一种利用电瓷残渣废泥生产铝球石的方法

马石雷

摘 要：在电瓷生产过程中不可避免的会产生残渣、废泥，在环保要求越来越高的今天，此类残渣、废泥的处理长时间困扰电瓷企业。通过配方巧妙设计，将残渣、废泥作为一种配料，加入现有电瓷生产配方中进行人造铝球石生产，是一种最为经济有效的残渣、废泥处理方式，在企业投入最小、管理最便捷的情况下，通过生产人造铝球石，将残渣、废泥循环利用。经检验，人造铝球石质量可以媲美天然海球石，即可以部分替代天然海球石、减少采购量，也减少了企业固废排放。

关键词：电瓷生产残渣废泥;循环利用;人造铝球石

1 引 言

在电瓷生产过程中，有一道重要工序称为"过筛除铁"，电瓷泥浆通过振动筛和磁选机处理后进入下道工序，通过振动筛的目的是去除泥浆中所含的杂质、大颗粒物质等，过筛后筛面上会残留一部分筛余物;此外，生产中其他一些和泥浆加工有关的工序，都会难以避免的产生一部分废泥。

此类残渣、废泥如继续细磨，理论上是可以达到100%通过筛、全部作为生产原料利用的，但是过度细磨会造成球磨时间过长，不具备生产上的经济性，另外研磨体本身也有磨耗，其成分会进入泥浆，过度细磨产生的磨耗过大，反而于产品质量有害[1]，因此，行业内通行的处置方法都是作为固体废弃物、经脱水处理后卖给建材类企业做原料，因为这些残渣、废泥都是天然岩土、黏土类物质，理论上没有任何毒害作用，故可以如此"消化"处理。

随着近些年来我国国力上升、经济繁荣，人民生活水平不断提高，不管是政府还是个人，对环境问题越来越重视，对各种污染物、废弃物的处置、管控也越来越严格，之前和我公司合作的一些建材企业纷纷转型升级，导致我公司的残渣、废泥最终无合作企业收购、处理--卖，没有相关企业要，甚至白送都没相关企业给处理。在此大背景下，如何寻找一个妥善的残渣、废泥处置办法迫切至极。

经过一段时间的思索、以及收集各种资讯，我司决定，将此类残渣、废泥改做铝球石，通过这种物资循环、再利用的方式，将残渣、废泥变废为宝，一方面可以替代部分天然海球石（目前我公司球磨机使用天然海球石，主要是产自大连海边的鹅卵石，每年花费不菲），降低一部分采购成本，另一方面最主要的是残渣、废泥处置有了妥善的方法。

2 残渣、废泥生产人造铝球石的试验过程

2.1 试验准备与思路

首先，球石在磨细物料的同时本身也有一定量的磨耗，球石中所含成分会混入电瓷泥料中，因此，如果将残渣、废泥用作球石，必须先就其进行化学成分分析，以确定其所含成分对电瓷产品质量是否有害，另外也为配方设计提供依据。

随机抽取样本，经X射线荧光光谱仪分析，其化学成分组成见表1。

从表1数据可知，残渣废泥的主要化学成分是SiO2和Al2O3，占比分别为46.66%和39.12%，其次是K2O，占比为5.88%，再次是TiO2和Fe2O3，占比分别为1.51%和1.01%，另外还有极其微量的Na2O、CaO、MgO等。

在以上化学成分中，SiO2和Al2O3本身就是高强度铝质电瓷产品所必需的，K2O是电瓷烧成过程中良好的助熔剂，TiO2是烧结过程中有助于刚玉晶相形成的矿化剂[1]，以上成分均对产品质量无害。另外，Fe2O3一般来说是对产品质量是有害的，但其在烧结过程中也会起到一定程度的助熔作用[2]，且含量只有1.01%，和多数电瓷原料中Fe2O3含量基本持平，因此判断对产品质量的影响应该及其微小;其余微量的Na2O、CaO、MgO等可以忽略不计。

如此，利用残渣、废泥生产铝球石理论上是可行的。

其次，现有的人造球石行业是一个很大、很成熟的产业，铝质球石是人造球石行业中很重要的一个分支，生产铝制球石的相关企业有很多，产品按Al2O3含量高低可分为高铝球石、中铝球石等，按外观形状可分为球石、球柱等，各种材质、规格的球石、球柱产品品类丰富;而我公司作为电瓷生产制造企业，本身产品即为高强度的C130铝质瓷，生产所用很多原料均富含Al2O3成分，在此基础上生产铝球石可谓近水楼台。

于是，在充分查证相关资料后，并结合我公司的现有的生产工艺，提出以下试验思路：

该试验项目以处置残渣、废泥为出发点，我公司残渣、废泥的产生量并不多，每天折合干基物料仅为约1100kg左右，故铝球石的产量不高。

产量不高的情况下，如果照搬人造球石行业通行的、规模化生产的模式，引进专业设备进行生产，资金投入巨大不说，而且极有可能会有产能闲置、资源浪费的情况发生，因此必须找到一种小投入、小规模、灵活可控的生产模式，相关配方设计、过程工艺要结合我公司现有电瓷生产进行，相关设备也要可能借用现有电瓷生产设备。

由于自产自用，所制球石质量也不必达到外卖品的相关要求，只要具备基本的性能，尺寸、硬度、磨耗等与天然球石接近即可。

2.2 人造铝球石配方的设计与确定

材料的成分、结构决定了材料的性能和用途，电瓷生产中不同型式的产品具有不同的配方，一个配方就是一個单独的生产系统。

为降低生产系统的复杂性，也是为了生产、技术管理的方便与简捷，在充分考虑了表1所示的化学成分后，认为可以把残渣、废泥视作一种类似长石、矾土的瘠性类原料，以现有的电瓷配方为基础，将残渣、废泥作为额外配料添加进去，只要在不同的添加比例下进行对比试验，就能快速的确定配方，这样就不必针对铝球石研发专用新配方，研发工作就能大大简化，将来生产管理也能更为便捷。

我公司现有一种棒形瓷绝缘子配方，以及多种盘形悬式瓷绝缘子配方，经过斟酌、比较，决定选用棒形瓷绝缘子的、代号为"GP-38"的高强度瓷配方作为基础。

试验过程如下：将残渣、废泥调和为泥浆，含水率和生产上的GP-38配方泥浆相同，然后将两种泥浆按不同体积比例进行混合，经榨泥、真空练泥后，揉搓成团，为防止球体相互粘连，在球体表面滚动、涂覆一层Al2O3粉，烘干后入窑跟随电瓷产品一同烧成，比较成瓷后的球石质量。

试验中设计5个配方，见表2。

各配方球石烧成后结果比较见图1，图中可见各配方球石质量差异比较明显，1#配方质量最好，5#配方质量最差，球石出现大量开裂，球石开裂缺陷见图2，5个配方的球石合格率统计见表3。

经综合考虑质量水平与经济效益，最终决定采用2#配方，即GP-38配方泥浆：废泥残渣泥浆=2：1（体积比）。

2.3 生产工艺流程的确定

资料显示，高铝球石的生产工艺流程以等静压法为主 [3-4]，其与电瓷（湿法棒形）生产工艺流程进行比较，见图3。

从图3的工艺流程比较来看，两者的主要差异就在于成型工艺不同，其余均是一致的。

本着尽可能简化工艺流程、利用现有生产设备的原则，又参考了部分资料介绍的手工成型工艺[5-4]，最终确定了铝球石工艺流程，见图4。

其中配料、球磨、榨泥陈腐、真空练泥、干燥、烧成工序均可借用现有的电瓷生产设备，如此可最大限度利用现有设备，减少投入，同时简化铝球石的工艺流程，便于后期管理。

电瓷原料的配料和球磨不再赘述，其他主要工艺如下：

化浆，集中收集生产过程中产生的残渣、废泥，在浆池内调和成含水率56±3%的泥浆（和电瓷坯料泥浆含水率相同）。

化浆之后将两种泥浆按比例混合均匀，经过1.2中的配方试验，最终确定混合比例为GP-38配方泥浆：废泥残渣泥浆=2：1（体积比）。

榨泥陈腐，混合后的泥浆经榨泥成为泥饼，泥饼含水率参照电瓷生产现有参数（18.5±1%），泥饼陈腐时间为48h。

真空练泥，为配合小批量生产铝球石，购买了小型的Φ160真空机用于真空练泥，见图5。

切坯滚球成型，圆柱形研磨体的细磨能力高于球体，圆柱形的长度与直径之比约3-1.5倍最佳[1]，参照我公司采购天然海球石的粒径标准（大球石直径标准为60～80mm），在Φ160真空练泥机上挤出直径为40mm的泥坯，再切割成段，切割长度70-80mm，泥段呈圆柱体，见图5;另外借鉴类似"滚元宵"的生产方式，购买了滚动包衣机，将切割好的圆柱形泥段在机器内滚动成长球形，为防止泥段粘连，在滚球过程中掺加细度为120目Al2O3粉，见图6。

干燥，借用电瓷干燥烘房，随电瓷产品一同干燥，最高干燥温度105℃，最终水分≤2.5%。

烧成，借用电瓷抽屉窑，随电瓷产品一同烧成，最高烧成温度1270℃。

3 推导&分析，结果与分析

3.1 配方分析

从表3的质量统计看，1#至5#配方对应的球石合格率分别约为95.5%、91.7%、68.2%、45.8%、12.5%，当残渣、废泥成分占比达到、超过50%时，烧成后球石的开裂明显增多。结合图2的开裂缺陷，分析原因应是瘠性类原料过多造成的，如果把球石看做一种坯料，当配方中瘠性料过多时，泥料可塑性下降，结合性能变差，结构比较松散，内部开始出现夹层、夹心等，烧后因收缩应力的作用就会开裂。

因此决定弃用3#配方、4#配方、5#配方。

1#配方虽然球石质量比较好，但因添加GP-38配方泥浆比例过高，球石"成本"较大，造成"好泥"浪费，出于经济方面的考虑，经权衡后也被弃用。

最终决定选用2#配方进行批量试验。

3.2 人造铝球石质量检验

对采用2#配方量产的球石进行检验，并和天然海球石进行比较，结果见表4。

进一步测定其耐磨性能，并和天然海球石进行比较：按工艺标准在0.2吨球磨机中加入球石200kg，不带料自磨，时间为12h，测定磨后质量并计算磨耗，结果见表3。

从以上检验结果来看，人造铝球石和天然海球石性能相当，只是磨耗率较天然海球石稍高。

总体来说，人造铝球石除磨耗稍高外，其余各项性能和天然海球石基本相当，能够满足生产要求，此试验项目达到了当初的试验目的。

4生产应用

自2019年11月起，人造铝球石在我公司已经正常生产，工艺过程比较稳定，球石质量一般稳定在90%以上，见图7、图8。

人造铝球石投产后，部分替代了外购天然海球石。人造铝球石与天然海球石比较见图9。

5 结 论

本文通过对电瓷残渣废泥生产铝球石的试验和应用，得出以下结论：

1）利用电瓷生产残渣、废泥等所生产的人造铝球石性能良好，可媲美天然海球石，可部分替代天然海球石，降低采购成本。

2）在现有电瓷配方基础上额外添加合适比例的残渣、废泥进行生产，技术上不必开发新配方，生产上只需购置一台小型真空练泥机和一台包衣机，此工艺方法经济实效，投入小、管理便捷、生产方式灵活可控，优点显著。

3）人造铝球石投产除为公司创造了小部分经济效益外，最主要是解決了公司的固体废弃物无妥善处置方法的窘境，将废弃物资循环再利用，保护了自然环境。

参考文献：

[1]  李玉书，吴落义，李瑛.电瓷工艺与技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]  李家驹.陶瓷工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，2006.

[3]  秦麟卿，吴伯麟，谢济仁，等.耐磨氧化铝研磨球的生产和应用[J].武汉理工大学学报，2001（3）：12-18.

[4]  刘永先.我国氧化铝瓷球的生产现状及市场前景[J].陶瓷，2000（1）：18-20.

[5]  丁永辉.耐磨瓷球的研制[J].陶瓷工程，1998（5）：26-27.

[6]  曹南萍.以铝矾土为原料开发耐磨瓷介[J].河北陶瓷，1999（1）：10-11.