水分5％～7％）、闷料后压制成型。与湿法喷雾干燥造粒工艺相比，干法制粉工艺的节水及节能优点极为突出，因而得到了迅速的发展。比较有代表性的公司有意大利LB公司、MS公司、GMV公司等。国内自20世纪80年代末开始这方面的研发工
作，咸阳陶瓷研究设计院于20世纪90年代开发出增湿造粒－流化干燥工艺，于2012年开发出新型干法短流程工艺。2013年，国家科技部下达国家“十二五”科技课题“陶瓷砖新型干法短流程工艺关键技术与示范”，该技术成果已经在国内推广应用，显示出良好的技术性、经济性，良好的节能减排效果，受到行业的广泛关注。
1.2　干法制粉的原理及干法工艺粉料特性
1.2.1　干法制粉的原理
干法制粉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。
图1－2　干法增湿造粒形成的颗粒示意图
将粉碎后的原料分别放置在喂料斗中，原料在自重作用下由底部排除，经置于喂料斗底部的电子皮带秤和上料皮带机输送到立式磨机内进行研磨，研磨后合格的粉料通过风力输送，经过旋风集料器和脉冲布袋集料器进行收集，然后经气流输送系统将粉料输送到储料仓内。储料仓内的粉料经仓底的螺旋输送机将粉料加入称重计量斗内，当粉料进入计量斗后的重量达到设定好的重量后，螺旋输送机停止加料，计量斗底部的出口打开为造粒机加料，造粒机开始造粒。经造粒机成型后的颗粒通过造粒机底部卸出，经过优化机二次优化，优化后的料粉进入干燥流化床，最后干燥、优化后的颗粒经大倾角皮带机直接进入料仓，经陈腐后得到合格粉料。
1.2.2　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，发生变形甚至开裂。
于等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。
图1－3　干法制粉工艺流程
张柏清等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。
陶瓷制作工艺流程吴南星等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吻合，验证了实验的可靠性。吴等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。仿真结果与实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，高温液相黏度更高，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，高温烧结过程中残留的晶相颗粒尺寸较大，数量较多；而湿法细粉颗粒较细，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，其抗折强度为3.19MPa，吸水率为2.31％，显气孔率为1.72％，容重为0.74g/cm3。张等以抛光废渣、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10～30min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。
图1－4　不同制粉工艺制备的陶瓷砖断面微观结构
图1－5　不同制粉工艺制备的陶瓷砖晶相颗粒组成对比
1.3　干法制粉工艺的影响因素
1.3.1　原料性能及配方特点
适用于干法制粉工艺的原料配方是干法制粉工艺的关键。由于干法粉碎及研磨设备处于连续式工作状态，达到工艺细度要求的细粉料被粉磨机风选机及集料设备回收，用于造粒。虽然细度达到工艺要求的筛分细度，但与同样筛分细度的湿法球磨机间歇式研磨的泥浆细度比较，其粉末料粒度的分布和颗粒的表面能是有区别的，这些区别会影响后期的产品性能，如产品吸水率、强度。为了保证配方原料在干磨（粉碎）后成分的均匀性和稳定性，从理论上讲，干法制粉工艺由于其自身特点，要求配方中原料的硬度应基本一致，并且原料种类不宜太多，在满足粉料性能及产品性能的前提下，配方原料物理性能尽可能相似，以保证原料细磨时原料配方成分的均匀一致性和稳定性。然而实际情况是我国地域辽阔，生产厂家所处的地理位置不同，可供选择的原料种类有限；不同厂家所要生产的产品不同，不同种类的产品对原料的选择也有不同的要求。因此，对于原来采用湿法工艺制备粉料的厂家，若采用干法工艺替代原来的湿法工艺，原料的配方一定要进行重新调整、试验。鉴于干法研磨设备的要
求，一般来讲，原料的含水率不能超过10％，大于该水分的原料在干磨时需要进行预干燥处理。
1.3.2　原料研磨工艺
与湿法球磨机的间歇式研磨方式不同，干法粉碎及研磨设备是连续式工作。为了保证配方料的均匀和稳定，除了考虑研究设计配方的同时，考虑粉碎研磨工艺流程也是干法制粉工艺技术需要重点研究的内容。对于原料种类较少或者原料性能接近的配方料，粉碎研磨前按配方同时将原料送入磨机粉碎研磨，达到细度的细粉料进入下道造粒工序；对于原料种类较多的配方料，按原料特性分为软质料和硬质料，单独送入不同的磨机粉碎研磨，再按配方配比进行混料均化，进入下道造粒工序。我国地域辽阔，南北方原料品种不同，陶瓷砖配方体系不同，依据不同的原料特点和配方体系可确定不同的原料干法研磨流程。

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