高韌性陶瓷大板國(guó)產(chǎn)化配套生產(chǎn)技術(shù)(Ⅰ)
——廣東金牌陶瓷有限公司項(xiàng)目*

張代蘭

(廣東金牌陶瓷有限公司 廣東 佛山 528131)

前言

為了積極響應(yīng)國(guó)家智能化制造、綠色節(jié)能環(huán)保的號(hào)召，以超前視覺緊盯市場(chǎng)未來發(fā)展動(dòng)向，廣東金牌陶瓷有限公司大膽地提出了引進(jìn)吸收國(guó)外關(guān)鍵設(shè)備，研發(fā)3 200 mm×1 600 mm超大規(guī)格陶瓷大板的設(shè)想，2017年12月項(xiàng)目得到實(shí)施并成功投產(chǎn)，成為了與廣東新明珠陶瓷集團(tuán)有限公司、杭州諾貝爾陶瓷有限公司一起，具有能夠生產(chǎn)3 200 mm×1 600 mm超大陶瓷大板的國(guó)內(nèi)3家生產(chǎn)企業(yè)之一。

1 企業(yè)基本情況

廣東金牌陶瓷有限公司始創(chuàng)于2004年，生產(chǎn)基地位于佛山三水白坭工業(yè)園，擁有6組行業(yè)先進(jìn)水平的陶瓷磚生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)仿古磚、拋光磚、拋釉磚、微晶磚、內(nèi)墻磚、陶瓷大板等系列，生產(chǎn)能力超過9萬m2/天。產(chǎn)品銷售覆蓋全國(guó)大中小城市，銷遠(yuǎn)海外100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，曾經(jīng)是國(guó)家奧運(yùn)村工程用磚指定供應(yīng)企業(yè)之一，產(chǎn)品受到國(guó)內(nèi)外工程商的高度認(rèn)可和好評(píng)。

廣東金牌陶瓷有限公司憑借佛山的地緣優(yōu)勢(shì)，不斷努力，成為了佛山仍至全國(guó)最優(yōu)秀的陶瓷磚生產(chǎn)企業(yè)之一。近年來，先后獲得了廣東省名牌產(chǎn)品、中國(guó)環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品認(rèn)證、采購(gòu)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品認(rèn)證、民營(yíng)科技企業(yè)、中國(guó)建筑裝飾材料百?gòu)?qiáng)企業(yè)、中國(guó)品牌價(jià)值五百?gòu)?qiáng)、佛山市優(yōu)秀建材企業(yè)等榮譽(yù)和稱號(hào)。

廣東金牌陶瓷有限公司已經(jīng)具備了強(qiáng)大的綜合實(shí)力,堅(jiān)持自主創(chuàng)新，對(duì)技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域不斷加大投入，投入巨資建成R&D研發(fā)中心，配有行業(yè)先進(jìn)的陶瓷研發(fā)裝備，形成了設(shè)計(jì)、研制、試產(chǎn)、檢測(cè)一條龍的研發(fā)實(shí)驗(yàn)中心，居于國(guó)內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先水平。廣東金牌陶瓷有限公司曾是首家引進(jìn)噴墨打印機(jī)的企業(yè)。

2016年初，廣東金牌陶瓷有限公司積極響應(yīng)國(guó)家智能化制造、綠色節(jié)能環(huán)保的號(hào)召，以超前的視覺緊盯市場(chǎng)未來發(fā)展動(dòng)向。大膽地提出了引進(jìn)吸收國(guó)外關(guān)鍵設(shè)備，研發(fā)3 200 mm×1 600 mm超大規(guī)格陶瓷大板的設(shè)想，2017年12月項(xiàng)目得到實(shí)施并成功投產(chǎn)，成為了與廣東新明珠陶瓷集團(tuán)、杭州諾貝爾陶瓷有限公司一起，具有能夠生3 200 mm×1 600 mm超大陶瓷大板的國(guó)內(nèi)3家生產(chǎn)企業(yè)之一。

公司本著“以質(zhì)量為目標(biāo)、以市場(chǎng)為導(dǎo)向、以創(chuàng)新為動(dòng)力、以清潔生產(chǎn)為模式、以經(jīng)濟(jì)效益為核心”的經(jīng)營(yíng)理念，不斷建立完善激勵(lì)機(jī)制，推動(dòng)科技進(jìn)步，促進(jìn)自主設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品技術(shù)含量，回報(bào)社會(huì)，為中國(guó)建材行業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

2 項(xiàng)目立項(xiàng)起源

在2000年德國(guó)慕尼黑的國(guó)際陶瓷工業(yè)展上，一款厚度為3 mm，2 400 mm×1 200 mm的干壓成形陶瓷薄板問世，震驚了世界陶瓷行業(yè)，但當(dāng)時(shí)意大利設(shè)備供應(yīng)商明確表示，該項(xiàng)目要對(duì)中國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖。

到了2002年，山東淄博城東陶瓷廠與臺(tái)灣惠而好機(jī)械公司合作，在國(guó)內(nèi)首次生產(chǎn)2 400 mm×1 200 mm的擠壓式大規(guī)格陶瓷薄板，但最終該項(xiàng)目以失敗為告終。2008年，廣東蒙娜麗莎陶瓷有限公司與廣東科達(dá)機(jī)電股份有限公司合作，成功投產(chǎn)國(guó)內(nèi)首條1 600 mm×900 mm的干壓成形大規(guī)格陶瓷薄板，2016年又再推出2 400 mm×1 200 mm的陶瓷薄板。

在國(guó)內(nèi)陶瓷行業(yè)中，一般厚度在6 mm以下的產(chǎn)品習(xí)慣稱為陶瓷薄板(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23266-2009定義中規(guī)定薄板厚度不大于6 mm)，厚度超過6 mm的產(chǎn)品習(xí)慣稱為大板，其實(shí)兩種產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用都的共同之處，只是厚薄差異而已。

隨后，L&B瑯博、BOBO、金海達(dá)、新中源等企業(yè)也加入了陶瓷薄板生產(chǎn)行列中，也有一些企業(yè)利用原有的生產(chǎn)裝備生產(chǎn)厚度為6 mm以下的800 mm×800 mm陶瓷薄磚。

陶瓷大板(包括陶瓷薄板)在應(yīng)用中，最大的優(yōu)勢(shì)是整體安裝，改進(jìn)了整體施工效率，并且可以通過切割，以適應(yīng)各種場(chǎng)合的鋪貼；在生產(chǎn)過程中，一片2 400 mm×1 200 mm大板(薄板)相當(dāng)于8片600 mm×600 mm陶瓷磚，相當(dāng)于4.5片800 mm×800 mm陶瓷磚，減少了單位面積的磨邊切割量，陶瓷固廢產(chǎn)生量降低了約50%；在裝飾效果上，由于磚面規(guī)格大，突破了普通陶瓷磚圖案細(xì)碎的局限，解決了普通陶瓷磚鋪貼后圖案明顯重復(fù)的行業(yè)難題，因此，陶瓷大板(陶瓷薄板)也就成為了近年行業(yè)發(fā)展的重要追逐對(duì)象。

至2016年為止，全國(guó)陶瓷磚行業(yè)總產(chǎn)能約130億m2/年，而陶瓷大板(包括薄板)產(chǎn)能不足5 000萬m2/年，占總產(chǎn)能比例不足0.4%份額，仍很難滿足市場(chǎng)需求，特別是大型公共建筑物的需要，例如機(jī)場(chǎng)、高鐵站、隧道、賓館大堂等。另一方面，當(dāng)前行業(yè)最大規(guī)格的陶瓷大板(陶瓷薄板)為2 400 mm×1 200 mm，3 200 mm×1 600 mm等更大規(guī)格的陶瓷大板成為了市場(chǎng)的期待。

基于上述情況，廣東金牌陶瓷有限公司憑著一直以來勇于創(chuàng)新的精神，于2016年4月，將“高韌性陶瓷大板國(guó)產(chǎn)化配套生產(chǎn)技術(shù)”立項(xiàng)工作提到了企業(yè)董事會(huì)的討論議程上，并于2016年7月正式立項(xiàng)。

3 項(xiàng)目組織工作

廣東金牌陶瓷有限公司領(lǐng)導(dǎo)層對(duì)“高韌性陶瓷大板國(guó)產(chǎn)化配套生產(chǎn)技術(shù)”項(xiàng)目高度重視，羅志勇董事長(zhǎng)親自擔(dān)任項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人，生產(chǎn)總經(jīng)理毛星華擔(dān)任項(xiàng)目實(shí)施負(fù)責(zé)人，技術(shù)中心、設(shè)備部、市場(chǎng)部、質(zhì)檢部、供應(yīng)部、生產(chǎn)車間等部門30多名科研工程技術(shù)人員參與了該項(xiàng)目。

羅志勇董事長(zhǎng)親自領(lǐng)隊(duì)到國(guó)內(nèi)外考察裝備選購(gòu)，親臨主持和參加了多次技術(shù)攻關(guān)會(huì)議，為科研工程技術(shù)人員解決實(shí)際困難。承擔(dān)該項(xiàng)目攻關(guān)的技術(shù)人員、管理人員、營(yíng)銷人員團(tuán)結(jié)協(xié)作，在生產(chǎn)車間的積極配合下，歷時(shí)18個(gè)多月，先后進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)研、技術(shù)分析、方案設(shè)計(jì)、國(guó)外裝備引進(jìn)、國(guó)內(nèi)技術(shù)配套、核心技術(shù)攻關(guān)等一系列工作，項(xiàng)目終于獲得重大突破。

“高韌性陶瓷大板國(guó)產(chǎn)化配套生產(chǎn)技術(shù)”是國(guó)內(nèi)首家引進(jìn)意大利西斯特姆公司3萬t干壓成形機(jī)的項(xiàng)目，廣東金牌陶瓷有限公司成為了國(guó)內(nèi)目前能夠生產(chǎn)3 200 mm×1 600 mm超大規(guī)格陶瓷大板的企業(yè)之一。該項(xiàng)目的國(guó)內(nèi)配套技術(shù)方面引領(lǐng)了陶瓷大板的創(chuàng)新水平，創(chuàng)造了許多個(gè)國(guó)內(nèi)第一，擁有多項(xiàng)具有世界先進(jìn)水平的自主配套技術(shù)。

該項(xiàng)目投入資金總計(jì)超過1.5億元。其中引進(jìn)國(guó)外關(guān)鍵設(shè)備0.76億元，國(guó)內(nèi)配套設(shè)備0.32億元，其他研發(fā)費(fèi)用0.42億元。項(xiàng)目于2017年12月批量投產(chǎn)。研制出的“高韌性陶瓷大板”產(chǎn)品，包括有拋光磚類、拋釉磚類、仿古磚類等三大系列330多款花式品種。到目前為止，已具生產(chǎn)能力6 000 m2/d，累計(jì)生產(chǎn)“高韌性陶瓷大板”60.3萬m2，實(shí)現(xiàn)新增產(chǎn)值1.8億元，新增利稅0.51億元。

表1 項(xiàng)目完成進(jìn)度情況

4 項(xiàng)目技術(shù)思路

“高韌性陶瓷大板國(guó)產(chǎn)化配套生產(chǎn)技術(shù)”圍繞生產(chǎn)3 200 mm×1 600 mm陶瓷大板為目標(biāo)，主要包括了原料處理、粉料制備、釉漿制備、坯體干燥、施釉印花、高溫?zé)伞⒛ミ厭伖狻⒎诌x包裝等工藝過程。

成形工藝是該項(xiàng)目的核心難點(diǎn)，由于3 200 mm×1 600 mm陶瓷大板的磚坯面積大，如何獲得足夠的生坯強(qiáng)度和密度均勻的磚坯是技術(shù)的關(guān)鍵，而要滿足成形要求所涉及的技術(shù)就包括了許多方面。

1)要有足夠的壓力；

2)生坯強(qiáng)度要求高；

3)要求粉料瞬間布均勻；

4)粉料布料的厚度均勻。

圍繞成形的技術(shù)難點(diǎn)，項(xiàng)目的總體思路是選擇(引進(jìn))意大利西斯特姆公司3萬t陶瓷大板自動(dòng)干壓成形機(jī)，以及雙帶無邊框布料平臺(tái)作為成形裝備的基礎(chǔ)平臺(tái)。然后通過自主研發(fā)的坯料配方優(yōu)化技術(shù)、高性能粉料制備技術(shù)，以及吸收消化的成形工藝、布料工藝要點(diǎn)，形成了具有自主技術(shù)創(chuàng)新的國(guó)產(chǎn)化配套生產(chǎn)技術(shù)。

窯爐燒成方面也是本項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn)，關(guān)鍵在于對(duì)磚坯平整度、周邊變形量的控制。由于磚坯面積大，與普通陶瓷磚比較，對(duì)窯內(nèi)的水平溫差、窯段前后局部溫差要求更加嚴(yán)格。另外，傳動(dòng)過程所引起的機(jī)械變形比普通陶瓷磚更容易產(chǎn)生，因此，對(duì)窯爐機(jī)械傳動(dòng)的整體水平、局部水平也有更高的要求。

后期冷加工也是本項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn)，關(guān)鍵在于對(duì)磚表面拋光平整度和切削量控制。由于磚坯面積大，輕度的反彈與變形都會(huì)造成拋光切削不均勻，從而影響到整體平整度，并可能造成圖案的蒙花、缺花。

圖1 項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)新路線圖

除此之外，“高韌性陶瓷大板國(guó)產(chǎn)化配套生產(chǎn)技術(shù)”的整體生產(chǎn)線布局方面，與普通陶瓷生產(chǎn)線也有明顯的不同，包括全線沒有轉(zhuǎn)彎位置(除了后期冷加工外)；每個(gè)工序的銜接位置要求水平對(duì)位更準(zhǔn)確；整體生產(chǎn)線自動(dòng)化、智能化水平要求更高等。

5 項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)新

項(xiàng)目在實(shí)施過程中，技術(shù)創(chuàng)新涉及到生產(chǎn)多個(gè)工序和領(lǐng)域，甚至是生產(chǎn)的全過程，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、坯體配方、釉料配方、施釉工藝、印刷裝飾、煅燒工藝、冷加工過程等。除了引進(jìn)意大利西斯特姆公司3萬t陶瓷大板成形設(shè)備及相關(guān)技術(shù)外，本項(xiàng)目自主技術(shù)創(chuàng)包括了“配方優(yōu)化及高性能粉料制備技術(shù)”、“磚坯高平整度低變形量煅燒技術(shù)”、“磚坯高平整度低切削量拋光技術(shù)”等，也就是本項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。

圖2 西斯特姆3萬噸壓磚機(jī)成形原理

5.1 配方優(yōu)化及高性能粉料制備技術(shù)

陶瓷大板的配方體系設(shè)計(jì)，首要是滿足產(chǎn)品應(yīng)用過程中強(qiáng)度高、韌性好的要求；其次是滿足煅燒過程中，坯體低收縮量、溫度范圍寬、抗急冷開裂性能高的要求；第三是要滿足成形干燥過程中，生坯強(qiáng)度高、干燥疏水快的要求。

圖3 本項(xiàng)目引進(jìn)的西斯特姆3萬t壓磚機(jī)

通過對(duì)原料的選擇與配方的優(yōu)化試驗(yàn)，技術(shù)人員研發(fā)出專門適合陶瓷大板的配方體系，與普通陶瓷磚比較，其最大的特點(diǎn)是高鋁、高鉀、低鈣鎂，低燒失量。為了更好地控制燒成收縮，使用了部分煅燒高嶺土(5%～8%)代替廣東黑泥，采用羥甲基纖維素鈉作為坯體增強(qiáng)劑，避免了黑泥減少造成的生坯強(qiáng)度降低的不足，更好地滿足了產(chǎn)品性能和生產(chǎn)過程的工藝要求。

圖4 陶瓷大板配方體系相圖

配方優(yōu)化是高性能粉料制備的基礎(chǔ)，為了更好地滿足大面積沖壓成形的特殊要求，對(duì)坯料的性能提出了更高的要求，主要包括對(duì)流動(dòng)性、堆積密度、顆粒硬度、生坯強(qiáng)度等。

表2 陶瓷大板坯料配方體系化學(xué)成分(%)

表3 陶瓷大板配方體系與普通陶瓷磚配方體系性能比較

注：上述指標(biāo)為制成300 mm×300 mm試樣，在相同條件下試驗(yàn)結(jié)果。

表4 陶瓷大板粉料與普通陶瓷磚粉料性能比較

注：上述指標(biāo)為在相同條件下試驗(yàn)結(jié)果。

良好的流動(dòng)性是高性能粉料的首要標(biāo)志，良好流動(dòng)性粉料是滿足大面積均勻布料的重要前提，是沖壓成形布料瞬間均勻的重要指標(biāo)，是大板磚坯壓制后密度均勻的重要保障。

表5 本項(xiàng)目成形生坯與普通瓷磚成形生坯密度均勻性比較

高性能粉料的制備關(guān)鍵技術(shù)，除了配方是重要基礎(chǔ)外，主要是對(duì)噴霧造粒工藝方法進(jìn)行創(chuàng)新。

表6 高性能粉料制備技術(shù)工藝措施

為了獲得良好流動(dòng)性和較高自然堆積密度的粉料，本項(xiàng)目重點(diǎn)對(duì)噴霧塔漿料霧化裝置和工藝方法進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)新性地自主設(shè)計(jì)、研發(fā)出能夠獲得泥漿霧化高速旋流效果的一種結(jié)構(gòu)裝置。

(A)陶瓷大板

(B)普通瓷磚

在現(xiàn)有噴霧塔泥漿霧化頭的基礎(chǔ)上，通過對(duì)霧化頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，自主研發(fā)、加工出一種雙旋流槽旋片(普通旋片為單旋流槽)，加大了旋流片的厚度(旋片厚度15～20 mm，普通旋片為8～10 mm)，降低旋流切角，然后采用高壓霧化，提高泥漿濃度，實(shí)現(xiàn)高速旋流霧化效果，從而改善了粉料顆粒形狀和級(jí)配，提高了粉料自然堆積密度。

(A)檢測(cè)方法

(B)檢測(cè)取點(diǎn)

5.2 磚坯高平整度低變形量煅燒技術(shù)

對(duì)于陶瓷大板生產(chǎn)，燒成工序也是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。如何獲得高平整度的磚面，以及周邊低變形量(窄腰、大小頭等)效果，是對(duì)燒成技術(shù)的核心要求。當(dāng)然，低收縮率、寬燒成范圍的配方體系，以及高干燥強(qiáng)度、密度均勻的成形的生坯是燒成的重要前提。窯爐關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)低溫差，以及傳動(dòng)的高度平穩(wěn)性、輥棒面良好水平狀態(tài)。

表7 本項(xiàng)目陶瓷大板煅燒主要工藝配置

本項(xiàng)目在窯爐方面的創(chuàng)新，主要集中在窯體保溫、燒嘴結(jié)構(gòu)、升溫制度、輥棒選擇與配置等方面。公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)在總結(jié)和分析行業(yè)輥道窯結(jié)構(gòu)和大量數(shù)據(jù)后，提出了對(duì)窯爐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，并得到了窯爐裝備供應(yīng)企業(yè)的肯定和配合，將公司團(tuán)隊(duì)提出的創(chuàng)新點(diǎn)(設(shè)計(jì)方案)應(yīng)用于窯爐結(jié)構(gòu)制造之中。

窯內(nèi)燒成段溫度較高，熱傳遞以輻射為主，高溫下輻射傳熱大約占綜合傳熱的90%～95%，窯內(nèi)表面熱輻射能力(E)與絕緣溫度(T)4次方差成正比。因此，強(qiáng)化窯內(nèi)高溫段熱輻射是窯體保溫、減少窯內(nèi)溫差的重要措施。本項(xiàng)目通過在窯內(nèi)壁涂刷“ZS-1061耐高溫遠(yuǎn)紅外輻射涂層”(可承受1 800 ℃溫度)，以及在最外一層輕質(zhì)保溫磚內(nèi)壁鋪貼“高溫反輻射合金鋁箔”(可承受500 ℃溫度)。

圖7 高速旋流泥漿霧化頭結(jié)構(gòu)示意圖

表8 磚坯高平整度低變形量煅燒技術(shù)措施

圖8 本項(xiàng)目國(guó)產(chǎn)配套煅燒陶瓷大板輥道窯

JP18型三次配風(fēng)穩(wěn)焰等溫?zé)觳捎萌?jí)配風(fēng)，一次空氣形成高速射流分散煤氣；二次空氣形成高速貼壁旋流平展火焰；三次風(fēng)起冷卻導(dǎo)管和修整火焰形狀作用，在穩(wěn)焰頭凹型帽沿的導(dǎo)流作用下形成混合氣旋流，確保了爐膛溫度的均勻性。另外，通過采用循環(huán)加熱助燃風(fēng)，有效地促進(jìn)了空氣與燃料的混合，提高了窯內(nèi)燃料完全程度，實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能。

圖9 輥道窯高溫段保溫結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 JP18型三次配風(fēng)穩(wěn)焰等溫?zé)旖Y(jié)構(gòu)圖

(未完待續(xù))