Extenller1600大板輥壓成型系統(tǒng)的結構和工作原理

李紹勇 曹飛 梁飛峰

摘 要：本文重點介紹了Extenller1600大板輥壓成型系統(tǒng)的結構創(chuàng)新和工作原理，并與現(xiàn)有的磚坯壓制設備對比分析大板輥壓成型系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢。

關鍵詞：大板輥壓成型;主機結構;工作原理;優(yōu)勢分析

1 前 言

隨著陶瓷大板生產(chǎn)、運輸、鋪貼、安裝等技術難點的不斷突破，陶瓷薄板的應用領域越來越廣泛，除了滿足現(xiàn)有地面和內外墻裝飾的范圍外，在櫥柜、衣柜、臺面等領域都具有寬闊的應用空間。但我們也看到，陶瓷磚在美化人們生活空間的同時，也面臨著巨大的能源消耗和日益嚴重的環(huán)境破壞問題。

陶瓷大板薄型化可以降低陶瓷磚生產(chǎn)的資源消耗，具有能源消耗低、資源利用率高等特點，符合保護自然資源、節(jié)能環(huán)保的要求，是一種效果顯著的節(jié)能降耗手段，已成為未來建筑陶瓷磚的重要發(fā)展方向之一。目前，國內已有多家企業(yè)上線陶瓷大板生產(chǎn)線，隨著國家對節(jié)能減排要求的不斷提高，陶瓷大板生產(chǎn)需求將會越加旺盛，同時也給陶機制造企業(yè)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。

2 大板成型的三種工藝方式及其設備

大規(guī)格陶瓷薄板的生產(chǎn)需求引發(fā)了陶機制造企業(yè)的技術創(chuàng)新，與陶瓷薄板的發(fā)展相應的，陶機裝備開發(fā)也逐漸趨向大板化、柔性化。目前大板成型主要有三種成型方式：干壓式傳統(tǒng)成型、無模具皮帶成型、輥壓成型。

2.1 干壓式傳統(tǒng)成型方式

科達KD16008陶瓷壓機和恒力泰YP16800陶瓷壓機采用干壓式傳統(tǒng)成型方式，壓機采用可拆分式預應力鋼絲纏繞結構機架，活塞動式主缸結構，板式復合頂出器。在傳統(tǒng)預應力鋼絲纏繞壓機的基礎上，KD16008和YP16800將預應力鋼絲纏繞機架進行拆分，由整體式結構改進為板框式結構，板框采用預應力鋼絲纏繞，再通過橫向的細長拉桿連接組成壓機機架。生產(chǎn)磚坯時，主油缸帶動動梁上下運動，組裝在動梁上的上模頭對粉料施以壓力，壓制成型的磚坯由頂出裝置頂出模腔，然后布料裝置將磚坯推出。

2017年，恒力泰YP16800壓機在蒙娜麗莎集團正式上線投產(chǎn)，并成功壓制出1220 × 2440 mm超級陶瓷大板;同年，科達KD16008超大噸位陶瓷壓機銷往印度Sunshine。KD16008主機高10.5 m，重達520 t，動梁行程250 mm， 柱間距3300 mm，是業(yè)內目前柱間距最寬，成型壓制力最大的預應力鋼絲纏繞式陶瓷壓機，其最大可壓制瓷磚規(guī)格為1200 × 2600 mm。

2.2 無模具皮帶成型方式

意大利西斯特姆LAMGEA壓機采用無模具皮帶成型。LAMGEA取消了模框，突破了傳統(tǒng)剛性模具的成型方法，采用皮帶成型：壓機上下各有一條循環(huán)皮帶，下皮帶上布設陶瓷粉料，皮帶運送粉料到達壓制區(qū)域，在兩條皮帶間加壓成型。LAMGEA無模具壓機采用專門設計的液壓線路，最大壓力可達50000 t，可生產(chǎn)最大1600 × 4800 mm，厚度3 ～ 30 mm的陶瓷大板。大板表面平整度≤0.2 mm。其特點是操作維護簡單，磚坯厚度自由切換。 2016年，廣東金牌亞洲陶瓷公司引進西斯特姆3萬噸LAMGEA壓機，成為國內最早生產(chǎn)1600 × 3200 mm陶瓷薄板的企業(yè)之一。目前國內采用LAMGEA壓機的陶企包括新明珠、金牌亞洲和諾貝爾等。

2.3 輥壓成型方式

無論是西斯特姆LAMGEA，還是科達KD16008、恒力泰YP16800壓機在成型方式上仍然采用傳統(tǒng)的平板壓制成型的方式。而意大利薩克米Continua+系列壓機則采用了全新的瓷磚成型方式——輥壓成型：布料系統(tǒng)在牽引鋼帶上布設陶瓷粉料，鋼帶轉動將厚度一致的陶瓷粉料送入上下對置的一對壓制輥之間輥壓成型。其可生產(chǎn)磚坯寬度1600 mm，長度不受限。輥壓成型具有低功耗、低噪音、低污染、高效率和高度的柔性化生產(chǎn)等特點，并且在制造、運輸、安裝等方面都具有傳統(tǒng)壓機無可比擬的優(yōu)勢。目前國外已有多條采用薩克米Continua+技術的大板生產(chǎn)線。

輥壓成型的方式的是對壓制成型工藝的革命性創(chuàng)新，必將催生國內陶企對陶瓷磚干壓式成型的技術探索與創(chuàng)新?？七_自2015年開始對輥壓技術進行試驗和研究，并于2018年開發(fā)出Extenller1600大板輥壓成型系統(tǒng)，是國內首款采用輥壓成型的陶瓷壓機。

3 Extenller1600的主要技術參數(shù)及主機結構

3.1 Extenller1600主要技術參數(shù)

1）最大壓制力 2800 kN;

2）最大線壓力 14000 N/cm;

3）鋼帶寬度 2150 mm;

4）最大磚坯寬度 1600 mm;

5）磚坯厚度 5 ～ 20 mm;

6）傳送帶最大速度 6 m/min;

7）總裝機功率 60 kW;

8）主機重量 32 t。

3.2 Extenller1600主機結構

Extenller1600主機結構如圖1所示，包括傳送機構、壓制機構、保壓釋放機構等。

傳送機構采用雙鋼帶傳送系統(tǒng)，由驅動輥、鋼帶、從動輥及張緊油缸等組成。鋼帶分上下兩條，由合金鋼薄板經(jīng)氬弧焊接成無端環(huán)形，套在輥壓機的驅動輥和從動輥上，張緊油缸張緊鋼帶形成雙鋼帶成型系統(tǒng)。鋼帶是大板輥壓機的關鍵零件，在壓機運行過程中承擔輸送和傳遞壓力的任務，鋼帶的機械性能、表面質量及其運行過程中的平穩(wěn)性直接關系到磚坯的成型質量。

壓制機構包括機架、加壓油缸和壓制輥等。壓制輥安裝在機架內，機架是壓制時的承力部件。分左機架和右機架，左右機架對稱布置，包括上梁、下梁和上頂框，各零件由高強度結構鋼焊接而成，再通過高強度預緊螺栓自上往下連接形成機架。上下壓制輥安裝在機架內框中，輥兩端聯(lián)接軸承座，軸承座固定在下梁中部。鋼帶帶著粉料向前穿過上下壓制輥，加壓油缸產(chǎn)生的壓制力直接作用在上加壓輥上，并通過鋼帶傳遞到陶瓷粉料上。

保壓釋放機構設置在壓制機構后方，由上下對置的加壓板和支撐板組成，加壓板位于上鋼帶內，由油缸驅動加壓板升降，實現(xiàn)保壓和逐漸釋放壓力的功能。壓制成型的磚坯經(jīng)過保壓釋放機構保壓一段時間，有利于磚坯成型。保壓釋放機構的另一個作用是防止磚坯因壓力突然釋放、膨脹過快導致磚坯開裂。

4 Extenller1600的工作原理及特點分析

4.1 Extenller1600工作原理

Extenller1600按功能分成四個區(qū)域：布料區(qū)、預壓排氣區(qū)、壓制區(qū)以及保壓釋放區(qū)。工作過程如圖2所示：下料斗將陶瓷粉料布設在下鋼帶上，經(jīng)過鋼帶輸送至進料口，粉料被逐漸壓縮并排出粉料里的大量氣體，然后再進入壓制輥受壓成型;壓制成型的磚坯通過保壓釋放區(qū)，保證磚坯的成型質量，避免磚坯開裂;最后，壓制成型的磚坯脫離鋼帶，送入磚坯輸送線，進入下一工序。

在布料區(qū)，陶瓷粉料通過布料裝置均勻布設在下鋼帶上，電機驅動下輥轉動，帶動鋼帶向前輸送粉料，粉料隨著鋼帶前進依次通過排氣區(qū)、壓制區(qū)以及保壓釋放區(qū)。根據(jù)不同的布料裝置可以有不同的瓷磚的表面裝飾方法，假如采用單色布料，后續(xù)可以通過印花、噴墨等先進技術豐富色彩圖案，也可以采用數(shù)字裝飾布料系統(tǒng)，將彩色粉料布置在基料表面上，通過數(shù)字控制系統(tǒng)使色料形成一層裝飾圖案。

布設平整的陶瓷粉料隨鋼帶前進，進入預壓排氣區(qū)。因為疏松的陶瓷粉料含有大量氣體，如果在預壓的過程中不能順利排出，將會導致壓制出的磚坯分層，甚至開裂。在預壓排氣區(qū)既要完成磚坯的快速壓縮又要保證氣體排出充分，排氣效果是決定磚坯成型質量的重要因素。Extenller1600采用雙鋼帶連續(xù)成型系統(tǒng)，下鋼帶水平布置，在粉料入口處上鋼帶與下鋼帶形成3 ～ 15 °的入口角度α，壓制的磚坯厚度不同，需要的入口角度也不相同，角度α的大小直接關系到加壓速度和排氣速度。因此入口角度需要柔性可調，以保證排出粉料內部氣體。

壓制區(qū)域是磚坯壓制成型的關鍵區(qū)域，根據(jù)不同類型的磚坯所需要的成型壓力大小不同，主油缸施加不同的壓力，磚坯的致密度、破壞強度和斷裂模數(shù)均與所施加的壓力直接相關。壓制成型的磚坯厚度由粉料的厚度和上下壓制輥之間的距離控制，經(jīng)過預壓的粉料隨著鋼帶一起進入壓制區(qū)域壓制成型。

4.2 Extenller1600的優(yōu)勢分析

（1）采用雙鋼帶連續(xù)成型系統(tǒng)。

雙鋼帶連續(xù)成型系統(tǒng)是一種成熟的壓機技術， 早在1977年，聯(lián)邦德國庫斯特（Kusters）公司就推出了世界上第一臺雙鋼帶連續(xù)壓機。到現(xiàn)在，經(jīng)過40多年的發(fā)展，雙鋼帶連續(xù)壓機的生產(chǎn)性能不斷提高，壓機各項性能也得到大幅提升，應用十分廣泛。

西斯特姆LAMGEA無模具皮帶成型系統(tǒng)對壓機進行了重大創(chuàng)新，但其壓制成型方式仍為平板壓，在壓制過程中，傳送帶在壓制區(qū)域內承受壓強超過40 MPa，雙鋼帶系統(tǒng)并不適用于這樣的工況，鋼帶會在壓制區(qū)域的邊界處產(chǎn)生屈服變形而變得不可再用。與平板壓制不同，Extenller1600采用輥壓成型，在壓制過程中鋼帶受到的力主要是在兩壓制輥之間承受到的線壓力和張緊鋼帶產(chǎn)生的張緊力，這樣的成型方式不會造成鋼帶因屈服而變形。相較于皮帶，鋼帶具有高硬度、抗拉強度、屈服強度及低伸長率的特點。Extenller1600所使用的鋼帶硬度500 HV，抗拉強度1500 MPa，屈服強度1460 MPa，優(yōu)良的機械性能可確保在整個成型區(qū)工段保持均衡的壓力。鋼帶與磚坯表面直接接觸，其工作面的表面狀況將直接影響到成品板材的表面質量。鋼帶在機械性能，表面平面度等方面均明顯優(yōu)于皮帶，優(yōu)良的平面度可保證輥壓機的可靠的運行，壓合出的產(chǎn)品厚薄一致。經(jīng)過測量，磚坯平面度誤差≤0.1 mm。

（2）機架結構簡單，加工制造容易，安裝運輸方便。

機架是一臺壓機的主要承力部件，設計時需要重點考慮強度和剛度的要求，足夠的強度是壓機安全性和可靠性的保證，機架的剛度則會直接影響成型磚坯的幾何精度。合理的機架設計在滿足機架機械性能的同時還應充分考慮加工制造工藝性及安裝運輸便利性。目前，國產(chǎn)壓機以預應力鋼絲纏繞結構為主，鋼絲纏繞結構是目前陶瓷壓機的主流結構，但是在大板壓機制造上，其結構缺點卻越發(fā)明顯。一方面，陶瓷壓機工作環(huán)境惡劣，通常是滿負荷高頻率運行，壓機機架承受非對稱循環(huán)變應力，高周疲勞是主要的失效形式，要求機架具備超強的疲勞抗力。另一方面，機架重量太重，零件尺寸太大，加工、安裝運輸都面臨很大的困難。

生產(chǎn)1600 × 2600 mm規(guī)格瓷磚，按瓷質磚410 kgf/cm2的成型壓力計算，采用KD16008平板壓制方式需要128 MN壓制力。Extenller1600采用輥壓方式，其壓制力與瓷磚的寬度相關而與長度無關，即使是生產(chǎn)1600 × 3200 mm規(guī)格瓷磚，也只需要2800 kN的壓制力既可滿足需求?？梢?，由于成型方式不同，壓制陶瓷磚時所需要的壓力差異巨大，傳統(tǒng)的預應力鋼絲纏繞壓機機架和輥壓機機架需要承受壓制力相差幾個數(shù)量級。

以目前國產(chǎn)最大噸位壓機KD16008為例，其機架由4個預應力鋼絲纏繞板框通過35根細長拉桿連接組成，單個板框重量在80噸左右，機架總重量335噸。而早期的兩板框結構則單個零件重量就高達70 t。制造這樣的大型壓機，對企業(yè)的制造能力是一個巨大的挑戰(zhàn)。一方面，大型零件難于保證鑄造質量，容易出現(xiàn)鑄造缺陷，如果探傷不徹底，就存在出現(xiàn)疲勞裂紋進而導致機架失效的風險。另一方面，需要大型加工設備，對加工能力，工作臺承載能力要求高。并且，這樣的大型設備，因為受運輸和起吊設備的限制，運輸和安裝都面臨著巨大的困難和風險。

Extenller1600機架克服了上述預應力鋼絲纏繞機架的缺點，機架由上梁、下梁和上頂框組成，各零件主體為高強度結構鋼，機架總重7.5 t左右，單件重量不超過1.5 t。其上下梁為板狀結構，結構簡單，重量小?？刹捎密堉苹蝈憠轰摪澹苊饬藨么笮丸T造零件的潛在風險。

鋼絲纏繞機架的鋼絲層采用變張力纏繞，需要專用的纏繞設備和控制系統(tǒng)，纏繞工藝復雜，纏繞工時長。例如，KD16008機架纏繞需要兩班倒，每班2個纏繞工人工作10天左右。Extenller1600機架通過高強度預緊螺栓鎖緊而成，螺栓預緊只需要液力扳手就可以精確控制預緊力，工藝簡單，擰緊過程方便快捷，2個裝配工人在2個小時內就能完成。預緊螺栓采用35CrMoA材料，螺紋滾壓成型，栓制作工藝成熟，抗拉強度高，承載能力強，具有足夠的強度儲備。與KD16008承受非對稱循環(huán)變應力不同，Extenller1600承受載荷為靜應力。所以輥壓機機架具有結構簡單，加工制造方便，使用壽命長的特點。

（3）磚坯生產(chǎn)過程穩(wěn)定可靠。

陶瓷磚坯制備主要包括布料、壓制、轉移三大步驟，相較于傳統(tǒng)的平板壓制成型的生產(chǎn)方式，Extenller1600有明顯的優(yōu)勢，分析如下。

傳統(tǒng)的干壓式陶瓷壓機采用料車與頂出配合完成布料推磚，模具閉合壓制粉料，依靠增壓器對主油缸增壓完成加壓保壓過程。這種方式在生產(chǎn)大規(guī)格薄板時面臨如下問題：①頂出缸活塞桿上升下降要求同步，否則布料厚度不一致，引起磚坯致密度差異。②多個頂出缸共同作用頂出磚坯，要求頂出缸同步精度高，頂出平穩(wěn)順暢。否則，磚坯容易因頂出缸不同步而被頂裂。③布料器前行推出磚坯。磚坯規(guī)格越大，與壓機的接觸面就越大，摩擦阻力也越大。在大的摩擦阻力作用下，磚坯容易被推裂。④主缸壓力，活動橫梁運動，脫模與填料等3大控制系統(tǒng)中全部應用伺服閉環(huán)液壓控制技術，控制系統(tǒng)成本高昂。

Extenller1600采用輥壓成型工藝，有效地克服了上述傳統(tǒng)的干壓式陶瓷壓機的缺點。主機結構、布料方式、壓制方式都與傳統(tǒng)陶瓷壓機完全不同，省去了成型模具和頂出裝置等部件，穩(wěn)定性和可靠性均有大幅提升。主缸施壓壓力控制要求相對較低，且不需要對主缸行程進行閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)大大簡化，降低了系統(tǒng)成本。

（4）節(jié)能降耗、減小污染、柔性高效。

陶瓷磚在生產(chǎn)時一般需要經(jīng)歷低壓加壓、排氣、最終壓制、保壓幾個階段，根據(jù)粉料和對磚坯品質要求不同，可能需要幾次低壓加壓和排氣過程。在這個過程中，壓制動梁需要空程升降幾次。動梁每一次升降都需要的大量的液壓油，所以能量消耗較大。大功率的液壓泵站噪聲大，壓制過程中粉料往外噴射，對環(huán)境造成污染，工人工作環(huán)境惡劣。Extenller1600調節(jié)好壓制輥高度后，主油缸只需要向下施加足夠的壓力，沒有空程損耗。泵站不用頻繁啟停，節(jié)約能源。與KD16008裝機功率440 kW相比，Extenller1600僅為60 kW，具有低功耗、低噪音、低污染等特點。

在磚坯規(guī)格上，Extenller1600不用切換模具，可以輕松通過調節(jié)擋邊帶的距離來改變壓制磚坯的寬度，還可以通過后續(xù)的磚坯切割，將大磚切割為小磚，例如將1600 mm寬磚坯切割為兩片800 mm寬。而通過調節(jié)壓制輥高度，則可以5 ～ 20 mm范圍內方便地調節(jié)磚坯厚度，具有很高的靈活性。具有高度的柔性化生產(chǎn)的特點。

5 結 語

由以上分析可見，相較于傳統(tǒng)平板壓成型的陶瓷磚壓制設備，Extenller1600大板輥壓成型系統(tǒng)具有結構簡單、重量輕、制造工藝簡單、安裝運輸方便、節(jié)能降耗、生產(chǎn)柔性化和高效的優(yōu)點。相信隨著輥壓技術和設備研究的不斷深入，輥壓成型壓機將會成為未來陶瓷大板成型的主流壓制設備。