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        纖維石膏板高速生產(chǎn)工藝及設(shè)備開發(fā)

        2020-10-13 12:01:18叢顯虎劉永超張嘯林
        關(guān)鍵詞:工藝設(shè)備

        李 賽 ,閻 寧 ,叢顯虎 ,耿 培 ,劉永超 ,張嘯林 ,鄧 飛

        (1.河北綠洲機(jī)械制造集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 052100;2.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北 石家莊 050018)

        纖維石膏板是一種新型建筑板材,它以石膏粉為主原料,制作成液態(tài)的石膏料漿后通過模腔澆筑成型為平面板材。由于澆筑成型時(shí)在板材的上、下表面分別敷面一層纖維網(wǎng)格布做增強(qiáng)材料,對(duì)照傳統(tǒng)的以護(hù)紙面為增強(qiáng)材料的紙面石膏板,纖維石膏板也稱為無紙面石膏板。纖維石膏板的綜合性能優(yōu)于紙面石膏板,但原料消耗量多,生產(chǎn)難度大,綜合成本高,所以被市場(chǎng)定位于高端建材產(chǎn)品。近幾年護(hù)面紙價(jià)格持續(xù)上漲,而纖維布的價(jià)格基本穩(wěn)定,尤其是我國(guó)在鈣基工業(yè)固廢資源化利用方面獲得突破,纖維石膏板所用的石膏粉能夠采用價(jià)格極低的工業(yè)副產(chǎn)石膏,使其成本優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)?;诶w維石膏板市場(chǎng)的應(yīng)用發(fā)展研判,開發(fā)適配工業(yè)副產(chǎn)石膏的纖維石膏板高速生產(chǎn)工藝及配屬設(shè)備,能大幅提高科技競(jìng)爭(zhēng)力。

        1 工業(yè)副產(chǎn)石膏特性分析

        傳統(tǒng)紙面石膏板以天然開采的α 或β 建筑石膏為主要原料,添加玻纖等增強(qiáng)材料及發(fā)泡劑等添加劑后,加工藝水均勻攪拌成液態(tài)的石膏料漿,在流體狀態(tài)下澆筑于由護(hù)面紙構(gòu)成的模腔內(nèi),凝固后成型為紙面石膏板。近幾年我國(guó)對(duì)開采天然石膏用做建材原料的政策管控日趨嚴(yán)格,而大力支持工業(yè)副產(chǎn)石膏進(jìn)行資源化利用。副產(chǎn)石膏主要來自熱電、化肥等企業(yè)產(chǎn)生的磷石膏、硫石膏等大宗工業(yè)固體廢物,環(huán)保處理成本高且易二次污染。工業(yè)副產(chǎn)石膏在高溫煅燒后進(jìn)行脫硫、脫磷工藝處理后可做建材原料,其化學(xué)反應(yīng)過程為

        即煅燒后的石膏和水混合重新生成二水石膏,從而膠凝形成具有力學(xué)強(qiáng)度的固態(tài)產(chǎn)品[1]。

        工業(yè)副產(chǎn)石膏成本極低,但其與天然石膏在化學(xué)成分和成型特性上存在一定差異。故傳統(tǒng)紙面石膏板生產(chǎn)設(shè)備不完全匹配副產(chǎn)石膏[2]。目前在用的纖維石膏板生產(chǎn)設(shè)備是傳統(tǒng)紙面石膏板設(shè)備的簡(jiǎn)單改型,自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率較低,出板速度低于15 m/min,難以突破產(chǎn)能和成本瓶頸。

        2 纖維石膏板生產(chǎn)工藝及設(shè)備開發(fā)要點(diǎn)

        1)穩(wěn)定連續(xù)供料問題。纖維石膏板所需原料包括石膏粉、短玻纖、添加劑、工藝水等,纖維石膏板成型是連續(xù)的模腔澆筑過程,原料供給必須定量穩(wěn)定,若短暫供給不足會(huì)造成整體停機(jī)待料,或者板材質(zhì)量不穩(wěn)定,因此需創(chuàng)新供料配料工藝設(shè)備,實(shí)現(xiàn)冗余式穩(wěn)定供料能力[3]。

        2)澆筑成型模腔的構(gòu)建問題。紙面石膏板由上、下層護(hù)面紙以及下護(hù)面紙的兩側(cè)邊向上回折翻邊組成四周封閉、左右貫通的成型模腔結(jié)構(gòu),石膏料漿在澆筑時(shí)兩側(cè)泄漏量很少。而纖維石膏板是用纖維網(wǎng)格布上、下敷面,其網(wǎng)格縫隙大,僅能起到板材的力學(xué)增強(qiáng)作用,因此無法通過纖維布進(jìn)行澆筑模腔的構(gòu)建,因此需創(chuàng)新開發(fā)成型模腔結(jié)構(gòu)。

        3)高速切割問題。澆筑成型并固化后的纖維石膏板需要定尺寸切斷,但是鋸切時(shí)需要石膏板凝固硬度達(dá)標(biāo),否則鋸切時(shí)容易損傷切口[4]。高產(chǎn)能生產(chǎn)線的運(yùn)輸速度是傳統(tǒng)線的2~4 倍,如果自然凝固則運(yùn)輸線需延長(zhǎng)幾倍,因此需創(chuàng)新開發(fā)促凝固裝置,使初凝石膏板能快速凝固且達(dá)到切割硬度。

        3 創(chuàng)新開發(fā)內(nèi)容

        3.1 生產(chǎn)工藝及設(shè)備總體設(shè)計(jì)

        基于開發(fā)要點(diǎn)設(shè)計(jì)了纖維石膏板全流程生產(chǎn)工藝及配屬設(shè)備,見圖1。核心創(chuàng)新開發(fā)集中在穩(wěn)料供料工藝和設(shè)備、成型工藝和設(shè)備、高速切割工藝和設(shè)備,而干燥工藝和設(shè)備、整理工藝和設(shè)備、包裝工藝和設(shè)備則通過傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行適配改造,以提高整體設(shè)備開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性,縮短研發(fā)周期。

        圖1 纖維石膏板工藝流程及設(shè)備圖

        3.2 穩(wěn)料供料工藝和設(shè)備

        1)石膏粉穩(wěn)定供應(yīng)工藝過程。重點(diǎn)對(duì)螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新改造,設(shè)置了左右兩個(gè)并列的出料口,第一出料口靠近螺旋輸送機(jī)進(jìn)料口,并密封連通皮帶秤上部的布料器溜槽,第二出料口連接緩沖倉(cāng)。其工藝流程為:提升機(jī)將石膏原料倉(cāng)內(nèi)的石膏粉運(yùn)送到螺旋輸送機(jī)將其輸送,到達(dá)第一出料口后通過重力下落到布料器溜槽,后進(jìn)入皮帶秤,皮帶秤定量為混合輸送機(jī)供給石膏粉,然后將石膏粉輸送到攪拌注漿機(jī)內(nèi)。當(dāng)超出攪拌注漿機(jī)需求量時(shí),石膏粉首先填滿布料器溜槽,然后填塞第一出料口,螺旋輸送機(jī)內(nèi)的石膏粉就越過第一出料口,到達(dá)第二出料口并落入緩沖倉(cāng),進(jìn)而通過緩沖倉(cāng)下部的旋轉(zhuǎn)卸料器和回料螺旋輸送機(jī)返送回石膏原料倉(cāng)。如果提升機(jī)供應(yīng)的石膏粉小于攪拌注漿機(jī)的需求量,皮帶秤的布料器溜槽內(nèi)儲(chǔ)存的石膏粉能夠?qū)崿F(xiàn)短暫穩(wěn)定供給,短暫供給時(shí)間根據(jù)布料器溜槽容量確定。整個(gè)過程為閉環(huán)循環(huán)的冗余式穩(wěn)料系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)料的同時(shí)也完成均勻攪拌操作。

        2)短玻纖、添加劑、工藝水穩(wěn)定供應(yīng)。短玻纖和添加劑各自通過計(jì)量輸送機(jī)按需求量直接供給混合螺旋輸送機(jī),與石膏粉混合均勻并運(yùn)送到攪拌注漿機(jī)內(nèi),工藝水直接通過計(jì)量輸送閥定量供給到攪拌注漿機(jī)內(nèi)。短玻纖和干性添加劑的用量比例較少,只需擴(kuò)大相應(yīng)供料倉(cāng)的容量即可。

        3)纖維布穩(wěn)定供應(yīng)。上、下兩層纖維網(wǎng)格布分別安裝在纖維布糾偏機(jī)上,并平展鋪設(shè)在上、下成型皮帶中間,其中下層纖維布平鋪在下成型皮帶的上層皮帶的上表面,上層纖維布緊貼上成型皮帶的下層皮帶的下表面。為穩(wěn)定纖維布供應(yīng),分別設(shè)置備用纖維布輥,以方便纖維布用完后在不停機(jī)狀態(tài)下快捷切換備用纖維布。

        3.3 成型工藝設(shè)計(jì)及成型模腔結(jié)構(gòu)開發(fā)

        第73 頁圖2 為纖維石膏板澆筑成型原理:攪拌注漿機(jī)內(nèi)的石膏料漿貼附在下成型皮帶上的下層纖維布上,上、下成型皮帶帶動(dòng)石膏料漿同步運(yùn)動(dòng),當(dāng)石膏料漿通過成型壓板時(shí),在上、下成型皮帶的擠壓下成型為平面狀,同時(shí)上、下纖維布敷面在石膏料漿的上、下表面,石膏料漿快速初凝并被皮帶帶動(dòng)連續(xù)向右運(yùn)動(dòng),兩層纖維布被凝固的板材同步拉動(dòng),直至上成型皮帶上揚(yáng)脫離石膏板的上表面,完成了纖維石膏板的成型過程。石膏料漿注入到下成型皮帶的下層纖維布上后,由于纖維布是網(wǎng)格形態(tài),因此無法組建封閉模腔,所以料漿澆筑時(shí)纖維布兩側(cè)端會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的漏漿問題,必須進(jìn)行工藝和設(shè)備的創(chuàng)新,構(gòu)建纖維石膏板專用成型模腔。

        圖2 維石膏板澆筑成型原理圖

        創(chuàng)新開發(fā)的模腔結(jié)構(gòu)見圖3-a,下成型皮帶采用高韌性橡膠材料制造,設(shè)計(jì)為U 形異構(gòu)皮帶;上成型皮帶為平面皮帶,皮帶寬度等于下成型皮帶U形槽的內(nèi)寬度,上成型皮帶的下底面正好伸入U(xiǎn) 形槽內(nèi),距離U 形槽底面的高度等于纖維石膏板的生產(chǎn)厚度;為使上成型皮帶的下底面保持水平,其上表面設(shè)置剛性的下底面水平成型壓板,并使上成型皮帶保持繃緊狀態(tài),上成型皮帶和下成型皮帶的U形槽構(gòu)成了上下封閉、左右貫通的澆筑模腔。依此原理制造的成型機(jī)見圖3-b。

        圖3 成型模腔結(jié)構(gòu)圖及成型機(jī)整體圖片

        3.4 高速切割工藝和設(shè)備

        傳統(tǒng)紙面石膏板的切割方式采用靜態(tài)固定的旋轉(zhuǎn)鋸刀進(jìn)行定尺寸切斷,但是對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的纖維石膏板,旋轉(zhuǎn)鋸刀容易損傷切口,因此開發(fā)隨動(dòng)切割工藝進(jìn)行鋸切:切割鋸為往復(fù)運(yùn)動(dòng)安裝,切割時(shí)和纖維石膏板同步運(yùn)動(dòng),此時(shí)切割鋸與纖維石膏板相對(duì)靜止,鋸片對(duì)纖維石膏板進(jìn)行橫向鋸斷,完成鋸斷后,切割鋸做返程運(yùn)動(dòng),纖維石膏板持續(xù)運(yùn)動(dòng),待石膏板位移一個(gè)切割長(zhǎng)度時(shí)切割鋸正好返程結(jié)束,再次同步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鋸切。

        開發(fā)預(yù)熱固化工藝流程:為保證鋸切時(shí)石膏板的凝固硬度,對(duì)運(yùn)輸輥道線的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改造,在敞開輥道上開發(fā)貫通式半封閉結(jié)構(gòu)的預(yù)干燥箱和回?zé)崂媒Y(jié)構(gòu),將后期干燥工序中排放的潮濕余熱收集運(yùn)送到預(yù)干燥箱內(nèi),并使初凝的纖維石膏板在運(yùn)輸過程中穿過預(yù)干燥箱體,通過熱風(fēng)吹拂石膏板,使其盡快達(dá)到切割硬度條件,所消耗的熱量為回收的廢熱,沒有增加額外能源消耗。

        3.5 干燥、整理和包裝工藝流程

        纖維石膏板干燥流程:石膏板通過第一橫向輸送機(jī)進(jìn)入到升降分配機(jī),被輸送到干燥機(jī)的各層內(nèi)進(jìn)行烘干,烘干時(shí)熱風(fēng)進(jìn)入循環(huán)風(fēng)道中進(jìn)行排潮處理,排潮后的干燥風(fēng)再次加熱后輸送回干燥機(jī),排潮出的熱水蒸氣回收并送入預(yù)熱固化箱內(nèi)對(duì)石膏板進(jìn)行加熱固化。

        干板處理工藝流程:烘干后的石膏板通過第二橫向輸送機(jī)送至合片機(jī)合片處理,使每組石膏板的使用面相對(duì)扣疊放在一起。

        包裝儲(chǔ)存工藝:合片后的石膏板通過碼垛系統(tǒng)進(jìn)行碼垛、捆扎機(jī)固定、覆膜纏繞后,入庫儲(chǔ)存。

        4 樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)設(shè)定

        1)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)及型號(hào)設(shè)定。纖維布敷面石膏板是新型墻體材料,其各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)還未制定,產(chǎn)品質(zhì)量暫參考GB/T 9775—2008 紙面石膏板執(zhí)行。確定產(chǎn)品名稱:纖維布敷面石膏板生產(chǎn)裝備;企業(yè)產(chǎn)品型號(hào):LV/ZQ-3000,型號(hào)含義 “綠洲/增強(qiáng)型——年產(chǎn)量3 000 萬m2”。

        2)纖維石膏板規(guī)格及指標(biāo)設(shè)定。纖維石膏板板厚:9.5~12 mm;板寬:1 200 mm;標(biāo)準(zhǔn)板長(zhǎng)度:2 400 mm/3 000 mm;板重:13 kg/m2(厚度=9.5 mm);石膏粉使用量:12 kg/m2(厚度=9.5 mm)。

        3)設(shè)備技術(shù)參數(shù)指標(biāo)設(shè)定。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力:3 000 萬㎡/a;設(shè)備運(yùn)行時(shí)間:7 200 h/a;成型、凝固段長(zhǎng)度 (攪拌機(jī)至切割機(jī)):350 m;成型線速度:20~60 m/min;干燥機(jī)速度:2~5 m/min;干燥機(jī)封閉段長(zhǎng)度:150 m;干燥機(jī)封閉段內(nèi)停留時(shí)間:60 min (可調(diào));水膏比:1∶0.4;烘干后石膏板含水率:≤5%;料漿凝固時(shí)間:≤12 min。

        綜上所述,基于以上技術(shù)指標(biāo)的纖維石膏板高速生產(chǎn)線成套設(shè)備在國(guó)內(nèi)屬首創(chuàng)研發(fā),目前已獲得多件國(guó)家專利授權(quán),技術(shù)成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,在國(guó)際上,也未見相關(guān)設(shè)備的開發(fā)和銷售信息,因此本成果的創(chuàng)新性顯著。目前河北綠洲機(jī)械制造集團(tuán)有限公司開發(fā)的樣機(jī)已經(jīng)被客戶訂購(gòu),正在用戶企業(yè)安裝調(diào)試中,即將正式投產(chǎn),隨著正式投產(chǎn)后的巨大示范效益,高產(chǎn)能纖維石膏板設(shè)備的市場(chǎng)應(yīng)用潛力將愈發(fā)顯現(xiàn)。

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