岳邦仁 張向衛(wèi) 陳維堯 葉春南 林慶宗

(1 北京金隅集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100013)

(2 福建良瓷科技有限公司 福建 永春 362600)

(3 福建科福材料有限公司 福建 永春 362600)

產(chǎn)自于福建省泉州市永春縣介福鄉(xiāng)的介福瓷土為低質(zhì)的陶瓷原料,在開發(fā)介福瓷土的過程中進(jìn)行了許多技術(shù)工作,包括對(duì)介福瓷土和介福水洗瓷土的研究,水洗瓷土生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和建設(shè),研制了新的瓷土破碎設(shè)備和錐打設(shè)備,完成了以介福伊利石型水洗瓷土作為主要原料的衛(wèi)生陶瓷坯料配方的研究與應(yīng)用,開發(fā)出伊利石型水洗瓷土的高壓商品泥漿并投入市場(chǎng)等工作。同時(shí)福建科福材料有限公司作為負(fù)責(zé)起草單位之一,參加了中國(guó)建筑衛(wèi)生陶瓷協(xié)會(huì)主持制定的《伊利石型水洗瓷土》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的工作。

開發(fā)工作過程中共獲得專利9項(xiàng)(發(fā)明專利3項(xiàng),實(shí)用新型專利6項(xiàng))。福建科福材料有限公司于2020年12月1日獲得國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)證書。

在開發(fā)與應(yīng)用介福水洗瓷土取得良好經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的同時(shí),促進(jìn)永春縣建成衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)原料的伊利石型水洗瓷土的生產(chǎn)基地。

1 開發(fā)與應(yīng)用工作

2011年下半年開始,主要進(jìn)行的開發(fā)與應(yīng)用工作,如表1所示。

表1 技術(shù)與應(yīng)用工作內(nèi)容

續(xù)表1

1.1 介福瓷土的研究與應(yīng)用開發(fā)

1.1.1 介福瓷土礦概況

此資源是2011年下半年筆者在調(diào)查福建地區(qū)衛(wèi)生陶瓷原料的工作中發(fā)現(xiàn)的,按所在地定名為介福瓷土。礦山位于福建省泉州市永春縣介福鄉(xiāng),距縣道4 km,距永春縣城24 km,距德化縣城13 km,距泉州港約100 km。礦區(qū)地處亞熱帶,礦區(qū)海拔高度為600～700 m,礦區(qū)由若干連續(xù)的山丘組成(見圖1)。礦區(qū)表土層很薄,一般只生長(zhǎng)茅草。

圖1 介福瓷土的部分礦山

筆者對(duì)介福瓷土礦礦區(qū)曾做過詳細(xì)的地質(zhì)勘探,勘探報(bào)告中敘述了礦的成因、礦床分布狀況、礦體化學(xué)成分及礦物成分、儲(chǔ)量、開采條件等。確定介福瓷土礦屬風(fēng)化殘積型粘土。

礦山資源按其成礦原巖不同可分為花崗斑巖殘余型和火山碎屑巖風(fēng)化殘余型兩種類型。部分礦區(qū)斷續(xù)分布長(zhǎng)3 900 m 以上,寬為200～500 m,厚為1.5～35 m,呈平緩帽狀隨地形起伏蓋于原巖之上。從風(fēng)化程度上可分為完全風(fēng)化和半風(fēng)化,完全風(fēng)化位于上層(見圖2),半風(fēng)化位于下層(見圖3)。

圖2 完全風(fēng)化瓷土

圖3 半風(fēng)化瓷土

礦體平均化學(xué)成分為:SiO271%～76%;Al2O314%～18%;Fe2O31%～1.5%;TiO2:≤0.5%;Ca O+Mg O:≤0.5%;K2O:2.3%～3.3%;Na2O:≤0.2%;燒失量:3%～5%。局部地區(qū)勘探儲(chǔ)量為1 021.5萬t,整個(gè)礦區(qū)遠(yuǎn)景儲(chǔ)量估計(jì)為4 000萬t?？陕短扉_采,開采條件優(yōu)良。

當(dāng)?shù)厝撕茉缇椭肋@個(gè)礦區(qū),但由于其原礦含鐵量高達(dá)1%～1.5%,在當(dāng)?shù)氐娜沼么缮a(chǎn)中沒有很大的使用價(jià)值,只有少量開采,因此大部分礦山資源保留完整。

1.1.2 介福瓷土的應(yīng)用研究

(1)研究中,委托測(cè)試機(jī)構(gòu)對(duì)礦體礦物成分做了測(cè)試,其結(jié)果見表2。

表2 介福瓷土礦物成分(質(zhì)量%)

由表2可知,介福瓷土是以伊利石、高嶺石和石英為主要礦物成分,鉀長(zhǎng)石為次要礦物成分的混合型礦物。其中伊利石遠(yuǎn)大于高嶺石的含量,可以定名為伊利石型瓷土。

(2)多次對(duì)介福瓷土進(jìn)行化學(xué)分析,其代表性化學(xué)成分見表3。

表3 介福瓷土代表性化學(xué)成分(質(zhì)量%)

由表3可知介福瓷土的SiO2很高,Al2O3含量較低,K2O 含量低。

(3)對(duì)其稀釋性能、干燥抗折強(qiáng)度、1 200℃燒后白度做了試驗(yàn),結(jié)果見表4。

表4 稀釋性能、干燥抗折強(qiáng)度、1 200℃燒后白度

(4)在衛(wèi)生陶瓷配方中的添加試驗(yàn),其結(jié)果表明,因其含鋁量低,抗折強(qiáng)度低,可塑性不高,含鐵量比較高,一般性原料最高添加量為10%。

1.1.3 介福水洗瓷土的研究

介福瓷土經(jīng)過錐打、加水?dāng)嚢韬蠼?jīng)200～250目篩過濾,再壓濾形成泥餅,泥餅稱為介福水洗瓷土。對(duì)其做了礦物成分、化學(xué)成分和一些性能的測(cè)試。

(1)介福伊利石型水洗瓷土的礦物成分見表5。

表5 介福伊利石型水洗瓷土的礦物成分(質(zhì)量%)

由表5可知,水洗瓷土的石英含量明顯降低,約占25%;伊利石含量明顯提高,約占50%;高嶺石含量也有提高,約占25%;長(zhǎng)石的含量稍有增加。

(2)介福伊利石型水洗瓷土的化學(xué)成分為:SiO262%～66%;Al2O321%～25%;Fe2O3≤1.4%;TiO2≤0.2%;CaO+Mg O ≤0.8%;K2O 3.5%～4.8%;Na2O ≤0.5%;燒失量5.5%～7.5%。

相比之下,水洗瓷土的SiO2含量明顯降低,Al2O3含量明顯提高,K2O 含量有所提高。

(3)介福水洗瓷土的一些性能見表6。

表6 介福水洗瓷土的一些性能

1.1.4 介福水洗瓷土在衛(wèi)生陶瓷坯體中添加的試驗(yàn)

在衛(wèi)生陶瓷配方中進(jìn)行了應(yīng)用介福水洗瓷土的試驗(yàn)。結(jié)果表明,該水洗瓷土具有可塑性強(qiáng)、細(xì)顆粒多,干燥抗折強(qiáng)度和吃漿速度適中,燒成彎曲小,雜質(zhì)少的優(yōu)點(diǎn),對(duì)提高半成品和燒成品合格率有明顯的作用,通過大量的試驗(yàn),確定了介福伊利石型水洗瓷土在衛(wèi)生陶瓷坯料配方中添加10%即有明顯的效果,最大用量為40%～50%。在生產(chǎn)線的坯料配方中試用后,其表現(xiàn)良好。

這些研究成果為成立福建科福材料有限公司,從事以介福瓷土為原料生產(chǎn)水洗瓷土的決策提供了一定依據(jù)。

1.1.5 水洗瓷土生產(chǎn)線的建設(shè)

最終采用介福瓷土為原料生產(chǎn)水洗瓷土,使此資源轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)質(zhì)的陶瓷原料,長(zhǎng)期地為衛(wèi)生陶瓷行業(yè)提供穩(wěn)定的介福伊利石型粘土原料的目標(biāo)后,2012年12月至2013年5月,在地方政府的大力支持和協(xié)助下,獨(dú)立完成水洗瓷土的生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì),自主研發(fā)了籠式破碎機(jī),投資建設(shè)加工生產(chǎn)線。2013年6月,水洗瓷土生產(chǎn)線投產(chǎn),2013年9月,開始銷售介福水洗瓷土。建成的生產(chǎn)線如圖4所示。

圖4 水洗瓷土生產(chǎn)線遠(yuǎn)景

(1)水洗瓷土生產(chǎn)工藝流程,如圖5所示。工藝流程右側(cè)采用了傳統(tǒng)的電錐破碎加工設(shè)備,對(duì)完全風(fēng)化的介福瓷土進(jìn)行破碎加工,如圖6所示。

圖5 水洗瓷土生產(chǎn)工藝流程

圖6 電錐破碎加工設(shè)備

(2)開發(fā)籠式破碎機(jī)。由于半風(fēng)化的介福瓷土硬度較高,傳統(tǒng)電錐破碎加工方式無法進(jìn)行加破碎加工。本項(xiàng)目通過自主研究,開發(fā)了新型破碎設(shè)備籠式破碎機(jī),如圖7所示。

圖7 籠式破碎機(jī)

圖5中的左側(cè),對(duì)半風(fēng)化的介福瓷土,先進(jìn)入顎式破碎機(jī),再利用籠式破碎機(jī)將原土破碎至8 mm 以下,最后通過兩級(jí)四輪對(duì)輥機(jī)(如圖8所示)進(jìn)行碾壓至3 mm 以下,對(duì)半風(fēng)化的介福瓷土進(jìn)行有效的破碎加工。

圖8 四輪對(duì)輥機(jī)

籠式破碎機(jī)具有使用維修費(fèi)用低、破碎效率高、性能可靠、粉塵少、噪音低等特點(diǎn)。

水洗瓷土的壓濾情況及散裝水洗瓷、袋裝水洗瓷土如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 水洗瓷土在壓濾

圖10 散裝水洗瓷土

圖11 袋裝水洗瓷土

(3)礦區(qū)的環(huán)境保護(hù)。在工藝設(shè)計(jì)中對(duì)礦區(qū)的環(huán)境保護(hù)采取了以下措施:

①瓷土開采過程中開采出的礦物得到全部使用,不產(chǎn)生開礦廢棄物;

②瓷土加工過程中產(chǎn)生的尾砂可作為陶瓷磚的原料使用;

③生產(chǎn)線用水重復(fù)使用,無工業(yè)廢水排出;

④破碎工藝加入適當(dāng)水分避免粉塵的產(chǎn)生;

⑤開采后的礦山地面坡度趨緩,覆蓋土層后植樹種草,實(shí)現(xiàn)全部綠化。當(dāng)?shù)氐臍夂驕嘏?、降水充?為綠化工作創(chuàng)造了有力條件。

1.1.6 生產(chǎn)線的質(zhì)量管理

在建成的介福水洗瓷土生產(chǎn)線的生產(chǎn)中,不斷對(duì)介福水洗瓷土等產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整和修正,于2015年正式制定出企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《科福瓷土》。

制定了QC工程表、水洗瓷土生產(chǎn)過程控制流程圖、實(shí)驗(yàn)室日常檢測(cè)安排和原料預(yù)混方法等技術(shù)文件,并在生產(chǎn)中實(shí)施,從而保證水洗瓷土的產(chǎn)品質(zhì)量。

介福水洗瓷土的質(zhì)量見表7,其中的“項(xiàng)目”及“測(cè)定結(jié)果”為中國(guó)建筑衛(wèi)生陶瓷協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)T/CBCSA 24-2020伊利石型水洗瓷土中規(guī)定的要求項(xiàng)目及按其試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果。

表7 介福水洗瓷土的質(zhì)量

1.1.7 以介福伊利石型水洗瓷土為主要原料的衛(wèi)生陶瓷坯料配方的研究與應(yīng)用

在2014年底,根據(jù)福建某新建衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)線的需要,進(jìn)行了以介福伊利石型水洗瓷土為主,其它當(dāng)?shù)卦蠟檩o的衛(wèi)生陶瓷坯料配方的研究與應(yīng)用工作。

按照在質(zhì)量合格前提下就近取材,經(jīng)過篩選,確定了坯體配方中的其他原料:鉀長(zhǎng)石、絹云母、葉臘石、白云石、高嶺土(水洗)、黑泥(水洗)。

在坯料配方實(shí)驗(yàn)中,水洗瓷土的用量從10%開始,以依次增加5%的幅度,增加其用量,直至85%,測(cè)定配方的各項(xiàng)指標(biāo)。最后認(rèn)定,水洗瓷土的用量在40%～50%,配方的各項(xiàng)指標(biāo)最優(yōu)。

在此范圍內(nèi),進(jìn)一步以更小的變化幅度調(diào)整其用量,同時(shí)調(diào)整其他原料的用量。為調(diào)整配方中氧化鋁的含量,提高泥漿的懸浮性能,調(diào)整泥漿的吃漿性能,加入一定量的高嶺土(水洗);為提高坯體的干燥抗折強(qiáng)度,加入一定量的球土;為調(diào)整配方中氧化鉀的含量,加入一定量的鉀長(zhǎng)石;加入一定量的葉臘石和絹云母使得其在配方中發(fā)揮各自的長(zhǎng)處;為調(diào)整配方的燒成溫度,加入少量的白云石。通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)與調(diào)整,最終確定坯料配方。

該配方投入新工廠使用,投產(chǎn)3個(gè)月后,注漿合格率達(dá)到96%,半成品合格率達(dá)到96%,燒成合格率達(dá)到91%,產(chǎn)品如圖12所示。在新建生產(chǎn)線投產(chǎn)后如此短的時(shí)間內(nèi),合格率能夠達(dá)到這么高的水平衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)行業(yè)中是十分驚人的,應(yīng)該說此配方起到了很大的作用。

圖12 生產(chǎn)的產(chǎn)品品種(全包連體坐便器)

1.1.8 連續(xù)式鋼制電錐瓷土加工線的研制

伊利石型瓷土在加工工藝流程中,錐打十分重要。錐打是將原礦瓷土通過電錐連續(xù)性不斷錐打8 h 以上,對(duì)原礦瓷土進(jìn)行破碎和搓捻。通過電錐的錐打,達(dá)到了破碎的要求,同時(shí)明顯提高了伊利石型水洗瓷土的干燥抗折強(qiáng)度和可塑性,是不可替代的破碎方法。

傳統(tǒng)木制電錐瓷土加工線在生產(chǎn)中,一般使用26個(gè)錐頭,背靠背雙排組成一組,由一個(gè)7.5 k W 的電機(jī)通過傳動(dòng)軸提供動(dòng)力。制作該電錐的材料為優(yōu)質(zhì)木料,這種木料既有很大的硬度,又有很強(qiáng)的韌性;這樣有大又好的木料價(jià)格很高,而且很難得到。每個(gè)錐單獨(dú)對(duì)應(yīng)一個(gè)臼槽,每個(gè)臼槽每班(8 h)可加工約250 kg瓷土原礦,即單每小時(shí)加工量為31 kg,生產(chǎn)效率低。在生產(chǎn)中瓷土原礦需要先分別放入臼中,錐打好的瓷土原礦需要分別從臼中取出,工作中都要靠人工作業(yè)。為了克服傳統(tǒng)木制電錐存在的缺點(diǎn),2016 年1 月開始,經(jīng)過15個(gè)月的研究和反復(fù)試驗(yàn),于2017年4月制作出第一條連續(xù)式鋼制電錐瓷土加工線并投入使用,至2017年12月使用,效果良好,設(shè)備最終定型。

連續(xù)式鋼制電錐的制作完全使用鋼鐵材料,取代原先使用的優(yōu)質(zhì)木材。多個(gè)電錐(如12個(gè))串聯(lián)一起使用;在連續(xù)式鋼制電錐瓷土加工線頭部安裝有喂料裝置,不斷供應(yīng)瓷土原礦。每個(gè)臼由臼槽連接在一起,整個(gè)臼槽具有一定的斜度,頭部低、尾部高;瓷土原礦在每個(gè)臼中受到錐頭錐打到一定程度后,沿著臼槽移動(dòng)到下一個(gè)臼中,最終,經(jīng)過充分錐打的瓷土原礦移動(dòng)到尾部。在尾部設(shè)有皮帶機(jī),自動(dòng)將錐打好的瓷土原礦送至下一工序,如圖13～圖16所示。

圖13 連續(xù)式鋼制電錐瓷土加工線單個(gè)電錐

圖14 12個(gè)電錐串聯(lián)

圖15 連續(xù)式鋼制電錐瓷土加工線進(jìn)料

圖16 連續(xù)式鋼制電錐瓷土加工線出料

連續(xù)式鋼制電錐瓷土加工線,12個(gè)電錐串聯(lián),產(chǎn)量為3 t/h,即單個(gè)電錐每小時(shí)加工量為250 kg。且在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)連續(xù)性、自動(dòng)化、機(jī)械化作業(yè),減少人力成本。

1.1.9 利用介福伊利石型水洗瓷土的衛(wèi)生陶瓷高壓商品泥漿的研究與應(yīng)用

在2017年5月根據(jù)某一新建衛(wèi)生陶瓷高壓蹲便器廠的要求,研究其生產(chǎn)所需的高壓泥漿。根據(jù)高壓成形產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝特性,通過研究原料的物理性能、化學(xué)性能及性價(jià)比等情況,合理搭配,科學(xué)配比,研發(fā)出符合生產(chǎn)要求的高壓泥漿配方。絹云母與葉臘石占比約55%,軟質(zhì)原料占比約45%,其中瓷土占比約25%。

該高壓泥漿在科福公司配料生產(chǎn),因場(chǎng)地、設(shè)備原因,采用一次性投料球磨。泥漿球磨后,檢測(cè)性能達(dá)標(biāo),再放磨,直接裝入罐車,運(yùn)至使用工廠精制后使用(運(yùn)輸距離3 km)。自2017年10月開始高壓泥漿生產(chǎn)并供應(yīng)使用,保障了該新工廠的順利投產(chǎn),在較短時(shí)間內(nèi)(試產(chǎn)4 個(gè)月)達(dá)到高質(zhì)量(一次燒合格率到達(dá)90%)的要求。該配方的成功應(yīng)用,既是對(duì)配方合理性的肯定,也是介福伊利石型水洗瓷土優(yōu)良性能的表現(xiàn),是生產(chǎn)、供應(yīng)、使用衛(wèi)生陶瓷高壓成形商品泥漿的成功實(shí)踐。蹲便器高壓成形機(jī)、蹲便器半成品、蹲便器產(chǎn)品如圖17～圖19所示。

圖17 某一新建工廠蹲便器高壓成形機(jī)

圖18 某一新建工廠蹲便器半成品

圖19 某一新建工廠蹲便器產(chǎn)品(帶S彎管蹲便器)

1.1.10 參加《伊利石型水洗瓷土》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)編制工作

2019年1月至2020年5月,福建科福材料有限公司作為負(fù)責(zé)起草單位之一,參加了中國(guó)建筑衛(wèi)生陶瓷協(xié)會(huì)主持制定的《伊利石型水洗瓷土》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的工作。調(diào)研了國(guó)內(nèi)伊利石型水洗瓷土礦源及加工生產(chǎn)情況,參加了《伊利石型水洗瓷土》標(biāo)準(zhǔn)的起草工作。

2 介福水洗瓷土的生產(chǎn)與使用情況

2.1 生產(chǎn)情況

為了滿足不斷增長(zhǎng)的需求量,福建科福材料有限公司一直在提高產(chǎn)量,仍處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。

近幾年水洗瓷土的產(chǎn)量見表8。

表8 福建科福材料有限公司水洗瓷土產(chǎn)量匯總表

2.2 使用情況

自2013年9月開始銷售介福伊利石型水洗瓷土,目前已形成由一些大型衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)企業(yè)組成的穩(wěn)定的用戶群。

在衛(wèi)生陶瓷原有坯料配方中加入20%的介福伊利石型水洗瓷土,半成品合格率可提高5%～7%,燒成品合格率可提高3%～5%,對(duì)連體坐便器的效果更為明顯。

由于介福伊利石型水洗瓷土的價(jià)格適中,性價(jià)比高,持續(xù)供不應(yīng)求,一直在實(shí)施增產(chǎn)措施中。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益

2018～2020年,福建科福材料有限公司累計(jì)實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)3 523萬元、稅收2 309.94萬元。

3 促進(jìn)兩個(gè)生產(chǎn)基地的建設(shè)

(1)項(xiàng)目的水洗瓷土的生產(chǎn)技術(shù)、管理和銷售促進(jìn)了礦山所在地永春縣介福鄉(xiāng)的瓷土加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,形成具有特色的“介福水洗瓷土”的生產(chǎn)基地,2020年產(chǎn)量為12 萬t(不包括福建科福材料有限公司的產(chǎn)量),十分暢銷。

(2)福建科福材料有限公司的成功,促進(jìn)了在當(dāng)?shù)赝顿Y建設(shè)衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)的項(xiàng)目,形成了衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)基地。

目前已在介福鄉(xiāng)建成年產(chǎn)30萬件坐便器和年產(chǎn)50萬件蹲便器的生產(chǎn)企業(yè)各一個(gè),分別于2015 年5月和2017年10月投入生產(chǎn)。

在永春縣縣城附近建成一期工程年產(chǎn)60萬件坐便器的生產(chǎn)企業(yè),于2020年5月投產(chǎn)。

這些衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)項(xiàng)目極大地提升了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿褪杖胨?為當(dāng)?shù)靥峁┝司蜆I(yè)機(jī)會(huì)。

4 結(jié)語

出產(chǎn)于福建省泉州市永春縣介福鄉(xiāng)的介福土資源為低質(zhì)的瓷土原料,通過對(duì)其進(jìn)行研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)和建設(shè)了水洗瓷土生產(chǎn)線等工作,使其成為具有獨(dú)特優(yōu)良性能的介福水洗瓷土,在衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)中的得到大量使用。項(xiàng)目的成果促進(jìn)了礦山所在地永春縣介福鄉(xiāng)的瓷土加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,形成具有特色的“介福水洗瓷土”生產(chǎn)基地;促進(jìn)了在當(dāng)?shù)赝顿Y建設(shè)衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)項(xiàng)目,形成了衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)基地。

介福瓷土資源的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了地方政府增加稅收,礦區(qū)居民得到收益,礦區(qū)的環(huán)境得到很好的保護(hù),企業(yè)的投資可以得到長(zhǎng)期的回報(bào),實(shí)現(xiàn)了多方的共贏。

此項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)開發(fā)低值原料具有一定的參考價(jià)值。