高强度新型绝热材料球形闭孔珍珠岩生产研究
1 前 言 球形闭孔珍珠岩是一种以低吸水率和高强度为特征的新型绝热材料，自研制成功以来，日益受 到国内外用户的关注。为加速其产业化进程，我们在对该项技术进一步创新的基础上，与信阳天梯矿业开发总公司合作开发工业化生产线。经过一年多的努力，完成 了包括土建施工、整套装置的设计、制造、安装、调试和试生产等工作，成功地建成了国内首条球形闭孔珍珠岩工业化生产线。2001年4月20日该生产线通过 河南省科技厅组织的技术鉴定，并正式投入工业化生产。
2 生产线工艺路线与装置 以环保、节能和产品性能优势为主要设计目标的球形闭孔珍珠岩生产线采用了如下工艺路线： 矿砂处理→自动给料→预热→自动下料→多级加热→产品水冷处理与自动传输→产品收集→产品分级→计量包装→入库。 上述工艺路线中，物料从原料处理到产品分级的全过程是自动连续进行的，整个过程约需15 min，每班工作人员4～6人。 与传统生产线形成鲜明对比的是，该生产线既无烟尘又无粉尘排放，工作场所清洁干净。通过对生产线设备和工艺的特殊设计，成功解决了珍珠岩生产过程中最头痛的粉尘污染问题。 与传统膨胀方法不同的是，该生产线对原料矿砂进行的是多级段加热，生产出的产品具有玻化的球形外壳，而非不规则的多孔开口状结构产品。 该生产线以380 V工业动力电为能源。生产线全套装置中，多管式电加热膨化炉是其核心设备，这是我们自行设计并经过多次改进的珍珠岩专用电炉。试生产表明：该炉产量高，能 耗低，生产运行可靠稳定，温度补偿和控温能力强。在设定的产量下，工作区温度变化不大于1 ℃，因此，为稳定的产品质量提供了可靠保证。生产期间，电炉的连续工作时间可长可短，但一般控制在168 h以上，这样可以大大减少空炉升温的能耗。更值得注意的是，工艺问题或更换零部件可以在工作期间加以解决而无需停炉处理。 辅助装置：主要包括自动传输装置、矿砂处理装置、预热装置、矿砂沉降与微粉收集装置、电炉进出料装置、水冷装置、产品收集和分级装置等。为保证生产线运行 的协调性，特别是在品种更换或产量改变时保证整套装置的一致性，上述大部分装置的工作能力均设计为可调式，以保证与主机的完全匹配。 该生产线可加工国内不同产地、不同品种的珍珠岩矿砂或蛭石等可膨胀矿物。也可根据用户的需要生产不同用途、不同密度（72～200 kg/m3）、不同吸水率及强度的产品，例如：当需要生产具有吸附性能的产品时，只需改变工艺参数，即可生产出多孔蜂窝状结构的产品，但球形闭孔产品是其 主导产品。
3 生产线可靠性研究 试产期间，对生产线的运行可靠性进行了系列试验与验证。生产线的可靠性包括生产安全性、设备运行的连续性、配套合理性和质量控制的一贯性等项内容。 该生产线采用电加热方式进行生产，电压高、电流大、温度高，生产安全是可靠性的首要因素。经过3个月的试运行考验，生产线的安全性得到了有效验证。 传统珍珠岩生产线一般工作1～2班均需停炉进行检修和清理，特别是需要对集结于炉内壁的粘附物进行处理，否则，下一步难以继续生产。如前所述，电炉及整个 生产线的连续工作时间长达168 h以上，其连续性工作的能力得到了实际验证。保证长时间连续工作需要诸多工艺因素的统一协调，如温度控制、气流控制、矿砂含水量控制、原料粒度控制以及辅 助装置的配套保证等，都是影响生产线正常连续运行的重要因素。 结炉是任何珍珠岩窑炉生产中不可避免的现象，电炉也不例外，但是可以预防，并且可以在工作期间不停炉、不降温的情况下加以及时处理。 连续性运行是电膨化生产线可靠性的根本保证。多次生产试验表明，只要工艺参数合理，辅助装置配套，生产线连续工作的时间可以大大延长；严格控制矿砂软化点温度和保持下料的连贯性是预防结炉的有效措施，特殊的炉膛设计是快速处理结炉和保证连续工作的重要条件。 我们还对整套装置的配套合理性进行了研究和验证。实践证明：参数固定式的生产装置不符合生产和市场需要。用户对产品的性能、品种、规格要求不同，因此，生 产线只能生产单一性的产品是不可行的。装置的配套能力必须是可调式的，如需要生产密度小的产品时，不仅膨化温度要改变，进砂量、矿砂水分含量、风速风量甚 至包装能力也都要随之改变，一个环节不配套，都将会对整个流水线造成麻烦乃至减产、停产。可调式的配套装置有效地保证了生产线的可靠性。 质量控制是生产线可靠性的最终目的。由于生产线的装置配套合理、自控程度高、工艺参数设计经过了多次的优化，产品质量得到了可靠保证。可以在一次开炉的始终生产出密度、粒度、吸水率及强度稳定的产品。相对燃料炉而言，电炉对珍珠岩产品质量的控制能力强。
4 产品性能 在已生产的6个品种矿砂的膨胀产品中，密度最低的为72 kg/m3，最大的为190 kg/m3，前者导热系数低，吸水率为162％，后者强度高，吸水率低，它们是针对特种用途而生产的。表1中所列的3种球形产品是该生产线具有代表性的球形闭孔产品。 表1 闭孔珍珠岩产品性能 产品编号 粒度/目 堆积密度/(k g/m3) 导热系数/〔W/(m·K)〕 吸水率①/％ 筒压体积损失率②/ ％ XK－3 LC－1 LC－2 传统产品对照样 20～80 40～60 20～40 20～80 150 160 125 70 0.052 0.059 0.047 0.046 77.5 79.5 86.3 562 42 40 47 76.5 注：① 吸水率采用真空抽滤法测试，目的是除掉部分表面吸附水，保留内部孔隙吸收 的水量。② 试验压力为1 MPa。
5 生产能力与能耗 国内珍珠岩加工行业中，常见的炉型大部分为燃煤炉（块煤、散煤、煤粉），部分为油（气）炉。它们的单炉年产量一般在4000～6000 t（5万～8万m3）。本生产线使用的电膨化炉为国内首台珍珠岩加工用电炉，其加工能力和能耗情况列于表2。 表2 电炉生产线生产能力与能耗统计表 年生产能力/t 1800 3600 4320 5000 产量/（kg/h） 能耗/（kW·h/100 kg产品） 250 57.6 500 32.0 600 29.3 700 27.4 表2列出的数据为试产期间的现场记录，4种产量是根据电炉的温度补偿能力由小至大逐步增加，单位能耗包括了生产线的全部用电损耗（电机、照明等）。 从表2中可以看出，生产能耗是与单位时间的产量成反比，如果投入极少量的料，能耗几乎是无穷大。随着产量的不断增加，能耗呈下降趋势。当然，并不是可以任 意加大产量，产量增加必需考虑温度补偿能力和电炉的设计功率，而功率设计应留有一定的余地以弥补散热和空气对流产生的损耗。不难看出，电炉的能耗情况是相 当理想的，电价以0.60元／(kW·h)计，其成本远远低于燃油炉成本，虽高于煤粉炉的成本，但如果把治理环境污染的投资与费用考虑在内，二者的成本相 差不大。
2 生产线工艺路线与装置 以环保、节能和产品性能优势为主要设计目标的球形闭孔珍珠岩生产线采用了如下工艺路线： 矿砂处理→自动给料→预热→自动下料→多级加热→产品水冷处理与自动传输→产品收集→产品分级→计量包装→入库。 上述工艺路线中，物料从原料处理到产品分级的全过程是自动连续进行的，整个过程约需15 min，每班工作人员4～6人。 与传统生产线形成鲜明对比的是，该生产线既无烟尘又无粉尘排放，工作场所清洁干净。通过对生产线设备和工艺的特殊设计，成功解决了珍珠岩生产过程中最头痛的粉尘污染问题。 与传统膨胀方法不同的是，该生产线对原料矿砂进行的是多级段加热，生产出的产品具有玻化的球形外壳，而非不规则的多孔开口状结构产品。 该生产线以380 V工业动力电为能源。生产线全套装置中，多管式电加热膨化炉是其核心设备，这是我们自行设计并经过多次改进的珍珠岩专用电炉。试生产表明：该炉产量高，能 耗低，生产运行可靠稳定，温度补偿和控温能力强。在设定的产量下，工作区温度变化不大于1 ℃，因此，为稳定的产品质量提供了可靠保证。生产期间，电炉的连续工作时间可长可短，但一般控制在168 h以上，这样可以大大减少空炉升温的能耗。更值得注意的是，工艺问题或更换零部件可以在工作期间加以解决而无需停炉处理。 辅助装置：主要包括自动传输装置、矿砂处理装置、预热装置、矿砂沉降与微粉收集装置、电炉进出料装置、水冷装置、产品收集和分级装置等。为保证生产线运行 的协调性，特别是在品种更换或产量改变时保证整套装置的一致性，上述大部分装置的工作能力均设计为可调式，以保证与主机的完全匹配。 该生产线可加工国内不同产地、不同品种的珍珠岩矿砂或蛭石等可膨胀矿物。也可根据用户的需要生产不同用途、不同密度（72～200 kg/m3）、不同吸水率及强度的产品，例如：当需要生产具有吸附性能的产品时，只需改变工艺参数，即可生产出多孔蜂窝状结构的产品，但球形闭孔产品是其 主导产品。
3 生产线可靠性研究 试产期间，对生产线的运行可靠性进行了系列试验与验证。生产线的可靠性包括生产安全性、设备运行的连续性、配套合理性和质量控制的一贯性等项内容。 该生产线采用电加热方式进行生产，电压高、电流大、温度高，生产安全是可靠性的首要因素。经过3个月的试运行考验，生产线的安全性得到了有效验证。 传统珍珠岩生产线一般工作1～2班均需停炉进行检修和清理，特别是需要对集结于炉内壁的粘附物进行处理，否则，下一步难以继续生产。如前所述，电炉及整个 生产线的连续工作时间长达168 h以上，其连续性工作的能力得到了实际验证。保证长时间连续工作需要诸多工艺因素的统一协调，如温度控制、气流控制、矿砂含水量控制、原料粒度控制以及辅 助装置的配套保证等，都是影响生产线正常连续运行的重要因素。 结炉是任何珍珠岩窑炉生产中不可避免的现象，电炉也不例外，但是可以预防，并且可以在工作期间不停炉、不降温的情况下加以及时处理。 连续性运行是电膨化生产线可靠性的根本保证。多次生产试验表明，只要工艺参数合理，辅助装置配套，生产线连续工作的时间可以大大延长；严格控制矿砂软化点温度和保持下料的连贯性是预防结炉的有效措施，特殊的炉膛设计是快速处理结炉和保证连续工作的重要条件。 我们还对整套装置的配套合理性进行了研究和验证。实践证明：参数固定式的生产装置不符合生产和市场需要。用户对产品的性能、品种、规格要求不同，因此，生 产线只能生产单一性的产品是不可行的。装置的配套能力必须是可调式的，如需要生产密度小的产品时，不仅膨化温度要改变，进砂量、矿砂水分含量、风速风量甚 至包装能力也都要随之改变，一个环节不配套，都将会对整个流水线造成麻烦乃至减产、停产。可调式的配套装置有效地保证了生产线的可靠性。 质量控制是生产线可靠性的最终目的。由于生产线的装置配套合理、自控程度高、工艺参数设计经过了多次的优化，产品质量得到了可靠保证。可以在一次开炉的始终生产出密度、粒度、吸水率及强度稳定的产品。相对燃料炉而言，电炉对珍珠岩产品质量的控制能力强。
4 产品性能 在已生产的6个品种矿砂的膨胀产品中，密度最低的为72 kg/m3，最大的为190 kg/m3，前者导热系数低，吸水率为162％，后者强度高，吸水率低，它们是针对特种用途而生产的。表1中所列的3种球形产品是该生产线具有代表性的球形闭孔产品。 表1 闭孔珍珠岩产品性能 产品编号 粒度/目 堆积密度/(k g/m3) 导热系数/〔W/(m·K)〕 吸水率①/％ 筒压体积损失率②/ ％ XK－3 LC－1 LC－2 传统产品对照样 20～80 40～60 20～40 20～80 150 160 125 70 0.052 0.059 0.047 0.046 77.5 79.5 86.3 562 42 40 47 76.5 注：① 吸水率采用真空抽滤法测试，目的是除掉部分表面吸附水，保留内部孔隙吸收 的水量。② 试验压力为1 MPa。
5 生产能力与能耗 国内珍珠岩加工行业中，常见的炉型大部分为燃煤炉（块煤、散煤、煤粉），部分为油（气）炉。它们的单炉年产量一般在4000～6000 t（5万～8万m3）。本生产线使用的电膨化炉为国内首台珍珠岩加工用电炉，其加工能力和能耗情况列于表2。 表2 电炉生产线生产能力与能耗统计表 年生产能力/t 1800 3600 4320 5000 产量/（kg/h） 能耗/（kW·h/100 kg产品） 250 57.6 500 32.0 600 29.3 700 27.4 表2列出的数据为试产期间的现场记录，4种产量是根据电炉的温度补偿能力由小至大逐步增加，单位能耗包括了生产线的全部用电损耗（电机、照明等）。 从表2中可以看出，生产能耗是与单位时间的产量成反比，如果投入极少量的料，能耗几乎是无穷大。随着产量的不断增加，能耗呈下降趋势。当然，并不是可以任 意加大产量，产量增加必需考虑温度补偿能力和电炉的设计功率，而功率设计应留有一定的余地以弥补散热和空气对流产生的损耗。不难看出，电炉的能耗情况是相 当理想的，电价以0.60元／(kW·h)计，其成本远远低于燃油炉成本，虽高于煤粉炉的成本，但如果把治理环境污染的投资与费用考虑在内，二者的成本相 差不大。
(作者：佚名 编辑：admin)
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