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【致敬三十年】原料制备:告别疯狂的“大”时代,“中国制式”正迸发勃勃生机

 

前言
 

中国建陶产业原料车间的工业化生产时代,开启于上世纪80年代前后。随着喷雾干燥塔、陶瓷球磨机、自动喂料机等关键设备相继攻克技术难题,中国建陶产业也进入提速发展期。在随后的三十余年间,喷雾干燥塔先后开发出1000型、2000型、3200型、8000型、12000型、35000型等多种型号的压力式喷雾干燥塔;与此同时,球磨机也在这一期间实现了从早期的5吨到40吨、60吨、80吨、100吨级等大型间歇式球磨机的突破……这两项关键技术的突破,满足了国内从20世纪90年代中后期开始的产能急速扩增的需求。

 

可以说,中国在“间歇式球磨+喷雾干燥”的组合工艺的应用上早已赶超国际水平,尤其是在非标准原料的基础上实现大产量、满足各种不同产品和不同的生产工艺等方面的表现,更是一度令国人无比自豪。

 

但辉煌的背后,也存在许多问题,如能耗高、污染重、占地面积大、自动化程度低等。在走过粗放的大扩张时代后,这些曾经被忽略的问题引起了行业重视,尤其是在日益加重的环保高压之下,创新脚步停滞了十多年的原料车间吹响了转型升级的号角:除了开发出原料预处理设备,相关机构与设备企业也开始着手研究“中国制式”的陶瓷工业用连续球磨机;与此同时,随着政府对节能减排和环境保护要求的提高,低能耗、低污染的干法制粉也成为陶瓷工业力图突破的关键技术。

 

2017年6月1-4日,中国国际陶瓷工业技术与产品展览会(简称“新之联陶瓷工业展”)将迎来30周年盛典。虽然在过去的三十年里,原料制备相关技术与设备在这个“星光熠熠”的舞台上沉寂了很长一段时间,但在未来,这必定是精彩不断、备受瞩目的焦点所在。

 

辉煌的“大时代”

 
 

一个“大”字,贯穿了建陶行业原料制备环节实现工业化生产以来数十年的创新历程。根据相关资料记载,在1978年以前,我国建筑卫生陶瓷原料制备技术水平比较落后,当时业内所采用的球磨机大多来自于日用陶瓷机械制造厂家,装料量大约在1~3吨之间,因此产量和生产效率很低。

 

但自20世纪80年代之后,随着国家建委西北建筑设计院设计和辽宁省朝阳重型机器厂制造的TM2400 X3330型(5吨)陶瓷球磨机、石湾陶瓷机械厂和建国瓷厂协作研发的8吨球磨机以及唐山轻工业机械厂制造的AM2700×2800球磨机(8吨)的相继问世,陶瓷球磨机拉开了“大”时代的序幕。

 

其中,由石湾陶瓷机械厂与建国瓷厂协作研发的8吨球磨机,首次将我国球磨机筒体沿用的齿轮传动改成了皮带传动,使我国球磨机传动装置发生了革命性的改变,该传动方式一直沿用至今。

 

根据相关资料记载,至1986年,由华南理工大学、咸阳陶瓷研究设计院、唐山轻工业机械厂联合研制的QM3000×5000球磨机,装料量达到15吨,成为行业使用时间较长的早期大型球磨机。

 

从20世纪90年代中后期开始,我国建筑卫生陶瓷产业掀起了大规模新建生产线的浪潮,且产量规模不断扩大,尤其是在2004年—2011年期间,全国瓷砖产量连续8年保持两位数增长。这期间,球磨机吨位持续增长,短短几年的时间内先后开发出40吨、60吨、80吨、100吨的大型节能球磨机,以适应大产量生产需求。截止目前,60吨~80吨的球磨机仍是陶瓷原料制备的主流设备。

 

▲大吨位间歇式球磨机(图片来自网络)

 

同样为了满足大产量生产而不断变大的还有喷雾干燥塔。相关记载显示,在20世纪80年代初,由华南工学院和咸阳陶瓷设计研究院联合设计、唐山轻工机械厂制造的1000型、2000型等第一批压力式喷雾干燥器诞生之后,压力式喷雾干燥塔就快速实现了广泛应用,并在1983年~1984年间连续实现多种型号的设计和生产制造,其中就诞生了彼时产量最大的3200型。

 

进入21世纪后,陶瓷生产线的规模进一步扩大,年产150~300万平米陶瓷砖成为单线标准规模,一个企业拥有十几条生产线成为常态,促成了喷雾干燥器向大型化发展。其中,喷雾塔从一个小时生产30吨到一个小时生产60吨,实现了巨大飞跃。

 

可以说,从1980年至2010年期间,在国内陶瓷砖大产量的产业特色推动下,我国建陶行业的原料制备相关技术与设备的最大变化就是实现了产量的由小到大。这期间,咸阳陶瓷研究设计院、石湾陶瓷机械厂、唐山轻工机械厂等研究机构及设备制造商扮演着极为重要的角色,推动着原料制备技术的向前发展,部分成果甚至突破了彼时的国际最高技术水平。

 

转型升级大幕开启,聚焦降耗增效

 
 

辉煌的背后,也存在许多问题,如能耗高、污染重、占地面积大、自动化程度低等。在走过粗放的大扩张时代后,这些曾经被忽略的问题引起了行业重视。率先吹响转型升级号角的是以博晖机电为代表的设备企业,在2010年前后,博晖机电推出“神工快磨”,提出在各类原材料送入球磨机之前对原材料进行预处理,减少球磨时间,降低能耗。

 

在此之前,由于我国陶瓷生产所采用的原材料标准不统一,进入球磨机的物料颗粒大、粗细不均,甚至还存在着大量大块的砂石料,致使球磨机的负载变大,原材料需要经过很长一段时间的研磨才能达到最终的生产要求。以广东产区为例,当时各陶瓷厂的原料球磨时间大约在14~15小时之间。

 

根据博晖机电提供的数据显示,从“神工快磨”在新明珠、顺成、东鹏、升华等陶瓷企业实际应用的结果来看,球磨时间减少至8个小时左右,节省电耗30%左右。“神工快磨”的出现,让原料预处理受到重视,“降耗增效”成了原料球磨创新突破的聚焦点。

在这一诉求下,已经蛰伏十数载、节能降耗效果更显著的连续球磨机随后也逐步迈入了实际应用阶段。

 

连续球磨机并不是一项新技术,它早在20世纪80年代就在国外实现了应用,但直到20世纪90年代中期,我国才逐渐认识到连续球磨的应用价值,建陶行业对连续球磨机的研究则是从2000年左右才开始。

 

资料显示,在2006年,湖南五菱机械公司与咸阳陶瓷研究设计院、中南大学、湘潭大学合作研制成功TCLM3015型连续式球磨机,产品出口土耳其、印度、伊朗等国家。但当时连续球磨机并未在国内实现应用,因为相对而言,间歇式球磨机更便于调整配方和产量,更适用于中国的陶瓷生产。

 

由于连续式球磨机在节能降耗方面的诸多优势,仍有包括湘潭亿达机电、浩丰重工、鼎汇能科技、卓达豪机械等优秀设备企业将精力注入该类产品的研发中。虽然在国产的连续式球磨机之前,意大利SACMI公司曾向中国输送过连续式球磨机,但均因无法适应中国非标准的原材料而遭遇挫折。直至2013年底,连续球磨机才在国内正式应用,国产的连续式球磨机改变了“一球多仓”的模式,采用了“一磨多球”的多单元组合模式,每个球都可以根据不同的需求选择合适的内衬、球石配比和球磨转速,更加节能。

 

据不完全统计,截止目前,国内已经有十余家企业采用了连续式球磨机,且多为“一磨多球”的多单元组合式连续球磨机,而且在球磨机之前都增加了一个原料预处理设备,对粗料进行细化处理。

 

▲鼎汇能早期推出的陶瓷连续式球磨机现场运行图。

 

原料预处理与连续球磨机的巧妙搭配,成为了“中国制式”的又一典型杰作。不过由于考虑到该模式影响了连续球磨的整体自动化水平,近期包括卓达豪等在内的设备企业又提出了“全自动配料式连续球磨”的概念,试图通过技术改进打通原料预处理与连续球磨机之间的衔接问题。据介绍,该套连续球磨机已于2017年4月在安徽某陶瓷厂成功投入使用。

 

除此之外,继2015年6月1至4日在新之联陶瓷工业展举办期间发布了齿轮传动的多单元连续式球磨机之后,鼎汇能公司数度创新,将最早的需要5球串联的连续球磨机,改善成仅需要一个球磨机就可满足中国陶瓷生产需求的连续球磨机。据介绍,结合由该公司开发的新型原料优化系统、自动配料系统、新型易破碎系统以及连续球磨机等,该系统可以实现一边进料一边出料的自动生产,不仅产量大,而且在节电、降耗、减少用地与用人等方面都有十分卓越的表现。

 

除了产业应用方面成绩斐然,连续球磨在实验室研究方面也有新的突破。记载显示,南京大学仪器厂开发了行星球磨机,该机的特点是4只球磨罐被安装在一大盘上做行星运动,罐内磨球和物料受到公转离心力、自转离心力和重力3个力的共同作用,磨球和物料在高速运转中相互之间猛烈碰撞、挤压,大大提高了研磨效率。

 

环保新常态下,干法制粉砥砺前行

 
 

严格来说,干法制粉也并非近几年才诞生的新工艺。首先,从国际领域来看,意大利等国从20世纪80年代初开始研究干法制粉工艺,并已推广应用,取得了较显著的经济效益和社会效益;其次,即使在国内,若从时间上追溯,早在喷雾干燥应用之前,干法制粉一直是陶瓷墙地砖粉料制备的重要方法,最为普遍的就是轮碾加湿造粒。

 

但是在湿法球磨喷雾干燥工艺诞生之后,由于湿法工艺制备的粉料在颗粒形状、流动性、颗粒级配控制等使用性能方面的优越性,湿法工艺几乎统治了整个陶瓷墙地砖生产的粉料制备,直至目前,湿法工艺仍占据绝对的统治地位。

 

但是由于喷雾干燥制粉工艺中,泥浆的水分全用热能使之蒸发,热耗高是该工艺最大的缺点。为了探求更为节能的制粉方法,1989年咸阳陶瓷研究设计院成立了“陶瓷墙地砖干法制粉工艺及设备”研究项目,关键设备为增湿造粒机组。

 

虽然研发立项时间早,且国外早有成功的应用,但国内的干法制粉项目推进速度仍十分缓慢,除了在四川夹江与广东的极个别陶瓷厂实现应用之外,在很长时间内都没有进一步普及开。其中最主要的原因仍是原材料的非标准。

 

虽然从生产角度来说,喷雾干燥的湿法制粉可以满足需求,但随着能源价格的不断上涨,采用喷雾干燥工艺所带来的产品成本过高的问题显得愈加突出,特别是喷雾干燥尾气污染重,因此,低能耗、低污染的干法制粉也成为陶瓷工业力图突破的关键技术。

 

2010年开始,以佛山市溶洲建筑陶瓷二厂(以下简称“溶洲二厂”)和山东义科节能科技有限公司(以下简称“义科节能”)为代表的企业率先开始着手研发干法制粉工艺相关技术与机器设备。

 

▲2015年广州陶瓷工业展上,义科节能展示的干法制粉的粉料及制作的陶瓷砖产品。

 

其中,溶洲二厂联合华南理工大学、合肥水泥研究设计院、佛山市绿岛环保科技有限公司等单位进行了干法制粉技术与装备的研发,开发了干粉增湿造粒技术和GHL-2000型高速混合造粒机及整套设备,并借鉴水泥工业的均化技术,开发了适用于陶瓷生产的多种类原料逐级均化系统,解决了大批量原料的均化问题,该项目总体技术达到了国际先进水平;2012年8月,义科节能研发的第一条干法制粉中试生产线在山东淄博一家陶瓷企业投产,该陶瓷干法制粉工艺也是采用增湿造粒,2013年10月12日其成果“陶瓷干法制粉工艺及其装备”通过山东省科学技术厅组织的专家鉴定会,并认定达到国际先进水平。

 

随后的两年,干法制粉的声势愈发浩大,尤其是在2015年博晖机电宣布与意大利LB合作干法制粉项目之后,业内对于干法制粉的关注度再度升高。同年底,由博晖机电与LB联手打造的山东东鹏干法制粉示范生产线投产,并稳定运行。据博晖机电透露,截止目前,除了山东东鹏的工厂,他们还与河北高邑、山东临沂等地的陶瓷企业达成合作,筹建干法制粉生产线。

 

▲由博晖机电与LB联手打造的山东东鹏干法制粉示范生产线。

 

有业内人士指出,由于干法制粉的粉料是实心的,而实心的粉料压制成型之后存在强度不够等问题,再加上国内用来做砖的原材料杂质多,传统的干法制粉工艺在除铁方面存在欠缺。因此,最早干法制粉工艺在国内推进时受到了重重制约。为了解决上述问题,博晖机电近两年在原料均化、除铁、配方、工艺进行了数次调整,取得了不小的收获。据称目前该公司的干法制粉不仅可稳定生产瓷片等小规格、高吸水率产品,低吸以及双零吸水率的大规格墙地砖生产也已经通过了小试和中试,且均可稳定生产。

 

原料车间“整线”概念始现,自动化进程提速

 
 

原料车间作为陶瓷生产的第一个环节,有几大特色:一是高能耗,原料制备这个环节就占用了整条生产线40%的能源消耗;其二是高污染,除了废气,粉尘的问题也很严重;其三是自动化程度低,尤其是近几年在窑炉后工序的自动化大幅提升之后,成为了整线自动化程度最低的环节;其四是由于我国原材料的非标准化,原料加工的设备也非常不统一,人工操作的比重非常大……来自“源头”的种种问题,制约着我国陶瓷生产整体水平的提高。

 

纵然近几年来,国内设备及陶瓷企业加大了在原料制备领域的研发和投入力度,但与世界先进陶瓷大国相比,仍有一定差距。其中最大的区别是世界领先的陶瓷原料车间是一个完整的系统,可以实现整线自动化,而目前国内仍很难做到这一点。

 

专注原料车间的国内几大设备商都注意到了这一问题,因此都提出了原料车间整线的概念,即除了单一设备的技术升级之外,更注重将工艺与设备系统进行结合,实现整线自动化。如鼎汇能在研发连续球磨机时,也推出了由该公司开发的新型原料优化系统、自动配料系统、新型易破碎系统、新型化浆系统等,实现各个环节之间的无缝对接;而卓达豪则提出了“系统集成”的概念,在各个功能模块技术提升的基础上,通过前期调研,根据不同的工艺需求搭配具有不同功效的功能模块,实现最佳组合效果,将所有的工序进行串联,实现生产自动化。

 

干法制粉在实现原料车间自动化方面所起到的作用更是毋庸置疑。通过对国外干法制粉工艺的消化吸收,并结合我国的实际生产做了一系列调整之后,已经可以实现从喂料到出料的全自动化操作。

 

业内普遍认为,在走过粗放的大扩张时代后,随着陶瓷行业新常态的来临,尤其是在日益加重的环保高压之下,曾经被“忽视”十数年的原料制备,在创新的引领下,将再度闪现耀眼的光芒,带领中国建陶行业走向又一个辉煌。

 
 
 
 

原料制备创新发展轨迹

 


 
  • 20世纪80年代初,由华南工学院和咸阳陶瓷设计研究院联合设计、唐山轻工机械厂制造的1000型、2000型等第一批压力式喷雾干燥器诞生,并在1983年~1984年间连续实现多种型号的设计和生产制造,其中就诞生了彼时产量最大的3200型;

     

  • 1982年,由国家建委西北建筑设计院设计、辽宁省朝阳重型机器厂制造的TM2400 X3330型(5吨)陶瓷球磨机诞生;

     

  • 1983年,石湾陶瓷机械厂同建国瓷厂协作研发出了8吨球磨机,首次将我国球磨机筒体沿用的齿轮传动改成了皮带传动,使我国球磨机传动装置发生了革命性的改变,该传动方式一直沿用至今;

     

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