纖維石膏板高速生產(chǎn)工藝及設(shè)備開(kāi)發(fā)

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(guò)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(chēng)為無(wú)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(guò)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(kāi)發(fā)要點(diǎn)

1）穩(wěn)定連續(xù)供料問(wèn)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(guò)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(wèn)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(wú)法通過(guò)纖維布進(jìn)行澆筑模腔的構(gòu)建，因此需創(chuàng)新開(kāi)發(fā)成型模腔結(jié)構(gòu)。

3）高速切割問(wèn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)圖1。核心創(chuàng)新開(kāi)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(guò)傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行適配改造，以提高整體設(shè)備開(kāi)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(guò)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(guò)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(mǎn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)

第73 頁(yè)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(guò)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(guò)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(wú)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(wèn)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(zhuān)用成型模腔。

圖2 維石膏板澆筑成型原理圖

創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的模腔結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)輥道上開(kāi)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(guò)程中穿過(guò)預(yù)干燥箱體，通過(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(guò)碼垛系統(tǒng)進(jìn)行碼垛、捆扎機(jī)固定、覆膜纏繞后，入庫(kù)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(chēng)：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(wàn)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(wàn)㎡/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(zhuān)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(jiàn)相關(guān)設(shè)備的開(kāi)發(fā)和銷(xiāo)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(kāi)發(fā)的樣機(jī)已經(jīng)被客戶(hù)訂購(gòu)，正在用戶(hù)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)。