陶瓷墙地砖干法制粉坯料颗粒与主轴转速分析

廖达海，宁 翔，吴南星，江竹亭，陈 涛

(景德镇陶瓷大学 机械电子工程学院，江西 景德镇 333403)

0 引 言

当前建筑陶瓷行业原料制备车间大多采用“球磨-喷雾”湿法造粒制粉技术生产坯料颗粒[1-2]，但该技术存在高能耗、高污染、高投入、低产出等问题，与国家提倡的节能减排战略严重相违背[3-5]。而陶瓷墙地砖干法造粒制粉技术可从根本上解决此类问题，是建筑陶瓷行业原料制备车间主要发展方向之一[6-8]。但目前干法造粒制粉设备制得的陶瓷墙地砖坯料颗粒存在流动性偏差、有效颗粒百分比偏小、颗粒压缩率比偏小等问题[9-10]，导致干法造粒制粉技术在陶瓷行业一直未受到广泛推广，制约了该技术的进一步发展。

而在陶瓷墙地砖坯体压制成形过程中，坯体品质与坯料颗粒流动性及坯料有效颗粒百分比有较大影响[11-13]。笔者基于干法造粒过程中主轴转速的改变，分别对坯料颗粒流动性指数和有效颗粒百分比进行分析，从而优化坯料颗粒流动性，增大有效颗粒百分比，改善造粒效果；同时，基于欧拉双流体模型建立干法造粒过程坯料颗粒混合过程，验证实验分析正确性。其研究成果对干法制粉造粒技术在建筑陶瓷行业的推广提供一定理论指导。

1 实验过程

1.1 制备装置

实验采用干法造粒实验样机制备坯料颗粒，干法造粒试验样机造粒室模拟区域图如图1所示，造粒过程在造粒室内完成。为了使铰刀与原料充分接触，令造粒室内主轴方向与水平方向存在一定的夹角。通过主轴旋转，在造粒室内实现原料充分混和，进而达到造粒效果。

1.2 原料与添加剂

本实验采用的原料可大致分为三大类，分别为可塑性原料、熔剂性原料和瘠性原料。

⑴可塑性原料：本实验所采用的可塑性原料为黏土、高岭土、膨润土。其主要作用是赋予坯料一定可塑性，在坯料中结合其它非可塑性原料，使陶瓷坯体保持一定形状，并赋予陶瓷坯体足够的干燥强度，并且能够赋予坯体足够的热稳定性、机械强度和化学稳定性。

图1 建筑陶瓷干法造粒试验样机造粒室模拟区域图Fig.1 The simulation area of the granulation chamber of the test equipment for dry granulation

⑵熔剂型原料：本实验所采用的熔剂型原料为钾长石、钠长石、白云石、钙长石。熔剂型原料在烧成中能产生液相形成玻璃态填充于结晶颗粒之间，并能溶解部分石英颗粒和高岭土分解产物，有助于陶瓷坯体的致密化以及提高坯体的机械强度和化学稳定性。

⑶瘠性原料：本实验所采用的瘠性原料为α-石英、β-石英、石英砂。在造粒过程中瘠性原料可降低配合料的可塑性以及减少坯体在干燥和烧成时的收缩，起骨架作用。

各原料产地与配比如表1所示。

实验过程加入多种造粒添加剂，依照其作用效果可分为增加坯体塑性与增强生坯强度两大类。

⑴增加坯体塑性添加剂：邻苯二甲酸二丁酯(C16H22O4)、癸二酸二丁酯(C18H34O4)、油酸(C18H34O2)、聚乙二醇(HO(CH2CH2O)nH)、磷酸三烷基酯(CxHyOzPn)。

⑵增强生坯强度添加剂：甲基纤维素(CxHyOz)、木质磺酸盐(C20H24Na2O10S2)、聚乙烯醇(-[CH(OH）-CH2]n-)、黄原胶(C35H49O29)、聚丙烯酰胺(-[CH2CH]nCONH2-)。

1.3 制备过程

实验采用干法造粒实验样机制备陶瓷墙地砖坯料颗粒，具体制备工艺如下：称取320 g黏土、240 g高岭土、80 g膨润土、100 g钾长石、200 g钠长石、600 g白云石、300 g钙长石以及80 g α-石英、40 g β-石英、40 g石英砂共计2 kg原料，将配比好的原料加入造粒室中充分搅拌约2 min，待其均匀混合后，再将造粒添加剂溶液经压力式喷嘴均匀喷洒至造粒室中，1 min后，完成造粒。将造粒室内所造坯料颗粒卸出待检测分析。造粒流程如图2所示。

表1 实验原料Tab.1 Raw materials for experiments

实验通过调节主轴转速为2500 RPM、2700 RPM、2900 RPM、3100 RPM、3300 RPM，依照上述步骤，进行5组实验。

图2 坯料颗粒制备流程图Fig.2 The flow chart of the preparation of the blank particles

1.4 检测分析

基于不同主轴转速，制备出相应坯料颗粒。采用多功能智能粉体物性测试仪(型号：BT-1001，丹东百特仪器有限公司)分别对不同转速所得坯料颗粒休止角、压缩度、平板角、均齐度进行检测，再利用Carr流动性指数法计算分析坯料颗粒流动性指数，借助流动性指数评判坯料颗粒流动性。再采用标准实验样筛对坯料颗粒分别进行筛分，依次筛选出粒径大于20目、20-30目、30-40目、40-50目、50-60目、60-70目、70-80目、小于80目的坯料颗粒并计算坯料有效颗粒百分比。基于所得实验数据，优化干法造粒操作参数，从而改善造粒效果。

2 实验结果与讨论

⑴主轴转速对坯料颗粒流动性影响分析

采用BT-1001型多功能智能粉体物性测试仪分别对造粒坯料颗粒的休止角、压缩度、平板角、与均齐度进行测量，分析坯料颗粒的流动性。由表2主轴转速对坯料颗粒流动性的关系可知：当主轴转速为2500 RPM时，坯料颗粒的休止角为43.35°、压缩度为27.65%、平板角为50.03°、均齐度为19、坯料颗粒的流动性评价指数为58，坯料颗粒流动性较差；当主轴转速为2700 RPM时，坯料颗粒的休止角为39.26 °、压缩度为23.34%、平板角为41.45 °、均齐度为14、坯料颗粒的流动性评价指数为68，坯料颗粒流动性一般；当主轴转速为2900RPM时，坯料颗粒的休止角为33.68 °、压缩度为15.56%、平板角为37.55 °、均齐度为9、坯料颗粒的流动性评价指数为80.5，坯料颗粒流动性良好；当主轴转速为3100 RPM时，坯料颗粒的休止角为35.00 °、压缩度为18.12%、平板角为43.48 °、均齐度为11、坯料颗粒的流动性评价指数为74，坯料颗粒流动性较好；当主轴转速为3300 RPM时，坯料颗粒的休止角为41.96 °、压缩度为20.16%、平板角为42.47 °、均齐度为15、坯料颗粒的流动性评价指数为67，坯料颗粒流动性一般。干法造粒过程中，当主轴转速逐渐增加至2900 RPM，坯料颗粒流动性增加；随着主轴转速的继续增大，坯料颗粒流动性有一定的下降。实验结果表明：干法造粒过程中，当主轴转速为2900 RPM时，所制坯料颗粒流动性评价指数最大，坯料颗粒流动性最好。

⑵主轴转速对坯料有效颗粒影响分析

采用标准试验样筛分别对造粒坯料颗粒进行检测，分析坯料颗粒的粒径分布。由图3主轴转速与坯料颗粒粒度分布曲线图可知：当主轴转速为2500 RPM时，坯料颗粒粒径分布在d＜20目区域的颗粒为5.2%，坯料颗粒粒径分布在20≤d≤80目区域的颗粒为81.5%，坯料颗粒粒径分布在d＞80目区域的颗粒为13.3%，且坯料颗粒在70目左右所占比例最大；当主轴转速为2700 RPM，坯料颗粒粒径分布在d＜20目区域的颗粒为6.8%，坯料颗粒粒径分布在20≤d≤80目区域的颗粒为83.1%，坯料颗粒粒径分布在d＞80目区域的颗粒为10.1%，且坯料颗粒在60目左右所占比例最大；当主轴转速为2900 RPM，坯料颗粒粒径分布在d＜20目区域的颗粒为6.4%，坯料颗粒粒径分布在20≤d≤80目区域的颗粒为88.0%，坯料颗粒粒径分布在d＞80目区域的颗粒为5.6%，且坯料颗粒在50目左右所占比例最大；当主轴转速为3100 RPM，坯料颗粒粒径分布在d＜20目区域的颗粒为8.5%坯料颗粒粒径分布在20≤d≤80目区域的颗粒为86.4%，坯料颗粒粒径分布在d＞80目区域的颗粒为5.1%且坯料颗粒在45目左右所占比例最大；当主轴转速为3300 RPM，坯料颗粒粒径分布在d＜20目区域的颗粒为11.6%，坯料颗粒粒径分布在20≤d≤80目区域的颗粒为83.9%，坯料颗粒粒径分布在d＞80目区域的颗粒为4.5%，且坯料颗粒在25目左右所占比例最大。干法造粒过程中，当主轴转速逐渐增大至2900 RPM时，坯料有效颗粒百分比增大；随着主轴转速继续增加，坯料有效颗粒百分比呈下降趋势。实验结果表明：干法造粒过程中，当主轴转速为2900 RPM时，坯料颗粒级配较为理想，坯料有效颗粒百分比最大。

表2 主轴转速与坯料颗粒流动性关系Tab.2 Relationship between spindle speed and particle mobility

图3 主轴转速与坯料颗粒粒度分布曲线图Fig.3 Curves of spindle speed and particle size distribution

3 数值模拟仿真

3.1 轴向剖视云图分析

图4 造粒室轴向剖视云图Fig.4 Axial sectional view of granulation chamber

由图4造粒室轴向坯料颗粒体积分布剖视云图分析可知：当主轴转速n1=2500 RPM时，造粒室内坯料颗粒堆积密度最大值为0.40，坯料颗粒分布不均匀，存在严重颗粒团聚现象，造粒效果极差；当主轴转速n2=2700 RPM时，造粒室内坯料颗粒堆积密度最大值为0.36，坯料颗粒分布较为均匀，存在轻微颗粒团聚现象，造粒效果一般；当主轴转速n3= 2900 RPM时，造粒室内坯料颗粒堆积密度最大值为0.32，坯料颗粒分布均匀，不存在颗粒团聚现象，此时造粒效果较好；当主轴转速n4=3100 RPM时，造粒室内坯料颗粒堆积密度最大值为0.36，坯料颗粒分布较均匀，存在轻微颗粒团聚现象，造粒效果一般；当主轴转速n5=3.300 RPM时，造粒室内坯料颗粒堆积密度最大值为0.36，坯料颗粒分布不均匀，存在轻微颗粒团聚现象，造粒效果一般。

图5 造粒室筒体云图Fig.5 Wall cloud images of granulation chamber

3.2 造粒室筒体云图分析

由图5造粒室筒体云图分析可知：当主轴转速n1=2500 RPM时，造粒室底部坯料颗粒堆积密度最大值为0.40，坯料颗粒分布不均匀，存在显著的颗粒团聚现象，造粒效果不佳；当主轴转速n2=2700 RPM时，造粒室底部坯料颗堆积密度最大值为0.36，坯料颗粒分布较为均匀，存在少量的颗粒团聚现象，造粒效果一般；当主轴转速n3=2900 RPM时，造粒室底部坯料颗粒堆积密度最大值为0.32，坯料颗粒分布均匀，不存在颗粒团聚现象，此时造粒效果较好；当主轴转速n4=3100 RPM时，造粒室底部坯料颗粒堆积密度最大值为0.36，坯料颗粒分布较均匀，存在轻微的颗粒团聚现象，造粒效果一般；当主轴转速n5=3300 RPM时，造粒室底部坯料颗粒堆积密度最大值为0.36，坯料颗粒分布不均匀，存在少量颗粒团聚现象，造粒效果一般。

4 结 论

⑴实验结果表明：当主轴转速改变时，制得坯料颗粒流动性发生改变，坯料级配发生改变，坯料有效颗粒百分比也随之改变。当主轴转速为2900 RPM时，坯料颗粒的流动性指数为80.5，此时坯料颗粒流动性最好。坯料级配较为理想，坯料有效颗粒百分比为88.0%，为该操作参数下最优值，此时造粒效果最佳。

⑵数值仿真结果表明：当主轴转速为2900 RPM时，造粒室内坯料颗粒堆积密度最大值为0.32，此时坯料颗粒分布均匀，不存在颗粒团聚现象，造粒效果最佳。数值仿真结果与实验结果基本相符，从而验证了实验结果的正确性，为干法造粒制粉技术进一步在建筑陶瓷行业推广提供可靠的实验依据。

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