纤维石膏板高速生产工艺及设备开发

李 赛 ，阎 宁 ，丛显虎 ，耿 培 ，刘永超 ，张啸林 ，邓 飞

（1.河北绿洲机械制造集团有限公司，河北 石家庄 052100；2.河北科技大学机械工程学院，河北 石家庄 050018）

纤维石膏板是一种新型建筑板材，它以石膏粉为主原料，制作成液态的石膏料浆后通过模腔浇筑成型为平面板材。由于浇筑成型时在板材的上、下表面分别敷面一层纤维网格布做增强材料，对照传统的以护纸面为增强材料的纸面石膏板，纤维石膏板也称为无纸面石膏板。纤维石膏板的综合性能优于纸面石膏板，但原料消耗量多，生产难度大，综合成本高，所以被市场定位于高端建材产品。近几年护面纸价格持续上涨，而纤维布的价格基本稳定，尤其是我国在钙基工业固废资源化利用方面获得突破，纤维石膏板所用的石膏粉能够采用价格极低的工业副产石膏，使其成本优势逐渐显现。基于纤维石膏板市场的应用发展研判，开发适配工业副产石膏的纤维石膏板高速生产工艺及配属设备，能大幅提高科技竞争力。

1 工业副产石膏特性分析

传统纸面石膏板以天然开采的α 或β 建筑石膏为主要原料，添加玻纤等增强材料及发泡剂等添加剂后，加工艺水均匀搅拌成液态的石膏料浆，在流体状态下浇筑于由护面纸构成的模腔内，凝固后成型为纸面石膏板。近几年我国对开采天然石膏用做建材原料的政策管控日趋严格，而大力支持工业副产石膏进行资源化利用。副产石膏主要来自热电、化肥等企业产生的磷石膏、硫石膏等大宗工业固体废物，环保处理成本高且易二次污染。工业副产石膏在高温煅烧后进行脱硫、脱磷工艺处理后可做建材原料，其化学反应过程为

即煅烧后的石膏和水混合重新生成二水石膏，从而胶凝形成具有力学强度的固态产品[1]。

工业副产石膏成本极低，但其与天然石膏在化学成分和成型特性上存在一定差异。故传统纸面石膏板生产设备不完全匹配副产石膏[2]。目前在用的纤维石膏板生产设备是传统纸面石膏板设备的简单改型，自动化程度和生产效率较低，出板速度低于15 m/min，难以突破产能和成本瓶颈。

2 纤维石膏板生产工艺及设备开发要点

1）稳定连续供料问题。纤维石膏板所需原料包括石膏粉、短玻纤、添加剂、工艺水等，纤维石膏板成型是连续的模腔浇筑过程，原料供给必须定量稳定，若短暂供给不足会造成整体停机待料，或者板材质量不稳定，因此需创新供料配料工艺设备，实现冗余式稳定供料能力[3]。

2）浇筑成型模腔的构建问题。纸面石膏板由上、下层护面纸以及下护面纸的两侧边向上回折翻边组成四周封闭、左右贯通的成型模腔结构，石膏料浆在浇筑时两侧泄漏量很少。而纤维石膏板是用纤维网格布上、下敷面，其网格缝隙大，仅能起到板材的力学增强作用，因此无法通过纤维布进行浇筑模腔的构建，因此需创新开发成型模腔结构。

3）高速切割问题。浇筑成型并固化后的纤维石膏板需要定尺寸切断，但是锯切时需要石膏板凝固硬度达标，否则锯切时容易损伤切口[4]。高产能生产线的运输速度是传统线的2～4 倍，如果自然凝固则运输线需延长几倍，因此需创新开发促凝固装置，使初凝石膏板能快速凝固且达到切割硬度。

3 创新开发内容

3.1 生产工艺及设备总体设计

基于开发要点设计了纤维石膏板全流程生产工艺及配属设备，见图1。核心创新开发集中在稳料供料工艺和设备、成型工艺和设备、高速切割工艺和设备，而干燥工艺和设备、整理工艺和设备、包装工艺和设备则通过传统设备进行适配改造，以提高整体设备开发的经济性，缩短研发周期。

图1 纤维石膏板工艺流程及设备图

3.2 稳料供料工艺和设备

1）石膏粉稳定供应工艺过程。重点对螺旋输送机结构进行创新改造，设置了左右两个并列的出料口，第一出料口靠近螺旋输送机进料口，并密封连通皮带秤上部的布料器溜槽，第二出料口连接缓冲仓。其工艺流程为：提升机将石膏原料仓内的石膏粉运送到螺旋输送机将其输送，到达第一出料口后通过重力下落到布料器溜槽，后进入皮带秤，皮带秤定量为混合输送机供给石膏粉，然后将石膏粉输送到搅拌注浆机内。当超出搅拌注浆机需求量时，石膏粉首先填满布料器溜槽，然后填塞第一出料口，螺旋输送机内的石膏粉就越过第一出料口，到达第二出料口并落入缓冲仓，进而通过缓冲仓下部的旋转卸料器和回料螺旋输送机返送回石膏原料仓。如果提升机供应的石膏粉小于搅拌注浆机的需求量，皮带秤的布料器溜槽内储存的石膏粉能够实现短暂稳定供给，短暂供给时间根据布料器溜槽容量确定。整个过程为闭环循环的冗余式稳料系统，实现稳料的同时也完成均匀搅拌操作。

2）短玻纤、添加剂、工艺水稳定供应。短玻纤和添加剂各自通过计量输送机按需求量直接供给混合螺旋输送机，与石膏粉混合均匀并运送到搅拌注浆机内，工艺水直接通过计量输送阀定量供给到搅拌注浆机内。短玻纤和干性添加剂的用量比例较少，只需扩大相应供料仓的容量即可。

3）纤维布稳定供应。上、下两层纤维网格布分别安装在纤维布纠偏机上，并平展铺设在上、下成型皮带中间，其中下层纤维布平铺在下成型皮带的上层皮带的上表面，上层纤维布紧贴上成型皮带的下层皮带的下表面。为稳定纤维布供应，分别设置备用纤维布辊，以方便纤维布用完后在不停机状态下快捷切换备用纤维布。

3.3 成型工艺设计及成型模腔结构开发

第73 页图2 为纤维石膏板浇筑成型原理：搅拌注浆机内的石膏料浆贴附在下成型皮带上的下层纤维布上，上、下成型皮带带动石膏料浆同步运动，当石膏料浆通过成型压板时，在上、下成型皮带的挤压下成型为平面状，同时上、下纤维布敷面在石膏料浆的上、下表面，石膏料浆快速初凝并被皮带带动连续向右运动，两层纤维布被凝固的板材同步拉动，直至上成型皮带上扬脱离石膏板的上表面，完成了纤维石膏板的成型过程。石膏料浆注入到下成型皮带的下层纤维布上后，由于纤维布是网格形态，因此无法组建封闭模腔，所以料浆浇筑时纤维布两侧端会发生严重的漏浆问题，必须进行工艺和设备的创新，构建纤维石膏板专用成型模腔。

图2 维石膏板浇筑成型原理图

创新开发的模腔结构见图3－a，下成型皮带采用高韧性橡胶材料制造，设计为U 形异构皮带；上成型皮带为平面皮带，皮带宽度等于下成型皮带U形槽的内宽度，上成型皮带的下底面正好伸入U 形槽内，距离U 形槽底面的高度等于纤维石膏板的生产厚度；为使上成型皮带的下底面保持水平，其上表面设置刚性的下底面水平成型压板，并使上成型皮带保持绷紧状态，上成型皮带和下成型皮带的U形槽构成了上下封闭、左右贯通的浇筑模腔。依此原理制造的成型机见图3－b。

图3 成型模腔结构图及成型机整体图片

3.4 高速切割工艺和设备

传统纸面石膏板的切割方式采用静态固定的旋转锯刀进行定尺寸切断，但是对于高速运动的纤维石膏板，旋转锯刀容易损伤切口，因此开发随动切割工艺进行锯切：切割锯为往复运动安装，切割时和纤维石膏板同步运动，此时切割锯与纤维石膏板相对静止，锯片对纤维石膏板进行横向锯断，完成锯断后，切割锯做返程运动，纤维石膏板持续运动，待石膏板位移一个切割长度时切割锯正好返程结束，再次同步运动进行锯切。

开发预热固化工艺流程：为保证锯切时石膏板的凝固硬度，对运输辊道线的机械结构进行局部改造，在敞开辊道上开发贯通式半封闭结构的预干燥箱和回热利用结构，将后期干燥工序中排放的潮湿余热收集运送到预干燥箱内，并使初凝的纤维石膏板在运输过程中穿过预干燥箱体，通过热风吹拂石膏板，使其尽快达到切割硬度条件，所消耗的热量为回收的废热，没有增加额外能源消耗。

3.5 干燥、整理和包装工艺流程

纤维石膏板干燥流程：石膏板通过第一横向输送机进入到升降分配机，被输送到干燥机的各层内进行烘干，烘干时热风进入循环风道中进行排潮处理，排潮后的干燥风再次加热后输送回干燥机，排潮出的热水蒸气回收并送入预热固化箱内对石膏板进行加热固化。

干板处理工艺流程：烘干后的石膏板通过第二横向输送机送至合片机合片处理，使每组石膏板的使用面相对扣叠放在一起。

包装储存工艺：合片后的石膏板通过码垛系统进行码垛、捆扎机固定、覆膜缠绕后，入库储存。

4 样机技术指标设定

1）设备的标准及型号设定。纤维布敷面石膏板是新型墙体材料，其各级标准还未制定，产品质量暂参考GB/T 9775—2008 纸面石膏板执行。确定产品名称：纤维布敷面石膏板生产装备；企业产品型号：LV/ZQ－3000，型号含义 “绿洲/增强型——年产量3 000 万m2”。

2）纤维石膏板规格及指标设定。纤维石膏板板厚：9．5～12 mm；板宽：1 200 mm；标准板长度：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）设备技术参数指标设定。设计生产能力：3 000 万㎡/a；设备运行时间：7 200 h/a；成型、凝固段长度 （搅拌机至切割机）：350 m；成型线速度：20～60 m/min；干燥机速度：2～5 m/min；干燥机封闭段长度：150 m；干燥机封闭段内停留时间：60 min （可调）；水膏比：1∶0．4；烘干后石膏板含水率：≤5%；料浆凝固时间：≤12 min。

综上所述，基于以上技术指标的纤维石膏板高速生产线成套设备在国内属首创研发，目前已获得多件国家专利授权，技术成果填补了国内空白，在国际上，也未见相关设备的开发和销售信息，因此本成果的创新性显著。目前河北绿洲机械制造集团有限公司开发的样机已经被客户订购，正在用户企业安装调试中，即将正式投产，随着正式投产后的巨大示范效益，高产能纤维石膏板设备的市场应用潜力将愈发显现。