納米級硅酸鋯粉體生產(chǎn)線的開發(fā)
20世紀80年代末，淄博華光陶瓷廠使用從日本進口的硅酸鋯替代氧化錫、氧化鋯乳濁劑生產(chǎn)出口咖啡杯，大幅度提升產(chǎn)品質(zhì)量，取得了良好經(jīng)濟效益，為此國內(nèi)許多廠家和研究單位開始研制硅酸鋯粉，并逐步替代進口。到1995年，硅酸鋯己在日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷中廣泛應用。且由于國產(chǎn)硅酸鋯性能優(yōu)良、價格相對低廉，加之我國房地產(chǎn)迅猛發(fā)展，硅酸鋯需求量逐年增加，至2010年硅酸鋯的需求量達到5x105t，成為陶瓷原輔材料獨立的一大產(chǎn)業(yè)。但是，自2010年下半年，用于生產(chǎn)硅酸鋯的原料—鋯英砂價格開始瘋漲，到2011年9月，由每噸8500元升至20000元。此時硅酸鋯的價格也飄升至每噸22000—25000元。導致下游用戶—陶瓷廠家難以消化陡增的成本，紛紛減少用量或?qū)ふ姨娲?，硅酸鋯銷量迅速下降。為了幫助用戶降低硅酸鋯的使用成本，硅酸鋯生產(chǎn)廠家開始研制使用效果更好、用量少且生產(chǎn)過程環(huán)保的納米級硅酸鋯。
2012年，唐山賀祥集團有限公司（以下簡稱賀祥公司）投資8000萬元，建設(shè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的我國首條年產(chǎn)2x104t的納米級硅酸鋯粉體自動化生產(chǎn)線。該項目于2013年4月正式投產(chǎn)，2013年8月6日300nm硅酸鋯下線，2013年8月8日600nm功能型硅酸鋯超細粉體下線，并在唐山某大型衛(wèi)生潔具公司衛(wèi)生潔具生產(chǎn)中使用，其各項釉面性能指標均有所提高，且硅酸鋯的用量由12%降低到8%達到了預期目標。
1 納米級硅酸鋯生產(chǎn)線的特點
賀祥公司開發(fā)的納米級硅酸鋯生產(chǎn)線的特點是:①用物理研磨的方法批量制備納米級硅酸鋯，避免了用化學法制備納米級硅酸鋯所帶來的環(huán)境污染問題；②突破了物理法研磨超細陶瓷原料的效率和粒度極限，解決了陶瓷原料納米化一大障礙；③解決了料水分離、沉降、細顆粒陶瓷原料干法除鐵欽等問題；④實現(xiàn)了生產(chǎn)過程無粉塵、廢水自循環(huán)利用、過程自動化、管理數(shù)據(jù)化的目標。
2 納米級硅酸鋯生產(chǎn)線的組成及裝備的研制和改造
2.1 納米級硅酸鋯生產(chǎn)線的組成及工藝流程
賀祥公司納米級硅酸鋯生產(chǎn)線主要設(shè)備組成見表1。其工藝流程見圖1a，傳統(tǒng)工藝流程見圖1b。
2.2 設(shè)備研制與改造
2.2.1 高能球磨機結(jié)構(gòu)的改造
本生產(chǎn)線建設(shè)對第一級滾筒式球磨機進行了改造，在球磨機的中心增加了一個攪拌器，使球磨筒內(nèi)的球體和磨料在攪拌器攪動力作用下碰撞研磨，改變了磨球和磨料的運動狀態(tài)，同時增加磨料的填充率，由50%提高到70%，提高了研磨效率。
2.2.2 攪拌球磨機結(jié)構(gòu)的改造
將微米級、亞微米級陶瓷料漿研磨到納米級是當前國內(nèi)的一個難題。有人采用攪拌球磨和砂磨進行過小批量試驗，但由于能效低、成本高，無法批量生產(chǎn)，并因此限制了硅酸鋯在陶瓷領(lǐng)域的應用。
本生產(chǎn)線建設(shè)對攪拌球磨機進行了改造，提高攪拌球磨的效能。具體措施是:①將攪拌筒由圓柱形改為圓臺形結(jié)構(gòu)，改變研磨球體的運行曲線和動態(tài)形狀，由原來的V字形變?yōu)闄E圓形，不但運動路線延長，而且增大了徑向速度差和縱向速度差，從而提高了研磨效率；②由于攪拌筒形狀的改變使筒下端的荷載減少，攪拌產(chǎn)生的扭矩減小，為磨機轉(zhuǎn)速提升提供了前提條件，將磨機轉(zhuǎn)速每分鐘提高了70轉(zhuǎn)，使物料的最大線速度由4m/s提升到9—11m/s，使研磨動能提高4倍；③將攪拌筒底部的固定方式由傳統(tǒng)的固定不動，改為在固定板上設(shè)置彈簧，使筒體在隨著攪拌軸轉(zhuǎn)動的同時，產(chǎn)生以攪拌軸為中心的前后擺動，擺幅約為25mm，從而使磨介和磨料在隨筒體做圓周運動的同時上下震動，提高研磨效率達50%以上。
2.2.3 納米漿料固液分離系統(tǒng)的研制
濕法研磨漿料傳統(tǒng)的處理方法是將漿料送入固液分離機進行固液分離，然后放入沉漿桶，轉(zhuǎn)送到烘干、粉碎系統(tǒng)，進行烘干、粉碎，然后包裝出售。用戶使用時仍要配成具有一定液固比例的漿料。本生產(chǎn)線建設(shè)研制了納米漿料固液分離機組對濕磨漿料進行固液分離，分離至滿足用戶使用要求的液固比例直接向客戶提供漿料。由于納米顆粒的比表面積大，活性比較高，與水結(jié)合后因范德華力的作用兩者難以分離，單純依靠物理作用很難除去水分，也就是一般的壓濾機不能完成這個任務。因此，賀祥公司研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的納米硅酸鋯漿料脫水系統(tǒng)。該系統(tǒng)無動力消耗，其排水動力是依靠在料漿中加入一種料水分離助劑，使納米顆粒在料水分離助劑的作用下微團聚，并將水擠出，被擠出的水再依靠自身的重力滲出，排水效果良好，最終實現(xiàn)料水分離。產(chǎn)品的固液比例可由加入的料水分離助劑的量來調(diào)節(jié)。
2.2.4 漿料自動包裝系統(tǒng)的研制
在儲存運輸納米級硅酸鋯漿料過程中需要做到:①料漿的水分保持不變；②料漿保持懸浮不沉淀，不沾壁；③使用時易于分散，且分散狀態(tài)良好。因此，賀祥公司根據(jù)納米級硅酸鋯漿料自身的特點及用戶對其的使用要求，研制了納米級硅酸鋯漿料自動計量包裝系統(tǒng)和儲運裝置。該系統(tǒng)可自動計量、自動裝料、自動密封，保證漿料在運輸過程中保持水分不變，且不沉淀、不沾壁、不團聚，具有良好的分散狀態(tài)。
3 納米級硅酸鋯使用特性及本工藝產(chǎn)品的性能指標
3.1 納米級硅酸鋯的使用特性
從納米級硅酸鋯在陶瓷及功能材料生產(chǎn)中使用的結(jié)果來看，具有如下特性。
（1）硅酸鋯作為陶瓷釉面添加劑，在一定粒徑范圍內(nèi)隨粒徑減小白度、強度、耐磨性、抗水解性、耐腐蝕性均提高，自潔能力增強，用量減少。
（2）由于納米級硅酸鋯粉體抗水解能力強，因此可以在水環(huán)境下作為納米功能粉的載體。例如，賀祥公司制備的納米能量石就是以納米級硅酸鋯作為載體。
（3）由于納米級硅酸鋯抗氧化性強，可以作為功能性粉體的表面包覆劑。例如，中國紅陶瓷的紅色釉料就是用納米級硅酸鋯作包覆劑，色澤紅亮，不褪色。
（4）由于納米級硅酸鋯強度高、耐磨性好，因此納米級硅酸鋯粉體是優(yōu)質(zhì)磨介和工程陶瓷原料。
3.2 本工藝產(chǎn)品的性能指標
硅酸鋯粒度與陶瓷釉面白度試驗表明，硅酸鋯的平均粒徑在100~500nm之間，均具有優(yōu)異的乳濁性能。平衡質(zhì)量的穩(wěn)定性和加工成本等諸因素后，賀祥公司生產(chǎn)了100，300，450nm3種不同粒度的納米級硅酸鋯產(chǎn)品。其中450nm的硅酸鋯產(chǎn)品采用高檔澳砂制作，在陶瓷中的用量比D50≤1.05μm硅酸鋯少30%，且白度指標高、燒失率低，用于陶瓷生產(chǎn)，使陶瓷的亮度好、表面光潔度高、易清洗。其各項理化性能指標見表2。
表2高檔衛(wèi)生陶瓷釉而專用的賀祥450nm硅酸鋯產(chǎn)品的理化性能指標
4 產(chǎn)品經(jīng)濟性分析
表3為本生產(chǎn)線生產(chǎn)的納米級硅酸鋯與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的普通硅酸鋯產(chǎn)品主要經(jīng)濟指標的對比。
表3本生產(chǎn)線生產(chǎn)的300nm硅酸鋯與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的D50≤1.05μm硅酸鋯主要經(jīng)濟指標對比量
分析表3數(shù)據(jù)可以得出，從生產(chǎn)廠家的效益來看，雖然本生產(chǎn)線生產(chǎn)1t300nm的硅酸鋯成本要比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)1tD50≤1.05μm的硅酸鋯高650元，但是在陶瓷生產(chǎn)中的用量卻降低50%，而銷售價格卻增加了6000元，每噸可增加收益5350元。從用戶使用成本來看，由于硅酸鋯的用量可以減少一半，雖然每噸的購買價格高了6000元，但實際的使用成本只有9000元，反而降低了3000元；另外，用納米級硅酸鋯作為陶瓷釉料的添加劑，可使陶瓷產(chǎn)品的白度、亮度、強度提高，釉面耐化學腐蝕性和自潔性能增強，且由于硅酸鋯的用量減少，輻射性會降低，陶瓷產(chǎn)品的品質(zhì)提高，銷售價格也會隨之提高。從環(huán)保方面來看，由于生產(chǎn)線建設(shè)省去了烘干粉碎工序，生產(chǎn)每噸納米級硅酸鋯還可節(jié)省120m3的天然氣。據(jù)資料顯示，1m3天然氣燃燒可產(chǎn)生1.964kg二氧化碳。我國目前硅酸鋯的年產(chǎn)量為2.5x105t，每年可少排放二氧化碳量為:120x1.964x250000=5.892x104t。
從上述分析不難看出，賀祥公司開發(fā)的納米級硅酸鋯生產(chǎn)線，不但經(jīng)濟效益可觀，在陶瓷生產(chǎn)中使用效果良好，而且綠色環(huán)保，極具推廣應用價值。
作者：趙祥啟，趙祥來，常傳平（唐山賀祥集團有限公司，河北唐山063304）
來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng)
