CN105032578A - 低碳高效能纳米硅酸锆制造方法及制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低碳高效能纳米硅酸锆的制造方法及制造装置，包括：高能滚筒式超细球磨机、高效能搅拌式纳米球磨机和纳米料浆料水分离装置。本发明低碳高效能纳米硅酸锆制造方法，通过将传统的球磨机改进为高能滚筒式超细球磨机，将传统搅拌球磨机改进为高效能搅拌式纳米球磨机，新发明纳米料浆料水分离机组，使硅酸锆产品从微米级时代进入到高效纳米级加工生产时代。在硅酸锆行业首次使用液体包装技术，省掉了烘干工序，降低成本，无碳排放，实现了纳米硅酸锆生产的低碳、绿色、循环的生产销售方式。

Description

低碳高效能纳米硅酸锆制造方法及制造装置

技术领域

本发明涉及机械法加工纳米无机非金属材料领域，具体的说，是涉及一种低碳高效能纳米硅酸锆制造方法。

背景技术

硅酸锆(ZrSiO₄)俗称矽酸锆，是由天然锆英石经超细粉碎，除铁、钛加工，表面改性处理等工艺加工而成。其产品属于化工产品类，主要用作陶瓷坯釉的乳白剂。我国的硅酸锆加工始于1992年，其主要设备是搅拌球磨机，磨介为Φ8mm的钇稳定氧化锆研磨球，采用单台周期式研磨工艺，硅酸锆粉细度为:D₅₀≦1.5μm，烘干采用喷雾干燥塔，该工艺的特点是效率低、成本高、粉尘大。1998年国内部分企业为降低成本，采用Φ8m钢球为磨介研磨，后酸洗除铁，压滤机脱水工艺制造硅酸锆。但由于严重污染环境和产品质量不稳定，在2003年被淘汰。

2003年至今，国内硅酸锆企业逐步采用“球磨机(Φ8-13mm铝球)+搅拌球磨机(Φ2mm-6mm氧化锆球)+压滤机脱水+闪蒸干燥”工艺，该工艺具有成本低，自动化程度高，质量稳定的优点，且硅酸锆粉体细度达到D₅₀≦1.05μm，能基本满足陶瓷产品对硅酸锆性能指标的要求。目前，国内外大部分硅酸锆企业的硅酸锆生产线虽各有自己的特点，基本都采用该工艺进行生产。但是，随着陶瓷企业自我升级，他们对硅酸锆的技术性能指标和成本指标都提出更高的要求，例如，对硅酸锆的细度达到纳米级，因为纳米级别的硅酸锆在陶瓷釉面上用后，产品更白、更亮、自洁、耐磨、辐射更低，而且要用相对较低的成本制造出来。而现有的工艺在设备、机理、磨介和辅助材料诸方面都无法满足高效低成本制造纳米硅酸锆的需求。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种以低碳、绿色、可循环、高效方式的低碳高效能纳米硅酸锆制造方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种低碳高效能纳米硅酸锆制造方法，包括如下步骤：

1)、精选锆英砂；

2)高能滚筒式超细球磨机加工工序；

3)、中转储料工序；

由5台×17m³的不锈钢罐组成，底部设有气动搅拌装置；接受上工序来料储存，为下道工序供应稳定的料浆；

4)、高效能搅拌式纳米球磨机加工工序；

5)、二级储浆罐工序：

由2台×17m³的不锈钢罐组成，底部设有气动搅拌装置，用以接受上工序来料储存，为下道工序供应稳定的料浆；

6)、纳米料浆料水分离工序：

7)、硅酸锆液体包装工序。

所述高能滚筒式超细球磨机加工工序步骤为：

将48吨铝球，12吨锆英砂，8吨水，2kg硝酸，4kg氯化锌加入球磨机中，将磨盖盖盖好拧紧；

开启运行，在运行开始一小时内，电流维持在380A，随后电流逐渐降低至350A，自动控制系统开始运行，通过变频器调高磨机转速，电流达到350A—360A之间，以保持球磨机的高能运行状态，运行时间为23小时；

在球磨机运行期间，磨机表面温度达到50度时，降温系统自动开启，对磨机表面喷水降温，降温冷却水循环使用；

磨机运行停止后，打开磨盖取样测试，测试达到规定细度D50≦0.8μm，换上放浆阀盖，将球隔离在磨机内，料浆泵入中转储浆罐内；

下一个循环开始；磨机内的8吨水首先由料水分离工序分离出的工艺水供应，不足部分用新水补齐。

所述高效能搅拌磨加工工序步骤为：

本工序使用4组高效能搅拌磨机组，每组由3台搅拌磨主机、4台76升多功能冷却储料罐组成；

每组储料罐分别于进料主管道、搅拌磨、出料总管道串联组成一组独立系统；从第三台磨出来的料浆为合格料浆；通过测试料浆细度，来控制泥浆流量大小；4组高效能搅拌磨机组独立运行，料浆汇入二级储料罐。

所述纳米料浆料水分离工序，使用3台纳米料浆料水分离装置，分别为：1#、2#和3#纳米料浆料水分离装置，包括如下步骤：

①、料浆通过进料泵进入料浆至1#、2#纳米料浆料水分离装置，各加入料浆20吨，料浆固含量为20％，然后加入硝酸1公斤、氯化锌8公斤化学试剂，用气动搅拌装置搅拌15分钟；沉浆18小时，水分达到63％时，再次开动气动搅拌15分钟；然后用泵泵入3#机中；然后开启下一次循环；

②、向3#纳米料浆料水分离装置中，加入助剂硝酸1公斤、氯化锌8公斤，开启3#气动搅拌装置，搅拌15分钟；静置沉降18小时，至55％的水分含量后泵入成品罐；然后开启下一次循环；

③、当夹层中的液位到达液位探针最高处时，自动开启电磁球阀，排出夹层中的水分；排出水分泵入球磨机加水计量桶内，重复使用。

所述硅酸锆液体包装工序包括如下步骤：

将料水分离好的含水量在47％左右的料浆，泵入20m³的计量罐内；开动罐内的气动搅拌装置15分钟，测试水分；将罐内料浆水分精确调制45％。向罐内加入干料万分之一的硝酸，搅拌10分钟；则可制得成品料浆；

成品料浆中加入1/1000干料重量的碳酸钠，搅匀30分钟，6小时后可解聚料水分离时的料浆轻微团聚，成为分散均匀的纳米硅酸锆料浆。

一种低碳高效能纳米硅酸锆的制造装置，包括：高能滚筒式超细球磨机、高效能搅拌式纳米球磨机和纳米料浆料水分离装置。

所述高能滚筒式超细球磨机包括基础，所述基础上设置有左支座和右支座，所述左支座和右支座上设置有轴承装配组件，轴承装配组件上设置有球磨筒体，所述球磨筒体的筒壁上设置有进料口和出浆口，所述球磨筒体通过末级皮带与减速机构相连接；减速机构与变频电机相连接；变频电机与变频控制箱相连接，球磨筒体内设置研磨体，其特征在于：所述球磨筒体内设置有中心搅拌器；所述中心搅拌器为中心隔离筒；中心隔离筒轴线与球磨筒体轴线相重合；所述中心隔离筒两侧端部与球磨筒体左右端面固定连接；所述中心隔离筒直径为球磨筒体直径的五分之一；所述中心隔离筒由150mm厚的氧化铝陶瓷衬板制成。

所述高效能搅拌式纳米球磨机，包括机架，所述机架上方设置有减速机，所述机架下方设置有支撑座，所述支撑座上设置有震动弹簧；所述震动弹簧上设置有搅拌筒；所述搅拌筒上方设置有盖体，所述盖体中心设置有通孔；所述搅拌筒中心设置有搅拌轴，搅拌轴上端从盖体通孔伸出与减速机输出轴相连接；所述搅拌轴上设置有搅拌棒；所述搅拌筒为分体结构，由呈圆台形的上部搅拌筒和呈圆台形的下部搅拌筒构成；上部搅拌筒的长口直径在下；下部搅拌筒的长口直径在上；上部搅拌筒和下部搅拌筒通过法兰相连接；所述下部搅拌筒设置有进料口，上部搅拌筒设置有出料口；所述搅拌棒的棒头距离筒壁的距离为15毫米；所述搅拌棒设置在下部搅拌筒；所述搅拌棒下部棒短，上部棒长；所示搅拌棒由5-8根构成，整体呈圆台形状；所述搅拌筒长口直径为900毫米，短口直径为700毫米。

所述纳米料浆料水分离装置，包括：箱体，所述箱体内壁设置有不锈钢网板；所述不锈钢网板内表面设置有滤布；所述箱体底部呈凸面结构由三层组成，底层为不锈钢圆管焊接的承重支架，中间层为保证上层滤布平整不下坠的不锈钢网板，上层为滤布；所述箱体下部设置有排水泵；所述箱体通过管道与输浆泵和进浆泵相连接；所述箱体底部设置有气动搅拌装置；所述气动搅拌装置的结构为：为平放于箱体底部周边的环形不锈钢圆管，不锈钢圆管形状与箱体底形状相适应，与箱体底部无连接；进气口设在两端，垂直于圆管向上伸出容器外并与气路连接；出气口为整个管路均布每200mm一组，每组由两个直径为1.5mm的圆孔构成，一个圆孔垂直于底面设置，另一个圆孔垂直内壁设置并朝向内侧；所述滤布为纳米级筛网。

本发明相对现有技术的有益效果：

本发明低碳高效能纳米硅酸锆制造方法，通过将传统的球磨机改进为高能滚筒式超细球磨机，将传统搅拌球磨机改进为高效能搅拌式纳米球磨机，新发明纳米料浆料水分离机组，使硅酸锆产品从微米级时代进入到高效纳米级加工生产时代。在硅酸锆行业首次使用液体包装技术，省掉了烘干工序，降低成本，无碳排放，实现了纳米硅酸锆生产的低碳、绿色、循环的生产销售方式。

附图说明

图1是现有硅酸锆工艺流程图；

图2是本发明低碳高效能纳米硅酸造方法工艺流程图；

图3是现有滚筒式球磨机的主视结构示意图；

图4是图3的A-A剖视结构示意图；

图5是本发明中高能滚筒式超细球磨机的主视结构示意图；

图6是图5的B-B剖视结构示意图；

图7是现有技术的搅拌式纳米球磨机的结构示意图；

图8是图7的A的局部放大结构示意图；

图9是本发明中高效能搅拌式纳米球磨机的结构示意图；

图10是图9的B的局部放大结构示意图；

图11是本发明中高效能搅拌式纳米球磨机的搅拌轴与搅拌棒的连接主视结构示意图；

图12是本发明中高效能搅拌式纳米球磨机的搅拌轴与搅拌棒的连接俯视结构示意图；

图13是现有技术的压滤机结构示意图；

图14是现有技术的沉降罐结构示意图；

图15是本发明中纳米料浆料水分离装置的主视结构示意图；

图16是本发明中纳米料浆料水分离装置的侧视结构示意图。

附图中主要部件符号说明：

图中：

11、21、基础12、22、支座

13、23、轴承装配组件14、24、球磨筒体

15、25、进料口16、26、末级皮带

17、27、变频控制箱

18、28、变频电机

19、29、减速机构

110、210、出浆口

111、211、衬板

112、212、研磨体

213、中心隔离筒；

311、321、机架312、322、减速机

313、323、搅拌轴314、324、搅拌棒

315、325、搅拌桶316、326、研磨体

327、震动装置328、注浆泵

411、液压站412、油缸

413、滑动轨道414、压紧板

415、滤箱416、止推板

417、出水管道418、压滤机机架

421、罐体422、出水口

431、进浆系统432、出浆系统

433、机体装配434、纳米级筛网

435、真空泵436、排水系统

437、气体搅拌系统。

具体实施方式

以下参照附图1-16，一种低碳高效能纳米硅酸锆制造方法，包括如下步骤：

1)、精选锆英砂；

2)高能滚筒式超细球磨机加工工序；

3)、中转储料工序；

由5台×17m³的不锈钢罐组成，底部设有气动搅拌装置；接受上工序来料储存，为下道工序供应稳定的料浆；

4)、高效能搅拌式纳米球磨机加工工序；

5)、二级储浆罐工序：

由2台×17m³的不锈钢罐组成，底部设有气动搅拌装置，用以接受上工序来料储存，为下道工序供应稳定的料浆；

6)、纳米料浆料水分离工序：

7)、硅酸锆液体包装工序。

所述高能滚筒式超细球磨机加工工序步骤为：

将48吨铝球，12吨锆英砂，8吨水，2kg硝酸，4kg氯化锌加入球磨机中，将盖盖好拧紧；

开启运行，在运行开始一小时内，电流维持在380A，随后电流逐渐降低至350A，自动控制系统开始运行，通过变频器调高磨机转速，电流达到350A—360A之间，以保持球磨机的高能运行状态，运行时间为23小时；

在球磨机运行期间，磨机表面温度达到50度时，降温系统自动开启，对磨机表面喷水降温，降温冷却水循环使用；

磨机运行停止后，打开磨盖取样测试，测试达到规定细度D50≦0.8μm，换上放浆阀盖，将球隔离在磨机内，料浆泵入中转储浆罐内；

下一个循环开始；磨机内的8吨水首先由料水分离工序分离出的工艺水供应，不足部分用新水补齐。

所述高效能搅拌磨加工工序步骤为：

本工序使用4组高效能搅拌磨机组，每组由3台搅拌磨主机、4台76升多功能冷却储料罐组成；

冷却储料罐用以：①、储料，②、冷却料浆，③、补加水分和助磨剂，④、气动搅拌。每台冷却储料罐以并联方式与冷水机组相连接；

每组储料罐分别于进料主管道、搅拌磨、出料总管道串联组成一组独立系统；从第三台磨出来的料浆为合格料浆；通过测试料浆细度，来控制泥浆流量大小；4组高效能搅拌磨机组独立运行，料浆汇入二级储料罐。

所述纳米料浆料水分离工序包括如下步骤：使用3台纳米料浆料水分离装置；

①、料浆通过进料泵进入料浆至1#、2#纳米料浆料水分离装置，各加入料浆20吨，料浆固含量为20％，然后加入硝酸1公斤、氯化锌8公斤化学试剂，用气动搅拌装置搅拌15分钟；沉浆18小时，水分达到63％时，再次开动气动搅拌15分钟；然后用泵泵入3#机中；然后开启下一次循环；

②、向3#纳米料浆料水分离装置中，加入助剂硝酸1公斤、氯化锌8公斤，开启3#气动搅拌装置，搅拌15分钟；静置沉降18小时，至55％的水分含量后泵入成品罐。然后开启下一次循环；

③、当夹层中的液位到达液位探针最高处时，自动开启电磁球阀，排出夹层中的水分；排出水分泵入球磨机加水计量桶内，重复使用。

所述硅酸锆液体包装工序包括如下步骤：

①、将料水分离好的含水量在47％左右的料浆，泵入20m³的计量罐内；开动罐内的气动搅拌装置15分钟，测试水分；将罐内料浆水分精确调制45％。向罐内加入干料万分之一的硝酸，搅拌10分钟；则可制得不沉底，不沾壁，长期悬浮的成品料浆。

②、包装和运输，液体硅酸锆采用大包装和小包装两种。

a、大包装采用10吨罐车和5吨罐车，出厂过磅。到用户厂内过磅后，泵入计量罐内。

b、小包装采用25kg，特制塑料桶包装。自动灌包机灌桶，宁紧塑料盖。该桶可循环使用数次。

成品料浆中加入1/1000干料重量的碳酸钠，搅匀30分钟，6小时后可解聚料水分离时的料浆轻微团聚，成为分散均匀的纳米硅酸锆料浆。

一种低碳高效能纳米硅酸锆的制造装置，包括：高能滚筒式超细球磨机、高效能搅拌式纳米球磨机和纳米料浆料水分离装置。

所述高能滚筒式超细球磨机包括基础21，所述基础21上设置有左支座22和右支座22，所述左支座和右支座上设置有轴承装配组件23，轴承装配组件23上设置有球磨筒体24，所述球磨筒体的筒壁上设置有进料口25和出浆口210，所述球磨筒体24通过末级皮带26与减速机构29相连接；减速机构29与变频电机28相连接；变频电机28与变频控制箱27相连接，球磨筒体24内设置研磨体212，所述球磨筒体24内设置有中心搅拌器；所述中心搅拌器为中心隔离筒213；中心隔离筒212轴线与球磨筒体24轴线相重合；所述中心隔离筒两侧端部与球磨筒体左右端面固定连接；所述中心隔离筒直径为球磨筒体直径的五分之一；所述中心隔离筒由150mm厚的氧化铝陶瓷衬板制成。

所述高效能搅拌式纳米球磨机，包括机架321，所述机架321上方设置有减速机322，所述机架321下方设置有支撑座，所述支撑座上设置有震动弹簧327；所述震动弹簧327上设置有搅拌筒325；所述搅拌筒325上方设置有盖体，所述盖体中心设置有通孔；所述搅拌筒325中心设置有搅拌轴323，搅拌轴323上端从盖体通孔伸出与减速机322输出轴相连接；所述搅拌轴323上设置有搅拌棒324；搅拌棒324在转动时，带动研磨锆珠(磨介)以及料浆(由粉料和水组成)一起运动，将物料磨细。搅拌棒的运动速度提供研磨的动能，搅拌棒的形状和磨筒的形状，决定磨球和料浆的运的路径(形状)，磨球与磨球之间的速度差是提高研磨效率的关键要素。所述搅拌筒325为分体结构，由呈圆台形的上部搅拌筒和呈圆台形的下部搅拌筒构成；上部搅拌筒的长口直径在下；下部搅拌筒的长口直径在上；上部搅拌筒和下部搅拌筒通过法兰相连接；所述下部搅拌筒设置有进料口，上部搅拌筒设置有出料口；所述搅拌棒324的棒头距离筒壁的距离为15毫米；所述搅拌棒设置在下部搅拌筒；所述搅拌棒下部短，上部长；所示搅拌棒由5-8根构成整体呈圆台形状；所述搅拌筒长口直径为900毫米，短口直径为700毫米。

所述纳米料浆料水分离装置，包括：箱体，所述箱体内壁设置有不锈钢网板；所述不锈钢网板内表面设置有滤布；所述箱体底部呈凸面结构由三层组成，底层为不锈钢圆管焊接的承重支架，中间层为保证上层滤布平整不下坠的不锈钢网板，上层为滤布；所述箱体下部设置有排水泵；所述箱体通过管道与输浆泵和进浆泵相连接；所述箱体底部设置有气动搅拌装置437；所述气动搅拌装置437的结构为：为平放于箱体底部周边的环形不锈钢圆管，其形状与底部形状相适应，与桶壁无连接；不锈钢圆管形状与箱体底形状相适应，与箱体底部无连接。进气口设在两端，垂直于圆管向上伸出容器外并与气路连接；出气口为整个管路均布每200mm一组，每组由两个直径为1.5mm的圆孔构成，一个圆孔垂直于底面设置，另一个圆孔垂直于壁面设置并朝向内侧；所述滤布为纳米级筛网434。

本发明低碳高效能纳米硅酸锆制造方法，通过将传统的球磨机改进为高能滚筒式超细球磨机，将传统搅拌球磨机改进为高效能搅拌式纳米球磨机，新发明纳米料浆料水分离机组，使硅酸锆产品从微米级时代进入到高效纳米级加工生产时代。在硅酸锆行业首次使用液体包装技术，省掉了烘干工序，降低成本，无碳排放，实现了纳米硅酸锆生产的低碳、绿色、循环的生产销售方式。

将微米级、亚微米级陶瓷料浆进一步加工到纳米级是当前一个比较困难的课题，国内的有关研究大都采用搅拌球磨机和砂磨机进行试验和小批量生产，但都受制于研磨本身能效低、成本高，无法批量生产，并因此限制了纳米材料在陶瓷上的应用。本发明提出并优化纳米粉料高效能研磨的运动模型，并据此对搅拌磨机型改造，提供了一套高效研磨纳米级陶瓷粉料的设备和工艺技术。

本发明中高效能搅拌式纳米球磨机，由传统搅拌磨机的圆柱形改为圆台型结构，使球体运行曲线和动态形状发生改变，球体磨介运动形态由V型结构变为椭圆形，不但运动路线延长，而且增大了径向速度差和纵向速度差，大大提高了研磨效率。由于磨桶下端的荷载减少，搅拌产生的扭矩减小，为提升磨机转速提供了前提条件，线速度由4米/秒，提升到9-11米/秒，使研磨动能提高四倍。改进搅拌桶的底部固定方式，由传统搅拌磨固定不动，改为在固定板上加弹簧，使筒体随搅拌轴转动，产生以筒体加固轴为中心，前后两侧做摆幅为25mm的摆动，使磨介再随搅拌棒做圆周运动的同时产生上下震动，研磨效率可提高50％以上。

搅拌球磨机与球磨机的不同之处在于搅拌球磨机中的搅拌器，以转动的形式将动能传递给研磨介质以使研磨介质间获得充分的输入能，从而使被研磨的物料更易达到所希望的粉碎细度。搅拌球磨机的粉碎机理可以用研磨介质(研磨球)的剪切力来确定。研磨介质的运动主要分为周边方向层状流动部分的移动和径向方向循环流动部分的移动。研磨介质的运动受磨棒(盘)的移动速度支配，并与筒壁型状和磨介量的多少有关。

影响纳米料浆的研磨效能Eη的因素主要有：径向速度ν，径向速度梯度dνθ/dr,垂直方向速度νZ,垂直方向速度梯度dνZ/dz,搅拌桶有效体积V,磨介直径Φ,磨介密度ρm,料浆粘性指数γ，物料新表面能系数τs。以上指标定义表征及影响方式见表一。

表一、影响纳米料浆的研磨效能因素

通过以上分析可知，纳米研磨过程不再是一个单独的物理过程，而是一个以磨球运动为主的，整个体系紧密相关整体联动的复杂过程，甚至也包括了许多物理化学反应的发生。研磨效率不能再单用能量的输入的大小来度量。本发明提出以研磨效能为主导因素，并找到了与它相关的其它因素。由于物理法研磨纳米粉体在此案之前尚无规模化生产的成功案例，我们无法定量的描述它们之间的数学关系。本发明采用的方法是，在其他变量相对固定的条件下，找到某一变量与研磨效能Eη的关系，直到通过实验和理论分析找到高效能完成从微米粉体研磨到纳米粉体任务的各参数的最优值。本发明采用的具体措施是：①由三台高效能搅拌式纳米球磨机串联组成纳米球磨机组，具体每台磨的工艺条件和任务见表二。可以根据生产任务产生新的组合。②提升磨机转速，改进搅拌筒和搅拌棒结构，优化球体运行曲线和动态形状。实现高效能纳米研磨。③为减少球体在料浆中运行阻力，促使料球分离、料壁分离，料水分离，加入万分之四的氯化锌；为降低被磨物料新生成表面能，降低被磨物料的水解，加入万分之四的氯化镧。

表二，高速磨串联机组工艺参数

本发明中高能滚筒式超细球磨机的贡献在于,通过在球磨筒体内设置有中心搅拌器，突破了传统球磨机受到的临界转速限制，使球磨机在全程调速中一直处于高能量状态，实现了高能超细功能。

本发明中高能滚筒式超细球磨机，研磨方式为球与球之间的摩擦为主，它要求磨内球的比表面积大，运动速度快，料浆粘度小阻力低。为此设计的工艺参数为：①磨机加球为48吨，填充率为70％，磨球选择为Φ5-Φ8mm氧化铝球；②、球：料：水＝4：1:1；③、助磨剂：硝酸4kg+氯化锌9.6kg。

本发明中高能滚筒式超细球磨机物料研磨到D50≦1.5μm，需要时间为11小时；研磨到D50≦1.05μm，需要时间为16小时；研磨到D50≦0.8μm，需要时间为23小时。现有的球磨机物料研磨到D50≦1.5μm，需要时间为20小时；研磨到D50≦1.05μm，需要时间为38小时；不能研磨到D50≦0.8μm。

高能滚筒式超细球磨创新原理：根据能量守恒定律，我们可以知道电机的单位输入能量Ed＝IV，应该等于磨机内介质的单位消耗能En＝μm·rω2和单位机械传动耗能Ef

即：Ed＝En+Ef(式1-1)

或IV＝μm·rω2+Ef(式1-2)

式中，Ed表示单位时间电机输入能量；I表示实际输入电流；V表示实际输入电压；Ef表示单位机械传动耗能，它包括减速机、皮带、磨机自身各项耗能；En表示磨机内介质的单位消耗能，公式推导是假想球磨机筒体中所有的研磨体都集中在某一中间层运动，研磨体在一中间层运动的各种性质，可以概括地代表全部研磨体在桶内的运动情况，这个中间层称之为聚集层。μ为聚集层的阻力系数，m为筒内介质质量，r为为中间层的半径，ω为磨机转速。

在式1-2中，电压V和Ef通常可視為常量，則可得到變量之间的相互关系式：I∝ω2(式1-3)

从以上分析我们知道，超细球磨机的效率与能量输入成正比例关系，而能量又可用输入的电流来表达，最后经推导我们得出电流与球磨机转数的平方成正比，这样我们从理论上说，可以通过调整球磨机的转数来保持高能量的输入。但是球磨机的转数受临界转速的限制，不可能无限制提高。

本发明为突破球磨机受到的临界转速限制，使球磨机恒定处于高能量状态，提高研磨效率和细度，我们在球磨筒体内设置有中心搅拌器。所述中心搅拌器为中心隔离筒；中心隔离筒轴线与球磨筒体轴线相重合；所述中心隔离筒两侧端部与球磨筒体左右端面固定连接；所述中心隔离筒直径为球磨筒体直径的五分之一；所述中心隔离筒由150mm厚的氧化铝陶瓷衬板制成。本案為保證高能量運行狀態，我們通過變頻器来调整电流在350A的高能状态，以保持磨机能在正研磨过程中的高效运行。

本发明中纳米料浆料水分离装置的贡献在于，发明了轻团聚实现料水分离并排除多余水分的原理和设备，低碳环保地实现了纳米料浆的料水分离。

纳米料浆料水分离机组的创新原理如下：当料浆被研磨到纳米级别后，其表面会出现表面效应。表面效应是指随着颗粒直径的减小，表面积急剧变大，处于表面的原子数迅速增加，同时表面能及表面张力也随之增加，从而引起纳米粒子性质的变化。由于表面原子数增多，原子配位不足，表面原子所处的晶位场及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，并具有不饱和性质，因而有很高的化学活性，易与外界的气体、流体甚至固体的原子发生反应，极不稳定。值得注意的是，根据能量最低原理，物质构成的系统总是稳定在能量最低的状态。由于纳米微粒具有大的比表面积，常常团聚成二次粒子来减小体系的总表面能或界面能。总能量的减小有利于纳米粒子达到稳定状态。当粒子之间因很强的吸附从而贴在一起时，这些团聚称为硬团聚体。在纳米陶瓷的处理中，如果初始的粉体是团聚的，且有大孔，则由这些粉体压制成的坯体可能有低的密度。当气孔的尺寸大到一定的尺度时，坯体就不能收缩而实现致密化。细小粒子的团聚可能发生在研磨阶段、干燥过程及后来的处理中。

在将锆英砂原料加工成纳米硅酸锆料的过程中，为了提高加工效能，使不断变细的物料能够及时充分的分散，我们在加入部分分散剂的同时要不断的加入水分，这给后序加工和应用时增加了麻烦。本发明还考虑到，纳米粉体如果沿用将料浆烘干后提供给客户使用的老工艺，不但脱水烘干会消耗大量的能源，大幅度增加成本费用。而且由于烘干造成纳米粉体的团聚，也给下游用户造成极大的不便，使纳米材料的性能大打折扣。我们想到了液体包装供应客户的工艺。即使这样也要除去大量的水分。纳米粉体很难沉降，而且由于分散剂的使用，更加剧了沉降脱水的难度。而且由于纳米硅酸锆的下游用户，是陶瓷釉中的白色剂，硅酸锆要很好地溶解到釉浆之中，不能用大分子类沉降剂。因此本发明提出了料水分离的工艺思路。其核心是，轻团聚实现料水分离，除去多余水分。随后再根据工艺和用户需求，使用前即时解聚。

本发明在纳米料浆中，加入合适的化学药品，使纳米料浆产生轻微团聚，导致料水分离，自由水沿四周及底部渗出，以去除多余的水分。并依具此原理，设计制造了纳米料浆料水分离机组。

纳米料浆料水分离机组工艺参数表，见下表三

表三、纳米料浆料水分离机组工艺参数表

本机组有三个相同的单体组成。单体结构：长×宽×高＝5米×1.5米×2米＝15立方米。材质为不锈钢。主要结构包括：箱体，内胆网体，滤布，排水泵，输浆泵、进浆泵及管路，气动搅拌及管路。其中1#、2#单机负责一次沉浆，3#单机负责二次沉浆。本机组采用气动搅拌，气动输送料浆和分离出的工艺废水，故整个机组无电力消耗。工艺废水作为球磨机中的一次加磨用水。实现低碳循环运行。本发明中纳米料浆料水分离装置，箱体下部设置有排水泵；所述箱体通过管道与输浆泵和进浆泵相连接；所述箱体底部设置有气动搅拌装置。排水动力为颗粒微团聚将水挤出，水依靠自身重力渗出。加入化学药品，使纳米料浆产生微团聚，导致料水分离，自由水沿四周及底部渗出，结构简单，纳米料浆排水效率高。

本发明提出纳米硅酸锆液体包装的贡献在于，能够解决下游的产品使用厂家在应用硅酸锆中出现的问题；省掉烘干工序，降低成本，不产生碳排放，改善工人的使用环境，是真正的绿色低碳生产和使用方式。

本发明纳米硅酸锆液体包装，从技术角度讲，要保持液体硅酸锆在储存运输中的料浆稳定问题。需要做到：①、料浆的水分保持不变。②、料浆保持悬浮，并不沉淀，不沾壁。③、使用前易于分散，保持分散状态。本发明把硅酸锆从微米级粉体提升到纳米级硅酸锆水平；本发明创造了高能、高效的纳米粉体制作技术和设备；本发明根据纳米料浆的自身特点和用户对纳米材料的使用要求，提出了“料水分离”和“液体包装”的概念，找到了纳米硅酸锆科学、低碳环保地脱水、包装和使用方法。本发明不仅提供了一种低碳高效能纳米硅酸锆制造方法，而且也为整个无机非金属材料的纳米化制造，提供了一条可借鉴的有效方法。

纳米硅酸锆产品液体包装的创新原理如下：目前陶瓷厂所使用的硅酸锆为纸(或复合塑料)袋包装的干粉，用于陶瓷釉面或坯体，主要起增白作用。使用的方式有两种，一种是将硅酸锆粉体与其它原料、辅助材料、水按配方要求一起加入球磨机研磨，制成釉浆或泥浆后使用；另一种是先把其它原料按配方制成浆料，然后再将硅酸锆粉按配方加入，经混料后使用。目前来看，后一种方法使用的愈来愈多，这就要求硅酸锆粉体对料浆有很好的速溶性和亲和性，以便有一个均匀的溶合。纳米硅酸锆由于颗粒小，产生表面效应，如果继续选用干粉烘干工艺，由于在料浆中包含有大量的水分，经过料水分离后水分含量仍高达55％，而且这些水分与细料结合较紧密，烘干时需要更高的温度，不但消耗更多的天然气，产生更多的碳排放。同时粉料的团聚颗粒更加难以破碎，给使用厂家造成更多的困难。而且由于纳米硅酸锆干粉掺入陶瓷釉浆后又会吸收更多的水分，使釉浆性能恶化，影响纳米硅酸锆推广使用的积极性。

本发明提供了一种以低碳、绿色、可循环、高效方式的低碳高效能纳米硅酸锆制造方法。

本发明与现有硅酸锆工艺的有关参数的对比见表四

表四、低碳高效能纳米硅酸造与现有硅酸锆工艺流程的有关参数列表

从以上工艺流程图对比和两种工艺参数对照表中我们可以看出：①、本发明生产的300nm硅酸锆与现有技术生产的D50≦1.05um硅酸锆相比，各项性能指标优越，提升了产品档次，且用量减少50％。②、液体包装硅酸锆方法的采用，省掉了高温烘干工序，生产成本降低，不产生碳排放，保护了环境，并改善了工人的操作环境。③、从生产加工成本看，纳米硅酸锆加工成本为1770元/吨，现有工艺加工硅酸锆成本为1120元/吨，两者相差仅为650元/吨。而售价则相差6000元，企业效益巨大。从客户使用成本看，每使用一吨300nm硅酸锆可节约成本12000-18000×50％＝3000元。根据推算，如果烘干一吨300nm硅酸锆至少需要160m³天然气，每立方天然气产生二氧化碳1.9643kg。我国现在硅酸锆生产量位25万吨，则可计算出碳排放量：25万吨×160×1.9643÷1000＝7.86万吨二氧化碳。由此可以看出，本发明使用的加工方法经济适用，低碳环保，极具推广应用价值，也印证了该工艺加工高效能。

Claims (9)

1.一种低碳高效能纳米硅酸锆制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、精选锆英砂；

2）高能滚筒式超细球磨机加工工序；

3)、中转储料工序；

由5台×17m3的不锈钢罐组成，底部设有气动搅拌装置；接受上工序来料储存，为下道工序供应稳定的料浆；

4）、高效能搅拌式纳米球磨机加工工序；

5)、二级储浆罐工序：

由2台×17m3的不锈钢罐组成，底部设有气动搅拌装置，用以接受上工序来料储存，为下道工序供应稳定的料浆；

6）、纳米料浆料水分离工序：

7)、硅酸锆液体包装工序。

2.根据权利要求1所述低碳高效能纳米硅酸锆制造方法，其特征在于：所述高能滚筒式超细球磨机加工工序步骤为：

将48吨铝球，12吨锆英砂，8吨水，2kg硝酸，4kg氯化锌加入球磨机中，将磨盖盖盖好拧紧；

开启运行，在运行开始一小时内，电流维持在380A，随后电流逐渐降低至350A，自动控制系统开始运行，通过变频器调高磨机转速，电流达到350A—360A之间，以保持球磨机的高能运行状态，运行时间为23小时；

在球磨机运行期间，磨机表面温度达到50度时，降温系统自动开启，对磨机表面喷水降温，降温冷却水循环使用；

磨机运行停止后，打开磨盖取样测试，测试达到规定细度D50≦0.8μm，换上放浆阀盖，将球隔离在磨机内，料浆泵入中转储浆罐内；

下一个循环开始；磨机内的8吨水首先由料水分离工序分离出的工艺水供应，不足部分用新水补齐。

3.根据权利要求1所述低碳高效能纳米硅酸锆制造方法，其特征在于：所述高效能搅拌磨加工工序步骤为：

本工序使用4组高效能搅拌磨机组，每组由3台搅拌磨主机、4台76升多功能冷却储料罐组成；

每组储料罐分别于进料主管道、搅拌磨、出料总管道串联组成一组独立系统；从第三台磨出来的料浆为合格料浆；通过测试料浆细度，来控制泥浆流量大小；4组高效能搅拌磨机组独立运行，料浆汇入二级储料罐。

4.根据权利要求1所述低碳高效能纳米硅酸锆制造方法，其特征在于：所述纳米料浆料水分离工序，使用3台纳米料浆料水分离装置，分别为：1#、2#和3#纳米料浆料水分离装置，包括如下步骤：

①、料浆通过进料泵进入料浆至1#、2#纳米料浆料水分离装置，各加入料浆20吨，料浆固含量为20%，然后加入硝酸1公斤、氯化锌8公斤化学试剂，用气动搅拌装置搅拌15分钟；沉浆18小时，水分达到63%时，再次开动气动搅拌15分钟；然后用泵泵入3#机中；然后开启下一次循环；

②、向3#纳米料浆料水分离装置中，加入助剂硝酸1公斤、氯化锌8公斤，开启3#气动搅拌装置，搅拌15分钟；静置沉降18小时，至55%的水分含量后泵入成品罐；然后开启下一次循环；

③、当夹层中的液位到达液位探针最高处时，自动开启电磁球阀，排出夹层中的水分；排出水分泵入球磨机加水计量桶内，重复使用。

5.根据权利要求1所述低碳高效能纳米硅酸锆制造方法，其特征在于：所述硅酸锆液体包装工序包括如下步骤：

将料水分离好的含水量在47%左右的料浆，泵入20m3的计量罐内；开动罐内的气动搅拌装置15分钟，测试水分；将罐内料浆水分精确调制45%；

向罐内加入干料万分之一的硝酸，搅拌10分钟；则可制得成品料浆；

成品料浆中加入1/1000干料重量的碳酸钠，搅匀30分钟，6小时后可解聚料水分离时的料浆轻微团聚，成为分散均匀的纳米硅酸锆料浆。

6.一种权利要求1所述低碳高效能纳米硅酸锆方法的制造装置，其特征在于，包括：高能滚筒式超细球磨机、高效能搅拌式纳米球磨机和纳米料浆料水分离装置。

7.根据权利要求6所述低碳高效能纳米硅酸锆方法的制造装置，所述高能滚筒式超细球磨机包括基础，所述基础上设置有左支座和右支座，所述左支座和右支座上设置有轴承装配组件，轴承装配组件上设置有球磨筒体，所述球磨筒体的筒壁上设置有进料口和出浆口，所述球磨筒体通过末级皮带与减速机构相连接；减速机构与变频电机相连接；变频电机与变频控制箱相连接，球磨筒体内设置研磨体，其特征在于：所述球磨筒体内设置有中心搅拌器；所述中心搅拌器为中心隔离筒；中心隔离筒轴线与球磨筒体轴线相重合；所述中心隔离筒两侧端部与球磨筒体左右端面固定连接；所述中心隔离筒直径为球磨筒体直径的五分之一；所述中心隔离筒由150mm厚的氧化铝陶瓷衬板制成。

8.根据权利要求6所述低碳高效能纳米硅酸锆方法的制造装置，其特征在于：所述高效能搅拌式纳米球磨机，包括机架，所述机架上方设置有减速机，所述机架下方设置有支撑座，所述支撑座上设置有震动弹簧；所述震动弹簧上设置有搅拌筒；所述搅拌筒上方设置有盖体，所述盖体中心设置有通孔；所述搅拌筒中心设置有搅拌轴，搅拌轴上端从盖体通孔伸出与减速机输出轴相连接；所述搅拌轴上设置有搅拌棒；所述搅拌筒为分体结构，由呈圆台形的上部搅拌筒和呈圆台形的下部搅拌筒构成；上部搅拌筒的长口直径在下；下部搅拌筒的长口直径在上；上部搅拌筒和下部搅拌筒通过法兰相连接；所述下部搅拌筒设置有进料口，上部搅拌筒设置有出料口；所述搅拌棒的棒头距离筒壁的距离为15毫米；所述搅拌棒设置在下部搅拌筒；所述搅拌棒下部棒短，上部棒长；所示搅拌棒由5-8根构成，整体呈圆台形状；所述搅拌筒长口直径为900毫米，短口直径为700毫米。

9.根据权利要求6所述所述低碳高效能纳米硅酸锆方法的制造装置，其特征在于：所述纳米料浆料水分离装置，包括：箱体，所述箱体内壁设置有不锈钢网板；所述不锈钢网板内表面设置有滤布；所述箱体底部呈凸面结构由三层组成，底层为不锈钢圆管焊接的承重支架，中间层为保证上层滤布平整不下坠的不锈钢网板，上层为滤布；所述箱体下部设置有排水泵；所述箱体通过管道与输浆泵和进浆泵相连接；所述箱体底部设置有气动搅拌装置；所述气动搅拌装置的结构为：为平放于箱体底部周边的环形不锈钢圆管，不锈钢圆管形状与箱体底形状相适应，与箱体底部无连接；进气口设在两端，垂直于圆管向上伸出容器外并与气路连接；出气口为整个管路均布每200mm一组，每组由两个直径为1.5mm的圆孔构成，一个圆孔垂直于底面设置，另一个圆孔垂直内壁设置并朝向内侧；所述滤布为纳米级筛网。