烧结砖瓦原材料颗粒偏析现象浅析.doc

烧结砖瓦原材料颗粒偏析现象浅析 王晋麟 山西省建筑材料工业设计研究院 李金霞 双鸭山东方墙材集团有限公司 摘要：烧结砖瓦颗粒组成良好的原材料，在生产的各环节、各工序都可能发生颗粒偏析现象。原材料颗粒偏析破坏了原材料的混合均匀度，能够严重影响坯体成型和坯体的结构，降低制品的质量，是砖瓦生产应该重视的问题，防止和消除颗粒偏析现象，确保生产运行正常和产品质量优良。 关键词：烧结砖瓦；原材料；颗粒偏析；缺陷1 前言生产烧结砖瓦原材料一经确定，那么它的矿物组成、化学成分就不会变化了，因此而决定的制砖工艺、产品性能也基本不变。这种原材料最终适合生产什么砖及如何生产制作，最终则由该原材料的颗粒状况决定。 对原材料颗粒状况分析研究的内容很多，比如颗粒的形状、颗粒的质量、颗粒的大小、临界颗粒的控制、颗粒的粒度级配、颗粒的分布、颗粒的亲水性能、颗粒的电磁性能、颗粒的热反应性能等。其中原材料颗粒粒度尺寸的分布，即原材料临界颗粒和颗粒级配的合理控制尤能表现出每种制品坯体的特征，对确定生产什么品种、规格的砖瓦和制定相应合理的生产工艺技术，选用适用的设备，以及对提高产品的性能、质量有极为重要的作用。因此，实际生产中一定要确定并控制好原材料的临界颗粒与颗粒级配。更重要的是要保证各生产环节对原材料的加工制备过程中，不能发生破坏原材料颗粒级配正常良好的状态，不能出现颗粒混合不均匀现象，也就是说要防止和消除颗粒偏析现象，确保生产运行正常和产品质量优良。2 什么是颗粒偏析 颗粒偏析又称颗粒离析、粒度偏析，简称离析或偏析，是指原材料中颗粒粒径组成符合工艺规定，并且混合良好均匀的颗粒发生了一定程度的分离，按颗粒的大小（或轻重）各自聚集的现象，形成按颗粒的大、中、小（或轻、重）分层、分聚结构。颗粒偏析现象可能发生在原材料加工制备的各生产环节，极易发生在坯体的挤出成型过程。特别是那些硬质原材料粉碎较粗、细小粉料较少的生产线和两种以上不同原材料混合的生产线更容易发生。原材料发生颗粒偏析破坏了原材料的混合均匀度，能够严重影响坯体成型和坯体的结构，降低制品的质量，是砖瓦生产应该重视和防范的问题。3 颗粒产生偏析的原因生产砖瓦的原材料为细小散状粉体物料，它的物态特征除了具有与气态物质相类似的可压缩性、与固态物质相类似的抗变形能力外，同时还具有与液态物质相类似的流动性。它的流动性和颗粒的形状、大小、密度、表面状态、空隙率等有关。根据在生产各环节所受外力不同，它的流动形式可分为重力流动、压缩流动、离心力流动、液态化流动等形式，实际生产中多为是两种以上的流动形式混合共存。在这些不同形式的流动过程中，粉体物料会因颗粒不一致、不均匀而各自流动运行的方式和路线不同，最终形成颗粒偏析、分层。砖瓦生产过程形成颗粒偏析的原因很多，并且往往是在多种原因的同时作用下形成的，十分复杂。具体颗粒偏析产生的机理，尚有待于更多的深刻研究。特别是砖瓦行业对原材料颗粒偏析的评价标准，更有待大量研究、试验后得以科学的结论。如果不考虑其他原因，单纯从颗粒组成状况分析原材料颗粒偏析现象，那么砖瓦生产中原材料形成颗粒偏析的情况有两种： 、 颗粒大小差异相对悬殊造成的颗粒偏析 原材料中的大粒径颗粒较大并且较多，小颗粒太小并且较少时极易造成颗粒偏析现象。或者较大和较小的颗粒含量都适当，但中等粒径的颗粒含量较少，也就是说当颗粒级配不当时容易造成颗粒偏析现象。这种细小颗粒含量较多的原材料往往塑性指数不低，使我们误认为其成型没有问题。但这种原材料在生产线各环节的运行过程中，大颗粒和小颗粒受到重力（或挤压力、离心力等）作用的大小差异较大时，会因缺少中等粒径颗粒的过渡、衔接作用，很容易分别离散而各自聚集到一起，破坏了原材料颗粒混合的均匀程度，造成颗粒偏析现象。 、 颗粒密度差异相对悬殊造成的颗粒偏析 这种情况多在两种以上不同原材料混合时发生。既便混合料按颗粒粒径级配良好，也有可能发生颗粒偏析现象。因为颗粒级配是按颗粒的粒径尺寸大小确定的，相同粒径的颗粒分属于不同种类的原材料时，它们颗粒的尺寸大小一样时但质量可能相差很大，比如粉煤灰类（密度700kg/m3左右）和页岩、煤矸石类（密度1300kg/m3左右）的混合料，这两类原材料的密度相差约1.52.0倍。即便把这两类原料按良好的粒径极配混合拌合的很均匀，但在生产线各生产环节运行过程中，尽管是粒径相同的颗粒会因轻的轻、重的重而受到的重力（或挤压力、离心力等）作用不同，使轻颗粒和重颗粒分别离散各自聚集到一起，破坏了混合料颗粒混合的均匀程度，造成颗粒偏析现象。 实际生产中发生颗粒偏析时，往往是上述两种现象同时混合出现，只不过其中有一种很明显，为主要原因，而另一种不明显，不是主要原因。特别是颗粒粒径比越大，或质量比、密度比越大的粉体混合料，就越容易发生较严重的颗粒偏析。4 生产中容易生产颗粒偏析的环节 在烧结砖瓦的生产线上， 原材料随生产流程运行过程中，在一些生产环节和产生工序很容易造成原材料颗粒偏析现象。4.1 原材料在开采、运输过程形成的颗粒偏析 制砖原材料的开采方式一般有两种，一是平地开采，往下挖料；一是丘陵山地开采，往上挖料。这些原材料的状态可以说是原生态的，其颗粒组成未必恰当，甚至有可能存在严重的颗粒偏析情况。但在这个阶段对其颗粒组成可以不予重视，可待采挖以后送到生产工厂进行加工制备、掺配处理时再解决颗粒组成问题。这个阶段重点是选用矿物化学成分适用的原材料和排除有害杂质，不管是平地还是丘陵山地取料，不管采用哪种开采方法,都要保证采挖的原材料矿物化学成分均匀一致。原材料成分的均匀程度越好,该原材料颗粒组成均匀性良好的可能性就越大。对原材料开采地紧邻生产工厂的企业，一定要多点式或多层式混合均匀的开采原材料，尽可能对原材料进行预均化处理，严禁无规划的现采现用，乱采乱用。这是保证生产工艺正常运行，保证产品质量的重要措施，也具有防止原材料颗粒偏析的效果。 如果原材料开采地离生产工厂距离较远，采挖以后的原材料是分散状集料，那么原材料在装车运输过程中会发生离析分层。这是因为运输车辆在运输途中，不同粒径（或密度）的颗粒受振动力和重力共同作用下发生离析分层，大的（或重的）落到下层，小的（或轻的）“浮”在上层。在这个过程中，粒径比（或密度比）越大，颗粒偏析就越严重；路途远颠簸振动越严重、时间越长，颗粒偏析就越严重。这种运输过程颠簸振动造成的原材料颗粒偏析一般是难以避免，但仅限于每辆运输车内，只要不是一进厂就直接倾卸到给料机或破碎机、搅拌机里使用，完全可以在进厂后的各生产环节和生产工序弥补消除。4.2 原材料在堆积、存储过程形成的颗粒偏析原材料在进厂后的卸料、堆积、存储过程中，因运输过程形成的颗粒偏析基本可以经混合后消除，但可能会形成新的颗粒偏析现象。在堆场卸料堆放过程中，原材料颗粒偏析的主要机制是休止角离析，一般是大颗粒、重颗粒往下面、往外围流散；小颗粒、轻颗粒在中心和上部集中。随着料堆高度增加和倾角的增大，总体离析指数不断增大；当倾角达到休止角时，总体离析指数仍在增长，但各层离析指数趋于恒定。采用料仓储料时的颗粒偏析机理与堆场堆积储料相似。由于松散状物料中不同颗粒之间的粒径、密度等差别，当物料从顶部落入料仓时，粗细（或轻重）颗粒就开始分层，细粒（或轻粒）集中在料仓的中央，粗粒（或重粒）则滚到周边，从而造成颗粒偏析现象。如果堆积存储的料堆已经成为严重离析状态，那么铲运设备取料时是不可能将大堆原材料混合均匀的：先取得是料堆外围的大块料、重质料，后取得是料堆中心的细小料、轻质料。如果这样直接装卸到给料机或破碎机、搅拌机加工处理时，会造成生产线上运行的原材料一段和一段的成分及颗粒不一致。如果再没有其他有效的均化设备，则会影响坯体的成型操作和坯体的结构，降低坯体成型质量和产品性能质量。防止原材料堆积存储过程或料仓卸料过程的颗粒偏析,最好采用多点卸料、布料，采取多处、多点、多层混合取料，尽可能提高取料的均匀性，防止和消除颗粒偏析现象。4.3 原材料在配料、给料过程造成现成的颗粒偏析生产中原材料准确定量配料和均匀给料的生产设备，本来是可以实现原材料最大程度的合理配比和混合均匀，可以在很大程度上避免和防止颗粒偏析。但是在这一环节如果工艺设计不当，或者操作运行不当，反而会形成原材料的混合不匀和颗粒偏析。比如有的生产企业对几种不同原材料的配比给料，不设置可以调节控制给料量的给料机，而是用装载车简单计量混合，难以保证每车、每铲的均匀准确计量；有的直接由人工下料给料，一会儿这种料多了，一会儿那种料少了，保证不了各种原材料同步、均匀按既定的比例混合给料，导致了颗粒级配混乱和颗粒偏析。生产中的各种筛选设备、粉碎设备和搅拌设备可以很好把各种原材料混合均匀，但这些设备都是在一条生产流水线上连续性运行，原材料类似流水状动态依次经过这些设备，仅能把即时进入设备的物料混合均匀，无法把前一时段和后一时段的物料混合。所以，要想很好的控制原材料的颗粒级配和防止颗粒偏析，除了依靠原材料准确定量、配料和均匀混合给料的设备外，还应该在每台筛选设备、粉碎设备和搅拌设备之后设计一处物料积存设施，可以把该设备在一段较长时间加工的物料堆积混合，然后再输送到下一工序。这样可以适当防止流水线上前一时段和后一时段的物料的不均匀，同时还可以起到流水线上物料运行的缓存、周转作用。4.4 原材料在陈化过程中形成的颗粒偏析原材料进入陈化库从库顶抛洒落库的过程中也可能发生颗粒偏析，其机理和原材料堆积时产生离析的机理类似，只不过这时的原材料是已经加水的湿料而不是分散干料。这时颗粒粒径都比较小，又有水的粘合作用，颗粒相对结合紧密不易分散，颗粒偏析的现象不严重，往往也不会引起注意和重视。实际操作采用布料机水平横向动态移动卸料，多斗取料机纵向相对固定取料的方式，这样横向布料纵向取料的方式可以把不同时段投放到陈化库的原材料又混合一次，一般即可实现取料相对混合均匀，可以避免颗粒偏析。4.5 原材料在挤出成型过程造成形成的颗粒偏析原材料在进入挤出机之前的各生产环节，如果颗粒组成不当或之前已经发生颗粒偏析现象，往往不易发现,也就不会被注意和重视。生产工艺的常规质量检测也很少对这些环节的原材料取样进行颗粒组成检测。在这些环节，颗粒组成不当的缺陷还没有直接反映到坯体成型的好坏和产品质量性能的优劣，但这些缺陷已经成为影响坯体成型和产品质量性能的隐形因素，最终会在螺旋挤出机内坯体挤出成型时暴露而发生问题,影响到坯体的挤出成型和产品的质量。原料在挤出坯体成型过程的颗粒偏析常见有两种情况： 挤出机挤出泥条不成型这种情况表现为挤出机开机最先挤出的几条泥条成型尚好，之后挤出的泥条越来越差，机口的中心部位出料慢，两侧快，泥条一出机口就向两边开裂，不能愈合，无法成型。随后泥条越出越慢，泥缸发热，电机传动带打滑或跳闸，特别是挤出机螺旋铰刀主轴转速较快的时候更严重。如果不及时停机，可能会发生泥料撑破泥缸或铰刀破裂等严重事故。停机打开泥缸，可以发现靠近铰刀主轴中心粘满细小颗粒的泥料，而且比较密实；铰刀外缘泥料粘裹较少，较松软，颗粒也较大，是明显而典型的颗粒偏析现象。 挤出机挤出泥条断面分层这种情况表现为泥料进入挤出机似乎可以正常挤出泥条，外观看不出严重质量缺陷，但坯体泥条断面有分层现象。这种分层实质上也是一种特殊的颗粒偏析现象，是一部分物料和另一部分物料分离，中间有微细但有害的空隙层，表现有多种层状纹理。最常见的分层现象为一环套一环的多层环形纹分层和“螺旋纹”形分层现象，此外常见的还有“S”形纹分层现象和“Y”形纹分层现象等。这些分层表现在刚成型的坯体上，有的严重较为明显，大多不严重较为隐匿，甚至被认为是合格产品。分层现象在烧结普通实心砖大面上较明显可见，在有孔砖面上较隐匿难见。但有分层现象的坯体在干燥和焙烧过程中容易生产裂纹，特别是烧成后制品强度会降低，制品耐久性、抗冻性和抗风化性降低，制品容易顺延分层纹理开裂、粉碎。按国家标准烧结普通砖GB5102规定：只要有“螺旋纹”的砖就是不合格品，是不容许出现在产品中的。原材料颗粒在挤出机螺旋挤出过程中产生颗粒偏析，特别是分层现象是非常普遍的，几乎不可避免，只是严重程度不同而已。相对而言，原材料性能很好的坯体，或是没有特殊较高质量要求的砖瓦产品，可以忽视有这些因素造成的较轻微的分层。而对分层敏感性强的坯体原材料以及要求高质量的产品来说，这些因素造成的分层将会成为不可接受的质量缺陷。 造成这些颗粒偏析和分层的原因很多，可以肯定的是有成型真空挤出机设备的结构、性能和使用方面的原因。因为成型过程中原材料颗粒在螺旋铰刀挤出作用下，同时存在有压缩流动、离心力流动和液态化流动等形式，颗粒基本以流动分层的形式出现，都是在最高的应变区域内由于变形而引起，由不等轴颗粒的定向而引发的结果。坯体泥料颗粒会受到剪切、滑动、分离以及重新愈合所引发的物理过程的综合作用而生产颗粒偏析和分层。具体原因有螺旋绞刀和螺旋绞刀头的几何形状、螺距和螺旋导角，泥缸衬套、挤出机头、挤出机口和芯头芯架的形状及尺寸，挤出泥条的速度和温度，抽真空程度，挤出螺旋主轴的转速，泥条的行进方式，机头或机口的油润滑或水润滑等等，都可能单独或混合作用而形成颗粒偏析和分层。如果能够确定性、针对性的解决相应这些问题，是可以有效消除或减轻挤出成型过程的原材料颗粒偏析和坯体分层缺陷。比如，适当降低螺旋铰刀主轴转速，或者在挤出机上位于铰刀头后位置安装阻泥棒、在挤出机上机头位置安装导泥翼片等，都可以缓解坯体的螺旋纹分层缺陷。有关这方面详尽的精辟论述可参阅张文法、湛轩业翻译德国弗兰克翰德乐所著陶瓷材料挤出成型