大型紙面石膏板生產(chǎn)線原料配料系統(tǒng)計量精度的改進及提升

樓珍干，方文倉，黃偉定

（中國新型建材設(shè)計研究院，浙江 杭州　310003）

LOU Zhengan，F(xiàn)ANG Wencang，HUANG Weiding

（CNBM Design&Research Institute，Hangzhou 310003，Zhejiang，China）

大型紙面石膏板生產(chǎn)線原料配料系統(tǒng)計量精度的改進及提升

樓珍干，方文倉，黃偉定

（中國新型建材設(shè)計研究院，浙江 杭州310003）

為提升大型紙面石膏板生產(chǎn)線原料配料的精度，改善產(chǎn)品質(zhì)量，研發(fā)了3000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線原料精準配料計量系統(tǒng)，調(diào)整后可廣泛應(yīng)用于3000萬～6000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線。通過分析表明，在資金投入增加不多的情況下，該系統(tǒng)可明顯改善紙面石膏板產(chǎn)品質(zhì)量，并降低生產(chǎn)成本及減少生產(chǎn)損耗，具有很高的經(jīng)濟效益，滿足新建紙面石膏板生產(chǎn)線技術(shù)提升要求，也適用于已有生產(chǎn)線技術(shù)改造。

紙面石膏板；原料計量；精準配料

LOU Zhengan，F(xiàn)ANG Wencang，HUANG Weiding

（CNBM Design&Research Institute，Hangzhou 310003，Zhejiang，China）

自20世紀80年代國內(nèi)引進年產(chǎn)2000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線以來，紙面石膏板生產(chǎn)規(guī)模呈現(xiàn)快速擴張的態(tài)勢。特別是2000年之后，紙面石膏板行業(yè)經(jīng)歷了飛躍式的發(fā)展。從2004年開始至2014年，連續(xù)建設(shè)了幾十條年產(chǎn)3000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線，特別是近幾年，紙面石膏板生產(chǎn)線大型化趨勢更甚，先后建成了數(shù)條年產(chǎn)4000萬m2、6000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線，使得國內(nèi)石膏板生產(chǎn)規(guī)模迅速提升至2014年的年產(chǎn)超30億m2［1］。

在現(xiàn)有國內(nèi)石膏板行業(yè)規(guī)模擴張的形勢下，市場結(jié)構(gòu)卻呈現(xiàn)紡錘形：低端市場因產(chǎn)品質(zhì)量及能耗問題，已經(jīng)基本淘汰；中端市場龐大，有眾多企業(yè)占據(jù)，競爭激烈，盈利能力有待提高；高端市場規(guī)模受限于生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平，擴張乏力。各企業(yè)為應(yīng)對激烈的競爭，及響應(yīng)國家產(chǎn)業(yè)升級政策，迫切需要提升產(chǎn)品品質(zhì)，更新技術(shù)，從而提高市場競爭力以切入高端市場。同時各新進投資商從投資效益出發(fā)，需要在進入石膏板市場時有一個較高的起步點，利用最新的技術(shù)，從而獲得較好的盈利能力。而外資企業(yè)為保住現(xiàn)有市場地位，同樣需要進一步提升自身產(chǎn)品質(zhì)量，提升競爭力；同時其擴大產(chǎn)能時，從降低投資的角度考慮，迫切需要同等或超過其現(xiàn)有技術(shù)水平的國產(chǎn)技術(shù)替代。

作為紙面石膏板生產(chǎn)的關(guān)鍵控制技術(shù)之一，常規(guī)原料配料系統(tǒng)主要還是采用皮帶秤計量建筑石膏、體積計量干添加劑、流量計配合螺桿泵計量水及濕添加劑的簡單形式。因配料系統(tǒng)計量精度不高，導(dǎo)致各種原材料（特別是淀粉等干添加劑成本較高的原材料）消耗偏大。同時因配料系統(tǒng)簡單，運行穩(wěn)定性欠佳，導(dǎo)致石膏漿料性狀波動起伏（特別是系統(tǒng)啟動時等工況），濕板初凝強度不足，極易斷裂或切口不齊，引起生產(chǎn)故障停頓，影響產(chǎn)品外觀、成品率及設(shè)備運轉(zhuǎn)率。以上狀況，導(dǎo)致生產(chǎn)成本無法降低，產(chǎn)品質(zhì)量波動，無法提高生產(chǎn)盈利能力，市場競爭力無法提升，很難有效占領(lǐng)高端市場。因此，為提高紙面石膏板原料配料系統(tǒng)的技術(shù)水平，通過對傳統(tǒng)紙面石膏板原料配料系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，設(shè)計了年產(chǎn)3000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線原料精準配料計量系統(tǒng)，以應(yīng)對市場需求，應(yīng)用于現(xiàn)有生產(chǎn)線技術(shù)提升及新建紙面石膏板生產(chǎn)線設(shè)計裝備。該系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化調(diào)整，應(yīng)用于年產(chǎn)4000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線，經(jīng)一定時間考核運行，顯現(xiàn)出一定的成本效益，為應(yīng)用推廣于其它工程項目提供了參考依據(jù)。

1　現(xiàn)有常規(guī)石膏板原料配料計量系統(tǒng)簡介

常規(guī)年產(chǎn)3000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線原料配料計量系統(tǒng)基本采用圖1所示流程。其系統(tǒng)中主要包括建筑石膏供料設(shè)備、建筑石膏計量設(shè)備、干添加劑計量設(shè)備、紙漿及清水計量設(shè)備、濕添加劑計量設(shè)備等。

圖1　常規(guī)3000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線配料計量系統(tǒng)流程

建筑石膏供料設(shè)備用以保證建筑石膏皮帶秤計量時原料供應(yīng)的穩(wěn)定性。以建筑石膏大循環(huán)為手段，保證后續(xù)皮帶秤計量建筑石膏過程中有充足的供應(yīng)量。

建筑石膏計量設(shè)備主要為皮帶秤，采用國產(chǎn)皮帶秤情況下，穩(wěn)定生產(chǎn)時建筑石膏計量精度在±（1%～2%）；采用合資或進口皮帶秤情況下，穩(wěn)定生產(chǎn)時計量精度可在±（0.5%～1.0%）。

干添加劑計量設(shè)備含促凝劑、改性淀粉及各種添加劑計量設(shè)備，根據(jù)需求有所增減，主要采用螺桿體積計量的形式。其穩(wěn)定生產(chǎn)時計量精度可在±（5%～10%）。考慮到物料堆積密度、設(shè)備制作精度等狀況，最大計量精度甚至?xí)_±20%。

紙漿及清水計量設(shè)備含紙漿處理設(shè)備、紙漿輸送計量設(shè)備、清水輸送計量設(shè)備3部分。紙漿處理設(shè)備根據(jù)需要可由碎漿機打碎原紙后泵入間歇式攪拌罐配比供生產(chǎn)使用，也可采購原紙漿或原紙漿配比短纖維直接投入間歇式攪拌罐中稀釋配比供生產(chǎn)使用。紙漿輸送計量設(shè)備、清水輸送計量設(shè)備主要為螺桿泵配合電磁流量計，其穩(wěn)定生產(chǎn)時計量精度可在±（1%～ 2%）。在選用精密輸送設(shè)備（如精密輸送螺桿泵等）情況下，計量精度還可提高。

濕添加劑計量設(shè)備包括發(fā)泡劑、減水劑、防水劑等有機液體原材料的輸送計量設(shè)備，主要為小微型螺桿泵配合轉(zhuǎn)子流量計，其穩(wěn)定生產(chǎn)運行時計量精度同樣可在±（1%～2%），并有提高空間。

2　現(xiàn)有常規(guī)石膏板原料配料計量系統(tǒng)優(yōu)缺點分析

常規(guī)紙面石膏板原料配料計量系統(tǒng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備投入少、維護成本低、投資省等優(yōu)點。一般3000萬m2規(guī)模紙面石膏板生產(chǎn)線配套常規(guī)原料配料計量系統(tǒng)設(shè)備投資在80萬～150萬元。如一些設(shè)備調(diào)整為合資或進口，費用會有所增加。

從實際運行看，常規(guī)紙面石膏板原料配料計量系統(tǒng)表現(xiàn)出以下不足：

（1）因部分原料計量設(shè)備本身的計量精度，在穩(wěn)定生產(chǎn)運行過程中，后續(xù)工段攪拌漿料均度不佳、性狀平穩(wěn)度不好，進而導(dǎo)致后續(xù)生產(chǎn)控制頻繁波動，產(chǎn)品質(zhì)量控制不佳。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須適當(dāng)加大干、濕添加劑等原材料用量配比，以保證計量設(shè)備波谷計量時的產(chǎn)品質(zhì)量符合要求，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。

（2）因系統(tǒng)流程簡單，啟動時原材料計量穩(wěn)定性不佳，無法平抑所有計量設(shè)備啟動時PID調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的超調(diào)峰谷值。如圖2所示為比較典型的PID調(diào)節(jié)過程的曲線，在控制模式、參數(shù)設(shè)置合理的情況下，超調(diào)峰谷值會控制在一個較小的偏差范圍內(nèi)，同時時間響應(yīng)曲線會在2～3個波動后即進入誤差帶。

圖2　典型PID調(diào)節(jié)過程曲線

在原料配料計量系統(tǒng)中，比較關(guān)鍵的是建筑石膏、促凝劑、配料水等相互影響較大的3種原料計量。在原料配料的初始階段，典型超調(diào)峰谷值會在±10%左右，計上響應(yīng)時間后的調(diào)整時間約2 min，而促凝劑計量誤差在±（10%～15%）。假設(shè)取促凝劑計量最低誤差值±10%，在匹配不佳較為極端的情況下，會出現(xiàn)近±20%的促凝劑配比偏差，足以嚴重影響建筑石膏漿料的初凝時間。配合配料水計量的波動，建筑石膏超配促凝劑，極易在攪拌機內(nèi)形成結(jié)塊，堵塞攪拌機，引起生產(chǎn)線供料停頓，或結(jié)塊從攪拌機內(nèi)卸出后在成型過程中導(dǎo)致覆面紙破損而斷紙，從而引起生產(chǎn)故障；建筑石膏配比促凝劑不足，極易導(dǎo)致或切斷前濕板內(nèi)漿料未完成初凝而影響后續(xù)生產(chǎn)流程。為避免上述狀況，生產(chǎn)中必須有意增加料漿排廢量及濕板排廢量，避免原料配比波動較大的漿料及凝結(jié)未完全的濕板進入后續(xù)工段，以保證后續(xù)生產(chǎn)過程中的半成品質(zhì)量。因而每次生產(chǎn)線啟動或故障后恢復(fù)，單次拉板損耗較為嚴重。國內(nèi)常規(guī)年產(chǎn)3000萬m2規(guī)模紙面石膏板生產(chǎn)線單次拉板料漿排廢量可達5 m3以上，濕板排廢量可達100 m2以上。某些生產(chǎn)線在人員熟練情況下，可將料漿排廢量控制在2～3 m3左右，濕板排廢量控制在50～100 m2。

（3）同樣因為系統(tǒng)簡單，板線生產(chǎn)的故障應(yīng)變能力較差，沒有生產(chǎn)故障情況下的調(diào)整手段。如發(fā)生故障，必須關(guān)閉各原料計量系統(tǒng)，待故障修復(fù)后耗費時間重新啟動，影響后續(xù)板線設(shè)備運轉(zhuǎn)開機率。特別是一些短時故障情況下，如覆面紙撕裂等狀況，接紙拉紙迅速完成后，如能在拉紙完畢后即迅速供料，可減少板線設(shè)備空轉(zhuǎn)時間，并減少干燥機供熱系統(tǒng)的調(diào)整，恒定干燥機內(nèi)溫度，保證其內(nèi)板材烘干品質(zhì)。

3　現(xiàn)有常規(guī)石膏板原料配料計量系統(tǒng)改進

對于上述常規(guī)石膏板原料配料計量系統(tǒng)優(yōu)缺點，經(jīng)過分析后，對其生產(chǎn)流程及部分設(shè)備進行了調(diào)整改進：

（1）優(yōu)化建筑石膏供料設(shè)備，進一步改善建筑石膏供料穩(wěn)定性，為建筑石膏計量精度的提高創(chuàng)造條件，并保證建筑石膏供應(yīng)量的充足，以適應(yīng)后續(xù)板線設(shè)備高速生產(chǎn)，特別是紙面石膏板更大型化的需求。

（2）建筑石膏供料設(shè)備中增加了篩分設(shè)備，以適應(yīng)近些年以脫硫石膏為原料生產(chǎn)的建筑石膏，避免原料中帶入各種顆粒雜質(zhì)影響板材表觀質(zhì)量，也可避免極端情況下雜質(zhì)在成型過程中拉破覆面紙引起斷紙故障，當(dāng)然也可去除生產(chǎn)設(shè)備中可能帶入的螺釘?shù)雀鞣N鐵質(zhì)雜物，避免攪拌機故障。最終降低后續(xù)設(shè)備故障率，并為提高后續(xù)板線設(shè)備運轉(zhuǎn)開機率提供可能。

（3）建筑石膏計量調(diào)整為雙傳感器皮帶秤，并通過配合建筑石膏供料設(shè)備的優(yōu)化，提升建筑石膏的計量精度，以改善后續(xù)工段攪拌漿料均一度不佳、性狀平穩(wěn)度不好的狀況。

（4）干輔料（主要為淀粉、促凝劑等高成本原材料）計量調(diào)整為了失重秤等計量精度更高設(shè)備，添加相關(guān)進料計量設(shè)備，提高此部分干輔料的計量精確度，優(yōu)化狀態(tài)下，將此部分原材料計量精度由±（10%～15%）提升至±（1%～2%），從而減少原材料耗用量，降低原材料生產(chǎn)成本。同時，提升計量精度后，也可改善后續(xù)工段攪拌漿料均一度不佳、性狀平穩(wěn)度不好的狀況。

（5）增加水溫控制裝置及控制系統(tǒng)，回用板線干燥機熱能回收系統(tǒng)冷凝水，并配合電加熱系統(tǒng)，控制成型漿料的溫度波動區(qū)間，使?jié){料在四季甚至嚴寒情況下有一個較穩(wěn)定的凝固溫度環(huán)境，提高濕板強度穩(wěn)定性。同時，因冷凝水回用，降低了配料水用量。另外，因濕板溫度恒定，并提升了干燥機進板的溫度（特別是在冬季），間接降低干燥機能耗，提升干燥機產(chǎn)能，并改善不同季節(jié)干燥機系統(tǒng)控制調(diào)整，恒定不同季節(jié)的產(chǎn)品質(zhì)量。

（6）增加各原材料回料及切換設(shè)備，并通過系統(tǒng)控制，直接去除各計量設(shè)備運行起始時必然產(chǎn)生的超調(diào)峰谷計量波動，減少每次生產(chǎn)線啟動或故障后恢復(fù)的單次拉板損耗即濕板排廢量，降低生產(chǎn)成本。同時短時故障恢復(fù)時原料響應(yīng)時間減少，后續(xù)板線空轉(zhuǎn)時間減少，干燥機調(diào)整減少，提高設(shè)備整體利用率。

（7）調(diào)整發(fā)泡系統(tǒng)設(shè)備及管路，配置高效動態(tài)發(fā)泡裝置，從而提升泡沫質(zhì)量，進而減輕板材單重，相應(yīng)減輕板材單位面積原材料消耗量，降低生產(chǎn)成本。同時由于板材單位面積含水量降低，降低了干燥機蒸發(fā)負荷，為全線提速增產(chǎn)提供了可能。

（8）調(diào)整工藝流程中各原材料相應(yīng)設(shè)備、管路及相應(yīng)控制原理，提升生產(chǎn)控制合理性及生產(chǎn)故障時的快速恢復(fù)性，提升在系統(tǒng)臨時故障情況下整個配料系統(tǒng)的快速恢復(fù)能力。

（9）提高系統(tǒng)自動控制能力，使系統(tǒng)具有自我故障檢測、報警、切換的功能，以便縮短故障情況下的恢復(fù)時間，減輕人員操作、維護及監(jiān)控強度，提高生產(chǎn)運行率。

4　改進后石膏板原料精準配料計量系統(tǒng)實施情況

基于上述系統(tǒng)改進，優(yōu)化調(diào)整后應(yīng)用于西南年產(chǎn)4000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線項目，其具體流程如圖3所示。

從現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況反饋來看：

（1）建筑石膏計量精度在±（0.5%～1.0%），相比常規(guī)配料系統(tǒng)有所提高?？紤]到現(xiàn)生產(chǎn)線因為外在原因未能達產(chǎn)，待后續(xù)達產(chǎn)并穩(wěn)定生產(chǎn)后，還能有一定程度提高。

（2）各種干輔助配料系統(tǒng)全部配置失重秤進行計量，精度提高至±1%，提升明顯，調(diào)整配方后明顯減少用量，從而降低原材料成本，而產(chǎn)品質(zhì)量依然達到合格標準。

（3）干物料在板線初始拉板過程中響應(yīng)時間可控制在30 s內(nèi)，相較常規(guī)配料系統(tǒng)有了很大提高。同時干物料（特別是建筑石膏）計量可提前啟動，完全排除超調(diào)峰谷計量波動，進入攪拌機后無需多少料漿排廢量（可控制在1～2 m3）即可用于成型生產(chǎn)，相應(yīng)也減少了濕板排廢量30～60 m2。故障恢復(fù)時間及損耗減少，人員勞動強度降低，相應(yīng)降低了生產(chǎn)線運行成本。

（4）由于配料精度提高，凝固時間更加可控，可減少預(yù)留的凝固緩沖時間，從而在相同凝固皮帶長度情況下，提升板線速度，提升產(chǎn)能。整體生產(chǎn)線在優(yōu)化生產(chǎn)條件后，保守估計可提升5%以上的設(shè)計產(chǎn)量。

（5）由于配料精度提高，濕板的水分均勻度提升，水膏比降低，從而減少單位面積蒸發(fā)水量，進而降低單位面積產(chǎn)品的能耗。

（6）由于配料精度提高及發(fā)泡均勻度提升，板材孔隙率更加均勻，濕板干燥后長度收縮量減少，因此切刀余量可適當(dāng)減少。同時，因濕板內(nèi)水分均勻度增加，干燥機內(nèi)溫度控制曲線可更加平穩(wěn)，板材過燒等現(xiàn)象相應(yīng)降低，干板外觀質(zhì)量有所提高，過燒余量也適當(dāng)減少。

（7）水膏比的降低以及孔隙率增加后板重降低，使得單位面積蒸發(fā)水量降低，從而在干燥機相同游離水蒸發(fā)能力的情況下，通過提升運行速度，增加整條板線的產(chǎn)能，提升生產(chǎn)線利用率。

（8）回料系統(tǒng)的增加以及系統(tǒng)自動控制能力的提升，人員勞動強度明顯降低，不必再如以前需要大量人力清理廢料及濕廢板。

從目前此項目的產(chǎn)品質(zhì)量來說，其9.5 mm厚板材單位面積質(zhì)量可控制在6.5 kg/m2左右，孔隙均勻度提升明顯，強度均符合GB/T 9775—2008《紙面石膏板》的要求。

此項目在原料配料部分相對常規(guī)項目預(yù)計增加投資約150萬元，但由此可以帶來一系列運行成本的節(jié)省及生產(chǎn)損耗的降低。

經(jīng)過總體測算，在滿產(chǎn)情況下，預(yù)計可降低干燥機蒸發(fā)水量3500 t/年以上，對應(yīng)最少可降低煤耗800 t/年以上；同時預(yù)計可減少濕板排廢量20 000 m2/年以上，切刀及過燒余量損耗在100 000 m2/年以上，另外，預(yù)計生產(chǎn)線成品率可提高0.5%以上，相應(yīng)減少產(chǎn)品損耗20萬m2/年以上。從測算結(jié)果來看，其經(jīng)濟效益還是很明顯的。

圖3　改進后年產(chǎn)4000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線配料計量系統(tǒng)流程

5　結(jié)語

（1）大型紙面石膏板生產(chǎn)線原料精準配料計量系統(tǒng)在資金投入增加不多的情況下，具有很高的經(jīng)濟效益，不僅生產(chǎn)成本降低明顯，而且生產(chǎn)損耗降低不少，同時減輕人員勞動強度。

（2）大型紙面石膏板生產(chǎn)線原料精準配料計量系統(tǒng)對提升紙面石膏板產(chǎn)品品質(zhì)的有諸多益處，有利于企業(yè)提高產(chǎn)品競爭力、搶占高端市場、提高項目盈利能力。

（3）大型紙面石膏板生產(chǎn)線原料精準配料計量系統(tǒng)不但能應(yīng)用于新建項目，同時也適用于已有生產(chǎn)線的技術(shù)改造。該系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化后，可應(yīng)用于更大規(guī)模的紙面石膏板生產(chǎn)線，提高國內(nèi)紙面石膏板生產(chǎn)技術(shù)水平。

［1］智研咨詢集團.2015-2020年中國石膏板市場分析預(yù)測及戰(zhàn)略研究報告［R］.2015.

［2］陳燕，岳文海，董若蘭.石膏建筑材料［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2003：357-412.

［3］趙元義，何勤.高強紙面石膏板的生產(chǎn)［J］.新型建筑材料，2012 （6）：45-47.

Improvement and upgrading of metering accuracy of raw materials dosing system for large-scale plasterboard production line

In order to enhance the dosing accuracy of raw materials for large-scale plasterboard production line to improve product quality，a raw material precise dosing system for 30 million m2plasterboard production line was developed，which can be widely used for 30～60 million m2plasterboard production line after adjustment.The analysis results show that under the precondition of small increase in capital investment，this system can significantly improve the plasterboard quality，decrease production cost and reduce production losses，having high economic efficiency，meeting technology lifting requirements of newly built plasterboard production line.This system is also applicable to the technological transformation of existing production line.

plasterboard，raw materials metering，precise dosing

TU526；TQ177.3+5

A

1001-702X（2015）11-0015-04

2015-05-06；

2015-08-25

樓珍干，男，1981年生，浙江義烏人，高級工程師。