（材料加工工程专业论文）空心砖芯具结构改进及其材料制备工艺研究.pdf

摘要 空心砖是近年来建筑行业的常用墙体主材，由于其强度高、质轻、保 温、隔音降噪和环保，是框架结构建筑物的理想填充材料，目前已成为国 家建筑部门优先推荐的产品。 本文首先对常见空心砖的生产原料、设备和工作流程进行一定的概 括，对比分析了国内外空心砖的生产状况，指出了我国目前空心砖生产中 存在的主要问题和难点，本文的主要研究工作是空心砖成型模具的改良。 空心砖芯具是空心砖成型模具的关键部件，芯具一般由芯头、芯杆、 芯架三部分构成。在空心砖挤出成型过程中，芯具承受着剧烈的挤压和磨 粒磨损，其中以芯头和芯杆的磨损最为严重。目前生产中常见的空心砖芯 具主体以焊接方式连接，选用具有一定耐磨性和焊接性的材料制作而成。 第二部分提出本文三次实验材料的选择、相关实验设备、以及实验的 工艺流程和参数设置。 第三部分指出了原有芯具结构存在的问题，即焊装结构的选材要求导 致的芯具整体寿命短的局限。为此，将芯杆和芯架从原来的焊接改为机械 连接，同时芯座也可设计为整体铸造。 第四部分提出了空心砖芯具各部件的选材优化和对芯具材料的工艺 处理方案：选用z g 5 0 s i m n c r n i m o 进行芯架整体铸造，采用c r l 2 t d 渗钒 处理和强韧化处理代替焊接性能较好而耐磨性不足的2 0 m n 制作芯头和芯 杆固定板；选择5 0 c r v a 钢制作芯杆，应能兼顾对其韧塑性和耐磨性的工 况要求。 第五部分介绍了全新设计芯具的制各工艺，芯杆和芯头经前处理后， 进行t d 渗钒( 硼砂盐浴9 6 0 枣4 h ) ，配合后续热处理，制备出满足要求 的芯具部件。 最后对新制备的空心砖芯具样品材料进行了相对耐磨性测评，试验 结果表明，在砂浆磨损试验条件下，与2 0 m n 钢( 未处理，e = 1 ) 相比， c r l 2 钢t d 渗钒( = 6 4 5 ) 和2 0 m n 钢镀硬铬( = 5 1 9 ) 具有优异的耐 磨性能：而y t l 4 硬质合金( = 1 5 5 ) 和9 5 氧化铝陶瓷( = o 9 3 ) 对耐 磨性能的提升作用不理想。 本文研究表明，芯具结构由焊装结构改为机械连接，一方面可灵活选 择耐磨性优异的材料并便于表面改性和强韧化处理，另一方面当芯具部件 磨耗后便于及时更换，有利于空心砖挤出的高效生产。改进后的芯具采用 t d 渗钒和相应热处理对提高空心砖挤出成型模具的使用寿命有显著作用。 关键词：空心砖，芯具，耐磨性，焊装结构，机械连接结构，砂浆磨损试验 a b s t r a c t h o l l o wb r i c k sa r ec o m m o n l yu s e di nt h ec o n s t r u c t i o ni n d u s t r ya st h em a i n w a l lm a t e r i a li nr e c e n ty e a r s ，a n db e c o m ea l li d e a lf i l l i n gm a t e r i a lo ff r a m e c o n s t r u c t i o n b u i l d i n g s ，b e c a u s e o fi t s h i 曲s t r e n g t h ，g o o ds o u n d p r o o f p e r f o r m a n c e ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n & l e s sp o l l u t i o n n o wi th a sb e c o m et h e f i r s tr e c o m m e n d e dp r o j e c t b yo u rn a t i o n a lb u i l d i n gd e p a r t m e n t f i r s t l y , t h i sa r t i c l es u m m a r i z e dp r o d u c t i o nr a wm a t e r i a l s ，e q u i p m e n t sa n d w o r kf l o wo fh o l l o wb r i c k i tw a sp o i n t e do u tt h a tt h em a i np r o b l e m sa n d d i f f i c u l t i e se x i s t e di nt h e p r o c e s so fh o l l o wb r i c kp r o d u c i n ga r e rb e i n g c o m p a r a t i v ea n a l y s i st h eh o l l o wb r i c k s p r o d u c t i o nc o n d i t i o n sb e t w e e no u r c o u n t r ya n do t h e rc o u n t r i e s t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rw a sm a i n l yi n c l u d e dt h e i m p r o v e m e n t so fh o l l o wb r i c kf o r m i n gd i e s t h ec o r et o o l so ft h eh o l l o wb r i c ka r et h ek e y c o m p o n e n t so ft h ee x t r u s i o n f o r m i n gm o l d c o m p a r i n gw i t ho t h e rp a r t so ft h em o l d ，t h ec o r et o o l s ， e s p e c i a l l yc o r eh e a d sa n ds t i c k s ，s u f f e r e df r o mm o r es e v e r ea b r a s i o n n o wt h e m a i nc o n n e c t i o no fh o l l o wb r i c k si sw e l d i n gw i t hs o m ew e a r a b l em a t e r i a l s t h es e c o n dp a r tp r o p o s e dt h et h r e ec h o i c e so fe x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s ， r e l a t e dl a b o r a t o r ye q u i p m e n t ，e x p e r i m e n t a lp r o c e s sa n dp a r a m e t e rs e t t i n g si n t h i sp a p e r t h et h i r dp a r tp o i n t e do u tt h ep r o b l e m so fc o r et o o l sb yt h eo r i g i n a lc o r e t o o l ss t r u c t u r e ，n a m e l yt h ew h o l et o o l ss h o r tl i f ec a u s e db yl i m i t a t i o n so ft h e c o n t r a d i c t i o no fw e l d i n gs t r u c t u r e s ow ei m p r o v e dt h es t r u c t u r ec o n n e c t i o n f r o mw e l d i n gc o n n e c t i o nt om a c h i n e r yc o n n e c t i o n ，a tt h es a m et i m et h ec o r e b l o c kw a sd e s i g n e dt oi n b l o c kc a s t t h ef o u r t hp a r tp r e s e n t e do p t i m i z a t i o no fm a t e r i a ls e l e c t i o no fe v e r yp a r t o ft h ec o r et o o la n df o l l o w u p t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s i n gp r o p o s a lo ft h e s e m a t e r i a l s i n b l o c kc a s to ft h ec o r eb l o c ks e l e c t e dz g 5 0 s i m n c r n i m o ，u s i n gt h e c r l2 t d v a n a d i z i n gt r e a t m e n ta n ds t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n gi n s t e a do fc o r e h e a da n ds t i c kw h i c hi sm a d eo f2 0 m na n dw i t hb e t t e rp e r f o r m a n c eb u tl e s s w e a r i n ga b i l i t y ；a n dt h ec o r es t i c km a d eo f5 0 c r v as t e e lc o u l da l s om e e tt h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to fb o t hp l a s t i cd u c t i l i t ya n dw e a rr e s i s t a n c e t h ef i f t hp a r ti n t r o d u c e dt h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo ft h en e wd e s i g n e d c o r et o o l s ，a n dt h i st e c h n o l o g yw a sm a i n l yt od e a lt h ep r e - p r o c e s s m gc o r eh e a d a n ds t i c kw i t ht dv a n a d i z i n gt r e a t m e n t ( b o r a xs a l tb a t h9 6 0 。c 木4 h ) ，t h e nc a r r y o nt h ec o r r e s p o n d i n gf o l l o w u pt r e a t m e n t ，s oa st og e te a c hp a r to f c o r et 0 0 1 w h i c hi ss a t i s f yar e q u i r e m e n t a tl a s t a s s e s st h en e wc o r et o o l so ft h eh o l l o wb r i c kb yr e l a t i v ew e a r i - e s i s t a n c e ee v l u a t i o n t h er e s u l to ft h et e s tf o u n dt h a ti nt h es i t u a t i o no f s a l l ds l u r r ya b r a s i o n ，c o m p a r i n gw i t h2 0 m ns t e e l ( u n t r e a t e d = 1 ) ，c r l 2a st d w i t hv a n a d i u m ( 娟4 5 ) a n d2 0 m np l a t i n gw i t hc h r o m e ( = 5 1 9 ) p e 响m a i l c ee x c e l l e n tw e a rr e s i s t a n c e ；b u ty t l 4 h a r da l l o y ( = 1 5 5 ) a n d9 5 a l u m i n ac e r a m i c s ( - - 0 9 3 ) h a dl i u l e c o n t r i b u t i o nt oi m p r o v ew e a r r e s i s t a n c e t h er e s u l t so ft h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rs h o w e dt h a tb e c a u s eo f c o r et o o l s m e c h a n i c a la s s e m b l yr e p l a c ew e l d i n gs t r u c t u r eb r i n g st w oa d v a n t a g e s o no n e h a n di tp e r m i t sf l e x i b l ec h o i c em a t e r i a l sw i t he x c e l l e n t w e a rr e s i s t a n c ew h i c h1 s 窖r o o dt os u r f a c em o d i f i c a t i o na n ds t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n g o nt h eo t h e r h a l l dc o r es t i c k sc a l lb er e p l a c e e da f t e r w e a ra w a y , i nf a v o ro fe f f i c i e n c y p r o d u c t i o no ft h eh o l l o wb r i c k se x t r u s i o n t h ei m p r o v e d c o r et o o l sw h i c hh a v e p r o c e s s 酣w i t ht ds a l t - b a t ht r e a t m e n ta n dh e a tt r e a t m e n th a v em u c h e f f e c to n i m p r o v i n gb r i c km o u l d s e r v i c e l i f e k e yw o r d s ：h o l l o wb r i c k ，c o r et o o l s ，w e a rr e s i s t a n c e ，w e l d i n gs t m c t u r e ， m e c h a n i c a la s s e m b l y , s a n ds l u r r ya b r a s i o nt e s t 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 杏弛日期： 武汉理r 人学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 空心砖是近年来被广泛应用于建造业的墙体材料，由于它绿色环保、消耗 原材料少：同时兼具高强度、优良的保温隔音效果，已成为越来越多国家优先 推荐的墙体主材。美国在对2 0 5 家城市建筑成本评估发现，使用钢结构及砼结 构的建筑物比使用空心砖结构的建筑物的造价分别高2 2 和1 4 ，因此使用空 心砖对用户、建筑业和建材业三方都能带来更多的利益。促进和推广空心砖产 品，是与我国可持续发展战略的基本国策相一致的，同时也能带来建筑行业的 重大革新，具有很好的实现意义【l 】。 空心砖制作选用的原材料除了传统的粘土，还可以是煤渣灰、页岩等废弃 物，然后通过对这些原料进行前处理和挤出成型，最后烧结而成。常见的空心 砖产品规格为3 9 0 1 9 0 1 9 0 r n m 。空心砖的孔洞总面积与其所在砖的总面积的 百分比，称为空心砖的孔洞率，按生产标准一般要求在1 5 以_ 1 z t 引。 空心砖与实心砖相比，可节省大量的国土土地资源和烧砖燃料。由于空心 砖自重较轻，可减轻运输重量；减轻制砖和砌筑时的劳动强度，加快施工进度： 同时减轻建筑物的自重，以利于加高建筑层数，降低制造成本。有关数据表明： 空心砖比实心砖重量减轻2 5 以上：空心砖的运输比实心砖节约工时 3 5 - - - 4 0 ；空心砖比实心砖砌筑工效可提高2 0 左右；空心砖比实心砖建筑沙 浆可节省2 0 以上；空心砖比实心砖外墙勾缝可节约工时1 1 ：空心砖每立方 米砌筑造价比实心砖节约o 5 7 ；空心砖比实心砖节能1 6 5 t 3 1 。 总得来说空心砖的优点包括如下三个方面： 1 空心砖本身性能优异，其质量轻、强度高，同时具备保温、隔音降噪等 优异的性能； 2 原材料的选用符合资源和环境保护原理，众所周知随着我国经济建设中 大量使用红砖，需要消耗大量耕地和优良的土地资源，而空心砖的生产原料是 煤渣灰、页岩等废弃材料； 3 扁4 砖过程环保、无污染，空心砖是通过挤压成型而得，整个过程相比实 心砖生产绿色环保。 由于空心砖的多方面优势，它已经成为框架结构建筑物的理想填充材料。 而且当使用空心砖做为砌墙材料时，因为本身负重较轻，不会造成楼板开裂等 武汉理 ：入学硕十学位论文 建筑上的难题，能提高建筑楼房的质量。 1 2 国内外空心砖发展概况 1 2 1 我国空心砖生产现状 砖瓦产品在中国的生产使用已经超过六千年的历史了( 四川三星堆遗址发 现的烧土墁块) ，在华夏文化的发展史上砖瓦产品的出现推动了人类从蛮荒走向 文明。而近年来发展崛起的空心砖，在能满足建筑使用的基础上具有实心砖所 不具备的诸多优点和性能，这就使得了在近年来的建筑建材行业中，空心砖的 生产和使用越发的受到人们的青睐【4 l 。 我国砖工业担负着为工农业建设、城乡建设提供墙体材料的重担，随着生 产技术的发展，砖瓦行业本身也在不断的改善和提高。具体就是包括，逐步从 劳动密集型向技术密集型转变、从人工劳作型向机械自动化型转变、从耗能型 向节能型转变。最近3 0 年来，我国累计生产各种空心砖约8 0 0 亿块标砖，而去年 产量已过1 0 0 亿块，同时国内的建筑市场已开始接受使用空心砖，不仅高层建筑 使用，工厂、小区也在增多使用率。目前我国空心砖的生产现状具体如下： ( 1 ) 原料及设备 一直以来，我国烧制砖瓦的材料都是以用土为主，但随着社会的进步，对节约 资源的重视，逐渐兴起了采用山土、荒坡、淤泥、页岩及工业废渣作为原料，这些 材料的使用也降低了一定的成本。但这些材料的硬度、塑性及自然含水率比过 去单纯的田土波动范围大，相应的采掘及制备方式会随之相应的变化。一般， 对于较硬的材料，采掘除了普通的人工采运和自然风化外，会较多地考虑爆破开 采和机械挖掘。目前我国砖厂已大面积使用的的供土设备有推土机、对辊破碎 机、胶带输送机，装载机、铲运机、圆盘给料机等，破、粉设备有双齿辊破碎机、 高速粉煤机和链式粉碎机等，另外，局部地区已开始试用高速细碎对辊、搅拌净 化机【5 ，6 1 【1 们。 ( 2 ) 成型 在我国使用最广泛的砖瓦生产方式是机械成型方式，其中制砖最常用的工 艺为塑性挤出成型工艺，也有少数采用压制成型的。目前我国砖瓦生产中的塑性 挤出成型含水率为1 6 2 5 ，半干压成型含水率为8 1 2 ，半硬挤出成型含 水率为1 1 1 6 。挤出成型普遍采用螺旋挤出机，而近些年来真空挤出机也得 到了使用和推广。压制成型普遍采用多模压砖机，压力一般为6 0 1 0 0 吨 7 - 8 , 1 3 】。 ( 3 ) 干燥 2 武汉理 ：大学硕士学位论文 现今我国的砖生产方式主要是采用隧道式干燥室进行自然干燥，另外也有 些企业采用室式干燥室和吊篮室送风方式也有多种方式，有集中底进风、分散 底进风、分散底进风与分散侧进风结合、分散侧进风、集中上进风、分散上进 风等；相应的排风方式有集中下排风、集中上排风、分散侧排风、分散上排风 等。 ( 4 ) 焙烧 我国对砖的焙烧主要采用轮窑焙烧工艺。为了便于机械化操作，在一些大 断面隧道窑及小断面一次码烧隧道窑多采用耐热混凝土平顶。目前我国砖厂多 采用机械码窑、自动化加煤和喷煤粉装置、窑温自动控制及记录系统来控制砖 瓦的焙烧 9 , 1 5 】。 1 2 2 我国空心砖发展前景 鉴于我国空心砖的生产现状，未来的发展前景就是逐步实现“四个转化”。 即生产由高能耗向低能耗转化：产品重量由重型向轻型转化；产品体积由小块 向大块转化；原料由毁田向造田和利废转化【1 1 , 1 2 1 。具体措施如下： ( 1 ) 原料选择 a 粘土 粘土是生产空心砖的传统材料，而传统的粘土的开采和使用将会毁坏大量 可用于耕作的良田。为了保存我国农田资源，采用粘土原料时应尽量做到一下 几点：有山吃山，有丘吃丘，高田浅挖，取土还田和开山造田；有湖的地方吃 湖泥，有河的地方吃河泥，力争制砖不毁田；有盐碱地的地方吃盐碱地，力争 制砖不毁好田。并且要杜绝挖掘优良的农田资源；维持生态平衡。 b 页岩 在我国四川、贵州、广西、湖南、湖北、浙江、河北、辽宁、吉林、黑龙 江等省分布着广泛的页岩，将页岩开采粉碎处理后是一种良好的制砖材料，采 用页岩制砖瓦不但节省农田，而且同时可以开山造田。 c 煤矸石 目前我国煤炭年产量已超过2 3 8 亿吨，居世界第一位，而在煤炭生产和加 工中已产生了4 0 多亿吨的固体废弃物煤矸石，并且每年以2 5 亿吨左右的速度 递增，是我国排放量最大的工业废弃物之。这些煤矸石的堆存不仅侵占大量 珍贵土地空间，而且容易污染大气和地下水资源，构成了对环境的严重威胁。 我国政府争提出了“因地制宜，积极利用”的方针，提高对煤矸石的利用， 同时采取资金补助、贴息贷款、减免税收等扶持性措施鼓励综合利用煤矸石。 国家经贸委、国家科技部在煤矸石综合利用技术政策要点中提出要“大力发 武汉理j r 大学硕十学位论文 展煤矸石空- i i , 砖等新型建筑材料”【1 4 】，现在利用煤矸石来制造烧结空心砖已被 确定为煤矸石综合利用的主攻方向之一。在国家一系列相关政策、法规的支持 下，我国煤矸石制砖业得到了迅速发展。目前，煤矸石烧结空心砖年产量超过 1 0 0 亿块，占墙体材料的1 8 0 ；年综合利用煤矸石约2 5 0 0 万吨，约占我国年 排矸总量的1 1 0 。在利用煤矸石原料制砖瓦的同时，其发热量在满足本身的烧 结所需外还可利用其余热干燥砖坯及加热锅炉，这样可以大大节省燃料。总之， 用煤矸石代替粘土制砖，不但不与农业争地，而且还释放出堆放煤矸石所需要 占用的大量土地。 d 粉煤灰 粉煤灰主要来源于火力发电厂中大量燃烧煤后所剩下的灰烬。粉煤狄的堆 放或排入水域都将对环境或水质带来严重的污染，而利用粉煤灰制砖可化害为 利、变废为宝。由于粉煤灰本身含有一定的发热量，且无需粉碎处理，故生产 粉煤灰砖有明显的节煤节电效果。并且，生产出的砖不但强度高，而且重量轻。 ( 2 ) 降低能耗 目前降低能耗方面主要从以下两个方面入手： 1 提倡余热利用，将砖窑的余热和高温烟热送往干燥室作为空心砖砖坯的 干燥介质； 2 逐步淘汰热效率低的土窑，开始使用保温隔热性能好的砖瓦窑。 ( 3 ) 空心砖发展方向 目前空心砖发展的趋势大体如下： 一是数量将大幅度增加，特别是承重空心砖的增幅特别明显； 二是品种不断增多、功能更加全面，并向模数化靠拢； 三是颜色种类增多，并可做为装饰效果； 四是孔洞率和强度提高，孔型设计更合理，突出建筑节能效果更好： 五是不断市场化，强调名牌，强调价格，强调质量，强调服务，突出竞争。 1 2 3 国外空心砖的发展概况 二战前粘土砖一直是世界各国墙体材料的主要产品。随着战后，各国经济 迅速恢复，房屋的需求量猛增，工业化的建筑体系不断兴起，出现了除砌体结 构外的钢筋混凝土结构、钢结构及装配式建筑、高层建筑等。墙体由承重变为 非承重，因而带来制砖业发展变化，即由实心砖向空，1 1 , n 品发展。现在世界各 国的空心砖产品结构和产量比例相差很大，这与本国的资源、气候、习惯等方 面直接相关，也与各国的历史、经济发展水平、能源状况等存在差异有关。但 在墙体材料较发达的国家，其产品结构有些共同点，即块体大的墙材占的比例 4 武汉理i ：人学硕士学位论文 高，新墙材占的比例高，而面密度大的实心砖所占的比例很低。 目前工业发达国家墙材生产技术经过长期努力已达到较高水平。墙材生产 技术水平主要体现在完善合理的生产工艺和设备的机械化，自动化水平高，产 品质量高，生产能耗较低，劳动生产率高，设备一机多用，一线多用。同时解 决了增加产品品种、规格等方面的问题。发展中国家的生产技术则相对比较落 后，以较小的投资和较低成本的产品为主，同时也在某些方面承接了发达国家 较过时或淘汰技术的转移。 在西欧发达国家，空心砖发展至今已经形成了初具规模的商品，并有其具 体的商品名称。同时，空心砖产品种类的多样化( 如清水墙砖、轻质保温隔热 砖、铺路砖、特殊用途的工程砖、隔墙砖、文化砖、条板砖、模板砖等) 、工厂 规模的大型化、生产企业的集团化及产品功能开发和生产过程的科学化( 如孔 洞排列及形状、微孔形成剂的使用) ，还有装备水平的高科技化( 现代控制技术 武装的新型机电一体化设备：如运输系统设备、机器人、上下架系统设备、挤 出过程的模拟等) 以及焙烧技术的科学化和监控化，所有这些构成了西欧及发达 国家的现代空心砖发展特征【1 8 】。 综上所述，对比发现我国空心砖的生产和发展水平，无论在原料的采集、 处理，还是在空心砖砖坯成型与焙烧，以及在机械设备和自动化控制方面都远 不如西欧发达国家。但是，在社会主义现代化建设的今天，空心砖在建筑材料 行业所占据的地位将是不可替代的，其需求量只会与日俱增。所以，提高空心 砖的产量和质量将是砖瓦行业所面临的一个迫不及待的问题1 1 睨0 1 。 1 3 空心砖成型的机械装备 l - 3 1 空心砖的成型过程 空心砖的成型比实心砖难，空心砖的成型是将泥料挤出的同时，在机口部 位通过安装有特别芯具的砖嘴成型而得利2 1 2 3 1 。按照不同的用途可分为承重空 心砖和非承重空心砖。般竖孔为承重空心砖，水平孔为非承重空心砖f 2 4 1 。 空心砖砖坯是通过空心砖挤出模挤出成型的，挤出模包括芯具和机口两个 部分。成型时，螺杆挤出机将原料推进机头，形成的泥流被芯架上的大刀片分 割成几个部分，然后挤入芯杆区域后，在芯杆区域被不断压实，随后进入机口 前端的芯头区域，进一步得到密实化，直到离开机口，成为连续有规则的孔洞 泥条。最后，泥条被切分成规格长度的湿砖坯。 空心砖成型过程中，挤出成型模具的工作环境恶劣，芯具和机口遭受着不 同程度的磨损，以芯具的磨损最大，故而要求芯具应有较高的强度、硬度和耐 s 武汉理1 ：大学硕士学位论文 磨性。在长期的砖坯成型生产中发现，空心砖芯具的主要失效形式为磨损失效， 其中以芯头和芯杆的磨损最为严重。因此，要提高芯具的寿命，就要在保证芯 具有一定强度、硬度的条件下尽可能的提高其耐磨性；同时，芯杆还应具有良 好的弹性，以保证经刀片分割后的泥流能再次顺畅的弥合和被压实，使泥坯中 形成较小的内应力，从而降低砖坯在后续烧结中的变形和废品率。 1 3 2 空心砖成型模具的设计与制造 空心砖成型模具包括机口和芯具，其中芯具装在机口内部，芯具一般由芯 头、芯杆、芯架三部分构成【2 w 6 1 。 制作机口的材料一般采用钢板，而机口的截面尺寸需根据原料的含水率经 多次试验后确定。在保证坯条质量的前提下，机口长度可短一些，倾斜角度可 适当减小，以减轻砖机工作负荷，提高挤出速度。一旦机口过长或过大的内壁 倾角，将会使机口内壁压力增大，堵塞水路，造成坯条周边开裂不能成型。其 中低塑性原料，可采用长机口，而塑性高塑性材料，机口长度应尽量短一些。 在实际操作中，应通过试验来确定符合要求的机口长度和内壁倾斜角度。一般 情况机口长度为1 5 0 - - 2 0 0 m m 时，其内壁倾斜角3 - - - 6 度为宜。机口出口尺寸为 制品尺寸加总线收缩值减l 1 5 m m 。为了补偿切割、坯体传输过程中产生“大 底”变形，出口下边长度需比上边长度短2 3 r n m l 2 7 2 8 1 。 制作芯头的材料种类很多，其中经过热处理的钢( 淬火、镀铬、喷耐磨粉， 硬度大于h r c 5 0 ) 和陶瓷较为常见。目前芯头的生产已经趋向规模化，一般而 言同一种型号的芯头规格基本一致。 。 制作芯杆的材料一般选用优质碳素钢或弹簧钢等刚度较好的材料。芯杆的 直径依据孔洞的大小和数量而定，小孔多孔芯杆直径小些，大孔芯杆直径大些， 一般为6 , - , 1 4 m m ，另外芯杆端部要有螺纹。 芯架由大小刀片焊接连接后固定在机口上构成。大刀片的断面一般；o n - r 成 流线型或梯线。刀片一般采用中碳钢或弹簧钢制作而成，其中大刀片厚度一般 为1 0 - - 1 6 m m ，小刀片厚度为4 - - , 1 0 m m 。刀片主要用来固定芯杆，在获得足够刚 度以确保芯杆稳定的前提下，尽量减少刀片的数量，减薄刀片的厚度，以减少 泥料阻力、使泥料挤出速度均匀一致。为了使泥料在成型后愈合良好，在制作 刀架时，要控制好“愈合长度 ，即刀架至机口前段应有合理的“愈合长度”。 1 3 3 我国空心砖生产装备存在的主要问题 近几年我国空心砖机械装备水平随着空心砖生产工业的发展有很明显的进 步，已经基本能满足我国空1 1 , 砖制造的需要。不过在与世界发达国家相比，仍 6 武汉理l ：大学硕十学位论文 存众多问题，特别是我国高档装饰砖机械装备制造技术明显落后世界的先进水 平。因此必须加快企业自主创新步伐，不断探索和研究开发新型制砖机械装备， 赶超国际先进水平。目前存在主要的问题如下： ( 1 ) 加工装备急需更新换代 我国砖瓦装备制造企业有很多是从砖瓦机修厂发展而来，大多数规模较小， 只有不到3 0 的企业拥有了较完整的规模。由于企业缺乏规模，机械装备改造 资金不足，加工设备更新换代极为缓慢。这些企业大都加工设备配套能力差， 缺乏专业设备，不能满足生产要求，制约着砖瓦机械产品产量和质量的提高。 ( 2 ) 人材匮乏，创新能力不足 目前我国已有个别砖瓦机械装备企业开始注重技术人材的培训，企业整体 技术素质有所提高。不过大多数企业的技术力量比较薄弱，严重制约着生产技 术水平的提高和新产品的开发。例如，我国研制生产的5 0 型以上的大型砖机， 自主知识产权的技术较少。砖瓦技术装备的创新是砖瓦装备生产企业面临的重 要课题【2 9 】。 ( 3 ) 企业管理薄弱，产品质量低 企业管理是提高产品质量的有效保证，新形势下，我们企业质量意识有了 较大提高，有少数几家国内有代表性的砖瓦装备制造公司已率先通过了 i s 0 9 0 0 0 质量体系认证。但是，更多的企业管理水平低，质量意识淡薄，产品 生产没有标准，质量低劣，从而导致价格混战，扰乱市场。乡镇和个体小企业 这种现象最为严重，需国家和政府加强管理。 ( 4 ) 耐磨材料问题急待解决 制砖机械装备在生产空一i i , 砖时候，其耐磨性是最为关键的，因而提高制砖 机械装备的耐磨性，是延长使用寿命的最有效途径，不过同时这也是制砖机械 的瓶颈问题。经多年来努力开发改进，目前虽有所突破，但仍不能满足企业需 要。因此必须加大对耐磨性材料的研究，从根本上提高制砖机械装备的性能p 叭。 ( 5 ) 新型制砖机更新换代缓慢 针对以往的普通砖机，由于污染较严重，性能也逐渐下降，生产率低下，生产质 量得不到保证，全国不少厂家进行了设备更新和升级，4 5 型以下砖机逐步取代了 2 0 3 5 型普通砖机但由于这些落后设备投入的成本低，不少厂家仍在使用，我们 期待这些问题通过深化改革、优化组合、技术进步和产业调整来解决。 目前我国的砖机虽然发展得比较迅速，发展的种类繁多，并且在各自的基础 上多次改进，以满足高压高强的环境，并达到高质环保的效果，但仍然与国际先进 水平存在差距，因此必须不断学习，自我创新，储备技术，以促进我国砖瓦机械达到 更高的水平 7 武汉理1 ：火学硕十学位论文 针对种类繁多的彩砖，水泥砖等，应注重开发多功能的生产设备，以及配套设 备，既能生产普通型多孔空心砖，又能生产强度高、孔多、薄壁、块大、保温性 能好的承重砌块砖和高档装饰砖，保证设计新颖，性能可靠，操作方便 再者，纵观全国至全世界，建材的庞大需求及多样化，砖瓦机械也存着非常广 阔的市场，我们不仅要满足国内市场的需求，同时也要打入国际市场，保持技术革 新，为我国的砖瓦机械制造业的发展贡献力量 1 4 本文研究内容及意义 本文以意大利进口空心砖模具原型为研究对象，通过对已有的模具进行结 构设计、制作材料和方法剖析分析，联系实际工作情况，对模具进行优化设计， 改进模具的使用性能和制备工艺方案，使其更加符合生产实际应用，并在不提 高模具制造成本的前提下，使其整体使用寿命提高到意大利芯具的4 倍及以上。 在对原模具原型进行研究的过程中，通过各种实验分析和检测，得到一系 列的制作材料和工艺，通过分析发现了一下关键性的问题： 焊接工艺限制了芯具选材的范围，只能选用碳当量低的焊接性好的材 料，而这种材料的耐磨性均不高； 芯座、芯杆、芯头均未达到最佳的耐磨状态( 焊后整体无法热处理) ； 除芯头镀硬铬外，芯座与芯杆均未进行表面强化处理。芯头镀硬铬并未 达到最佳表面强化效果； 整个芯具中，除芯头可更换外，芯杆与芯座是不能更换的。最易损坏的 是芯杆，芯杆寿命决定了整体芯具的使用寿命。 以上是原模具中存在的主要问题，为了提高模具的使用寿命主要进行了材 料、制备工艺、整体热处理及表面强化处理方面的创新改进。具体如下： 机构改进：主要将芯杆与芯座的连接由焊接改为机械连接，使芯具寿命 中的最薄弱环节一芯杆变为可更换的； 芯座部分由焊接件改为整体铸钢件，且选用可热处理及表面强化处理的 耐磨钢材料； 选用合金工具钢c r l 2 制备可更换的芯头和芯杆，且对c r l 2 材料进行最 佳热处理及表面t d 处理； 对本课题的研究有两方面的意义，即科学意义和经济意义。通过对空心砖 模具的研究改进提高空心砖的生产效率，促进空心砖的推广应用以及墙体材料 的革新，为我国建筑节能事业做出贡献。另外随着本课题的成功应用，可以改 进模具的使用寿命，其模具的使用寿命可以提高4 倍以上，同时节约模具制造 成本，这将必然推动空心砖的发展应用。空心砖生产的劳动生产率和空心砖的 武汉理i ：人学硕士学位论文 质量将有一定提高，将改变现有空心砖企业对于空心砖模具的制造模式，显著 降低企业的固定资产投资。 1 5 本章小结 本章介绍了空心砖的优点及国内外的制砖生产发展现状，提出未来空心砖 的发展方向，同时阐述了空心砖砖坯的成型过程，并根据空心砖成型的具体工 作环境，提出空心砖成型芯具的生产实际中的主要失效为磨损失效。 通过对这些问题的研究，明确了本文的研究目的及内容，即在对原有的空 心砖模具的剖析研究基础上，对空心砖模具进行结构上的优化设计，同时对其 制作材料进行优化选择，最后提出一套新的空心砖芯具的制备工艺。 9 武汉理t ：人学硕十学位论文 第2 章实验材料和方案 本次论文包括三部分实验内容，实验一是原芯具性能测试实验，即对原意 大利进口空心砖模具进行的结构和制造材料分析；实验二是芯具t d 盐浴渗钒 实验，即对新制备的空心砖芯具进行表面处理和后续热处理；实验三是芯具材 料耐磨性对比实验，即对全新制备的芯具材料样品进行耐磨性测试试验。 2 1 实验材料 实验一的材料是通过对原空心砖模具各个部件进行线切割，获取各个部件 的实验样品，其中包括芯头、芯杆、芯架( 大刀片、小刀片) 等试样。 实验二的材料是已经加工好的全新设计芯具三套，每套芯具包括一个芯架， 一个固定板，2 3 个芯杆，2 3 个芯头以及若干个实验标本芯头。其中标本芯头是 用来进行后续的耐磨性检测以及覆层结构观察使用。芯架选用的材料是 z g 5 0 s i m n c r n i m o ，芯头、芯杆以及固定板都是选用c r l 2 钢制备而成。 实验三的材料是5 种不同材料制成的芯头样品，分别为：2 0 m n 钢芯头( 进 口模具，未处理) 、电镀硬铬2 0 m n 钢、t d 盐浴渗钒的c r l 2 钢( 经9 6 0 淬火 和1 8 0 回火) 、9 5 氧化铝陶瓷以及y t l 4 硬质合金。 其中经过检测发现2 0 m n 钢镀铬层厚约0 5 m m ，c r l 2 渗钒层厚约0 0 0 6 m m 。 试验前检测了5 种材料芯头的硬度。磨损试样端面为矩形，尺寸为4 2 x 1 5 m m ， 矩形的四个角为r 3 圆角。 2 2 实验仪器 2 2 1 原芯具性能测试实验仪器 实验一选用了手动洛氏硬度试验机、电动h r s 1 5 0 洛氏硬度试验机、电动 h b - 3 0 0 0 布氏硬度试验机、o l y m p u sc m m 5 5 z 数码金相显微镜。 2 2 2 芯具t d 盐浴渗钒实验仪器 实验二所用的主要仪器设备有t d 覆层电炉( 图2 1 ) ，电炉控制柜( 图2 2 ) ， 热电偶，电热壶，电热锅各一个，h v - 1 0 b 小负荷维氏硬度计一台，砂纸若干。 电炉是用来加热盐浴并在其中进行渗钒处理，其规格和参数如表2 1 所示， l o 武汉理1 人学硕十学位论文 其原理及结构示意图如图2 4 所示图中所标1 为炉盖、2 为坩锅固定圈、3 为 炉膛、4 为炉膛外壳、5 为坩锅支架、6 为加热元件、7 为控温热电偶、8 为坩 锅、9 为中心热电偶。 表2 - i 电炉技术参数 ! ! ! ：! ：! 生坠j ! 兰2 竺竺! 生! ! ! 生墅! ! ! 型号9 r 5 0 1 2功率 7 5k w 、澎 图2 一】能浴渗钒电炉 f i g2 1f u r n a c ef o r t d s a l t b a t ht r e a t m e n t r 越 图2 - 3 热电偶 f i g2 3t h e r 盯n o c o u p l e 图2 - 2 电炉控制柜 f i 9 2 - 2c o n t r o l l i n g c a b i n e tf o rt h e 图2 4 电炉原理及结构示意图 f i g2 4s c h e m a t i co f t h ef o m a e e 霁瞄 毋_ 武汉理人学硕十学位论文 热电偶是用来随时检测溘钒炉单的盐浴温度，此次实验选用的是上海东方 热工仪厂生产的热电偶如图2 - 3 。 电热壶和电热锅是用来对渗钒后的工件进行去残盐处理的，砂纸用来对实 验工件进行抛光打磨，维氏硬度计( h v - 1 0 b 小负荷维氏硬度计，山东莱州试 验机械厂) 用来测定_ 亡件硬度以及表面覆层厚度，如图2 5 。 圈2 - 5h v 小负荷维氏硬度计 f i g2 5h v - v i c k e r s 22 3 芯具材料耐磨性试验所需仪器 圈2 - 6 电子天平 f i g2 - 6 e l e c t r o n i c b a l a n c e 实验兰选用仪器主要有泥沙磨损试验机精度为万分2 一的o h a u s a d v e n t r u e r t m 电子天平( 如图2 - 6 ) ，风干机，扳手等。 材料表面的抗磨粒磨损性能评定采用两相流泥沙磨损试验方法。 2 3 实验方案 231 原芯具性能测试实验方案 该实验分b 对芯头、芯杆、芯架、焊接焊缝进行了硬度测试和金相组织观 测，由于材料及测试点不同。选择了不同的测试方法。其中对芯头横剖面选用 了电动h b 一3 0 0 0 靠氏硬度试验机进行测试；对芯杆回火前后的横剖面分别采用 电动h r s - 1 5 0 洛氏硬度试验机进行了洛氏硬度测试；对大、小川片的圆柱表面 及刀尖横剖面部进于亍了佑氏硬度攫4 试1 3 ”。在金相观测中采用o l y m p u sc m m s s z 数码金相显微镜分别对芯头和芯手t 表面、大小刀片芯部截嘶、t 型焊缝都进 行了金相图拍照。该部分实验，都选取了数组测试点，然后进行多次测试，最 影 醐 武汉理+ r 大学硕十学位论文 后选取测试的平均值。 2 3 2 芯具t d 盐浴渗钒实验方案 该实验工艺方案为，以新制备加工好的芯具为实验材料，将实验材料进行 前处理后放入已经配好的盐浴中进行反应处理，恒温9 6 0 保持4 小时后取出 直接进行油淬，然后再进行后处理。其中前处理主要包括抛光、除油、除锈、 预热：后处理则主要是淬火和除去残盐。具体工艺路线如图2 8 所示。 + 图2 7t d 渗钒工艺路线 f i g 2 - 7b a s i cp r o c e d u r e so ft dp r o c e s s 表2 2 盐浴配方及各成分比例 t a b 2 2f o r m u l ao ft h es a l t b a t ha n dt h ep r o p o r t i o no fi