通常，將米數(shù)量級的原料經(jīng)過外力作用使之變?yōu)楹撩讛?shù)量級且物料顆粒粒徑小于100 mm 的過程，稱之為破碎。而將毫米數(shù)量級的物料顆粒經(jīng)過外力作用使之變?yōu)槲⒚讛?shù)量級且物料顆粒粒徑小于0.01mm的過程，稱之為粉磨。一般來講，物料的粉磨過程既存在物料的破碎過程、又存在物料的粉磨過程。因此，可以將物料破碎和粉磨過程統(tǒng)稱為粉碎。陶瓷企業(yè)原料的制備過程主要是粉磨。本文主要介紹陶瓷企業(yè)原料粉磨工藝與粉磨機(jī)械相關(guān)的技術(shù)裝備的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。
目前陶瓷行業(yè)的粉磨裝備主要是球磨機(jī)。球磨機(jī)是最早出現(xiàn)且應(yīng)用最為普遍的粉磨設(shè)備，其粉磨機(jī)理可歸納為“料群粉磨”。料群粉磨的最大缺點是有用功少、效率低下。研究結(jié)果表明，球磨機(jī)的機(jī)械效率僅為2%-5%。球磨機(jī)雖然已經(jīng)經(jīng)過上百年不斷的改進(jìn)、發(fā)展，并且已經(jīng)開發(fā)出大型球磨機(jī)和連續(xù)球磨機(jī)，但總體看來從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面提升球磨機(jī)的機(jī)械效能幾乎已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)的極限。
一、陶瓷原料制備的現(xiàn)狀
我國是世界陶瓷生產(chǎn)的第一大國，據(jù)2014年3月8日，在山東淄博舉行的中國(淄博)建陶產(chǎn)業(yè)品牌贏未來高峰論壇上，中國建筑衛(wèi)生陶瓷協(xié)會秘書長繆斌發(fā)布數(shù)據(jù)：“2013年全國建陶產(chǎn)量達(dá)到96.9億平方米，比2012年增長7.8%”。然而，我國陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的原料制備普遍存在工藝流程落后，裝備幾十年不變，能源利用率低，能耗巨大這一嚴(yán)峻而現(xiàn)實的問題。特別是陶瓷原料的制備直采用開流式的球磨工藝(用間隙式球磨機(jī))，幾十年來幾乎沒有改變，一直沿用至今，然而國外早已經(jīng)開始采用圈流式連續(xù)球磨工藝(用連續(xù)式球磨機(jī))，國內(nèi)卻一直推廣不了。
我們知道陶瓷原料的種類繁多，含水率又各不相同，為保證原料粉磨前后配方的一致性，中國的陶瓷企業(yè)一直采用落后的開流式球磨工藝。該球磨工藝的最大優(yōu)點是能夠確保陶瓷原料的配比在球磨前后不會發(fā)生變化，物料混合得非常均勻，間隙式球磨機(jī)在將物料粉磨的同時，還起到了將物料混合均勻的作用，正由于間隙式球磨機(jī)具有這一優(yōu)點，在陶瓷行業(yè)原料的粉磨工序中占據(jù)了不可動搖的地位。然而這一球磨工藝的最大缺點是，物料在粉磨過程中不可避免地會出現(xiàn)“過度粉碎”現(xiàn)象。所謂“過度粉碎”是指己達(dá)到了細(xì)度要求的物料不及時地排出，仍然在機(jī)內(nèi)繼續(xù)球磨，這部分物料必然過細(xì)，消耗多余的能量，而且過細(xì)的物料還會把粗顆粒包裹起來，使粗顆粒不易直接受到粉碎作用，結(jié)果使粉碎機(jī)生產(chǎn)能力降低，單位功耗增加。因此“過度粉碎”現(xiàn)象應(yīng)該盡可能地避免出現(xiàn)。
眾所周知，陶瓷原料加工環(huán)節(jié)中“球磨成漿”生產(chǎn)工藝落后，球磨時間長，用電量占企業(yè)用電的40%以上，而且有能量利用率非常低(一般只有2%-3%)，噪音大、體積笨重，占地面積大等缺點。但由于中國的陶瓷原料的標(biāo)準(zhǔn)化問題一直未能解決，因此中國的陶瓷企業(yè)至今仍采用這一落后的原料制備工藝路線和間隙式球磨機(jī)。
二、連續(xù)式球磨機(jī)
1.單筒連續(xù)式球磨機(jī)
連續(xù)式濕法球磨機(jī)(以下簡稱“連續(xù)式球磨機(jī)”)以前廣泛應(yīng)用在選礦行業(yè)中。1984 年左右, 連續(xù)式球磨機(jī)開始在意大利陶瓷墻地磚行業(yè)應(yīng)用，隨后，國外的一些陶瓷企業(yè)普遍使用連續(xù)式球磨機(jī)。早期的連續(xù)式球磨機(jī)只有一個水平放置的筒體，筒體被隔板分成2—3 個研磨腔，每個研磨腔內(nèi)裝有尺寸大小不一的研磨體。與間歇式球磨機(jī)一樣，筒體旋轉(zhuǎn)時，筒體內(nèi)研磨體等在摩擦力和離心力的作用下被筒體提升到一定高度后，在重力的作用下沿近似拋物線軌跡落下來，沖擊和研磨物料，并產(chǎn)生一定的軸向運動促使物料研磨和混合均勻。但由于球磨機(jī)的筒體直徑較大，大型球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，筒內(nèi)的研磨體基本上不存在拋落運動，筒內(nèi)的物料主要是受到研磨體的研磨作用。從加料端至卸料端連續(xù)加人的物料，一邊粉磨，同時依次通過各篩板逐漸移向卸料端，最后由卸料端卸出筒體，卸出筒體的泥漿通篩分機(jī)械進(jìn)行分級，達(dá)到粒度要求的物粒送到下道工序，未能達(dá)到粒度要求的物料送回到磨機(jī)內(nèi)繼續(xù)完成對物料的連續(xù)粉磨作用。
2.多單元連續(xù)式球磨機(jī)
多單元連續(xù)式球磨機(jī)一般制造成2 段或3 段具有單獨的傳動系統(tǒng)的球磨機(jī)，可以理解成多個單圓柱筒形連續(xù)式球磨機(jī)的組合，但每個單元的體積小很多，與間歇式球磨機(jī)相似。幾個單元結(jié)構(gòu)相同，都有獨立的驅(qū)動(變頻)和球石加入裝置，每個單元有獨立的轉(zhuǎn)速和球石級配，將研磨到一定細(xì)度的泥漿送到下一個單元繼續(xù)球磨。這種球磨方式完全符合濕法球磨理論，即可根據(jù)粉磨物料的細(xì)度不同，選擇合適的料球比和轉(zhuǎn)速，所以效率無疑是最高的。據(jù)介紹，多單元連續(xù)式球磨機(jī)比間歇式球磨機(jī)節(jié)能15%左右。這種多單元連續(xù)式球磨機(jī)的各個單元的外型尺寸與普通球磨機(jī)基本相同，所以其制造、運輸、安裝都更加容易操作。
3.連續(xù)式球磨機(jī)與間歇式球磨機(jī)相比，具有以下特點：
(1)連續(xù)式球磨機(jī)采用的是圈流式粉磨工藝，不會產(chǎn)生“過度粉碎”現(xiàn)象，提高了粉磨效率;
(2)陶瓷工業(yè)連續(xù)式球磨機(jī)的筒體通常被分成2—3個研磨腔，每個倉配備適宜的研磨體，從而研磨效果最佳;因此物料由加人端進(jìn)人筒體后，依次經(jīng)各研磨腔逐級破碎研磨，極易達(dá)到所需的粒度要求。此外從卸料端卸出的泥漿，經(jīng)振動篩篩分后，未達(dá)到粒度要求的篩上料又經(jīng)皮帶輸送機(jī)或泥漿泵等重新送人加料端，進(jìn)人球磨機(jī)再次研磨， 直至達(dá)到所需的粒度要求;
(3)由于連續(xù)式球磨機(jī)筒體內(nèi)溫度的升高和動態(tài)出漿，使得出磨泥漿的粘度降低，從而減少了球磨物料的用水量和噴霧干燥塔的蒸發(fā)量，節(jié)能效果明顯;
(4)整套設(shè)備采用P L C 控制，基本實現(xiàn)無人操作和集中控制，大大節(jié)省了人力，實現(xiàn)自動化操作;
(5)因為進(jìn)出料是連續(xù)的，省去了間歇式球磨機(jī)的進(jìn)料及放漿時間， 工作效率高且便于實現(xiàn)自動化;
(6)和間歇式球磨機(jī)相比大大減少占地面積。
綜上所述，連續(xù)球磨工藝連續(xù)式球磨機(jī)在節(jié)能和生產(chǎn)管理(增加人均生產(chǎn)率，節(jié)約占地面積，便于工藝管理)方面都有不可比擬的優(yōu)點。
4.連續(xù)式球磨機(jī)的自動稱量配料系統(tǒng)
連續(xù)式球磨機(jī)的原料連續(xù)自動稱量配料系統(tǒng)，是由計算機(jī)控制每一種物料由皮帶機(jī)分別貯存到各個料倉中，每個料倉均有上、下控制的料位儀來控制料的量，料倉下錐有一倉壁振動器，下端有葉輪下料器下料，料倉下有電子皮帶秤。電子皮帶秤的作用是隨時確定皮帶喂料機(jī)的重量，即當(dāng)實際重量與定好的重量出現(xiàn)偏差時，及時調(diào)整葉輪給料機(jī)的速度。自動配料系統(tǒng)能夠按照所確定的坯體配方提供均勻的原料，它不會因為一種或幾種原料的重量出現(xiàn)波動而變化。配好的料由皮帶輸送機(jī)和斗式提升機(jī)送到連續(xù)式球磨機(jī)前的小料倉中，小料倉配有上、下限料位控制儀，用以控制自動配料系統(tǒng)的停開。有了這個小料倉，前邊的配料系統(tǒng)就可以根據(jù)需要停機(jī)或進(jìn)行日常檢修。小料倉下也裝有電子皮帶秤，其性能與稱量配料系統(tǒng)中的一樣。電子皮帶秤的作用是確定實際重量與定好重量之間的偏差，根據(jù)需要自動調(diào)整皮帶機(jī)的速度。磨機(jī)前有一溜槽，將料、水及解膠和返回來的篩上料自動流入球磨機(jī)，篩上料先用計量控制的水稀釋后用螺桿泵送入磨機(jī)的前溜槽。
三、陶瓷原料制備新工藝和新設(shè)備的探索
節(jié)能顯著的連續(xù)式球磨機(jī)一直在我國推廣不開，一個主要的問題是國內(nèi)陶瓷原料難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，且原料的種類繁多，水份差異較大，無法實現(xiàn)自動給料和配料。但在陶瓷行業(yè)節(jié)能呼聲愈來愈高的今天，改革原料加工工藝，采用先進(jìn)的粉磨設(shè)備，研究、制造出適合我國陶瓷原料配方工藝與陶瓷生產(chǎn)技術(shù)的粉磨設(shè)備，已成為行業(yè)亟需解決的重要問題�？上驳氖�，這幾年，一直沒有什么變化的原料加工工藝和加工設(shè)備受到了一些企業(yè)的重視，經(jīng)過多年的研究和實踐，有了新的變化和新的思路，針對中國的陶瓷原料的現(xiàn)實，尋找到可以操作的工藝路線和新型的粉磨設(shè)備，取得了可喜的成效。下面將近年來陶瓷原料制備新工藝和新設(shè)備的探索作一個簡單介紹。
1.間歇式球磨機(jī)+間歇式球磨機(jī)
一些企業(yè)將原料的一段式球磨，改為二段式球磨，也取得較好的節(jié)能效果。通過改變每段球磨機(jī)的研磨體大小以及配比和轉(zhuǎn)速的大小，即不同球磨階段的轉(zhuǎn)速和球石的大小、級配不同。在粗磨階段，以較大球石擊碎原材料中的大顆粒，而在細(xì)磨階段，因為是研磨為主，故裝載的研磨體尺寸小，數(shù)量多，研磨體與原料的接觸面積增大，次數(shù)增多，因此球磨效率得到提高，但帶來的問題是周轉(zhuǎn)漿池增多。
2.間歇式球磨機(jī)+連續(xù)式球磨機(jī)
這種方案的好處在于完全可以適應(yīng)現(xiàn)有所有陶瓷廠的原料加工。如某企業(yè)采用7臺40噸間歇磨加上一臺MMC180球磨機(jī)，一天可以出1680噸泥漿，實際用電22080kWh，如果不用MMC180球磨機(jī)，要產(chǎn)出同樣多的泥漿，至少需要32臺40噸球磨機(jī)，實際耗電量達(dá)到了60480kWh，這樣下來，可以節(jié)省63%的電耗。平均計算下來，每天可以節(jié)省38400kWh的電。這種方案比較穩(wěn)妥，對現(xiàn)有原料車間變動不大，廠家生產(chǎn)時比較容易接受。該工藝保留了傳統(tǒng)的間歇式球磨機(jī)的研磨工藝，但大大縮短了間歇式球磨機(jī)的時間，在一定產(chǎn)量下所需要的間歇式球磨機(jī)數(shù)量較少。該工藝可適應(yīng)于老廠改造也可用新廠建設(shè)，其投資少、產(chǎn)量高、質(zhì)量穩(wěn)定，同時還能達(dá)到滿意的節(jié)能效果。不但可以節(jié)省用電成本，也可以節(jié)省人力成本。
3.神工快磨+間歇球磨或神工快磨+連續(xù)式球磨
博暉的神工快磨系統(tǒng)采用“快磨機(jī)”與“球磨機(jī)”相組合的二段粉磨流程，有效地避免了物料在球磨機(jī)的初始粉碎階段所消耗的大量的能量，降低了球磨機(jī)的能耗，同時還可以極大地縮短了物料的整個球磨過程所耗費的時間，從而達(dá)到了在原料制備階段的節(jié)能。所謂神工快磨，其實際是立式磨的一種改革。立式磨的粉磨機(jī)理屬于“料床粉磨”，或稱之為“料床擠壓粉磨”。料床擠壓粉磨的優(yōu)點是有用功多、機(jī)械效率高。
神工磨與球磨機(jī)在陶瓷原料粉磨中的聯(lián)合應(yīng)用，是針對當(dāng)前陶企普遍使用的陶瓷原料(砂石料和泥料)用“傳統(tǒng)單一球磨”的加工工藝進(jìn)行的一種陶瓷原料加工工藝的創(chuàng)新。先將砂石料經(jīng)神工磨進(jìn)行粗粉磨處理后，再送入球磨機(jī)進(jìn)行研磨。采用二段粉磨流程，避免大的物料在球磨機(jī)初始粉碎階段的大的能量消耗，極大地縮短了物料的整個球磨過程時間，大大降低了球磨機(jī)的能耗，從而達(dá)到了在原料制備階段的節(jié)能。工藝布置見圖。
神工磨與球磨機(jī)聯(lián)合應(yīng)用的工藝布置
這一種工藝容易實現(xiàn)原料加工過程的自動化，從進(jìn)料到出料以及各種配方的物料都是可以通過電腦編程等數(shù)字化控制，每個關(guān)鍵部位都有監(jiān)控圖像點。
目前試驗的神工快磨+間歇球磨系統(tǒng)，是一種高效、節(jié)能的陶瓷原料粉磨的新工藝，解決傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)工藝流程中能耗巨大問題，降低陶瓷原料粉磨的能耗，提高陶瓷生產(chǎn)的生產(chǎn)效率，對整個陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。其主要優(yōu)點如下：
(1)由于神工快磨運行中磨輥和磨盤沒有金屬間的直接接觸，磨損小，成品料滿足陶瓷生產(chǎn)工藝的要求。
(2)新工藝采用的是：進(jìn)入神工磨的是≤60mm粒度的原料，神工磨將原料粉碎至≤10目的顆粒，再送入球磨機(jī)研磨，從目前實際使用的效果可達(dá)到節(jié)能25%左右。詳見下表
神工快磨的節(jié)能效果表
(3)為陶瓷原料加工流程的智能控制開創(chuàng)了先河：針對陶瓷原料粉磨流程，在主要設(shè)備上采用集中式工業(yè)控制器，對陶瓷原料的加工參數(shù)進(jìn)行精確控制，可實現(xiàn)陶瓷原料粉磨流程自動化控制。
(4)新的球磨工藝，送入球磨機(jī)的是粒度≤10目的原料，原料粒度相對均等，為進(jìn)一步的提高研磨原料的效能，縮短球磨時間，降低球石的磨耗。
(5)目前采用的方案是神工快磨+間歇球磨，今后采用神工快磨+連續(xù)式球磨工藝，不但節(jié)能效果將進(jìn)一步提高，而且有望實現(xiàn)原料制備工序的全自動化和數(shù)字化，為陶瓷企業(yè)原料制備的技術(shù)和裝備的提升尋找到了一種可行的道路。
(作者系中國硅酸鹽學(xué)會陶瓷分會副理事長、機(jī)械裝備專業(yè)委員會主任委員，景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院教授)
