第三章生产工艺过程坯料制备

材料科学与工程学院第一节原料的加工过程一、原料的精选陶瓷工业中所使用的天然原料中，一般都或多或少的含有一些杂质。如粘土矿物中，常含有一些未风化完全的母岩、游离石英、云母类矿物、长石碎榍、铁和钛的氧化物及化合物，以及树皮、草根等一些有机杂质。长石、石英原料中，除表面的污泥、水锈等杂质外，还常有一些云母类矿物。这些杂质的存在，降低了原料的品位，直接影响制品的性能及外观质量。故在使用之前，一般要进行精选处理。材料科学与工程学院精选的方法主要有下列几类：1.物理方法：是指利用机械的方法使原料均匀、分级或除去杂质，如：淘洗、过筛、搅拌、磁选等。

2.化学方法：是指利用化学方法对原料对原料进行处理。如：融解法、升华法等。

3.物理化学方法：如：浮选法、电解法等。浮选法是利用各种矿物对水的润湿性不同，从浮选液中将憎水颗粒粘附在气泡上浮游分离的方法。电解法是基于电化学原理除去混杂在原料颗粒中含铁杂质的一种方法。材料科学与工程学院二、原料的预烧和风化㈠原料的预烧1.稳定晶型工业氧化铝的主晶相是γ-Al2O3。要得到性能良好、高温稳定的α-Al2O3通常在进行预烧，为促进晶型转变，常加入0.3～3%的H3BO3。在生产电子陶瓷时，TiO2要进行预烧，使其全部转变成金红石相。氧化锆有三个晶型，其中单斜相和四方相之间的转变是可逆的并伴有7％～9％的体积转变，用其作原料时，要进行预烧，防止制品开裂。材料科学与工程学院2.改变物性滑石具有片状结构，成形时易造成泥料分层和颗粒的定向排列，引起产品的变形和开裂。大量使用时要预烧，使其转变为偏硅酸镁，破坏原有的片状结构。大块石英岩质地坚硬，粉碎困难。利用石英573℃晶型转变所发生的体积效应，将石英粉碎前预烧，然后急冷，使之产生内应力，原料变脆，可大大提高粉碎效率。材料科学与工程学院㈡原料的风化风化是将开采出来的粘土原料堆放在露天，经过长期（一般为4～6个月）阳光的照射、雨雪的溶解和冰冻的作用后原料内部即发生分散、崩裂变化。材料科学与工程学院对于某些原料，如硬质页岩和具有中下等可塑性的粘土，风化可起到如下作用：

1.能使原料中的水分均匀；

2.能增加耐火度——可溶盐被洗去一部分；

3.能增加原料的可塑性——提高颗粒细度；

4.促进原料分裂，利于粉碎处理，便于选料。材料科学与工程学院㈢原料的合成有固相法、液相法和气相法三大类。

其它课程已讲述。材料科学与工程学院第二节坯料的制备一、破碎㈠破碎是对块状固体物料施加外力，使之克服内聚力，分裂为若干碎块的作业过程。材料科学与工程学院㈡破碎的方法：材料科学与工程学院㈢破碎比破碎比是原料和破碎产品的粒度之比，表征破碎作业前后粒度的变化程度。材料科学与工程学院㈣破碎设备序种类

平均细度常用设备1粗碎4～5mm颚式破碎机2中碎

0.3～0.5mm轮碾机3碎

细10～100μm球磨机、雷蒙机4

超细1～10μm震动磨（干法）0.1～1μm震动磨（湿法）0.01～0.1μm气流粉碎机材料科学与工程学院颚式破碎机，属粗碎设备，是利用其颚板对物料进行挤压而破碎的一种设备。进料出料口定颚动颚往复摆动1.颚式破碎机颚式破碎机固定点材料科学与工程学院2.轮碾机利用碾轮和碾盘的相对运动，使碾盘上的物料碾碎的机械。材料科学与工程学院利用筒体内的研磨体与物料反复撞击、研磨，将各种物料混合均匀并达到一定细度的机械。

3.球磨机

材料科学与工程学院筒体出料口加料口球磨子内衬球磨机的构造材料科学与工程学院转速太慢球磨子在筒中滑动转速适中球磨子在筒中做抛物运动转速太快球磨子贴筒壁做离心运动材料科学与工程学院当球磨机内径小于1.25m时：当球磨机内径大于1.25～1.75时：当球磨机内径大于1.7m时：怎样确定球磨机的转速呢？根据实践经验，球磨机的转速与筒体的直径有如下关系：式中：D—球磨机筒体的有效内径,

n—球磨机的工作转速。材料科学与工程学院料、球、水的比例怎样确定？如加水过少，则料浆太浓，磨球粘上一层原料，或者磨球自身粘在一起，减弱了研磨和冲击作用；如加水过多，料浆太稀，球料易“打滑”，也降低研磨效率。加水时，除要求填满磨球及原料之间的空隙外，还应考虑原料的吸水性能。

球磨普通坯料时，料、球、水的比例约为1：（1.5～2）：（0.8～1.2）。

在固定的容积中，料多了，球就少了，反之亦然。经验表明：球磨机最适宜的装料量以达到全容积的80%为佳。材料科学与工程学院

经过本工序，各种具有一定配比的原料，加水后，充分混合均匀并磨细，获得含水分约45%～60%的陶瓷原料混合体——泥浆。材料科学与工程学院4.环辊磨机（俗称雷蒙机）工作时，将需要粉碎的物料从主机罩壳侧面的进料口中加入机内，依靠悬挂在主机梅花架上的磨辊装置，绕着垂直轴线公转，同时本身自转，由于旋转时离心力的作用，磨辊向外摆动，紧压于磨环，使铲刀铲起物料，送到磨辊与磨环之间，加磨辊的滚转而达到粉碎物料之目的。材料科学与工程学院风选过程：物料研磨后，风机将吹入主机壳内，吹起粉末，经置于研磨室上方的分析器进行分选，细度过粗的物料又落入研磨室重磨，细度合乎规格的，随风流通进入大旋风收集器，收集后经出粉管排出，即为成品。风流通由大旋风器上端的回风管回入风机，风路是循环的并且在负压状态下流动，由于物料中所含水份在研磨室蒸发，产生气体，导致循环风路的风量增加，多余的风量经风机与主机中间的废气箱排出，进入小旋风收集器，进行净化处理。材料科学与工程学院雷蒙机构造图材料科学与工程学院雷蒙机工作原理示意图材料科学与工程学院雷蒙机安装图材料科学与工程学院流化床式气流粉碎机的粉碎室四周设有相向排列的经特殊设计的高压进气喷嘴，经过净化和干燥的压缩空气自喷嘴射出，形成超声速气流。物料在高速气流交点中心发生碰撞，瞬间内被粉碎。经粉碎的粒子随气流上升至分级室，合格的粒子随气流进入旋风分离器，最终获得所需产品，尾气进入除尘器排出。

气流粉碎机工作原理5.气流粉碎机材料科学与工程学院

1、加料5、粉碎区2、分级区6、进气3、出料7、细料4、传输区8、粗料气流粉碎机工作原理示意图材料科学与工程学院气流粉碎机安装图材料科学与工程学院过筛筛分就是把固体颗粒分成大小相等的不同粒子组。二、过筛和除铁一般采用震动筛过筛，振幅1～3mm，振动频率1200～2000转/分，其特点是产量高，不易堵塞。陶瓷粉料的粒度（万孔筛，250目，61μm）一般控制在0.1～61μm之间。材料科学与工程学院除铁是减少产品的色斑，增加白度的重要措施。一般采用磁选机和恒磁铁块除铁。湿式除铁比在粉料状态下的干式除铁效果好。泥浆进口泥浆出口材料科学与工程学院三、泥浆的储存、搅拌和运输泥浆储存有利于改善泥浆的性能并均化泥浆。1.储存陶瓷泥浆一般在六角形浆池中储存2～3天后再使用。浆池D为搅拌器叶片直径的4倍，d为叶片直径的1.52倍，D＝1.5H，池底角一般为45°。材料科学与工程学院搅拌是防止泥浆分层和沉淀。搅拌是利用搅拌器对泥浆不停地搅动。2.搅拌材料科学与工程学院输送是对泥浆的运输。利用泥浆泵（隔膜泵或注塞泵）对泥浆进行输送。3.输送材料科学与工程学院三、泥浆的脱水和造粒脱水是脱除泥浆中的水分。一般泥浆中含45～60%的水，除注浆成形外，不能直接用于其它方法成形，需要进行脱水处理。生产中，泥浆的脱水方法主要有两种：一种是机械脱水，可得到含水量为20～25％的坯料；一种是热风脱水，可得到含水量在8％以下的坯料。材料科学与工程学院机械脱水（压滤法）压滤可使泥浆变为泥料。机械脱水的设备为间歇式室式压滤机，又称榨泥机，是利用高压泥浆泵送入压滤机的腔室，通过滤布脱水的一种设备。泥浆用低压(0.3～0.4MPa)输送，随着压滤的进行，压力逐渐升高至0.8～1.5MPa压滤周期为1～2小时，泥饼水分为20～25％。材料科学与工程学院泥浆输送泵压滤机材料科学与工程学院压力滤布排水槽排水排水压滤机示意图滤板材料科学与工程学院

经过本工序后，使含水分约45%～60%的泥浆变成了含水量为20～25％的泥料，但水分分布不均匀，需经过练泥工序方可使用。材料科学与工程学院热风脱水（喷雾干燥）

喷雾干燥的设备是喷雾干燥器（塔），它将泥浆经一定装置分散成雾状的细滴，然后在塔内与热空气进行热交换，将雾状细滴中的水分蒸发，最后得到含水量在8％以下，具有一定粒度的球形粉料。喷雾干燥器其关键是雾化（分散）、干燥（热交换）、造粒六个字。材料科学与工程学院热风进口雾化出料口回风口离心力重力分体颗粒喷雾干燥器工作示意图材料科学与工程学院

经过本工序后，得到含水量在8％以下，具有一定粒度的球形粉料。也就是说，喷雾干燥可使泥浆变为粉料。材料科学与工程学院四、练泥练泥可以排除泥饼中的残留空气、使泥料组织结构均匀，从而提高泥料的致密度和可塑性，改善成形性能，进而提高坯体的干燥强度和瓷器的机械强度。泥料出口泥料进口真空练泥机材料科学与工程学院真空练泥机剖面图材料科学与工程学院泥团泥团泥团气泡切开排气搅合成团练泥机练泥过程示意图材料科学与工程学院

经过上述工序，可获得含水量为20～25％的可塑泥料。真空练泥的目的：增加可塑性；水分均匀；减少气孔。材料科学与工程学院综上所述，原料经过加工可获得：粘土+水泥浆泥料粉料含水约20～25％含水量≤8％含水约45%～60%物料的三种形态配其它辅料材料科学与工程学院

为什么要将陶瓷物料加工后变成上述三种形态呢？

当然是为了后续工序的需要。——陶瓷的成形附录资料：不需要的可以自行删除2023/3/14甲醇合成工艺介绍一、课题的研究背景和意义甲醇是一种具有多种用途的基本有机化工产品，除了在化工方面的多种应用外，它还可以作为清洁燃料在汽车中代替汽油或与汽油掺混使用，以甲醇为燃料的燃料电池也即将投入商业运行。另外，甲醇在变压吸附制氢中作为裂解原料也得到了初步利用。另一方面，用甲醇制取微生物蛋白(SCP)作为饲料乃至食品添加剂有着巨大的市场潜力。二、甲醇的合成方法及流程

（1）木材干馏法

在1924年以前，甲醇几乎全部是用木材分解干馏来生产的。甲醇的世界产量当时只有4500t。用60－100kg木材干馏只能获得约1kg的甲醇，1m3白桦木只能制得5－6kg的甲醇，而1m3的针叶树木只能得到2－3kg的甲醇。这种“森林化学”的甲醇含有丙酮和其他杂质，要从甲醇中除去这些杂质比较困难。由于甲醇的需要量与日俱增，木材干馏法不能满足需要。因此人们开始采用化学合成的方法生产甲醇。（2）气相合成甲醇法气相合成甲醇的主要反应式为：CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol①当有CO2存在时，CO2按下列反应生成甲醇：CO2+H2＝CO+H2O(g) △H=+41.3kJ/mol ②CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol ③上述②、③两步的总反应式为：CO2+3H2＝CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.5kJ/mol副反应产物：成烃、高碳醇、醚、醛、酸、酯及单质碳等；反应特点：强放热反应；

以甲烷或者一氧化碳与氢气的混合气为原料气合成甲醇的方法有高压、中压和低压三种方法。高压法：即用二氧化碳与氢在高温（340－420℃）高压（30.0－50.0MPa）下用锌-铬氧化物催化剂合成甲醇。用此法生产甲醇已有七十多年的历史，这是八十年代以前世界各国生产甲醇的主要方法。高压法合成甲醇由于操作压力高，动力消耗大，设备复杂，产品质量差等缺点正在逐渐淘汰。2023/3/14高压法(25MPa~32MPa）甲醇合成工艺流程低压法：

即用一氧化碳与氢气为原料在低压（5.0MPa）和275℃左右的温度下，采用铜基催化剂（Cu-Zn-Cr）合成甲醇。低压法成功的关键是采用了铜基催化剂，它的活性和选择性比锌-铬催化剂活性好得多，使甲醇合成反应能在较低的压力和温度下进行。因此，消耗在副反应中原料气和粗甲醇中的杂质都比较少。低压法合成工艺主要有英国帝国化学公司（ICI）和德国鲁奇（Lurqi）的工艺

2023/3/14ICI法低压甲醇合成工艺流程

工艺流程特点：相对低的温度和压力下操作，节省能耗，同时抑制甲烷化反应及其他副反应；采用多段冷激式合成塔，结构简单，催化剂装卸方便，使用寿命长。

2023/3/14第二章液体燃料及其添加剂56ICI多段冷激型甲醇合成反应器ICI多段冷激塔结构特点：反应床层由若干绝热段组成，两段之间通入冷的原料气，使反应气体冷却，以使各段的温度维持在一定值；塔体是空筒，塔内无催化剂筐，催化剂不分层，由惰性材料支撑，冷激气体喷管直接插入床层，并有特殊设计的菱形冷却气体分布器；优点：单塔操作能力大，控温方便，冷激采用菱形分布器专利技术，催化剂层上下贯通，装卸方便，易于放大，目前普通塔的容量为2300t/d，高空隙率塔的容量达7600t/d；缺点：催化剂床层温差较大（轴向：～70℃，径向：～23℃）、有部分气体与未反应气体之间的返混、催化剂时空产率不高，用量较大、单程转化率较低（仅为15%～20%）。ICI多段冷激型甲醇合成反应器

2023/3/14Lurgi法低压甲醇合成工艺流程

2023/3/14第二章液体燃料及其添加剂58Lurgi管壳型甲醇合成反应器结构特点：形似列管式换热器，在塔内，列管中装填催化剂，管间为沸腾水；原料气与出塔气换热至230℃左右进入合成塔，反应放出的热经管壁传给管间的沸腾水，产生4MPa左右的饱和蒸汽，用来驱动透平压缩机。合成塔全系统的温度条件用蒸汽压来控制，从而保证催化剂床层大致为等温。优点：催化剂床层温差较小、单程转化率较高（可达50%）、催化剂使用寿命较长（4年～5年）、热能利用合理、设备紧凑，开停车方便，合成反应过程中副反应少，甲醇质量高。缺点：结构复杂、制作较困难、材料要求高、放大较困难。经典管壳塔的最大生产能力（经济型塔）为1500t/d。全世界现有Lurgi装置37套，甲醇总生产能力达1600万t/a以上。中压法：

中压法是在低压法研究基础上进一步发展起来的，由于低压法操作压力低，导致设备体积相当庞大，不利于甲醇生产的大型化。因此发展了压力为10MPa左右的甲醇中压合成法。它能更有效的降低建厂费用和甲醇生产成本。中压法的操作压力范围为一般为10~27MPa，温度为235~315℃。该法的关键在于使用了一种新型铜基催化剂（Cu-Zn-Al），综合利用指标要比低压法更好。中压法合成甲醇工艺流程