陶瓷墙地砖干法造粒制粉效果与立柱长度分析

段 桃，徐镇宇，刘子硕

(景德镇陶瓷大学 机械电子工程学院，江西 景德镇 333403)

0 引 言

建筑陶瓷行业作为国民经济基础产业，一直以来倍受各界关注[1-2]。自陶瓷干法造粒制粉工艺被首次用于制作陶瓷墙地砖后，不仅解决了传统湿法造粒制粉工艺带来的高能耗、高污染的问题[3-4]，而且符合国家倡导的节能减排战略，为建筑陶瓷行业带来新的契机。20世纪80年代，通过借鉴已有的国外干法造粒制粉工艺成果，行业开始了初步探索，相关陶瓷干法造粒制粉装置不断被发明[5-7]。其造粒结构主要由立柱、铰刀(含锯齿)和造粒室组成[8]，不同造粒装置的立柱长度不同，导致制成的坯料颗粒的有效颗粒质量百分比、级配分布、流动性指数和喷流性指数也不同[9-10]。

然而，建筑陶瓷墙地砖坯体压制成形过程中，坯体的性能对坯料颗粒的有效颗粒质量百分比、级配分布、流动性指数和喷流性指数具有较大影响[11-12]。笔者基于干法造粒制粉过程中不同立柱长度，分别检测不同粒径坯料颗粒的质量百分比、休止角、压缩率、平板角、均齐度、凝聚度、崩溃角、差角，基于测定的物性参数，分析获取坯料颗粒的有效颗粒质量百分比、级配分布、流动性指数与喷流性指数，并进行数值模拟仿真分析验证实验结果的正确性。从而评判坯料颗粒的好坏，优化陶瓷干法造粒制粉装置立柱长度，改善坯料颗粒物理性能及造粒效果。其研究结果对陶瓷干法造粒制粉工艺在建筑陶瓷行业进一步推广具有一定的指导意义。

1 实验分析

1.1 实验过程

⑴实验原料及添加剂

采用的实验原料以可塑性粉体、瘠性粉体、熔剂性粉体为主，可塑性粉体质量比控制在19-23w.%，瘠性粉体和熔剂性粉体的参数配比如表1所示，其中可塑性粉体为黏土、高岭土、膨润土，瘠性粉体为蔷薇石英、乳石英、磷石英、α石英，熔剂性粉体为更长石、钾长石、钠长石、钙长石、白云石。

添加剂由海藻酸钠、聚乙烯醇、聚丙稀铣胺、聚甲基丙烯酸甲酯按一定的质量比例配置而成，其化学式、百分比、作用详见表2。

⑵造粒过程

采用干法造粒制粉工艺制备陶瓷墙地砖坯料颗粒，制备工艺流程图如图1所示。将原料按表1配制成2.5 kg粉料，造粒添加剂按表2配制成0.05 kg；将配制的原料、造粒添加剂加入造粒室内均混，均混时间为3分钟；待物料均混完成后，将造粒添加剂溶液通过雾化喷嘴喷洒至造粒室内，实现粉体造粒效果，造粒时间为2分钟(其中喷嘴开启时间0.5分钟)；将造粒成形的陶瓷墙地砖坯料颗粒卸出造粒室，待实验检测分析。

⑶检测分析

实验采用的检测设备主要有：标准分样网筛(安平县鑫隆丝网制品厂)：20目、30目、40目、50目、60目、70目和80目；BT-1001智能粉体物性测试仪(丹东百特仪器有限公司)。基于不同立柱长度，制备出相应的坯料颗粒。利用标准分样网筛，筛分出相应的坯料颗粒，从而得到不同粒径坯料颗粒的质量百分比；利用智能粉体物性测试仪，分别检测坯料颗粒的休止角、压缩率、平板角、均齐度、凝聚度、崩溃角、差角，计算分析得到相对应的流动性指数和喷流性指数，进而评判坯料颗粒性能的优劣，优化陶瓷干法造粒制粉装置的参数，改善造粒效果。

表1 原料参数配比Tab.1 Raw material ratio

表2 添加剂参数配比Tab.2 Additive ratio

表3 立柱长度与不同粒径颗粒质量百分比关系Tab.3 The relationship between the column length and the mass percentage of the particles of diあerent sizes

图1 坯料制备工艺流程图Fig.1 Process fl ow chart of blank preparation

1.2 实验结果与讨论

⑴立柱长度对有效坯料颗粒的影响

基于不同的立柱长度，当立柱长度分别为14 cm，16 cm，18 cm，20 cm，22 cm时，采用干法造粒制粉工艺制备不同坯料颗粒，并对坯料颗粒进行检测。由表3立柱长度与不同粒径颗粒质量百分比关系可知：当立柱长度逐渐增大至18 cm时，有效颗粒百分比逐渐增大；当立柱长度为18 cm时，有效颗粒质量百分比达到最大值；当立柱长度逐渐增至大于18 cm时，有效颗粒质量百分比逐渐减小。

图2 颗粒级配分布图Fig.2 Particle size distribution

由颗粒级配分布图(图2)可知：当立柱长度为14 cm时，坯料颗粒主要集中在40-50目，颗粒级配分布较均匀；当立柱长度为16 cm时，坯料颗粒主要集中在50-60目，颗粒级配分布均匀；当立柱长度为18 cm时，坯料颗粒主要集中在50-60目，此时颗粒级配分布最均匀；当立柱长度为20 cm时，坯料颗粒主要集中在50-60目，颗粒级配分布较均匀；当立柱长度为22 cm时，坯料颗粒主要集中在50-60目，颗粒级配分布不均匀。

⑵立柱长度对有效颗粒的流动性指数和喷流性指数的影响

基于不同立柱长度，当立柱长度为14 cm、16 cm、18 cm、20 cm、22 cm时，采用干法造粒制粉工艺制备坯料颗粒，并对坯料颗粒进行检测。如表4立柱长度与流动性指数关系可知：当立柱长度逐渐增大至18 cm时，坯料颗粒的休止角、压缩率、平板角、均齐度、凝聚度均呈减小趋势；当立柱长度为18 cm时，坯料颗粒的休止角、压缩率、平板角、均齐度、凝聚度的基本处于最小值；当立柱增至大于18 cm时，坯料颗粒的休止角、压缩率、平板角、均齐度、凝聚度均呈增大趋势。

基于不同的立柱长度，采用干法造粒制粉工艺制备坯料颗粒，并对其坯料颗粒进行检测。检测结果如表5立柱长度与喷流性指数关系可知：当立柱长度逐渐增大至18 cm时，坯料颗粒的崩溃角、差角、分散度均呈减小趋势；当立柱长度为18 cm时，坯料颗粒的崩溃角、差角、分散度的基本处于最小值；当立柱程度增至大于18 cm时，坯料颗粒的崩溃角、差角、分散度均呈增大趋势。

表4 立柱长度与流动性指数关系Tab.4 Relationship between the column length and the liquidity index

表5 立柱长度与喷流性指数关系Tab.5 Relationship between column length and jet index

由表4和表5对比流动性指数和喷流性指数，得如图3立柱长度和流动性与喷流性指数的关系所示：流动性指数与喷流性指数成反比关系，当立柱长度逐渐增大至18 cm时，坯料颗粒的流动性指数逐渐增大，喷流性指数逐渐减小；当立柱长度为18 cm时，坯料颗粒的流动性指数达到最大，喷流性指数达到最小；当立柱长度逐渐增至大于18 cm时，坯料颗粒的流动性指数逐渐减小，喷流性指数逐渐增大。此时，有效颗粒的流动性指数曲线整体呈现正态分布，且当立柱长度为18 cm时，为有效颗粒的流动性指数和喷流性指数最优值。

2 数值仿真分析

2.1 干法造粒制粉模拟区域

图3 立柱长度和流动性与喷流性指数关系Fig.3 Relationship of column length with fl uidity and jet index

陶瓷干法造粒区域由造粒室、搅拌轴、立柱和铰刀(含锯齿)组成，其造粒原理为：将配制好的原料加入造粒室中，搅拌轴和造粒室由皮带连接电机进行传动，通过铰刀将原料进行粉碎混合，将造粒添加剂溶液经压力式喷嘴雾化加入造粒室内，实现细粉体原料由立柱旋转造粒成形坯料颗粒。实验进行的干法造粒是在建筑陶瓷干法造粒制粉样机的造粒室内完成的，因此选取造粒过程中整个造粒室为模拟区域。造粒室模拟区域如图4所示。

2.2 数值仿真结果与讨论

⑴造粒室正面剖视云图分析

图4 造粒室模拟区域Fig.4 Granulation chamber simulation area

为了分析立柱长度与陶瓷墙地砖干法造粒制粉效果的关系，模拟造粒过程中颗粒体积分布。基于不同的立柱长度，依次得到颗粒体积分布正面剖视云图。如图5可知：当立柱长度为14 cm时，坯料颗粒分布体积约为造粒室体积的一半，造粒室底部存在较多的堆积颗粒，造粒效果不佳；当立柱长度为16 cm时，坯料颗粒分布体积约为造粒室体积一半，造粒室底部堆积的颗粒较少，此时造粒效果相对于之前更好；当立柱长度为18 cm时，颗粒分布体积约为造粒室体积的一半，造粒室底部堆积的颗粒最少，此时造粒效果最好；当立柱长度为20 cm时，颗粒分布体积小于造粒室体积的一半，造粒室底部堆积的颗粒又增多，造粒效果又变差；当立柱长度为22 cm时，颗粒分布体积继续减少，造粒室底部堆积的颗粒最多，造粒效果最差。综上分析可知：立柱长度为18 cm时，造粒过程中坯料颗粒分布体积最大，造粒室底部堆积的颗粒最少，颗粒分散度最好，造粒效果最佳。

⑵造粒室底部云图分析

图5 造粒过程中颗粒体积分布正面剖视云图Fig.5 Particle size distribution in granulation process

图6 造粒过程中颗粒体积分布底部云图Fig.6 The bottom nephogram of the particle volume distribution in granulation process

图7 造粒过程中颗粒体积分布底部云图Fig.7 The bottom nephogram of the particle volume distribution in granulation process

模拟造粒过程中颗粒体积分布，由立柱长度为14 cm、16 cm、18 cm、20 cm、22 cm依次得到如图6和图7造粒过程中颗粒体积分布底面剖视云图可知：当立柱长度为14 cm时，造粒室底部存在较多的颗粒堆积，分散度较大，造粒效果不佳；当立柱长度为16 cm时，造粒室底部堆积的颗粒较少，分散度较小，此时造粒效果相对于之前更好；当立柱长度为18 cm时，造粒室底部堆积的颗粒最少，分散度最佳，此时造粒效果最好，立柱长度最适。

当立柱长度为20 cm时，造粒室底部堆积的颗粒又增多，分散度又增大，说明此时立柱过长，造粒效果又变差；当立柱长度为22 cm时，造粒室底部堆积的颗粒最多，分散度很大，此时立柱长度过长，造粒效果最差。综上分析可知：立柱长度为18 cm时，造粒过程中颗粒分布体积最大，造粒室底部堆积颗粒最少，颗粒分散度最好，造粒效果最佳。

3 结 论

针对建筑陶瓷干法造粒制粉工艺中立柱长度对坯料颗粒影响的问题，基于不同立柱长度因素实验分析坯料颗粒的有效颗粒质量百分比、级配分布、流动性指数和喷流性指数，数字模拟仿真分析造粒过程中坯料颗粒的体积分布，验证了实验结果的正确性。综合分析可知：当立柱长度为18 cm时，有效颗粒质量百分比、流动性指数、喷流性指数依次为92.5%、84.0、67.0，为该操作下的最优值，此时造粒过程中坯料颗粒分散度最好，有效颗粒的质量百分比最大，颗粒级配分布最均匀，颗粒流动性和喷流性最好，造粒效果最佳。该优化装置参数能在一定程度上改善建筑陶瓷干法造粒制粉工艺制备的坯料颗粒物理性能，对干法造粒制粉工艺进一步在建筑陶瓷行业推广具有一定的指导意义。