段 桃，徐鎮(zhèn)宇，劉子碩

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學 機械電子工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引 言

建筑陶瓷行業(yè)作為國民經(jīng)濟基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，一直以來倍受各界關(guān)注[1-2]。自陶瓷干法造粒制粉工藝被首次用于制作陶瓷墻地磚后，不僅解決了傳統(tǒng)濕法造粒制粉工藝帶來的高能耗、高污染的問題[3-4]，而且符合國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排戰(zhàn)略，為建筑陶瓷行業(yè)帶來新的契機。20世紀80年代，通過借鑒已有的國外干法造粒制粉工藝成果，行業(yè)開始了初步探索，相關(guān)陶瓷干法造粒制粉裝置不斷被發(fā)明[5-7]。其造粒結(jié)構(gòu)主要由立柱、鉸刀(含鋸齒)和造粒室組成[8]，不同造粒裝置的立柱長度不同，導(dǎo)致制成的坯料顆粒的有效顆粒質(zhì)量百分比、級配分布、流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)也不同[9-10]。

然而，建筑陶瓷墻地磚坯體壓制成形過程中，坯體的性能對坯料顆粒的有效顆粒質(zhì)量百分比、級配分布、流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)具有較大影響[11-12]。筆者基于干法造粒制粉過程中不同立柱長度，分別檢測不同粒徑坯料顆粒的質(zhì)量百分比、休止角、壓縮率、平板角、均齊度、凝聚度、崩潰角、差角，基于測定的物性參數(shù)，分析獲取坯料顆粒的有效顆粒質(zhì)量百分比、級配分布、流動性指數(shù)與噴流性指數(shù)，并進行數(shù)值模擬仿真分析驗證實驗結(jié)果的正確性。從而評判坯料顆粒的好壞，優(yōu)化陶瓷干法造粒制粉裝置立柱長度，改善坯料顆粒物理性能及造粒效果。其研究結(jié)果對陶瓷干法造粒制粉工藝在建筑陶瓷行業(yè)進一步推廣具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實驗分析

1.1 實驗過程

⑴實驗原料及添加劑

采用的實驗原料以可塑性粉體、瘠性粉體、熔劑性粉體為主，可塑性粉體質(zhì)量比控制在19-23w.%，瘠性粉體和熔劑性粉體的參數(shù)配比如表1所示，其中可塑性粉體為黏土、高嶺土、膨潤土，瘠性粉體為薔薇石英、乳石英、磷石英、α石英，熔劑性粉體為更長石、鉀長石、鈉長石、鈣長石、白云石。

添加劑由海藻酸鈉、聚乙烯醇、聚丙稀銑胺、聚甲基丙烯酸甲酯按一定的質(zhì)量比例配置而成，其化學式、百分比、作用詳見表2。

⑵造粒過程

采用干法造粒制粉工藝制備陶瓷墻地磚坯料顆粒，制備工藝流程圖如圖1所示。將原料按表1配制成2.5 kg粉料，造粒添加劑按表2配制成0.05 kg；將配制的原料、造粒添加劑加入造粒室內(nèi)均混，均混時間為3分鐘；待物料均混完成后，將造粒添加劑溶液通過霧化噴嘴噴灑至造粒室內(nèi)，實現(xiàn)粉體造粒效果，造粒時間為2分鐘(其中噴嘴開啟時間0.5分鐘)；將造粒成形的陶瓷墻地磚坯料顆粒卸出造粒室，待實驗檢測分析。

⑶檢測分析

實驗采用的檢測設(shè)備主要有：標準分樣網(wǎng)篩(安平縣鑫隆絲網(wǎng)制品廠)：20目、30目、40目、50目、60目、70目和80目；BT-1001智能粉體物性測試儀(丹東百特儀器有限公司)。基于不同立柱長度，制備出相應(yīng)的坯料顆粒。利用標準分樣網(wǎng)篩，篩分出相應(yīng)的坯料顆粒，從而得到不同粒徑坯料顆粒的質(zhì)量百分比；利用智能粉體物性測試儀，分別檢測坯料顆粒的休止角、壓縮率、平板角、均齊度、凝聚度、崩潰角、差角，計算分析得到相對應(yīng)的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)，進而評判坯料顆粒性能的優(yōu)劣，優(yōu)化陶瓷干法造粒制粉裝置的參數(shù)，改善造粒效果。

表1 原料參數(shù)配比Tab.1 Raw material ratio

表2 添加劑參數(shù)配比Tab.2 Additive ratio

表3 立柱長度與不同粒徑顆粒質(zhì)量百分比關(guān)系Tab.3 The relationship between the column length and the mass percentage of the particles of diあerent sizes

圖1 坯料制備工藝流程圖Fig.1 Process fl ow chart of blank preparation

1.2 實驗結(jié)果與討論

⑴立柱長度對有效坯料顆粒的影響

基于不同的立柱長度，當立柱長度分別為14 cm，16 cm，18 cm，20 cm，22 cm時，采用干法造粒制粉工藝制備不同坯料顆粒，并對坯料顆粒進行檢測。由表3立柱長度與不同粒徑顆粒質(zhì)量百分比關(guān)系可知：當立柱長度逐漸增大至18 cm時，有效顆粒百分比逐漸增大；當立柱長度為18 cm時，有效顆粒質(zhì)量百分比達到最大值；當立柱長度逐漸增至大于18 cm時，有效顆粒質(zhì)量百分比逐漸減小。

圖2 顆粒級配分布圖Fig.2 Particle size distribution

由顆粒級配分布圖(圖2)可知：當立柱長度為14 cm時，坯料顆粒主要集中在40-50目，顆粒級配分布較均勻；當立柱長度為16 cm時，坯料顆粒主要集中在50-60目，顆粒級配分布均勻；當立柱長度為18 cm時，坯料顆粒主要集中在50-60目，此時顆粒級配分布最均勻；當立柱長度為20 cm時，坯料顆粒主要集中在50-60目，顆粒級配分布較均勻；當立柱長度為22 cm時，坯料顆粒主要集中在50-60目，顆粒級配分布不均勻。

⑵立柱長度對有效顆粒的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)的影響

基于不同立柱長度，當立柱長度為14 cm、16 cm、18 cm、20 cm、22 cm時，采用干法造粒制粉工藝制備坯料顆粒，并對坯料顆粒進行檢測。如表4立柱長度與流動性指數(shù)關(guān)系可知：當立柱長度逐漸增大至18 cm時，坯料顆粒的休止角、壓縮率、平板角、均齊度、凝聚度均呈減小趨勢；當立柱長度為18 cm時，坯料顆粒的休止角、壓縮率、平板角、均齊度、凝聚度的基本處于最小值；當立柱增至大于18 cm時，坯料顆粒的休止角、壓縮率、平板角、均齊度、凝聚度均呈增大趨勢。

基于不同的立柱長度，采用干法造粒制粉工藝制備坯料顆粒，并對其坯料顆粒進行檢測。檢測結(jié)果如表5立柱長度與噴流性指數(shù)關(guān)系可知：當立柱長度逐漸增大至18 cm時，坯料顆粒的崩潰角、差角、分散度均呈減小趨勢；當立柱長度為18 cm時，坯料顆粒的崩潰角、差角、分散度的基本處于最小值；當立柱程度增至大于18 cm時，坯料顆粒的崩潰角、差角、分散度均呈增大趨勢。

表4 立柱長度與流動性指數(shù)關(guān)系Tab.4 Relationship between the column length and the liquidity index

表5 立柱長度與噴流性指數(shù)關(guān)系Tab.5 Relationship between column length and jet index

由表4和表5對比流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)，得如圖3立柱長度和流動性與噴流性指數(shù)的關(guān)系所示：流動性指數(shù)與噴流性指數(shù)成反比關(guān)系，當立柱長度逐漸增大至18 cm時，坯料顆粒的流動性指數(shù)逐漸增大，噴流性指數(shù)逐漸減小；當立柱長度為18 cm時，坯料顆粒的流動性指數(shù)達到最大，噴流性指數(shù)達到最?。划斄⒅L度逐漸增至大于18 cm時，坯料顆粒的流動性指數(shù)逐漸減小，噴流性指數(shù)逐漸增大。此時，有效顆粒的流動性指數(shù)曲線整體呈現(xiàn)正態(tài)分布，且當立柱長度為18 cm時，為有效顆粒的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)最優(yōu)值。

2 數(shù)值仿真分析

2.1 干法造粒制粉模擬區(qū)域

圖3 立柱長度和流動性與噴流性指數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship of column length with fl uidity and jet index

陶瓷干法造粒區(qū)域由造粒室、攪拌軸、立柱和鉸刀(含鋸齒)組成，其造粒原理為：將配制好的原料加入造粒室中，攪拌軸和造粒室由皮帶連接電機進行傳動，通過鉸刀將原料進行粉碎混合，將造粒添加劑溶液經(jīng)壓力式噴嘴霧化加入造粒室內(nèi)，實現(xiàn)細粉體原料由立柱旋轉(zhuǎn)造粒成形坯料顆粒。實驗進行的干法造粒是在建筑陶瓷干法造粒制粉樣機的造粒室內(nèi)完成的，因此選取造粒過程中整個造粒室為模擬區(qū)域。造粒室模擬區(qū)域如圖4所示。

2.2 數(shù)值仿真結(jié)果與討論

⑴造粒室正面剖視云圖分析

圖4 造粒室模擬區(qū)域Fig.4 Granulation chamber simulation area

為了分析立柱長度與陶瓷墻地磚干法造粒制粉效果的關(guān)系，模擬造粒過程中顆粒體積分布?；诓煌牧⒅L度，依次得到顆粒體積分布正面剖視云圖。如圖5可知：當立柱長度為14 cm時，坯料顆粒分布體積約為造粒室體積的一半，造粒室底部存在較多的堆積顆粒，造粒效果不佳；當立柱長度為16 cm時，坯料顆粒分布體積約為造粒室體積一半，造粒室底部堆積的顆粒較少，此時造粒效果相對于之前更好；當立柱長度為18 cm時，顆粒分布體積約為造粒室體積的一半，造粒室底部堆積的顆粒最少，此時造粒效果最好；當立柱長度為20 cm時，顆粒分布體積小于造粒室體積的一半，造粒室底部堆積的顆粒又增多，造粒效果又變差；當立柱長度為22 cm時，顆粒分布體積繼續(xù)減少，造粒室底部堆積的顆粒最多，造粒效果最差。綜上分析可知：立柱長度為18 cm時，造粒過程中坯料顆粒分布體積最大，造粒室底部堆積的顆粒最少，顆粒分散度最好，造粒效果最佳。

⑵造粒室底部云圖分析

圖5 造粒過程中顆粒體積分布正面剖視云圖Fig.5 Particle size distribution in granulation process

圖6 造粒過程中顆粒體積分布底部云圖Fig.6 The bottom nephogram of the particle volume distribution in granulation process

圖7 造粒過程中顆粒體積分布底部云圖Fig.7 The bottom nephogram of the particle volume distribution in granulation process

模擬造粒過程中顆粒體積分布，由立柱長度為14 cm、16 cm、18 cm、20 cm、22 cm依次得到如圖6和圖7造粒過程中顆粒體積分布底面剖視云圖可知：當立柱長度為14 cm時，造粒室底部存在較多的顆粒堆積，分散度較大，造粒效果不佳；當立柱長度為16 cm時，造粒室底部堆積的顆粒較少，分散度較小，此時造粒效果相對于之前更好；當立柱長度為18 cm時，造粒室底部堆積的顆粒最少，分散度最佳，此時造粒效果最好，立柱長度最適。

當立柱長度為20 cm時，造粒室底部堆積的顆粒又增多，分散度又增大，說明此時立柱過長，造粒效果又變差；當立柱長度為22 cm時，造粒室底部堆積的顆粒最多，分散度很大，此時立柱長度過長，造粒效果最差。綜上分析可知：立柱長度為18 cm時，造粒過程中顆粒分布體積最大，造粒室底部堆積顆粒最少，顆粒分散度最好，造粒效果最佳。

3 結(jié) 論

針對建筑陶瓷干法造粒制粉工藝中立柱長度對坯料顆粒影響的問題，基于不同立柱長度因素實驗分析坯料顆粒的有效顆粒質(zhì)量百分比、級配分布、流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)，數(shù)字模擬仿真分析造粒過程中坯料顆粒的體積分布，驗證了實驗結(jié)果的正確性。綜合分析可知：當立柱長度為18 cm時，有效顆粒質(zhì)量百分比、流動性指數(shù)、噴流性指數(shù)依次為92.5%、84.0、67.0，為該操作下的最優(yōu)值，此時造粒過程中坯料顆粒分散度最好，有效顆粒的質(zhì)量百分比最大，顆粒級配分布最均勻，顆粒流動性和噴流性最好，造粒效果最佳。該優(yōu)化裝置參數(shù)能在一定程度上改善建筑陶瓷干法造粒制粉工藝制備的坯料顆粒物理性能，對干法造粒制粉工藝進一步在建筑陶瓷行業(yè)推廣具有一定的指導(dǎo)意義。