基于正交法的陶瓷墻地磚細(xì)磨工藝研究

基于正交法的陶瓷墻地磚細(xì)磨工藝研究

1干法制粉工藝濕粉法是建筑陶瓷行業(yè)使用的一種主導(dǎo)技術(shù)。自上世紀(jì)70年代起,我國開始把噴霧干燥引入陶瓷工業(yè),40多年來,在國內(nèi)外得到了極為廣泛的應(yīng)用。然而,濕法制粉工藝的噴霧干燥環(huán)節(jié)存在著能耗高,廢氣排放量大,環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn),所以探索低能耗低污染生產(chǎn)工藝已成了迫切的任務(wù)。干法制粉工藝生產(chǎn)線工藝簡單,設(shè)備少,不需要蒸發(fā)大量水分,因而具有能耗低,投資少,生產(chǎn)成本低,操作靈活方便等顯著特點(diǎn)。雖然從工藝及裝備方面還需進(jìn)一步完善,但從節(jié)省能源和投資費(fèi)用等方面看,國內(nèi)外專家認(rèn)為是發(fā)展方向。國外自80年代初開始開發(fā)研究陶瓷墻地磚干法制粉工藝技術(shù),即原料磨細(xì)后加水造粒,至壓形粉料含水量(5%~7%),經(jīng)悶料后壓形。本實(shí)驗(yàn)采用干法球磨制取陶瓷墻地磚粉料,用正交實(shí)驗(yàn)分析法分析了行星式球磨過程中的球磨參數(shù)(料球比、球磨轉(zhuǎn)速、介質(zhì)級(jí)配)對(duì)顆粒粒度的影響,探索出行星式球磨制粉工藝的最佳工藝參數(shù)。對(duì)干法與濕法球磨所制得細(xì)粉顆粒形貌,化學(xué)均勻性作了對(duì)比分析,為干法制粉取代噴霧干燥法制粉奠定了基礎(chǔ)。2實(shí)驗(yàn)2.1所配陶瓷墻地磚原料xrd分析實(shí)驗(yàn)所用各種原料的化學(xué)成分如表1所示。所配陶瓷墻地磚原料XRD分析圖譜見圖1,可以看出其主要含有:石英、高嶺石、鈉鋁硅酸鹽、白云母等礦物。2.2氧化鋯球磨罐干法制粉采用行星式球磨機(jī)(自轉(zhuǎn)85~600r/min、公轉(zhuǎn)0~300r/min)、氧化鋯球磨罐(內(nèi)徑115mm、外徑133mm、高165mm)、剛玉研磨介質(zhì)(大、中、小球直徑分別為20mm、14mm、9mm)。濕法泥漿取自某知名陶瓷企業(yè)生產(chǎn)線。2.3實(shí)驗(yàn)過程干法制粉實(shí)驗(yàn)步驟見圖2,粉磨前原料的粒度分布見圖3。2.4球磨時(shí)間及因素水平實(shí)驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì),選取料球比、球磨轉(zhuǎn)速、介質(zhì)級(jí)配3個(gè)影響因素,分別以A、B、C表示,依據(jù)所磨粉料的性質(zhì)球磨時(shí)間為20h,每罐裝料150g。因素A、B、C各取4個(gè)水平值,如表2所示。通過篩分法測定球磨后粉體的粒度組成來確定球磨效率。2.5各工藝參數(shù)對(duì)粉體粒度的影響本實(shí)驗(yàn)為3因素4水平的正交試驗(yàn)。因?yàn)闆]有3因數(shù),4水平數(shù)的正交表,可以考慮用相等水平數(shù),因素個(gè)數(shù)略大于3的正交表。這里可以考慮:L16(45)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。通過正交實(shí)驗(yàn)分析各組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和極差可以看出各個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的影響趨勢。為了直觀起見,通常用因素指標(biāo)關(guān)系圖來對(duì)結(jié)果進(jìn)行表示,其具體方法是以各個(gè)因素的水平作為橫坐標(biāo)、以指標(biāo)的均值,這里選擇粒徑<0.05mm作為縱坐標(biāo)繪制出兩者的關(guān)系圖,如圖4所示。由表3中的極差R可以看出,各個(gè)因素對(duì)球磨效率的影響的主次關(guān)系為:料球比>磨介級(jí)配>球磨機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)這個(gè)關(guān)系可以確定各工藝參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度從而可在實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)指標(biāo)影響程度大的參數(shù)。下面根據(jù)圖3所示的結(jié)果逐一分析各個(gè)因素對(duì)粉體粒度的影響。料球比對(duì)粉磨效率的影響最大。隨著料球比的減少,粒徑小于0.05mm的比例先呈近似線性的增加到A3點(diǎn)時(shí)又減少。這是因?yàn)殡S著料球比的減少剛玉球用量增加,單位時(shí)間內(nèi)球與球,球與邊壁發(fā)生碰撞的次數(shù)就增多,陶瓷原料越容易被粉碎、磨細(xì)。進(jìn)一步減少球料的比例至A4(1∶5)及更小時(shí),粉磨后粉體的粒徑反而下降,這時(shí)因?yàn)樵谘b料量不變的情況下,隨著料球比的減少,球磨罐內(nèi)的剛玉球的用量也增加,增加了填充率,罐內(nèi)球越多,當(dāng)填充率增加到一定值時(shí)磨罐內(nèi)空間變小,剛玉球在磨罐內(nèi)拋落的高度受到影響,沖擊力變小,粉磨效果變差。介質(zhì)級(jí)配對(duì)粉磨效率的影響次之。從圖4可以看出不同介質(zhì)級(jí)配對(duì)粉體粒度有一定影響,曲線呈折線,在C1和C3時(shí)球磨效果比較好,這是因?yàn)榘碈1級(jí)配罐內(nèi)充滿大球,而大球具有足夠的重量,彼此碰撞時(shí)可以產(chǎn)生較大的壓力和摩擦力有助于原料的磨細(xì),當(dāng)級(jí)配為C3時(shí)百分比最大,即大、中、小球的比例為1∶1∶1時(shí)球磨效果最好,這是因?yàn)檫@樣的級(jí)配下即有足夠的大球提供足夠的沖擊力,又可以通過小球填充大球的空隙,使空隙率降低,球的表面積增加,因而與物料之間的接觸點(diǎn)也增加,研磨效率就提高了。球磨機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)粉磨效率的影響最小。球磨機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)陶瓷粉體粒度有明顯影響,隨著自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)速度的增加,單位時(shí)間內(nèi)球與物料之間的沖擊頻率和沖擊次數(shù)會(huì)增加,使粉體能在短時(shí)間內(nèi)磨細(xì),從而提高粉碎效率。從圖4中可以看出球磨機(jī)轉(zhuǎn)速從B1增至B2時(shí),0.05mm篩下的百分比明顯增加,之后轉(zhuǎn)速由B2增至B3時(shí)篩下的百分比增加不明顯,也就是說當(dāng)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速增加到一定值后轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加對(duì)粒度的大小影響不大,所以考慮到電耗與能耗選擇B3即采用自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)分別為170r/min、85r/min。2.6干法球磨后的元素利用掃描電子顯微鏡對(duì)相同球磨制度下的陶瓷墻地磚原料干法和濕法球磨后粉體的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析,圖5a,5b為干法球磨粉體顯微結(jié)構(gòu),5c,5d為濕法球磨后粉體的顯微結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出干法球磨后粉體的細(xì)度均勻,成層片狀,與濕法所磨粉體的顯微結(jié)構(gòu)相似,但是濕法球磨20h后還需要將含水率為30%的漿料經(jīng)噴霧干燥后得到含水率6%的粉料,并且噴霧干燥環(huán)節(jié)需要耗費(fèi)大量的電耗與能耗,所以利用行星球磨機(jī)干法制備陶瓷墻地磚粉料以取代濕法粉磨工藝,省掉了噴霧干燥工序,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。圖6通過掃描電子顯微鏡獲得的陶瓷墻地磚原料干法球磨后的元素分布照片。從圖6可以看以看出原料中主要含有K,Na,Si,Ca,Al,Mg六種元素,且各元素基本分布均勻,較大顆粒基本為石英類原料。3偏轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)、球磨效果行星式球磨機(jī)干法制備