李先奎 朱文沛

(山東天匯研磨耐磨技術(shù)開發(fā)有限公司 山東 聊城 252218)

前言

目前市場上使用的陶瓷研磨體大多是以α-Al2O3為主要原料，添加其他輔助材料燒結(jié)而成的高鋁陶瓷產(chǎn)品。其具有高硬、超強、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等特點。其生產(chǎn)工藝過程為：

氧化鋁粉等原料→原材料配料→濕法球磨機研磨→漿池陳腐→干燥塔噴霧造?！炝蠙C混合→壓機壓制成形→坯體干燥→窯爐燒結(jié)→拋光分揀→包裝入庫。

1 提高濕法球磨機的研磨效率，縮短研磨時間，降低電耗

據(jù)測定，在陶瓷研磨體的生產(chǎn)企業(yè)中，濕法球磨機的用電量占整個生產(chǎn)線用電總量的60%左右。因此這是企業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.1 嚴格控制質(zhì)量指標，減少研磨時間

優(yōu)質(zhì)的原材料是生產(chǎn)高性能陶瓷研磨體的前提條件，氧化鋁研磨體最主要的原料是Al2O3粉，其結(jié)構(gòu)不同及含量高低對陶瓷研磨體性能有很大影響。目前，已知Al2O3有10多種同質(zhì)多相變體，其中主要有α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O33種，其結(jié)構(gòu)不同，性質(zhì)也不同。其中α-Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)最緊密，其硬度大、耐磨損、高溫穩(wěn)定性好，是3種形態(tài)中最穩(wěn)定的晶態(tài)，具有良好的機械性能，因此α-Al2O3是生產(chǎn)耐磨陶瓷研磨體的主要原料。因為物料易磨性與其礦物結(jié)構(gòu)和組成密切相關(guān)，原料的化學成分、晶體形態(tài)和粒度，不僅影響陶瓷研磨體的產(chǎn)品質(zhì)量，而且其易磨性也直接影響到球磨機的研磨效率。進廠原料盡可能的選擇合適的粉體材料，嚴格控制粒度大小，從而為后續(xù)的球磨工序減輕負擔，降低粉磨電耗。

本公司所用部分原材料化學成分及粒度統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 部分原材料化學成分及粒度

目前大部分陶瓷企業(yè)使用的Al2O3粉料，都是從化工企業(yè)直接購買。不同化工廠家的Al2O3粉體，生產(chǎn)工藝具有一定的差異，管理水平也不一樣，所以，產(chǎn)品質(zhì)量難免波動。生產(chǎn)中要控制α-Al2O3的純度≥99.5%，減少Na2O等其他雜質(zhì)含量，不僅利于形成均勻的微觀結(jié)構(gòu)晶體、顯著提高陶瓷研磨體的抗壓強度，而且能夠促進產(chǎn)品的燒結(jié)過程。當氧化鋁粉體中的Na2O含量越高時，α-Al2O3的轉(zhuǎn)化率越低，而且在燒結(jié)過程中由于γ-Al2O3晶型轉(zhuǎn)化容易引起燒結(jié)收縮大，導致制品變形和開裂。氧化鋁粉體煅燒時，α-Al2O3的轉(zhuǎn)化率與原料的純度和煅燒溫度成正比，但是若煅燒溫度過高的粉體會導致α-Al2O3晶粒異常長大，硬度高，易磨性差，研磨困難，而且燒結(jié)活性較低，使產(chǎn)品燒結(jié)困難，不利于形成均勻的微晶結(jié)構(gòu)[1]，最終會影響陶瓷研磨體的機械性能。

1.2 改變粉磨工藝和加料方式

陶瓷研磨體的原料一般分為可塑性原料和非可塑性原料，有硬質(zhì)和軟質(zhì)之分。粒度大小不同，物料的粉碎易磨性也不同，若將硬質(zhì)原料和軟質(zhì)原料同時加入球磨機進行細碎研磨，較細的粘土顆粒會將硬質(zhì)的氧化鋁粉顆粒包裹，在表面形成一層薄薄的泥層，成為硬質(zhì)顆粒的墊附層，進而影響研磨體對硬質(zhì)顆粒的研磨效率，同時也會造成對易磨性較好的軟質(zhì)原料過度研磨，不僅造成粉磨能耗的增加，也會影響到漿料顆粒的粒徑區(qū)間合理分布。為此本公司將原來的一次性加料改為二次加料。根據(jù)物料易磨性的不同，先將氧化鋁粉等易磨性較差的物料加入球磨機，研磨一定時間后，再將黏土等易磨性較好的物料加入一起混合粉磨，明顯降低了研磨時間，提高了研磨效率，漿料顆粒分布得到了優(yōu)化。

提高球磨機研磨效率，研磨體級配的選擇也至關(guān)重要。確定合理的研磨體級配根據(jù)球磨機的粉碎做功原理，研磨體尺寸大小基于粉磨能力和喂料粒度,較大的物料顆粒需要較大的研磨體進行粉碎，較小的顆粒需要稍小的研磨體進行研磨。同時研磨體級配以精減為好，根據(jù)入磨物料粒度和易磨性，在保證合理的平均球徑前提下，控制研磨體級配在3～4級即可。若球磨機中的研磨體規(guī)格較多時，每種規(guī)格的研磨體運動軌跡不同，不可避免的會造成研磨體之間運動的相互干擾，對研磨效率造成一定影響。球磨機對物料的粉磨過程，主要是物料受到研磨體間的相互碰撞及研磨體表面對物料的磋磨作用使物料顆粒逐漸粉碎細化的過程。

提高研磨體在球磨機內(nèi)的堆積密度，降低孔隙率，提高研磨體與物料的接觸面積，就可以提高球磨機的研磨效率。在球磨機裝載量一定的情況下，研磨體的規(guī)格越小，相應(yīng)的研磨體數(shù)量越多，總的表面積越大，與物料接觸的機率次數(shù)越多，研磨效率越高。但是太小的研磨體單個質(zhì)量較小，單個做功能量有限，在濕法磨中由于料漿的浮力作用也會降低研磨作用。因此，應(yīng)根據(jù)球磨機入磨物料情況和生產(chǎn)實際狀況合理選擇研磨體的規(guī)格和裝載量。

經(jīng)過多次實驗室模擬實驗，最終確定將傳統(tǒng)的坯料制漿一次性投料研磨，改為二次分別研磨工藝，把球磨制漿過程分為粗磨和細磨兩個階段，同時優(yōu)化研磨體級配方案，粗磨中適當調(diào)整較大規(guī)格的研磨體，加大平均球徑，細磨中增加稍小規(guī)格的研磨體占比，適當降低平均球徑。先將各組分原料加入粗磨球磨機研磨到一定細度后再將料漿泵入細磨中繼續(xù)研磨到符合要求的漿料細度，這種分別粉磨工藝使各種規(guī)格研磨體的研磨作用發(fā)揮到最大化，改造后綜合研磨時間減少20 h，綜合電耗降低28.6%，改造前后的研磨體級配及研磨效率變化，如表2、表3、表4所示。

1.5.2 PCR擴增 預(yù)試驗后確定25 μL PCR反應(yīng)體系：模板2.5 μL，20 μmol/L引物（CS1/CS2）各0.5 μL，2×PCR Master Mix12.5 μL，ddH2O 9 μL。反應(yīng)條件：94℃ 3 min，94℃ 40 s，62℃ 40 s，72℃ 40 s，共40個循環(huán)，72℃10 min。取擴增產(chǎn)物20 μL進行2%瓊脂糖電泳，利用凝膠成像系統(tǒng)觀察擴增產(chǎn)物并成像，產(chǎn)物長度為315 bp。

表2 改造前球磨機級配及效率統(tǒng)計

表3 改造后粗磨級配及效率統(tǒng)計

表4 改造后細磨級配及效率統(tǒng)計

1.3 選用優(yōu)質(zhì)的球磨機襯磚和研磨體

球磨機內(nèi)襯和研磨體的質(zhì)量對研磨效率有較大的影響，硬度越大，耐磨性越高，研磨效率越高。在球磨機襯磚方面改變傳統(tǒng)的硅石襯、高分子襯、橡膠襯，采用氧化鋁含量99.5%的高鋁陶瓷耐磨襯磚(如圖1所示)，襯磚之間有凸凹銜接，縫隙較小，砌筑牢固。就研磨體本身而言，其體積密度、壓碎值強度大小，自身磨耗，外觀形狀和表面硬度情況對球磨效率及料漿質(zhì)量的影響是很大的。由于研磨體比重大、硬度高、耐磨性好，研磨效率較高，耐磨，因此研磨體使用公司自己生產(chǎn)的高鋁研磨體。根據(jù)粗磨和細磨對原料研磨的不同特點和要求，在粗磨級配中使用球形的陶瓷研磨體，目的在于增強對物料的破碎沖擊力，同時由于球形的研磨體易于滾動，且有利于降低球磨機的啟動負荷，可以在較短時間內(nèi)把原料研磨成較細的泥漿。在細磨級配中加入球柱結(jié)合型的陶瓷研磨體(如圖2所示)，在球磨機運轉(zhuǎn)過程中研磨體之間、研磨體與物料及磨機襯磚之間既有點接觸又有面接觸，從而提高了研磨效率，同時根據(jù)最緊密堆積級配原理，優(yōu)化研磨體級配設(shè)計。

球磨機細磨用陶瓷研磨體性能指標見表5。

圖1球磨機高鋁襯磚圖圖2球柱結(jié)合型研磨體

表5 陶瓷研磨體性能指標

1.4 合理使用外加劑降低出磨漿料細度

良好的料漿是獲得高密度、微觀結(jié)構(gòu)均勻、無缺陷坯體的關(guān)鍵，也是提高材料的燒結(jié)性能和力學性能的重要因素[2]。在原料濕法球磨過程中加入適量的助磨劑、分散劑、粘結(jié)劑、消泡劑等，可以有效地提高研磨效率，降低出磨漿料細度，生產(chǎn)出固含量高、粘度低、顆粒分布均勻、流動性好的料漿，為噴霧造粒工序的節(jié)能降耗創(chuàng)造條件，同時也提高了造粒粉料的壓制成形性能。常用的添加劑有三聚磷酸鈉、硅酸鈉、羧甲基纖維素、腐殖酸鈉、聚乙烯醇(PVA)等。

添加劑的種類和用量要根據(jù)各廠的實際情況通過多次試驗來確定，在保證料漿質(zhì)量要求的情況下，用量越少越好，用量過多不僅對料漿質(zhì)量的改善效果不明顯，有時反而會產(chǎn)生相反的效果，同時給后續(xù)的燒成工序分解釋放造成困難。隨著球磨機的運轉(zhuǎn)，原料顆粒越來越細，隨著細度的增加，細小顆粒數(shù)量增加，顆粒表面吸附包裹的水分增多，料漿的粘度越來越高，細小顆粒會出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，球磨機的研磨效率將會大幅度下降。加入適量的助磨劑，可以抑制或延緩顆粒的團聚，提高研磨效率，降低研磨時間，節(jié)約電耗。

目前對于助磨劑的作用機理有兩種較有代表性的學說，一是列賓捷爾的“吸附降低硬度”說，即助磨劑分子在顆粒上的吸附降低了顆粒的表面自由能，或者引起表面晶格的位錯遷移，產(chǎn)生點缺陷或線缺陷，從而降低顆粒的強度和硬度，促進裂縫的產(chǎn)生和擴展。二是克蘭帕爾的“礦漿流變學調(diào)節(jié)”說，認為助磨劑能夠改變漿料的流變學性質(zhì)和顆粒的表面電荷性質(zhì)等降低料漿的粘度，促進顆粒的分散，從而提高料漿的流動性，阻止顆粒之間、顆粒與研磨介質(zhì)及球磨機襯磚之間的團聚與粘附[3]。因為氧化鋁具有離子性，助磨劑可以在氧化鋁粉末表面吸附，減弱了粉粒之間的相互作用力，有利于粗顆粒暴露而受到研磨，避免了粗顆粒包裹于細顆粒之中，使研磨力緩沖、分散，有效地阻止了細顆粒的絮凝和再聚集，研磨時間由原來的70 h縮短到50 h，料漿細度D50由原來的2.37 μm降低到1.78 μm，固含量由原來的57%提高到62%。為噴霧造粒干燥環(huán)節(jié)降低了能源消耗。氧化鋁粉末細度的降低，也為氧化鋁耐磨陶瓷研磨體的低溫燒結(jié)提供了有利條件。

2 優(yōu)化噴霧干燥造粒工藝參數(shù)

2.1 制備高固含量的料漿

目前陶瓷研磨體生產(chǎn)企業(yè)，普遍采用壓力式噴霧干燥造粒工藝生產(chǎn)顆粒粉料，顆粒分散均勻、流動性好、固含量高的料漿是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)顆粒粉料的前提條件，也是節(jié)能降耗的關(guān)鍵因素。據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計，將料漿的固含量提高5%后，噴塔造粒的單位產(chǎn)品燃氣消耗了15%左右。而且改善了粉料的顆粒形貌，提高了顆粒球形度和流動性以及填充密度，提高了粉料的壓制成形性能。

2.2 選用優(yōu)質(zhì)燃料，合理控制噴霧塔熱風進出口溫度，提高熱能利用率

傳統(tǒng)陶瓷行業(yè)通常用煤、油或發(fā)生爐煤氣等做燃料，由于燃燒不充分、發(fā)熱量低，熱值不穩(wěn)定等因素不利于噴塔造粒產(chǎn)量和質(zhì)量的提高。當在噴霧造粒和窯爐燒成工序，全部使用天然氣做燃料(熱值≥9 000×4.18 kJ/Nm3)，提高了熱能利用率，生產(chǎn)中控制熱風進口溫度在500～600 ℃，出口溫度控制在105～115 ℃。根據(jù)產(chǎn)品壓制成形的要求控制粉料水分在0.8%～1.2%。若進口溫度過高，不僅會對塔頂設(shè)備造成損壞，而且會造成噴霧液滴表面急劇干燥，形成堅硬的外殼，甚至造成粘結(jié)劑性能的喪失，進而影響粉料的成形性能。既浪費了能源又影響了質(zhì)量。因此穩(wěn)定熱風制度也是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)粉料降低能耗的重要因素。

2.3 增設(shè)高壓過濾設(shè)備，適當延長噴槍高度

在噴霧造粒生產(chǎn)時，料漿在管道輸送過程中，有時會出現(xiàn)料漿在管道內(nèi)壁上產(chǎn)生結(jié)皮粘結(jié)的現(xiàn)象，一旦脫落就會造成堵塞噴槍的現(xiàn)象。在更換噴槍的過程中，即影響噴塔造粒的產(chǎn)量，又會造成噴塔內(nèi)溫度的波動，對粉料質(zhì)量造成一定影響。本公司在高壓柱塞泵的前面增加一臺自制的高壓過濾設(shè)備(如圖3所示)，兩臺過濾器交替使用，及時清理，有效地避免了堵塞噴槍的現(xiàn)象。同時為了增加漿料的噴射高度，在原來噴槍高度的基礎(chǔ)上延長0.5 m，增加了漿料的噴射高度，充分利用了噴塔頂部的有效空間，降低了塔頂溫度，即有利于設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)，又延長了顆粒粉料在塔內(nèi)的干燥時間，提高了熱量利用效率。

圖3 新增高壓過濾器

2.4 合理利用旋風筒收集的粉料

旋風收塵器收集的細粉約占噴塔生產(chǎn)量的10%左右，因為顆粒較細，顆粒分布不合理，單獨壓制成形的性能較差，因此大部分廠家采取將細粉收集后,按比例摻入泥漿池重新制漿的做法。本公司在旋風收塵器與噴塔成品顆粒出口之間安裝一臺輸送設(shè)備,將收集下來的細粉,經(jīng)過振動篩均勻的加入到成品粉料中，再經(jīng)混料器混合后直接用于壓制成形(如圖4所示)，降低了噴塔的能源消耗。通過以上3項技改措施，節(jié)省了噴霧造粒的天然氣消耗量，由原來的129 m3/t，降低到92 m3/t，能耗降低了30%左右。

圖4 新增旋風收塵粉料輸送設(shè)備

3 推行低溫快燒技術(shù)

3.1 優(yōu)化配料方案，合理使用燒結(jié)助劑

在陶瓷研磨體的生產(chǎn)過程中，積極探索低溫燒成技術(shù)，燒成溫度越高，能耗就越高。具熱平衡計算，若燒成溫度降低100 ℃，則單位產(chǎn)品的熱耗可降低10%以上，且燒成時間縮短10%，產(chǎn)量增加10%，可以節(jié)約大量能源[4]。添加CaO、TiO2、Fe2O3等作為添加劑，能夠在低溫下與Al2O3生成共熔物，并且在較低的溫度下形成并生成液相、熔融相，增加了晶粒的位移擴散速度。從而促進了產(chǎn)品的燒結(jié)。

3.2 降低料漿顆粒細度，提高生坯密度

顆粒細度對陶瓷研磨體性能影響很大，超細、活性高的Al2O3粉體制備是獲得細晶高強耐磨陶瓷研磨體的首要條件。Al2O3粉體顆粒越細，缺陷越多，活性也越大，可以有效的促進燒結(jié)的進程，縮短燒成時間，降低能源消耗，同時燒成產(chǎn)品的強度也越高。小顆粒還可以分散由于剛玉和玻璃相線膨脹系數(shù)不同在晶界處造成的應(yīng)力集中，減少開裂的危險性，細的晶粒還能妨礙微裂紋的發(fā)展[5]，避免穿晶斷裂，提高斷裂韌性，增強耐磨性。通過提高球磨機的研磨效率，將漿料D50細度由原來的2.37 μm降低到1.78 μm，同時結(jié)合大型高壓等靜壓機成形工藝，生坯密度控制指標由原來的≥2.3 g/cm3提高到≥2.4 g/cm3，壓制成形的坯體結(jié)構(gòu)致密，顆粒之間的孔隙率減小，接觸面積增加，有利于熱量的傳導和質(zhì)點的擴散，因此能夠有效地促進燒結(jié)的進程，為生產(chǎn)微晶耐磨陶瓷研磨體打下了堅實的基礎(chǔ)。通過上述工藝技術(shù)的改進，陶瓷研磨體的燒成溫度由原來的1 520 ℃降低到1 460 ℃，同樣生產(chǎn)出了燒結(jié)密度較高的陶瓷研磨體，降低能源消耗。

3.3 采取自動控制技術(shù)，穩(wěn)定燒成制度

利用80 m長隧道窯煅燒陶瓷研磨體產(chǎn)品，窯體結(jié)構(gòu)科學合理，窯內(nèi)溫差小，節(jié)能效果好，生產(chǎn)效率高。完全采用機械化、自動化電腦控制系統(tǒng)，能夠按照設(shè)定的燒成曲線自動調(diào)節(jié)，有利于燒成制度的穩(wěn)定，降低了能源消耗。

3.4 窯爐的余熱利用

窯爐是陶瓷研磨體生產(chǎn)企業(yè)的主要能源消耗工序，節(jié)能降耗存在較大的潛力。一般情況下，冷卻帶抽熱風機排出的風溫高達350 ℃以上，預(yù)熱帶的排煙風機排出的風溫在300 ℃以上，熱量損失巨大，造成能源的浪費。按照投資少，施工方便的原則，增加部分管道，把抽熱風機排出的熱風引入助燃風機，并補充適當?shù)睦滹L，將助燃風溫度由原來的大氣常溫，升高到200 ℃左右(如圖5所示)；增加一臺風機把排煙風機排出的熱風引入預(yù)熱帶(如圖6所示)，用于坯體的預(yù)熱干燥和氣幕攪拌，將預(yù)熱風溫提高到150 ℃左右。大大提高了熱能利用效率。

圖5助燃風機改造圖圖6攪拌風機改造圖

圖7 隧道窯技改前工藝示意圖

改變冷卻風機和平衡風機管道接口位置，平衡爐內(nèi)兩側(cè)的風量和風壓，穩(wěn)定燒成制度，由于原來風機進入窯爐的風管接口位置在窯爐的側(cè)面，造成窯爐兩側(cè)風壓的不平衡，進風側(cè)的風壓高于對側(cè)的風壓，生產(chǎn)中出現(xiàn)進風入口的一側(cè)爐低向外跑熱風的現(xiàn)象，將進風入口改到窯頂?shù)闹虚g位置后，徹底解決了這種現(xiàn)象，穩(wěn)定了燒成制度，同時減少了熱能損失，降低了能源消耗，隧道窯整體改造前后對比示意圖見圖7和圖8所示。通過上述技術(shù)改造，單位產(chǎn)品天然氣消耗有原來的275 m3/t降低到215 m3/t,能源消耗降低了21.8%。

圖8 隧道窯技改后工藝示意圖

3.5 加強窯爐保溫

傳統(tǒng)耐火材料砌筑的隧道窯，窯體材料比例較大，蓄熱多，熱輻射損失大。采用新型節(jié)能陶瓷纖維與輕質(zhì)高鋁耐火材料，減少窯體和窯車的蓄熱和散熱損失，輕質(zhì)耐火材料密度小，蓄熱低，導熱系數(shù)小，耐高溫性能好。由于陶瓷纖維高效的隔熱保溫效果，使燒成熱量損失大幅度降低，高溫區(qū)窯體外層溫度只有40 ℃。同時加強窯爐各通風管道的保溫處理，減少散熱損失。

4 結(jié)語

陶瓷研磨體生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能降耗，關(guān)系到生產(chǎn)過程的每一個環(huán)節(jié)，加強原材料控制，降低粉料顆粒細度，提高濕法球磨機的研磨效率，合理控制噴霧造粒工藝操作參數(shù)，適量加入添加劑，采用低溫快燒技術(shù)，綜合利用窯爐預(yù)熱，積極推進工藝技術(shù)改造，可以起到節(jié)能降耗顯著的效果。各企業(yè)應(yīng)根據(jù)自己的實際情況，大膽創(chuàng)新，開展工藝技術(shù)改造，積極探索適合自己的節(jié)能降耗途徑。