Extenller1600大板辊压成型系统的结构和工作原理
李绍勇 曹飞 梁飞峰
摘 要：本文重点介绍了Extenller1600大板辊压成型系统的结构创新和工作原理，并与现有的砖坯压制设备对比分析大板辊压成型系统所具有的优势。
关键词：大板辊压成型;主机结构;工作原理;优势分析
1 前 言
随着陶瓷大板生产、运输、铺贴、安装等技术难点的不断突破，陶瓷薄板的应用领域越来越广泛，除了满足现有地面和内外墙装饰的范围外，在橱柜、衣柜、台面等领域都具有宽阔的应用空间。但我们也看到，陶瓷砖在美化人们生活空间的同时，也面临着巨大的能源消耗和日益严重的环境破坏问题。
陶瓷大板薄型化可以降低陶瓷砖生产的资源消耗，具有能源消耗低、资源利用率高等特点，符合保护自然资源、节能环保的要求，是一种效果显著的节能降耗手段，已成为未来建筑陶瓷砖的重要发展方向之一。目前，国内已有多家企业上线陶瓷大板生产线，随着国家对节能减排要求的不断提高，陶瓷大板生产需求将会越加旺盛，同时也给陶机制造企业带来了新的机遇和挑战。
2 大板成型的三种工艺方式及其设备
大规格陶瓷薄板的生产需求引发了陶机制造企业的技术创新，与陶瓷薄板的发展相应的，陶机装备开发也逐渐趋向大板化、柔性化。目前大板成型主要有三种成型方式：干压式传统成型、无模具皮带成型、辊压成型。
2.1 干压式传统成型方式
科达KD16008陶瓷压机和恒力泰YP16800陶瓷压机采用干压式传统成型方式，压机采用可拆分式预应力钢丝缠绕结构机架，活塞动式主缸结构，板式复合顶出器。在传统预应力钢丝缠绕压机的基础上，KD16008和YP16800将预应力钢丝缠绕机架进行拆分，由整体式结构改进为板框式结构，板框采用预应力钢丝缠绕，再通过横向的细长拉杆连接组成压机机架。生产砖坯时，主油缸带动动梁上下运动，组装在动梁上的上模头对粉料施以压力，压制成型的砖坯由顶出装置顶出模腔，然后布料装置将砖坯推出。
2017年，恒力泰YP16800压机在蒙娜丽莎集团正式上线投产，并成功压制出1220 × 2440 mm超级陶瓷大板;同年，科达KD16008超大吨位陶瓷压机销往印度Sunshine。KD16008主机高10.5 m，重达520 t，动梁行程250 mm， 柱间距3300 mm，是业内目前柱间距最宽，成型压制力最大的预应力钢丝缠绕式陶瓷压机，其最大可压制瓷砖规格为1200 × 2600 mm。
2.2 无模具皮带成型方式
意大利西斯特姆LAMGEA压机采用无模具皮带成型。LAMGEA取消了模框，突破了传统刚性模具的成型方法，采用皮带成型：压机上下各有一条循环皮带，下皮带上布设陶瓷粉料，皮带运送粉料到达压制区域，在两条皮带间加压成型。LAMGEA无模具压机采用专门设计的液压线路，最大压力可达50000 t，可生产最大1600 × 4800 mm，厚度3 ～ 30 mm的陶瓷大板。大板表面平整度≤0.2 mm。其特点是操作维护简单，砖坯厚度自由切换。 2016年，广东金牌亚洲陶瓷公司引进西斯特姆3万吨LAMGEA压机，成为国内最早生产1600 × 3200 mm陶瓷薄板的企业之一。目前国内采用LAMGEA压机的陶企包括新明珠、金牌亚洲和诺贝尔等。
2.3 辊压成型方式
无论是西斯特姆LAMGEA，还是科达KD16008、恒力泰YP16800压机在成型方式上仍然采用传统的平板压制成型的方式。而意大利萨克米Continua+系列压机则采用了全新的瓷砖成型方式——辊压成型：布料系统在牵引钢带上布设陶瓷粉料，钢带转动将厚度一致的陶瓷粉料送入上下对置的一对压制辊之间辊压成型。其可生产砖坯宽度1600 mm，长度不受限。辊压成型具有低功耗、低噪音、低污染、高效率和高度的柔性化生产等特点，并且在制造、运输、安装等方面都具有传统压机无可比拟的优势。目前国外已有多条采用萨克米Continua+技术的大板生产线。
辊压成型的方式的是對压制成型工艺的革命性创新，必将催生国内陶企对陶瓷砖干压式成型的技术探索与创新。科达自2015年开始对辊压技术进行试验和研究，并于2018年开发出Extenller1600大板辊压成型系统，是国内首款采用辊压成型的陶瓷压机。
3 Extenller1600的主要技术参数及主机结构
3.1 Extenller1600主要技术参数
1）最大压制力 2800 kN;
2）最大线压力 14000 N/cm;
3）钢带宽度 2150 mm;
4）最大砖坯宽度 1600 mm;
5）砖坯厚度 5 ～ 20 mm;
6）传送带最大速度 6 m/min;
7）总装机功率 60 kW;
8）主机重量 32 t。
3.2 Extenller1600主机结构
Extenller1600主机结构如图1所示，包括传送机构、压制机构、保压释放机构等。
传送机构采用双钢带传送系统，由驱动辊、钢带、从动辊及张紧油缸等组成。钢带分上下两条，由合金钢薄板经氩弧焊接成无端环形，套在辊压机的驱动辊和从动辊上，张紧油缸张紧钢带形成双钢带成型系统。钢带是大板辊压机的关键零件，在压机运行过程中承担输送和传递压力的任务，钢带的机械性能、表面质量及其运行过程中的平稳性直接关系到砖坯的成型质量。
压制机构包括机架、加压油缸和压制辊等。压制辊安装在机架内，机架是压制时的承力部件。分左机架和右机架，左右机架对称布置，包括上梁、下梁和上顶框，各零件由高强度结构钢焊接而成，再通过高强度预紧螺栓自上往下连接形成机架。上下压制辊安装在机架内框中，辊两端联接轴承座，轴承座固定在下梁中部。钢带带着粉料向前穿过上下压制辊，加压油缸产生的压制力直接作用在上加压辊上，并通过钢带传递到陶瓷粉料上。
保压释放机构设置在压制机构后方，由上下对置的加压板和支撑板组成，加压板位于上钢带内，由油缸驱动加压板升降，实现保压和逐渐释放压力的功能。压制成型的砖坯经过保压释放机构保压一段时间，有利于砖坯成型。保压释放机构的另一个作用是防止砖坯因压力突然释放、膨胀过快导致砖坯开裂。
4 Extenller1600的工作原理及特点分析
4.1 Extenller1600工作原理
Extenller1600按功能分成四个区域：布料区、预压排气区、压制区以及保压释放区。工作过程如图2所示：下料斗将陶瓷粉料布设在下钢带上，经过钢带输送至进料口，粉料被逐渐压缩并排出粉料里的大量气体，然后再进入压制辊受压成型;压制成型的砖坯通过保压释放区，保证砖坯的成型质量，避免砖坯开裂;最后，压制成型的砖坯脱离钢带，送入砖坯输送线，进入下一工序。
在布料区，陶瓷粉料通过布料装置均匀布设在下钢带上，电机驱动下辊转动，带动钢带向前输送粉料，粉料随着钢带前进依次通过排气区、压制区以及保压释放区。根据不同的布料装置可以有不同的瓷砖的表面装饰方法，假如采用单色布料，后续可以通过印花、喷墨等先进技术丰富色彩图案，也可以采用数字装饰布料系统，将彩色粉料布置在基料表面上，通过数字控制系统使色料形成一层装饰图案。
布设平整的陶瓷粉料随钢带前进，进入预压排气区。因为疏松的陶瓷粉料含有大量气体，如果在预压的过程中不能顺利排出，将会导致压制出的砖坯分层，甚至开裂。在预压排气区既要完成砖坯的快速压缩又要保证气体排出充分，排气效果是决定砖坯成型质量的重要因素。Extenller1600采用双钢带连续成型系统，下钢带水平布置，在粉料入口处上钢带与下钢带形成3 ～ 15 °的入口角度α，压制的砖坯厚度不同，需要的入口角度也不相同，角度α的大小直接关系到加压速度和排气速度。因此入口角度需要柔性可调，以保证排出粉料内部气体。
压制区域是砖坯压制成型的关键区域，根据不同类型的砖坯所需要的成型压力大小不同，主油缸施加不同的压力，砖坯的致密度、破坏强度和断裂模数均与所施加的压力直接相关。压制成型的砖坯厚度由粉料的厚度和上下压制辊之间的距离控制，经过预压的粉料随着钢带一起进入压制区域压制成型。
4.2 Extenller1600的优势分析
（1）采用双钢带连续成型系统。
双钢带连续成型系统是一种成熟的压机技术， 早在1977年，联邦德国库斯特（Kusters）公司就推出了世界上第一台双钢带连续压机。到现在，经过40多年的发展，双钢带连续压机的生产性能不断提高，压机各项性能也得到大幅提升，应用十分广泛。
西斯特姆LAMGEA无模具皮带成型系统对压机进行了重大创新，但其压制成型方式仍为平板压，在压制过程中，传送带在压制区域内承受压强超过40 MPa，双钢带系统并不适用于这样的工况，钢带会在压制区域的边界处产生屈服变形而变得不可再用。与平板压制不同，Extenller1600采用辊压成型，在压制过程中钢带受到的力主要是在两压制辊之间承受到的线压力和张紧钢带产生的张紧力，这样的成型方式不会造成钢带因屈服而变形。相较于皮带，钢带具有高硬度、抗拉强度、屈服强度及低伸长率的特点。Extenller1600所使用的钢带硬度500 HV，抗拉强度1500 MPa，屈服强度1460 MPa，优良的机械性能可确保在整个成型区工段保持均衡的压力。钢带与砖坯表面直接接触，其工作面的表面状况将直接影响到成品板材的表面质量。钢带在机械性能，表面平面度等方面均明显优于皮带，优良的平面度可保证辊压机的可靠的运行，压合出的产品厚薄一致。经过测量，砖坯平面度误差≤0.1 mm。
（2）机架结构简单，加工制造容易，安装运输方便。
机架是一台压机的主要承力部件，设计时需要重点考虑强度和刚度的要求，足够的强度是压机安全性和可靠性的保证，机架的刚度则会直接影响成型砖坯的几何精度。合理的机架设计在满足机架机械性能的同时还应充分考虑加工制造工艺性及安装运输便利性。目前，国产压机以预应力钢丝缠绕结构为主，钢丝缠绕结构是目前陶瓷压机的主流结构，但是在大板压机制造上，其结构缺点却越发明显。一方面，陶瓷压机工作环境恶劣，通常是满负荷高频率运行，压机机架承受非对称循环变应力，高周疲劳是主要的失效形式，要求机架具备超强的疲劳抗力。另一方面，机架重量太重，零件尺寸太大，加工、安装运输都面临很大的困难。
生产1600 × 2600 mm规格瓷砖，按瓷质砖410 kgf/cm2的成型压力计算，采用KD16008平板压制方式需要128 MN压制力。Extenller1600采用辊压方式，其压制力与瓷砖的宽度相关而与长度无关，即使是生产1600 × 3200 mm规格瓷砖，也只需要2800 kN的压制力既可满足需求。可见，由于成型方式不同，压制陶瓷砖时所需要的压力差异巨大，传统的预应力钢丝缠绕压机机架和辊压机机架需要承受压制力相差几个数量级。
以目前国产最大吨位压机KD16008为例，其机架由4个预应力钢丝缠绕板框通过35根细长拉杆连接组成，单个板框重量在80吨左右，机架总重量335吨。而早期的两板框结构则单个零件重量就高达70 t。制造这样的大型压机，对企业的制造能力是一个巨大的挑战。一方面，大型零件难于保证铸造质量，容易出现铸造缺陷，如果探伤不彻底，就存在出現疲劳裂纹进而导致机架失效的风险。另一方面，需要大型加工设备，对加工能力，工作台承载能力要求高。并且，这样的大型设备，因为受运输和起吊设备的限制，运输和安装都面临着巨大的困难和风险。
Extenller1600机架克服了上述预应力钢丝缠绕机架的缺点，机架由上梁、下梁和上顶框组成，各零件主体为高强度结构钢，机架总重7.5 t左右，单件重量不超过1.5 t。其上下梁为板状结构，结构简单，重量小。可采用轧制或锻压钢板，避免了应用大型铸造零件的潜在风险。
钢丝缠绕机架的钢丝层采用变张力缠绕，需要专用的缠绕设备和控制系统，缠绕工艺复杂，缠绕工时长。例如，KD16008机架缠绕需要两班倒，每班2个缠绕工人工作10天左右。Extenller1600机架通过高強度预紧螺栓锁紧而成，螺栓预紧只需要液力扳手就可以精确控制预紧力，工艺简单，拧紧过程方便快捷，2个装配工人在2个小时内就能完成。预紧螺栓采用35CrMoA材料，螺纹滚压成型，栓制作工艺成熟，抗拉强度高，承载能力强，具有足够的强度储备。与KD16008承受非对称循环变应力不同，Extenller1600承受载荷为静应力。所以辊压机机架具有结构简单，加工制造方便，使用寿命长的特点。
（3）砖坯生产过程稳定可靠。
陶瓷砖坯制备主要包括布料、压制、转移三大步骤，相较于传统的平板压制成型的生产方式，Extenller1600有明显的优势，分析如下。
传统的干压式陶瓷压机采用料车与顶出配合完成布料推砖，模具闭合压制粉料，依靠增压器对主油缸增压完成加压保压过程。这种方式在生产大规格薄板时面临如下问题：①顶出缸活塞杆上升下降要求同步，否则布料厚度不一致，引起砖坯致密度差异。②多个顶出缸共同作用顶出砖坯，要求顶出缸同步精度高，顶出平稳顺畅。否则，砖坯容易因顶出缸不同步而被顶裂。③布料器前行推出砖坯。砖坯规格越大，与压机的接触面就越大，摩擦阻力也越大。在大的摩擦阻力作用下，砖坯容易被推裂。④主缸压力，活动横梁运动，脱模与填料等3大控制系统中全部应用伺服闭环液压控制技术，控制系统成本高昂。
Extenller1600采用辊压成型工艺，有效地克服了上述传统的干压式陶瓷压机的缺点。主机结构、布料方式、压制方式都与传统陶瓷压机完全不同，省去了成型模具和顶出装置等部件，稳定性和可靠性均有大幅提升。主缸施压压力控制要求相对较低，且不需要对主缸行程进行闭环控制，控制系统大大简化，降低了系统成本。
（4）节能降耗、减小污染、柔性高效。
陶瓷砖在生产时一般需要经历低压加压、排气、最终压制、保压几个阶段，根据粉料和对砖坯品质要求不同，可能需要几次低压加压和排气过程。在这个过程中，压制动梁需要空程升降几次。动梁每一次升降都需要的大量的液压油，所以能量消耗较大。大功率的液压泵站噪声大，压制过程中粉料往外喷射，对环境造成污染，工人工作环境恶劣。Extenller1600调节好压制辊高度后，主油缸只需要向下施加足够的压力，没有空程损耗。泵站不用频繁启停，节约能源。与KD16008装机功率440 kW相比，Extenller1600仅为60 kW，具有低功耗、低噪音、低污染等特点。
在砖坯规格上，Extenller1600不用切换模具，可以轻松通过调节挡边带的距离来改变压制砖坯的宽度，还可以通过后续的砖坯切割，将大砖切割为小砖，例如将1600 mm宽砖坯切割为两片800 mm宽。而通过调节压制辊高度，则可以5 ～ 20 mm范围内方便地调节砖坯厚度，具有很高的灵活性。具有高度的柔性化生产的特点。
5 结 语
由以上分析可见，相较于传统平板压成型的陶瓷砖压制设备，Extenller1600大板辊压成型系统具有结构简单、重量轻、制造工艺简单、安装运输方便、节能降耗、生产柔性化和高效的优点。相信随着辊压技术和设备研究的不断深入，辊压成型压机将会成为未来陶瓷大板成型的主流压制设备。
