纸面石膏板是一种新型建筑板材,在建筑上占有重要的地位,是一种重要的内墙和室内装修材料。
1890年,美国人欧格斯丹·萨凯(Augustion Sacket)和菲雷德勒·卡纳(Fred L. Kane)发明了纸面石膏板,并申请了专利权。1917年引入欧洲,首先在框架建筑技术比较普及的地方得到发展,如英国。时隔不久,在德国、比利时、荷兰、卢森堡、法国都相继出现了纸面石膏板在建筑中的应用。由于纸面石膏板一系列优越性,因而在工业发达国家受到普遍的重视,并得到大量的应用,美国、日本和加拿大的产量最高,美国年产达19亿m 2 以上,日本已超过5亿m 2 (见表2-5-1),以人均占有量计算,加拿大13.2m 2 、美国8.1m 2 、日本和法国4.4m 2 、英国2.6m 2 ,我国仅为0.03m 2 。
表2-5-1 主要石膏板生产国的产量(10 6 m 2 )
1978年由中国新型建材工业杭州设计研究院设计的第一条连续自动化纸面石膏板生产线正式投入生产,填补了国内空白,实现了从无到有的转变。经过十几年的发展,我国纸面石膏板的年产量已由1979年的5.6万m 2 ,增长到1994年的3040万m 2 ,见表2-5-2。现已投入生产的有8个工厂10条生产线,总设计能力为年产5600万m 2 ,其中1983年建成的北京新型建材总厂年产2000万m 2 的生产线,系从德国(西德)引进的成套工艺技术与装备,其余均为国内自行设计的年产400万m 2 纸面石膏板生产线。
表2-5-2 全国纸面石膏板历年产量
纸面石膏板作为建筑板材具有以下优点:
1.生产能耗低:用于生产纸面石膏板的胶结材料熟石膏,其单位生产能耗比水泥低78 %。
2.轻质隔热:用纸面石膏板作隔墙,重量仅为砖墙的1/3~1/4,同时,由于石膏的多孔结构,导热系数为0.35W/(m ·K),与砖、混凝土相比,隔热性能优良。
3.具有优异的防火性能:由于石膏在受热时要释放化合水,因此用纸面石膏板作的墙体,其耐火极限可达2h以上。
4.装饰功能好:纸面石膏板表面平整,板与板之间通过胶结料可牢固地粘结在一起,形成无缝结构,建筑装饰效果好。
5.可施工性好:纸面石膏板可钉、可锯、可粘,施工非常方便,用它做装饰,摆脱了传统的湿法作业,极大地提高了建筑施工效率。
6.舒适的居住功能:由于石膏的独特性能,因而具有调节湿度的能力,使居住舒适。
7.生产效率高,便于组织大规模生产。在各种建筑板材中,纸面石膏板的生产效率是最高的,比纤维石膏板、水泥板的生产效率高3~10倍,在国外已有年产量达4000万m 2 以上的装备,便于大规模生产。
8.投资低:纸面石膏板的生产设备与纤维石膏板、水泥刨花板、石棉板相比,由于连续化生产,因而设备利用率非常高,相对金属耗量小,设备投资少。
70年代的中后期,在推广轻型建筑体系来改变肥梁胖柱的传统建筑体系,以发展新型建筑材料来改革小块实心粘土砖传统墙体材料的呼声驱动下,经过积极努力,从研究、设计、制造上解决了连续自动化纸面石膏板生产的一系列工艺技术与装备问题,从而建立了发展纸面石膏板的技术基础。80年代,又集中力量解决了纸面石膏板的应用和施工安装等一系列技术问题,使纸面石膏板的配套材料和施工机具趋于完善,还制订了纸面石膏板的有关标准、规定、建筑施工的标准图集等,为纸面石膏板在建筑中的推广应用打通了渠道。进入90年代,我国的经济建设再一次腾飞,尤其是在沿海发达地区,在经济高速发展的同时,能源的制约也逐渐突出起来,在经济发展所带来的效益与节能推动下,纸面石膏板出现了迅猛增长的势头。应该看到,目前在我国的高层建筑和高级住宅中,纸面石膏板已经得到推广,但是,对于住宅的整体而言,内墙材料主要采用的还不是纸面石膏板,原因是认识不足,推广的力度也不够。然而,纸面石膏板最终必将成为非承重内墙的主导产品,这是勿容置疑的。
我国纸面石膏板行业的差距是多方面的,主要有以下几个方面。
我国现已投入的10条生产线中,除了1983年建成的引进德国(前西德)成套技术与装备的生产线,生产规模为年产2000万m 2 外,其余的生产线均为年产400万m 2 的规模。在拟建和在建的25条生产线中,包括合资建设的生产线,最大的规模分别为2000万m 2 ,2400万m 2 和3000万m 2 。
80年代初,我国引进的2000万m 2 生产线,在当时属于世界上的大型生产线。但现在世界上纸面石膏板生产线的规模已发展到年产5000万m 2 ,甚至于7000万m 2 。例如美国的几个大的石膏公司,拥有60条生产线,年产量高达20亿m 2 ,平均每条生产线的规模在年产3000万m 2 以上。足以说明生产线的规模向大型化发展的趋势。
随着规模的大型化,生产线的速度大幅度地提高。我国2000万m 2 生产线的速度为43m/min左右,400万m 2 生产线的速度为8m/min左右,美国的生产线速度已高达120m/min。
纸面石膏板工厂的能耗包括建筑石膏生产的能耗、纸面石膏板的生产能耗、其他辅助部门和设施的能耗,其中主要的是石膏粉的煅烧和石膏板的干燥这两部分的能耗,而这些能耗又是与煅烧和干燥的技术密切相关的。
就生石膏粉的煅烧来说,目前我国所采用的煅烧设备有炒锅、回转窑、沸腾炉,而且都是以煤作为热源的。煅烧的能耗普遍较高,煅烧熟石膏粉的热耗为1758.1kJ/kg左右,引进的生产线约为1339.5kJ/kg左右。
国外在煅烧的技术与装备上有了很大的进展。例如:在原来连续炒锅的基础上增设了能量的再利用系统,有的在锅内埋入煅烧器,有的将热气直接进入锅内进行热交换等。另外,值得注意的一种设备是集石膏的粉磨和煅烧于一体的彼得磨,生石膏粉在磨内的热气流下,进行连续地研磨和煅烧制取合格的熟石膏粉。由于省去了传统的粉磨系统,使整个原料加工系统十分简单,国外有的工厂甚至将整个煅烧磨系统全部安装在户外(无冰雪地区)。因此,这种设备在石膏板工厂得到推广和应用。
由于采取了上述先进的技术与装备,煅烧每公斤熟石膏粉的热耗达到837.2~1046.5kJ的先进水平。
就石膏板的干燥来说,目前国内的生产线普遍采用以蒸汽作为干燥机的热源,经热交换后,将热空气送入干燥机内,以纵向逆流与顺流的方式脱去板中的一定水份。引进的生产线采用导热油为干燥机的热源,其蒸发每公斤水的热耗约为3767.5kJ,国产生产线的干燥机热耗则高达5860.5kJ左右。
国外在石膏板干燥技术上也有很大的进展,普遍采用天然气或油为干燥机的热源,经燃烧后产生的燃气直接进入干燥机,与石膏板进行热交换。在气流循环的方式上,又出现了横向气流循环的方式,有的公司推出了能量的最优化系统,以及余热的回收利用系统等。另外在结构上十分重视保温的效果,使干燥机的外壳温度基本上接近于环境温度。由于采用了这些新技术,使蒸发每公斤水的热耗降低到2720.9~3139.5kJ的先进水平。
纸面石膏板的质量是综合性的,从1995年国家质检中心对国内石膏板产品的质评看,在纵向横向的断裂强度、含水率、外形尺寸偏差、护面纸的粘结性能、单位面积质量等基本上达到了国家标准的优级品指标。但是存在着外观质量差、外部形状不规范、表面划伤多、边部漏浆等缺陷。
国外生产线所选用的石膏品位一般均在90 %左右,护面纸的专用性强,发泡剂质量高,这些都是高质量石膏板的先天条件。板的重量较轻,例如:美国9.5mm厚的板,每平方米重量约为7kg,12.7mm厚的板约为9.16kg,石膏板表面的平整度也很好。美国新建的住宅,几乎全部采用纸面石膏板作为内墙材料,嵌缝抹平后可直接喷刷涂料,无须抹面或贴各种饰面材料。
国内产品质量虽然比过去有很大提高,按1995年实际检评,基本上都可达到国标的优级标准。但是,国标所规定的标准毕竟还是低水平的,例如板的重量,9mm厚的板其优级品标准为8.5~9.5kg/m 2 ,12mm厚的板为11.5~12.5kg/m 2 ,所以差距还是很大的。
在成型的工艺技术与装备方面,国外也有很大的进展。首先在搅拌机的结构上有了很大的改进,使料浆搅拌得更为均匀,出料更为流畅,设备运转更为稳定。同时,为了适应纸面石膏板在施工安装上的需要,增加了板边部的强度,除了主搅拌机外还附设硬边搅拌机,使边部料浆的稠度高于中间部位约20 %~30 %,这样使边部充实得更好,强度更高。
其次,普遍采用了板式挤压成型技术,便于板面的平整和宽度与厚度的调整,使成型的质量得到进一步的提高,消除了在传统方式下料浆在成型辊前的大量堆积、工人刮浆的频繁操作。当然,对配料、水膏比、料浆的稳定性也提出了更高的要求。
再次,采用动态发泡系统,使发泡的效果更好,在相同石膏品位的前提下,板的重量降低强度提高,节省物料减轻自重。
最后,对成型站的生产参数、配方、称量、生产线的速度等实行相关工艺参数的协调运转,以实现高质量的稳定生产。
国内80年代引进的2000万m 2 生产线,就其控制技术水平来说,在当时是处于先进的水平,按生产线的三个不同区段,采用了PLC控制。在石膏板出干燥机后直到成品堆垛,还运用了模拟量的运算、数码移位控制技术、干燥机温度曲线的控制等等。
国内自行设计的生产线,在70年代末到80年代,基本上都采用继电接触控制系统、直流驱动、常规仪表控制等。但在进入90年代,已经普遍采用了分区段的局部PLC控制,交流变频拖动与智能式仪表等。
近年来,国外的生产线已经采用分布式计算机控制系统,使生产控制趋于系统化和网络化,并辅助以工业电视装置。尤其是对成型站的各项工艺参数,干燥机的温湿度都实施综合控制与调节,为生产者提供详尽的信息和充分的调控手段,以实现石膏板生产高质量、低能耗、连续稳定运行的目的。
以上这些差距,或者称谓差别,绝不是妄自菲薄,而是期望在已有的基础上再提高一步。我国有丰富的石膏资源,石膏的年产量居世界的第四位,除了国内市场外还有国外市场需要去占领。复关以后,国外产品进入国内市场,必将引起剧烈竞争,我们不仅有必要而且也完全有能力,经过扎实努力的工作,使我国的纸面石膏板达到国际先进的水准。
我国的纸面石膏板已经取得了长足的进展,而且发展的前景很好,市场容量很大。怎样抓住机遇,加快发展的步伐,是一个值得思考的问题。在这里提出几点看法。
我国现在的10条生产线中,北京市3条,山东省4条,哈尔滨、沈阳、西安各有1条;在拟建和在建的25条生产线中,华东地区16条,华北地区有3条,中南地区有5条,西南地区有1条。所以从地域上看,发展还是相当不平衡的,例如广东沿海地区要用石膏板,还得从北京长途运输,甚至于依赖进口。生产线的建设靠近石膏矿,固然有很多有利的条件,但如果地域性的市场容纳不了,势必要引起产品的长途运输。从全局来看是长距离运输矿石,还是长距离运输成品,这是一个值得考虑的问题。目前考虑,应逐步向东南沿海和中西部地区发展,在那里建设生产线,然后逐步形成各地区的生产基地,由此向地域性市场辐射。
目前世界上生产线的规模,总的趋向是大型化,发挥投资省、效率高、经济性好的优势。我国已经投产的生产线中,2000万m 2 的仅1条,在拟建和在建的25条生产线中,3000万m 2 的1条,2400万m 2 的1条,2000万m 2 的4条,其余均为年产400万m 2 的小型生产线。
由于纸面石膏板的市场旺销,经济效益好,因此年产300万m 2 以下,甚至年产50万m 2 以下的微型生产线,一般都是半机械或手工作业方式,能耗高、效率低、质量不稳定,但是其产品在地域范围内,尚有生存力。如果任其发展必将造成不良的后果,这种情形过去在建材行业中是有过教训的,对那些小型甚至微型规模的生产线,应进行引导,不宜任其发展。
建议有重点地发展年产1000万m 2 以上的生产线规模,同时着手准备合资或国内投资,以局部引进或全线引进的方式,建设5000万m 2 的生产线。如同70年代末建成第一条400万m 2 的生产线,80年代初着手引进2000万m 2 的生产线一样,必须抓住时机,加快发展以大中型生产线为龙头的纸面石膏板行业。对现已建设的年产400万m 2 等级的生产线,则侧重于逐步进行技术改造,使之不断完善,提高质量,扩大产量。
护面纸是纸面石膏板的主要原材料,对石膏板起着十分重要的骨架作用,石膏板的质量很大程度上取决于护面纸的质量。国内的护面纸在质量、强度、透气性等方面,跟国外相比尚有很大差距。国外的大公司,都有自己专用的护面纸生产工厂,根据不同用途生产出不同性能的护面纸,例如普通型护面纸、高强型护面纸、电梯井用护面纸等。护面纸的面纸和底纸,都采用不同的工艺配方来制造。
国内护面纸不仅在质量上有差距,而且在产量上也跟不上发展的需要,这个问题如果不能很好解决,很可能成为发展纸面石膏板的制约因素。每平米石膏板护面纸的需要量约为700g,一条年产400万m 2 的生产线,护面纸年用量约为2800t,而2000万m 2 的生产线相应为14000t,其用量之大是可观的。如果到2000年纸面石膏板的需用量按低限1.4亿m 2 计,则护面纸的用量相应为98000t。
目前国内仅有2家生产石膏板护面纸的工厂,一个是湖南建材纸厂,一个是山东郯城纸厂,总的设计能力约为年产35000t,远远满足不了纸面石膏板发展的需要。
纸面石膏板护面纸的专用性很强,建议有关部门进行整体规划,并配备相应的科技力量,进行专门的研究和开发工作,以提高护面纸的质量和产量。
我国石膏板工厂基本上是以煤作为能源,国外均以天然气或油为能源。国内生产线能源的变换方式,通常是用燃煤锅炉生产蒸汽供给干燥机,或者燃烧热油锅炉生产导热油供给干燥机,或者煤制气供给干燥机和煅烧设备等方式。要研究能源的最佳方式及相应的煅烧和干燥技术,以适应国家能源结构,保持技术的先进性。
对于石膏板工厂的煅烧设备和干燥设备,建议通过引进消化吸收或者中外合作设计等方式,以达到真正掌握从热工机理开始的一系列理论与技术问题,使工艺技术和装备达到国际先进水平。
研究和开发关于纸面石膏板生产中各种外加剂及其工艺配方,以达到节能降耗提高质量为目的。
建议在九五期间组织科技攻关,开发出一条具有相当规模的,既能结合国情便于推广又能达到90年代国际水平的生产线。
目前全国各地都制订了政策法规,来加快新型墙体材料的发展。随着新型墙体材料在设计选用、施工安装、产品质量数量方面的提高和完善,为建筑产品提供了越来越多、越来越成熟的材料。在这种条件下,政策调控的力量也应该随之加强,真正起到促进的作用,加快新型墙体材料替代传统材料的速度。