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探讨节能生产刨花板的关键技术和设备

发布日期:2019年10月18日 浏览:2233次

摘要:重点介绍了高强度刨花板生产线从原料制备到铺装成型工序所必备的关键技术和设备。已经投产的刨花板生产线可通过工艺技术升级改造,使较终刨花板制品剖面密度分布明显改善,板边部均匀密实,板材的内结合强度、静曲强度、握螺钉力等力学性能显著提升,同时降低胶黏剂等物料消耗,为企业节能增效。

近年来,我国定制家具产业蓬勃发展,带动了定制家具上游人造板产业的快速发展。由于刨花板具有良好的力学性能、尺寸稳定性和易加工饰面等优点,被广泛地应用于定制家具生产中。随着消费者对居家空间设计和利用率追求的提高,根据室内空间设计的要求,定制家具柜体设计有时需要加宽或加高。但是,在传统定制家具的设计中,由于刨花板静曲强度不高,柜体内跨度较大时板材承压后抗弯曲能力明显下降,需要使用五金件或加强件来辅助提高其承载能力。如何提高刨花板的静曲强度,突破板材对定制家具设计的限制,长期以来一直困扰着设计师们。由此一种密度低(约600kg/m3)、强度高(静曲强度17MPa左右)的高强度刨花板应运而生。

高强度刨花板又被业内人士称为“很强刨花板”,其较初是在2016年刨花板产业发展研讨会上,由迪芬巴赫(Dieffenbacher)集团的刘守华先生根据实验室的较新研究结果提出的。这种理念一经提出就得到很多与会专家和企业家的响应,很快就有生产企业开始尝试并取得阶段性的成功。丰林集团在南宁筹建新刨花板生产线时,就优先考虑了全线按照高强度刨花板进行规划设计。该生产线由德国迪芬巴赫公司进行整体工艺设计,备料采用了旗下迈耶(Maier)公司的两工段大刨花制备工艺,单通道落料箱式滚筒干燥机,特殊设计的大刨花气流分选机(风选机)和调拌胶计量系统,优化升级的表层气流铺装机和芯层鼠笼辊铺装机,迪芬巴赫新型预压机和CPS连续压机。该生产线于2018年3月14日投产,成为中国乃至世界上条真正意义上的高强度刨花板生产线,产品一经投产就得到市场的认可,在刨花板创新发展上起到了很好的引领和示范作用。

1 原料制备

原料制备是生产高强度刨花板的关键工序之一,传统的刨花板生产工艺中,备料工段使用两工段技术,削片机削出来的木片长度大约30 mm,木片的长度决定了刨片机出来的刨花长度。要得到高强度刨花板生产需要的薄而长的扁平刨花,则需对削片机和刨片机进行改良。首先,需要削片机能够生产出长度在70mm左右的大木片。其次,把削出来的大木片经过筛选除杂后加工出长度约70 mm的大片刨花。现以迈耶公司的两工段大刨花生产技术为例进行简要介绍,该技术为迪芬巴赫的全球专利技术(在中国的专利号是CN1313253C)。图1为迈耶两工段大刨花制备技术示意图。

1.1 两工段大木片的生产

木材原料通过抓车送入链条运输机或振动上料器,经过皮带运输机和分级式筛选机,使得物料中一些小的树皮和石头等从分级式筛选机的钻石辊间隙掉落并被收集后运走,在分级式筛选机后用磁铁除铁器剔除混入木料中的铁质金属,将木料直接输送进入到改进型的鼓式削片机里进行削片。

迈耶公司生产的鼓式削片机,刀辊经过优化设计,具有自动调节平衡功能,可把短木头、锯材边皮、枝丫材等次小薪材和回收的废弃木材加工成所需要尺寸的大木片。迈耶公司制造的型号为HRL-OSB 1600/600×1200-11 EW的鼓式削片机,单机生产能力为53 t/h(木片绝干质量),可更换削片机底部筛网,通过变频器来调节进料速度,用一台削片机,既能生产出适用于高强度刨花板生产所需的长度70 mm左右的大木片,也可生产适于定向结构刨花板生产的长度150 mm左右的大木片。

1.2 两工段大刨花的生产

加工后的大木片,再经过一个木片分级筛,进一步筛出里面的杂质后进入木片缓冲料仓。如果生产环境条件允许,建议在木片筛选后增加一道木片水洗工序,将木片在80℃左右的热水中进行水洗,其作用主要是洗掉木片中砂石和泥土,同时对所有木片进行匀湿。若木材原料中有回收废弃木材,与新鲜木材混合时,木材的含水率不同,经过匀湿后木片的含水率相对接近,便于刨片机刨切。缓冲料仓中的大木片再通过料仓底部螺旋出料机构送入刨片机加工成大刨花,大刨花通过皮带运输机送入湿刨花料仓。

图1 迈耶两工段大刨花制备技术示意图

图1 迈耶两工段大刨花制备技术示意图

迈耶公司生产的MSF 1500 SKR 64型刨片机,设计构造独特,转子底刀进行了创新设计,通过优化底刀数量、调整底刀与刀环角度(见图2)和采用360°均匀布料系统和静置刀环技术,在叶轮高速旋转的作用下,获得足够的离心力把大木片紧紧地压在固定刀环的耐磨板上(见图3),获得了较优化的切削环境,并且大刨花从刨花排料通道排出时不会产生摆动、弯曲、压碎等情况,从而得到高质量的大刨花。在切削过程中,木片长度方向上几乎没有损失,能够切削出长条、大片的宽平刨花。

图2 迈耶刨片机内部结构

图2 迈耶刨片机内部结构

 

图3 迈耶刨片机大刨花切削示意图

图3 迈耶刨片机大刨花切削示意图 

 

与传统的长材刨片机相比,两工段刨片制备技术加工出来的刨花长厚比好。另外,与长材刨片机加工制备的长方形刨花(见图4)不同,两工段刨片制备的刨花边部不规则、不成直角(见图5),有着显著的更加均匀的张力过渡,使得板材的内结合强度、静曲强度和握螺钉力得到了明显提升,不但可以生产高强度刨花板用刨花,而且通过调整设备结构可生产长度150 mm左右的定向结构刨花板用刨花

图4 长材刨片机制备的大刨花

图4 长材刨片机制备的大刨花 

图5 迈耶两工段刨片制备的大刨花

图5 迈耶两工段刨片制备的大刨花

 

2 刨花干燥

刨花板生产过程中对干燥后刨花含水率的控制要求比较高,一般在2%左右。这就要求干燥机的设计既要满足芯层大片刨花的干燥,又要满足表层细小粉末状刨花的干燥,同时还需要考虑各种含水率不同的原材料在同一台干燥机内完成干燥并较终得到相对均衡的含水率。迪芬巴赫集团旗下申克曼皮尔(SPE)公司的单通道干燥机,通过干燥筒前“Ω”型预干燥和重物分离装置,可实现不同含水率的原料分别进料和对高含水率刨花进行预干燥。整个干燥过程分为预干燥、干燥和物料均衡3个阶段,通过干燥设备的独特设计,可以保证刨花干燥较终含水率在2%左右 [2]。独特的卸料箱式出料(见图6)替代旋风分离器式出料(见图7),与旋风分离器式出料相比不仅操作方便,投资少、节省能耗,而且可以保证大片刨花完整不被旋风气流破坏。干燥主风机设计在细料回收旋风分离器之后,减少刨花与风机叶片接触摩擦,大大地延长了主风机的使用寿命。同时由于刨花与风机叶片接触的概率降低,也大大减少了刨花粘附风机叶片引起的主风机动平衡不协调而造成的停机,保障了设备的有效运行时间,从而进一步提高了生产效率。

另外,湿刨花通过一个进料转阀后进入到干燥机,该转阀在设计时需要考虑大刨花的通过量,以防止大刨花在转阀处堵塞。

图6 卸料箱式出料的干燥机

图6 卸料箱式出料的干燥机  

 

图7 旋风分离器式出料的干燥机

图7 旋风分离器式出料的干燥机  

 

3 刨花筛选与风选

3.1 刨花筛选

刨花筛选通常使用机械方式,常见刨花筛选使用矩形摆动筛,通过摆动筛筛网不同的网孔尺寸将刨花按照其几何尺寸进行分类。一般使用3层筛网,分离出来的刨花分为4类:粉尘、表层刨花、芯层刨花和过大刨花。其中,表、芯层刨花直接用于生产,粉尘因含沙石量较多基本上送入能源工厂当作燃料处理,过大刨花则被送入打磨机再次打磨。

刨花在筛选过程中需要把筛选机的顶层网更换成较大网孔的筛网,以便把合适的片状刨花保留到芯层原料中。根据生产经验,筛网的网孔尺寸需要适当放大。另外,当顶层筛网网孔加大后,原来部分筛选出的过大刨花进入了芯层料中,这样经打磨机变成细表层料的过大刨花会减少,需要考虑在筛分出来的芯层刨花出料处做一个分料机构,以便表层料供应不足时补充一部分芯层料到打磨机。

3.2 刨花风选

筛分出来的表、芯层刨花需要经过风选机进一步剔除刨花中的沙石、异物以及不合格的杆状刨花,尤其是生产用于定制家具制造的刨花板,因为刨花中含有的沙石、金属等异物会损伤刀具,缩短刀具的使用寿命,从而影响生产效率。

下面以迪芬巴赫SPE公司生产的R型刨花风选机为例,简要介绍其工作原理。气流通过风选机底部进入,经由气流分配板和气流均布网后进入风选室,刨花自风选机顶部转阀进入风选室,通过底部进入的气流把刨花快速分散并悬浮起来,刨花厚度合适,悬浮比符合要求的刨花随气流经过顶部侧面的出口由旋风分离器分离后进入干刨花料仓。厚度偏厚,悬浮比偏大的刨花会落在层筛网上,在旋转拨料臂的搅动下,刨花被气流重新吹起来进行再次风选,反复几次后仍然不合格的刨花通过风选室中部的排放口排出并送到打磨机。沙石和杂质则直接穿过层筛网和底部的气流均布网,由底部的清洁毛刷收集后经过螺旋运输机排出。

在高强度刨花板生产过程中,由于芯层料中含有大片刨花,需要对风选系统重新设计,以适应大刨花被顺利风选。需要增加进入风选机的风量,并优化风选机底层气流均布网的孔径以提高风选机内的气流速度。另外如果原料中使用废弃家具或者城市回收木材时,建议考虑将风选机剔除的很厚刨花进一步筛选,以剔除塑料,橡胶等异物。

4 刨花施胶

经过计量后的表层干刨花被送入一个带冷却系统的圆筒形拌胶机内,在拌胶机中心装有带冷却拌胶爪的旋转轴,带冷却的拌胶爪把胶水、石蜡、固化剂等各种原料与刨花搅拌完成刨花的施胶。

高强度刨花板生产中,芯层刨花施胶一般会选用低转速拌胶机,如迪芬巴赫DPF公司生产的CB90/50 CL型低速拌胶机,圆周线速度约20 m/s。因为生产高强度刨花板的刨花中有很多长且扁平状的大片刨花,这种刨花经过干燥后含水率低,刨花自身的韧性变差,若经过拌胶机的高速搅拌容易把刨花形态破坏。低速拌胶机为了达到拌胶均匀的效果,通常会对拌胶机进行特殊设计,比如配备加长尺寸的拌胶仓体,以延长刨花在拌胶机内的停留时间,同时拌胶爪的低速运转将刨花的离心运动降低,起到既不破坏刨花形态又能拌胶均匀的效果。整个拌胶机从进料到出料可分为4个区域,即进料区、施胶区、拌胶区和出料区,相应区域根据功能不同,拌胶机内部的结构也会不同。进料段设计为防冲击系统,用螺旋取代了部分拨料浆(见图8),刨花被平滑地送入拌胶机,不会让大刨花遭到机械冲击而破坏,刨花在此区域会形成一个均匀的刨花环。

图8 低速拌胶机螺旋进料系统

图8 低速拌胶机螺旋进料系统

 

5 刨花铺装

拌胶后的刨花被分别送入铺装站的表、芯层计量料仓,再通过各个铺装头分别进行铺装。整个铺装过程通过设定的板材密度、素板厚度以及在线监测的含水率等参数,由计算机内部通过程序运算进行精准计量铺装。对于高强度刨花板生产来说,表层刨花铺装无论是机械铺装方式(钻石辊)还是气流铺装方式,对设备和工艺技术要求与普通刨花板没有明显的差异,但是对于芯层刨花的铺装需要注意以下几个方面。

5.1 胶团分选器

一般芯层刨花在进入计量料仓前都会安装一个胶团分选装置,以对结团刨花进行分选。需要对分选器进行调整,以保证大片刨花的顺利通过。以常见的盘式分选器为例(如图9),与普通的刨花板生产设备相比,需要把盘片间隙适当加宽。

图9 盘式分选器

图9 盘式分选器

5.2 铺装计量料仓

因为芯层刨花中有大量的大刨花,铺装机计量料仓内刨花堆积密度会发生微小的变化,为了消除刨花堆积密度波动带来的影响,保证铺装的效果和精度,建议选用带有称重计量单元的计量料仓。迪芬巴赫新的计量控制理念是根据刨花需求量来控制铺装出料量,即需要多少就给多少。铺装精度取决于板坯重量控制的精确性,把刨花称重与计量料仓直接联系起来,以减少铺装头环节带来的滞后影响,在铺装计量料仓中实现对板坯重量的控制。安装在铺装计量料仓底部的计量皮带秤可根据刨花容重变化的偏差及时调整下料量,从而实现精准控制,由铺装头直接完成刨花铺装形成板坯结构。这项技术减少了由于刨花容重变化带来的铺装精度误差,从而使整体铺装精度得到提高。

其次,在铺装带上设置总板坯秤,如果出现板坯整体的重量偏差,总板坯秤将分别提供信号给各个铺装头计量料仓,让所有的计量仓计量皮带同步按设定的比例进行调整,以实现快速对铺装板坯重量的调整,避免了生产线在产品厚度更换和生产启动时因为铺装调整时间长而带来不必要的刨花消耗[3]

5.3 芯层铺装头

高强度刨花板区别于普通刨花板主要体现在其断面结构上。铺装工艺设备的选择对高强度刨花板的结构影响较大,尤其芯层铺装技术是生产高强度刨花板的关键。高强度刨花板目前推荐的铺装技术,是采用表层气流+芯层鼠笼抛撒辊组合技术,在连续平压法高强度刨花板生产中,以表层气流、芯层使用鼠笼辊的气流+机械式组合技术应用较为广泛。迪芬巴赫鼠笼辊(申克型)铺装头,适合芯层长刨花的铺装,通过速度和角度可调的布料辊和分料齿板调节较佳的刨花流分布,得到大小刨花均匀混合的芯层刨花均质结构(如图10),使得刨花板有较高的内结合强度和静曲强度,节约了胶黏剂等物料消耗,降低生产制造成本。

图1 0 鼠笼辊铺装机可以把大小刨花均匀铺装

图1 0 鼠笼辊铺装机可以把大小刨花均匀铺装  

图1 1 高强度刨花板与普通刨花板板边对比

图1 1 高强度刨花板与普通刨花板板边对比 

6 高强度刨花板的技术优势

6.1 高强度刨花板的应用实例

两工段高强度刨花板生产技术已经在中国叶集丽人木业公司、台山威利邦木业公司、丰林亚创(惠州)人造板公司等多条刨花板生产线上应用并取得很好的效果。其中广西丰林集团在丰林亚创(惠州)技改项目成功的基础上,将很强刨花板技术全部应用于南宁新建的刨花板生产线设计和建设,该生产线一经投产就获得很好的预期效果,产品无论理化性能指标还是外观应用都获得索菲亚、欧派等定制家具的认可,并在业内获得了很高的关注度,也一度成为后续刨花板生产线设计的参考样板。根据索菲亚研究院CNAS认证实验室出具的检测报告显示:产品厚度为18mm,密度为614 kg/m3时,其内结合强度0.52 MPa、静曲强度15.1 MPa、弹性模量2570 MPa,其余力学指标均优于国家标准GB/T 4897—2015《刨花板》中干燥状态下使用的承载型刨花板的要求。

在生产中,高强度刨花板能降低胶黏剂等相关物料消耗。实践证明,通过高强度刨花板工艺优化后,可将刨花板密度降低10~50 kg/m3,仍有密度660 kg/m3普通刨花板所具有的力学性能。如传统工艺生产的厚度18 mm、密度660 kg/m3的刨花板,可用630 kg/m3的高强度刨花板来替代,这样在制造过程中不但节省了木材、电耗、热能和胶黏剂等原材料,而且刨花板的重量更轻。这里以年产30万m3的高强度刨花板生产线为例,若平均密度降低30 kg/m3,核算其节约的生产成本如下:

300 000 m3×30 kg/m3=9 000 t,按照成品板6%的含水率计算后得到年原料节约总量为8460t。参考当前市场价格,木材原料按照900元/t(绝干),E0级固体含量为65%的脲醛树脂生产直接成本为2 200元/t,木材原料占比为92%,胶黏剂占比8%,其余原辅料忽略不计则:年节约木材成本8 460 t×92%×900元/t=7004880元,年节约胶黏剂成本为(8460t×8%/65%)×2 200元/t=2290708元。以上两项合计总共降低成本约930万元/年,带来的经济效益非常显著。

6.2 高强度刨花板的优势总结

高强度刨花板生产中,应用薄而长的刨花后力学性能得到明显的提高,主要在于长刨花本身的抗弯强度较高、可塑性大,在热压时容易被压实,刨花之间接触紧密,增加了刨花之间的胶合。因此,应用薄而长刨花作为刨花板的芯层料来生产高强度刨花板,具有以下的优点及效果:

1)板材的强度高、物理力学性能好,有较高的内结合强度、静曲强度、弹性模量和握螺钉力。

2)薄而长的刨花,不仅可以节约刨削刨花的用电消耗,而且刨花大而薄且表面平整光滑,有利于节约胶黏剂的消耗量和提高胶合强度。

3)刨花板的尺寸稳定性得到改善,2 h吸水厚度膨胀率小。因为,刨花长厚比较大,而且在热压过程中板坯压缩比较大,木纤维的细胞空隙被压缩,胶黏剂能很好地分布在刨花表面并热压固化,从而改善刨花吸水后的膨胀率。

4)板材边缘均质、密实,空隙小,刨花板的机械加工性能好,二次加工时不易崩边,板侧边封边加工后更光滑平整。

5)高强度刨花板市场应用范围更广泛,在市场上更有竞争力,可创造更高的产品附加值。

6)可优化生产工艺,通过使用一定量的大片状的薄刨花(刨花平均厚度为0.7 mm),可以制得更高物理力学性能的板材。

7 结论

在全屋定制以及橱柜衣柜等家具、室内木门制造企业的引领下,加上生态环保,低碳节能的消费导向,刨花板因板材性能优良、生产能耗低、原料适应性广及其可以高效利用木质资源,可持续发展等特点,被广泛地推广使用。随着消费者认知度的不断提高,对产品和居住环境要求日趋严格,促使生产企业不断提升产品质量满足市场特殊领域的需求,而高强度刨花板作为一个创新的产品,其所特有的性能,势必为刨花板产业的发展和提升注入新的活力,为刨花板产业发展带来生机。

另外,高强度刨花板虽然得到了市场的普遍认可,但是目前还没有相关标准对高强度刨花板进行明确的定义,希望随着这个新产品在市场上影响力不断扩大,高强度刨花板的标准也能尽快出台。

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