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1、烧结砖瓦原料颗粒粒度的组成 王晋麟 李金霞 摘要：烧结砖瓦原材料颗粒粒度组成的重要性仅次于该原材料的矿物成分组成，对确定生产产品的品种和制定合理生产工艺技术，以及对提高产品性能、质量都有极为重要的作用。良好的颗粒粒度组成，要求临界颗粒符合工艺规定，同时粒度级配要合理恰当。 关键词：原材料；烧结砖瓦；粒度级配；1 前言生产烧结砖瓦原材料的性能及其生产工艺、产品性能和质量，主要是由原材料的矿物成分决定。当矿物成分适合制砖的原材料（或混合料，下同）一经确定，那么它的矿物组成、化学成分就不会变化了，由矿物组成决定的制砖工艺、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，则由该原材料的
2、颗粒状况决定。 对原材料颗粒状况分析研究的项目很多，比如颗粒的形状、颗粒的质量、颗粒的大小、颗粒的级配、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。每项内容的细致研究对工装设备的设计制造和成型、干燥、焙烧的工艺参数确定，都具有重要的指导作用。其中原材料颗粒尺寸的分布尤能表现出每种制品坯体的特征，研究原材料中不同颗粒的尺寸分布组成，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，甚至有决定一条生产线成功与失败的关键作用。在工厂实际生产管理中，企业对原材料颗粒状态分析研究的主要内容是颗粒尺寸的组成和分布，即
3、颗粒的大小、颗粒的级配、颗粒的亲水性能（最佳成型水分）等。特别是将煤矸石、页岩等硬质物料粉碎后作为原材料的生产线，以及两种及两种以上不同物料混合后作为原材料的生产线，尤其需要注重分析研究原材料颗粒的粒度级配，合理调整和控制原材料颗粒尺寸的均匀分布，防止颗粒组成不当或颗粒混合不均匀形成影响生产和产品质量问题。2 原材料颗粒组成控制的技术指标2.1 原材料颗粒粒径的测定烧结砖瓦生产的原材料都是分散细颗粒状，或者粉碎加工处理到一定细度的分散颗粒状。对分散集料颗粒的粒径大小是用等效粒径来表示的。因为分散颗粒的形状大多为非球形的，而且是各种各样的形状，有片状的、针状的、多棱状的等等 ，难以直接用球体直径
4、表示其大小。等效粒径就是对各种非球形颗粒，用同质球形颗粒的直径代表和这个同质球形颗粒某些物理特性（例如尺寸、面积、比表面积、体积或质量等）相同或相近时的实际非球形颗粒的直径，也称球当量径。因此在颗粒粒度研究领域所测试的颗粒粒径都是用等效粒径来表示的。这也是目前几乎所有粒度检测方法和测试仪器的基本原理。为了分析、叙述简便，本文涉及到原材料颗粒粒径和颗粒的性能、作用时，均视颗粒为球形，各种异形颗粒在实际生产中对坯体成型及制品性能的影响、作用则不多赘述。颗粒粒径的测定方法及仪器很多，目前基于不同工作原理的测量装置已研制并生产使用的就有200多种，并且还会不断有新的颗粒测量方法和仪器面世。我国砖瓦行业
5、现在对颗粒粒径的测定方法及仪器还没有统一的标准和规定。行业内常用的有筛分法，测定的是等效尺寸的粒径；重力沉降法，测定的是等效质量径的粒径；显微镜法，测定的是等效投影面积径；激光衍射光学法，测定的是等效体积径（即与所测颗粒具有相同体积的同质球形颗粒的直径）等。显然，以上几种基于不同物理原理的测试方法，相对等效粒径的意义不同，分别视同于各自物理意义的等效球体的直径尺寸。因此各种测试方法得到的测量结果之间无直接的对比性。实际生产应用应该统一采用同一种测试方法来测定原材料的颗粒组成。如果采用两种以上不同物理原理的测试方法，则需要对测定结果换算成统一的物理量。 2.2临界颗粒临界颗粒是指原材料颗粒组成中
6、生产工艺所允许的最大尺寸颗粒，也称极限粒度，或极限最大颗粒。临界颗粒对原材料的组成和制备，对坯体的成型和焙烧，对制品的结构和外观及其他性能都有一定的影响，是根据原材料的特性、制品的品种与规格尺寸、对制品性能的要求以及选用的生产工艺与设备而合理确定。所有砖瓦生产企业都会自觉或不自觉重视和控制生产原材料的临界颗粒，都会根据自己原材料的特点选用破碎、粉碎，甚至磨机细磨等方式把原材料加工到需要的细度，然后通过筛选来保证原材料临界颗粒的粒径不超过工艺规定要求。一般生产普通砖或多孔砖要求原材料临界颗粒可略微大些，约2mm，至少粉碎后2mm筛上料不超过3%。而生产大块、薄壁、高孔洞率、高强制品的原材料临界颗
7、粒应小于1mm。具体的应该根据选用的成型设备及成型工艺不同来确定。如果不考虑粉碎处理费用的话，一般希望临界颗粒越小越好，这是因为：.细小颗粒可提高原材料塑性指数，提高坯体成型性能同一种物料，颗粒愈细小其塑性指数就越高。对于一般普通制砖原材料（普通黏土），小于2m的颗粒含量越多，就具有越高的可塑性，坯体成型容易，坯体缺陷少，相应的所需成型水分就越大。这是因为尺寸小于2m的颗粒多为黏土矿物的组份，随着颗粒尺寸的减小，其比表面积就会增大，和水的亲和力、粘合力加大。2m的颗粒含量越少，则就会有相反的结果。对于页岩、煤矸石或其他硬质物料，则机械破碎的颗粒愈细小其塑性指数就越高。能够说明这一结论的研究和实
8、例报道很多。例如北京郊区某种页岩，实验室将其粉碎1mm以下测定塑性指数为8，而粉碎到0.1mm以下再测定塑性指数则为17。这是因为原材料颗粒愈细小，比表面积愈大，成型所需水分愈高，水对颗粒的结合力越大。颗粒愈细小，毛细管半径愈小，毛细管力增加，因此塑性增高。原材料塑性提高了，成型自然较容易，坯体质量也较好。如果原材料颗粒粗大，其塑性指数就降低，就需增大成型挤出的压力，需要采用半硬挤出或硬挤出成型设备，这对成型设备的机械强度和动力都会有较高的要求。临界颗粒太大时，即便数量很少，也可能导致坯体成型困难，外观质量差，湿坯强度低，干燥压裂多，还容易堵塞机口芯头，切坯时容易阻断切坯钢丝，造成频繁停产，严
9、重时会降低设备运转率超过20%。顺便强调：在解读实验室提供的原材料试验报告中的塑性指数时，一定要注意测试时是将物料粉碎到颗粒多么大时测定的塑性指数。如果实验室将物料粉碎到0.1mm以下测定塑性指数为10，并不代表这种原材料塑性就好，实际这种物料的塑性可能很低而不能湿塑挤出成型。因为工厂实际生产不可能也将原材料都粉碎到0.1mm以下（不是指技术上不行，而是加工费用太大，经济上不可行）。如果工厂对这种原材料实际控制临界颗粒为2mm、甚至1mm时，这种原材料的塑性指数恐怕远远低于10而难以使用。介于实验室测试条件和工厂实际生产条件不同，建议实验室测定生产多孔砖硬质原材料的塑性指数时，临界颗粒控制为1
10、mm，这样测定的塑性指数接近工厂实际原材料临界颗粒2mm时的工艺性能。因为这类依靠颗粒尺寸减小而提高塑性的原材料，在生产过程中，还要经破碎、搅拌加水、陈化、碾练、抽真空处理等过程，每经过一道工序，其颗粒尺寸都会减小，或因水的作用而颗粒疏解得到逐步提高，到达挤出机挤出成型时的塑性大致接近实验室按土工试验方法测定的结果。.细小颗粒可增加制品密实度，提高产品强度要生产高强度的产品，就需要使原材料获得最大的堆积密度。如果原材料的临界颗粒控制的较小，那么原材料中比临界颗粒更小的细小颗粒总量就多，颗粒的平均粒径也就小得多，则颗粒之间的空隙总量就越小，成型后坯体的空隙率相对较少，相对能够获得较大堆积密度。这
11、样坯体密实性就越高，产品密度较大，经焙烧后制品的抗压强度高，抗冻性能和耐久性能好。当然，特别细小的颗粒（小于2m的颗粒）也不能太多，否则会造成成型水分高，干燥脱水困难，容易导致坯体干燥收缩大、裂纹严重等缺陷。各种粒径的颗粒组合只要满足合理的颗粒的粒度级配要求即可。.有的原材料中含有含碳酸盐矿物如石灰石、白云岩或碎屑岩、砂岩、泥灰岩等对制品有害的杂质。这些杂质颗粒如果较大时，焙烧后易于引发制品出现石灰爆裂；大于0.5mm颗粒较多时也会因焙烧后形成CaO、MgO吸收空气中水分生成Ca(OH)2、Mg(OH)2使体积膨胀而产生破坏应力。因此对含有这些杂质的原材料需粉碎的更细小。 2.2 颗粒的粒度级
12、配 2.2.1什么是原材料的颗粒的粒度级配原材料中的颗粒大小不一，形状各异。即便是临界颗粒控制严格的原材料，也是由小于极限颗粒的大、中、小各种不同粒径的颗粒混合组成。把颗粒粒径按一定尺寸的界限分为大、中、小的级别组，各级别组之间的质量比例组合（或面积比例组合、或体积比例组合，一般为百分比率）称原材料的颗粒的粒度级配，也称粒径级配或粒度级配，可简称为级配。 颗粒的粒度级配直接影响原材料的可塑性、制品干燥收缩、气孔率、烧成收缩和其他烧成性能。同样的原材料，不同的颗粒的粒度级配可以获得不同的塑性指数、不同的最佳成型水分、不同的坯体干燥收缩和制品焙烧收缩，以及不同的焙烧温度和焙烧温度范围，特别是能够获
13、得不同的制品强度及抗冻性能。如果仅仅原材料临界颗粒控制恰当，但颗粒的粒度级配不当，同样能造成坯体成型困难，或制品裂纹较多、强度不高等缺陷。这种因为颗粒的粒度级配不合理而导致了坯体中的颗粒不能达到紧密聚集状态，导致坯体和产品产生各种缺陷的情况并不罕见，在我国辽宁、山东、安徽、山西、内蒙、新疆等地的砖瓦企业都多有发生。按照颗粒堆积的性质和颗粒最大堆积密度的原理，当颗粒大小相对均匀一致时，则颗粒间的空隙较多，密度较小。假设颗粒都为球形，如果颗粒大小相等，为单一一种，堆积后的空隙率可高达45%，这样的制品当然很不密实，缺陷很多。如果两种不同直径的颗粒对半混合在一起，并且当其直径比例为2：1到10：1时
14、，则堆积密度会随之提高，空隙率会降低到15%左右。如果三种不同粒径颗粒对等比例混合则堆积密度又会提高，空隙率会大大降低到5%左右。理论上讲，增加颗粒分组组分的数目可提高堆积密度，使它接近于最紧密聚集状态，但当组分大于3时，对砖瓦工业生产的实际意义不大（颗粒粒级四组分的空隙率2%左右。五组分的空隙率0.8%左右）。所以，分散物料获得最大的堆积密度不仅取决于颗粒的形状、颗粒的尺寸，还取决于不同尺寸颗粒的分布，即颗粒的粒度级配。砖瓦原材料在挤出成型过程中，使坯体获得最大密度所受的作用力（水平挤压力、离心力等）虽然和分散颗粒堆积获得最大堆积密度所受的作用力（垂直重力、震捣力等）不同，但颗粒受力相互间聚
15、集获得最大密度的大致过程和原理基本相同。这就要求生产砖瓦的原材料，在满足最大颗粒不超过临界颗粒前提下还须有多种不同粒径颗粒的合理比例组合，即有大颗粒起骨架作用，中小颗粒的填充作用和细小颗粒（提供塑性）的粘结作用。有合理的颗粒的粒度级配才能保证坯体成型顺利，制品密度高，空隙率小，强度大。具体原材料颗粒分级和每级含量比例控制范围，除了和原材料的矿物、化学成分有关外，还和不同的成型方式（比如软塑螺旋挤出、半硬塑螺旋挤出、硬塑螺旋挤出或半干压制成型等）有关，和生产不同规格型号的制品（比如实心砖、多孔砖、空心砌块等）有关。具体的要求和条件不同，对原材料颗粒的粒度级配要求都不一样。一般成型压力大，原料塑性
16、低，成型水分少，制品壁厚，对制品强度要求不是很高的情况时，对原材料颗粒的粒度级配的要求可略粗些，细小颗粒可相对少些；成型压力较小，原料塑性高、成型水分较多及制品为大孔洞、薄壁制品，或生产高档、高强制品时，要求原材料临界颗粒要细小，颗粒的粒度级配要严格，细小颗粒要相对多些。对于遇水易分解、分散，陈化处理有明显效果的泥土质原材料破碎颗粒可略大些；而对不易分解、较硬的、陈化处理效果不明显的原材料，则机械破碎的颗粒应细小些。必要时选用磨机研磨获取细小颗粒，力求粉碎后配制好的原材料的临界颗粒和不同粒径颗粒连续级配都能满足生产工艺的要求。2.2.2 颗粒的粒度级配的表示方式 目前，行业内对原材料大、中、小颗粒每一粒级的尺寸分级界线及评价颗粒的粒度级配都没有标准规定。制砖原材料颗粒应该怎样分级，没有一个
