中纤板工业的发展与我国的实践

中纤板工业的发展与我国的实践

纤维板行业在20世纪20年代开始发展。1914年，美国开始生产法治纸，并于1926年完成了世界上第一个纤维板工厂。美国的Allied公司于1966年率先制造出了中密度纤维板(以下称中纤板),其密度范围是500~880kg/m3,中纤板在20世纪70年代得到迅速发展,到80年代扩展到世界各地。我国从20世纪60年代初期开始研制中纤板,80年代初开始生产中纤板,90年代中纤板开始被我国市场接受。20世纪90年代后期,受家具和地板市场需求的强劲拉动,中纤板的增速超过了同期胶合板和刨花板的增长速度,并且逐步取代了硬质纤维板。20年来,我国中纤板生产厂家及中纤板产量迅速增加,我国已经成为世界上中纤板第一生产大国,2009年我国中纤板产量达到3131.64万m3。用来生产中纤板的压机主要是多层压机和连续压机,在薄型中纤板生产中,连续压机更具优势。20世纪90年代中期,上海人造板机器厂(上海人造板机器厂有限公司前身,以下称上海板机)等研制的中纤板多层压机生产线走向成熟,而且产能规模不断扩大。进入21世纪后,我国中纤板的生产能力持续增长,中纤板生产的迅猛发展极大地促进了国产中纤板压机的研制,压机的总体技术水平得到了极大提高,上海板机生产的中纤板多层压机的产能已经达到年产15万m3。到目前为止,虽然我国用于生产中纤板的连续压机仍然主要由德国的辛北尔康普(Siempelkamp)及迪芬巴赫(Dieffenbacher)公司提供,但这种局面正在发生改变,我国在连续压机研发方面取得重大突破。2006年5月我国第1台幅面4′宽的中纤板连续平压机在上海板机问世,我国已经能够生产制造幅面宽为4′和8′的连续压机,上海板机生产的中纤板连续压机的产能已经达到年产20万m3及其以上。1上海板机:中国第一大我国1982年,福州人造板厂从美国华盛顿铁工厂引进了我国第1条年产5万m3中纤板生产线,这条生产线于1983年11月生产出第1张板。同年由中国林科院木材工业研究所、湖南省林业勘察设计院、黑龙江林业设计院、株洲市木材公司木材厂共同在株洲市木材公司木材厂年产5000m3干法硬质纤维板生产线上进行中纤板中试改造,建成年产7000m3中纤板生产线,设计产品规格为1100mm×2440mm,板厚为6~11mm,这是我国第1条国产中纤板多层压机生产线。1985年,由上海板机、上海南市木材厂和林业部林产工业设计院协作设计试制出我国第1代国产的年产1.5万m3中纤板成套设备,装于上海南市木材厂,1986年8月出板。该生产线中的BY144×12/30热压机由上海板机设计制造,热压机层数为6层,总压力是3000t。1984年以后,福州人造板厂、黑龙江省南岔木材水解厂、上海人造板厂和北京市光华木材厂、天津市木材一厂引进的中纤板生产线或者主机陆续投产正常运行,这为国产中纤板生产设备的研发创造了条件。上海板机在总结经验的基础上,通过考察引进设备,博采众长,于1992年重新组织力量研制第2代中纤板成套设备。第2代的第1套年产1.5万m3中纤板多层压机生产线于1994年在江西宜丰宏丰人造板有限公司安装,1995年正式投产,这套多层压机生产线从研制到出板历经了3年的时间(从1992年7月到1995年5月)。上海板机自行研制的第1套无垫板装卸的年产3万m3中纤板生产线于1994年9月在河北易县人造板厂开始安装,1995年投产出板。截止到2009年底,上海板机已经为国内外客户提供了近300套中纤板多层压机及其生产线,这些生产线的年产量以3万~15万m3为主,在我国的市场占有率超过60%,位居第一。上海板机研制的第2代中纤板多层热压机设备达到了发达国家同类产品的水平,中纤板多层压机生产线还出口到印度、印度尼西亚、马来西亚、伊朗及巴西等国家。上海板机于2010年4月又在印度承接了1条年产8万m3、4′×16′/15层压机的中纤板生产线,该生产线是上海板机在印度承接的第4条成套中纤板生产线。在中纤板多层压机的研发制造方面,虽然上海板机在国内外占有较大的市场份额,但国内其他厂商也不失时机地加入到了中纤板多层压机及其生产线的市场竞争。在借鉴国外先进技术的基础上,再加上用户的需求及激烈的市场竞争,我国研发制造的中纤板多层压机及其生产线正逐步替代进口设备。20世纪90年代,四川东华机械厂、沈阳福阳人造板有限公司、西北人造板机器厂等人造板机械制造企业先后研发出1.5万、3万m3中纤板多层热压机及其生产线;苏州新协力机电有限公司与北京市光华木材厂合作研制了年产0.5万、0.7万、1.0万m3中纤板多层热压机成套设备。20世纪90年代末以后,苏福马股份有限公司、上海捷成白鹤木工机械有限公司、常熟林业机械厂、上海云岭人造板机械有限公司等人造板机械制造企业先后研发出1.5万、3万、5万、8万m3中纤板多层热压机及其生产线。2热压机的组成及关键技术在中纤板生产线中,热压机是关键设备之一,热压机性能的优劣直接影响到中纤板的质量和产量。多层热压机的产量由热压板的幅面大小、层数多少和热压周期长短等因素决定。常用的多层中纤板压机幅面主要有4′×8′、4′×16′、6′×18′及8′×16′等,热压机幅面的大小决定了其压制中纤板的最大规格;多层热压机的层数有6层、7层、8层、9层、10层、12层、15层、18层和20层,最多达25层,压机的层数与产量密切相关。压机至少要有刚性较高、性能可靠的同时闭合装置、厚度控制装置及加热均匀的热压板,同时与压机配套的液压系统必须具有能使压机实现快速闭合,快速升压、保压及补压的能力。中纤板多层压机主要由机架组、行程开关、位置控制装置、热压板组、同时闭合装置、加热管路、油缸、供油管路及隔热门等组成。20世纪90年代以后的中纤板多层热压机的机架多为框架式结构,它用于支承油缸、活动横梁、热压板和固定横梁等,机架在工作时承受液压缸产生的总压力,机架上还安装有其他一些附属装置。固定横梁和活动横梁多为厚钢板焊接而成的封闭式箱形结构。热压板是热量和压力的转递装置,它接受来自加热系统的热量,并将热量传递给板坯;接受油缸通过活动横梁施加的压力,并将其均匀分配给板坯。热压板的厚度与其板面所受单位压力、幅面的大小以及被压制产品的种类等因素有关。中纤板多层热压机的热压板厚度为80~150mm。为了实现多层压机的快速闭合而减小毛板预固化层的厚度,为了保证中纤板的密度和控制毛板的厚度公差,在中纤板多层压机中装设了同时闭合装置和位置控制装置。目前,多层中纤板热压机多用杠杆式同时闭合装置。杠杆式同时闭合装置主要由推杆、摆杆、拉杆、补偿器、上拉座、拉座、下拉座等组成;补偿器装在拉杆上,补偿器分为弹簧式和油缸式,油缸补偿方式应用最多;虽然油缸式补偿器的机械结构比较复杂,需用辅助的液压系统,但油缸产生的拉力稳定。因为油缸产生的拉力与油压成正比,油缸式补偿的同时闭合装置要比弹簧式补偿的同时闭合装置性能好。4′×8′和4′×16′热压机的同时闭合装置补偿油缸的油压一般为8~10MPa和13~15MPa,同时闭合补偿油缸由专用的带有蓄能器的液压系统供油。中纤板多层压机生产线上需配备预压机、装板机及卸板机,大产量的生产线还需配备预装机。中纤板多层热压机以采用无垫板热压工艺为主,即多数的中纤板压机生产线采用无垫板装板机,只有那些较小规格的生产线(如4′×8′压机生产线)还采用有垫板热压工艺,配置有垫板装板机。上海板机研制的第2代中纤板多层热压机均带有同时闭合装置,热压机液压系统均配备了大容量的蓄压器,加压柱塞油缸采用下置上压式,柱塞油缸由专门的带有蓄压器的液压系统供油来实现快速闭合;热压温度通常为160~180℃,加热方式主要有蒸汽加热和导热油加热两种方式,但以导热油加热为主。板厚控制采用位置控制辅以厚薄规控制。位置控制装置是用来控制热压机总行程,即控制所有板坯总厚度。位置控制装置将活动横梁的直线位移转换成旋转运动,带动旋转编码器,控制液压系统,从而控制活动横梁停止的工艺位置。厚薄规分段安装在每层热压板工作面的两侧,用来限定热压板闭合时的最终位置,主要起到安全作用;在热压总行程终止时,厚薄规基本上不受力或受力很小,对热压板起保护作用。生产中纤板的多层压机的关键技术包括压机的制造精度、面压的确定、如何实现快速闭合、加压和位置控制。在一般情况下,多层热压机的面压为2.5~3.5MPa,而多层压机能够实现快速闭合和第1阶段的加压尤为重要。多层压机的工况为:当板坯由装板机装入到各层热压板上后,热压机快速闭合,压机闭合后快速加压,接下来在一定压力范围内保压,并使板坯达到要求的厚度;压机在张开前,先使压力慢慢卸下来,压力降低到允许张开时的压力后,压机快速张开。整个热压过程分为4个阶段。第1阶段:板坯压缩,排除板坯内的大部分空气。为了更好地防止胶黏剂提前固化,从而降低预固化层的厚度,压机的闭合速度应尽可能快。第2阶段:温度渗透,实现水分蒸发汽化、胶黏剂固化及纤维间各种结合力的形成。第3阶段:厚度控制,控制方式宜采用位置控制,以达到厚度优先的目的,该阶段压力的主要作用是克服板坯的反弹力,控制板坯的厚度。第4阶段:卸压排汽,为了防止板子鼓泡或分层,卸压速度要慢,即使薄板,其卸压时间也不宜少于15s。卸压排汽结束后,大流量回油阀打开,压机快速张开到底,随之进入出板状态。上海板机研制开发的中纤板多层热压机及其配套的液压系统,能够使热压机在无板坯的情况下闭合时间小于10s,同时还能借助两次快速及节能型的恒功率变量柱塞泵对板坯进行加压,升压速度快,大大减小了板材的预固化层的厚度,充分满足了中纤板热压工艺要求。3柱塞缸与热压机生产线上海板机研制的具有代表意义的中纤板多层压机如下:1)第1套幅面为4′×8′、年产1.5万m3中纤板多层热压机的公称总压力为12700kN,层数为8层,热压板幅面为2665mm×1640mm,热压板厚度为130mm,层间距为270mm,有4个柱塞缸,柱塞缸直径为380mm,柱塞缸的工作压力为28MPa。该压机生产线于1995年在江西宜丰宏丰人造板有限公司投产。2)第1套幅面为4′×16′、年产3万m3中纤板多层热压机的公称总压力为25400kN,层数为6层,热压板幅面为5105mm×1640mm,热压板厚度为130mm,层间距为360mm,有8个柱塞缸,柱塞缸直径为380mm,柱塞缸的工作压力为28MPa。该压机生产线于1995年在河北易县人造板厂投产。3)第1套幅面为4′×16′、年产5万m3中纤板多层热压机的公称总压力为32000kN,层数为12层,热压板幅面为5100mm×1750mm,热压板厚度为130mm,层间距为350mm,有8个柱塞缸,柱塞缸直径为450mm,柱塞缸的工作压力为25MPa。该压机生产线于1997年在内蒙古金河林业局投产。4)第1套幅面为4′×16′、年产8万m3中纤板多层热压机的公称总压力为28000kN,层数为15层,热压板幅面为5100mm×1750mm,热压板厚度为130mm,层间距为254mm,有8个柱塞缸,柱塞缸直径为400mm,柱塞缸的工作压力为28MPa。该压机生产线于2001年在河北正定银港人造板有限公司投产。5)第1套幅面6′×18′、年产8万m3中纤板多层热压机的公称总压力为40000kN,层数为10层,热压板幅面为5750mm×2380mm,热压板厚度为130mm,层间距为300mm,有8个柱塞缸,柱塞缸直径为480mm,柱塞缸的工作压力为28MPa。该压机生产线于2004年在江西吉安绿洲人造板有限公司投产。6)第1套幅面为8′×16′、年产15万m3中纤板多层热压机的公称总压力为45000kN,层数为12层,热压板幅面为5200mm×3020mm,热压板厚度为150mm,层间距为250mm,有8个柱塞缸,柱塞缸直径为560mm,柱塞缸的工作压力为23.5MPa。该压机生产线于2007年在广东(阳春)威华股份有限公司投产。7)第1套幅面为4′×8′、年产1.5万m3油棕丝中纤板多层热压机的公称总压力为16000kN,层数为10层,热压板幅面为2650mm×1750mm,热压板厚度为100mm,层间距为300mm,有6个柱塞缸,柱塞缸直径为360mm,柱塞缸的工作压力为26MPa。该压机生产线于1999年在马来西亚顺成公司投产。4中纤板生产用连续压机4.1砂光量对产品目录的影响最初,中纤板是用多层压机生产的,为了提高生产能力,需要压机增加层数或增大热压板的幅面。随着生产规模的不断扩大,多层压机的层数不断增多,幅面也在不断加大,但多层压机的层数不可能无限增多,热压板的幅面也不可能无限增大。随着层数的增多及热压板幅面的增大,多层压机的缺点也越来越显现出来,这些缺点可概括如下:1)多层压机生产线上需配置装卸板系统,这就增加了生产过程的辅助时间,压机的层数越多,辅助系统越复杂,辅助时间也越长。加上压机自身所需要的闭合及开启时间,导致热压周期长,生产效率低。2)随着层数的增多,多层压机对同时闭合装置的工作要求就会更高。由于热压过程中各层中的板坯所承受的压力不同,结果造成板材厚度不均。3)装板过程中以及热压板闭合后,板坯就在未加压的情况下受热,未受压的板坯停留在压机中的时间较长,导致板材表面产生预固化层,而预固化层必须通过砂光来加以去除。板材越薄,需砂掉的预固化层所占的比例就越高。4)在热压过程中热压板不可避免地直接受到湿热蒸汽的作用,热压板腐蚀严重,影响使用寿命。5)由于热压板幅面是一定的,所以多层压机生产的产品规格受到一定的限制。随着所压制板材厚度的减小,多层压机生产薄板的非有效工作的辅助时间所占比例大大增加,不利于薄板产量的提高。另外,砂光量所占的百分比也随着板厚的减小而显著增加,这两个主要因素决定了用多层压机生产薄型中纤板是不经济的。随着压机技术的不断发展,欧洲地区的压机供应商首先发明了连续辊压机,连续辊压首次实现了薄型刨花板和纤维板的连续生产。1970年,世界上第1台连续辊压机由德国的贝尔斯托夫(Berstorff)研制成功,这台压机首先在德国的门德刨花板厂使用,后来人们把连续辊压机称之为门德压机。在国内,我国从2003年开始用连续辊压机来来生产中纤板,提供连续辊压机的设备制造商主要是敦化市亚联机械制造有限公司、上海捷成白鹤木工机械有限公司和哈尔滨东大公司。连续辊压机主要用于薄板生产,适合生产2~6mm厚的板材,而且几乎不能生产厚度6mm以上的板材。连续辊压机的产量有限,年产量很难超过5万m3。从中纤板压机的发展历史来看,连续辊压机无疑是一种介于多层压机与连续平压机的过渡产品。为了既能生产薄板,又能大规模连续生产中厚板,欧洲地区的压机供应商逐渐把主要注意力转移到连续平压机的研发制造上。连续平压工艺最先是由英国人提出的,用于刨花板生产的第1台巴尔特列夫(Bartrev)连续压机于1950年在英国投产使用,但这种压机结构复杂而未能得到普及发展。直到1977年,原联邦德国的库斯特(Küesters)公司才成功制造出了世界上第1台适用于木质刨花板生产的连续平压机;1981年,原联邦德国的比松(Bison)公司生产出了第1台油膜型连续平压机(HYDRO-DYN);1984年,原联邦德国Simpelkamp把ContiRollR连续平压机推向了市场;1990年,德国Diffenbacher推出其首台CPS连续平压机。目前连续平压机的国际供应商主要是德国的Simpelkamp和Diffenbacher公司,国内的供应商是上海板机及敦化市亚联机械制造有限公司。另外,苏福马股份有限公司和上海捷成白鹤木工机械有限公司也从2010年开始生产中纤板连续压机,但这两个公司的连续压机还未在用户实际运行。目前全世界有300多条连续压机生产线,绝大部分幅面8′的连续压机生产线由Simpelkamp及Diffenbacher公司提供,绝大部分幅面4′的中纤板连续压机生产线由Simpelkamp公司和上海板机提供。4.2连续压机的优点连续平压机主要用来生产中/高密度纤维板、普通刨花板及定向刨花板。到目前为止,连续平压机幅面宽度主要为4′和8′,适合压制2.5~40mm的板材,连续压机压制出的厚度为2.5mm、3mm及4mm的中纤板薄板可替代湿法硬质纤维板和薄型胶合板。由于连续平压机比连续辊压机的使用更为普遍,所以通常人们所说的连续压机几乎就是连续平压机的代名词。连续压机能够满足市场对大规模、高品质产品的要求,与间歇式多层压机相比,连续压机具有以下优点:1)在间歇式多层压机中,热压板的加热温度是基本恒定的;在连续压机中,热压板的加热温度可根据板坯所需求的热量不同,对压机的前段、中段及后段进行分别调整及设定。连续压机可以在有效的长度上分区段以固定的压力对板坯进行加压,热压后的板材厚度均匀,断面密度分布合理,板面光滑平整,不但质量高,而且质量稳定。2)连续压机可以在全部有效的热压长度上排除热压过程中产生的水蒸气,最大限度地避免板坯放炮,避免了蒸汽对热压板的腐蚀。3)产品规格多,热压后可锯出多种幅面的板材。4)连续压机采用精确的热压板位移间隙调整装置来实现厚度控制,板厚偏差小,板面预固化层薄,砂光量小,一般双面砂光量在0.5~1.0mm,有些厚度的板材甚至不需要砂光,可有效地节约原料,在生产薄板时,原料利用率高的优势尤其明显,这一点是多层压机难以比拟的。5)由于连续压机正常生产运行时始终处于闭合状态,不需要像多层压机那样周期性地张开及闭合,油缸压力波动小,所以压机运行更加平稳。由于连续压机正常运行时没有间歇等待的辅助时间,所以生产效率高。6)由于连续压机没有热压板周期性地张开及闭合,所以热量损失少,电能与热能的消耗大幅度降低,连续压机比多层压机更加节能。4.3上海板机连续压机生产线我国从20世纪80年代末开始引进连续压机生产线,1989年,福建邵武人造板厂从联邦德国Simpelkamp公司引进1条年产3万m3刨花板连续压机生产线,这是我国第1条连续压机生产线。我国早期引进的连续压机生产线的产量比较低,年生产能力基本为3万~10万m3,后来引进的连续压机生产线的生产能力一般都在15万m3以上,以年生产能力20万m3居多。我国引进的连续压机生产线主要用于中纤板及普通刨花板生产。截止到目前为止,仅有湖北宝源木业有限公司于2009年5月与Dieffenbacher公司签署引进了1条年产22万m3的定向刨花板连续压机生产线,这条生产线的设备投资为2700万美元,整个项目总投资约4.6亿元人民币,这条定向刨花板连续压机生产线在2010年10月投产试运行。上海板机从2000年9月开始正式立项开发人造板连续平压机,又通过合资引进国外先进技术,历经近6年的不懈努力,终于在2006年5月成功开发出第1台自行研制的用于中纤板生产的4′×32m连续平压机样机。该样机在公司车间内全部装配后,经过连续3个月的工厂调试及测试,证明各项技术性能达到了设计要求,填补了国内空白,改变了我国连续压机完全依赖进口的局面,结束了我国不能生产连续压机的历史。上海板机由此成为中国第1家、世界第4家能提供年产15万m3以上人造板连续压机的人造板机械制造企业。上海板机连续压机的研制成功标志着我国人造板机械总体水平的提高,国产制造的连续压机不仅能替代同类进口设备,而且可以为国家节约巨额外汇。在第1台4′×32m连续压机样机的基础上,上海板机进一步完善连续压机关键技术的专利开发,并对一些关键的零部件进行试验。上海板机在连续压机的进一步开发研制过程中,采用了无故障运行的设计理念,采用了大量的新技术、许多新材料和当代国际上最新的电气控制技术,终于在2007年成功研制了全智能机电液一体化的大幅面刨花板连续压机及其生产线,这是我国第1套拥有自主知识产权的年产45万m3刨花板连续压机生产线。2007年9月22日,这条刨花板连续压机生产线在斯洛伐克生产出第1张刨花板,2007年11月整条刨花板连续压机生产线实现3班运行,日产刨花板1400m3(板厚18mm)。这条刨花板连续压机的幅面宽度是8′,长度为45m,连续压机的设计速度约1.2m/s,所生产的板材宽度为1830~2520mm,长度为8225~11235mm,厚度为6~38mm,板材的密度为620~760kg/m3。上海板机生产的第1条安装在国外的中纤板连续压机生产线于2008年发往波兰,压机宽度4′,长度38m;这条连续压机生产线可生产不同规格的中纤板,后处理板材堆垛有多种幅面,成品板厚度为5~22mm,压机最大运行速度为1m/s。2010年4月29日,上海板机生产的第1条安装在国内的中纤板连续压机生产线在新疆金杨美家木业有限公司顺利出板,2010年6月4日通过全面生产考核正式投产;这条生产线使用压机的宽度4′,长度38m,后处理板材堆垛4′×16′,成品板规格为1220mm×2440mm,成品板厚度为4~21mm,压机最大运行速度为1m/s。截止至2010年9月,上海板机已销售13套连续压机,其中5套已经在国内外投入生产运营,其余8套正在安装调试或制造过程中。上海板机研制的中/高密度纤维板连续压机的年生产能力以15万~20万m3为主,而刨花板连续压机的年生产能力已经达到45万m3。上海板机开发的双钢带平压式中纤板及刨花板连续压机,定位于国际先进水平,在连续压机的关键结构上拥有自己的创新技术,所有连续压机均采用导热油加热,压机的最大面压为5.0MPa。连续压机的机架为框架式,采用长滚柱链毯滚动摩擦副,进给头组合外置式,液压系统远离加热区,热压板材料已经完全国产化,工艺过程和参数实现计算机总线控制。上海板机生产的双钢带连续平压热压机主要由板坯进给部分、板坯加热加压和保压定尺部分、出板部分及输送传动部分等组成。板坯进给部分是连续压机的关键,压机进口结构必须适应纤维板坯能高速进入压机而又不致造成喷出纤维的要求。板坯加热加压和保压定尺部分主要由框架式机架、加压油缸、提升油缸及带隔热垫的热压板等组成;出板部分用来将热压后的板材输送到运输机上,同时又为钢带提供驱动动力;输送传动部分主要由钢带、钢带驱动辊、柱形链毯、链毯带动链、链条及链条导向等组成。连续压机的加压曲线分为多个区段,通常分为第一区段的高压区、第二区段的中压区及第三区段的低压区,每一个区段内的压力均可在一定范围内进行调节。这样,当板坯通过整个压机时,板坯就周期性地承受了一个经过设定的有规律的压力变化,最终可得到较为理想的板材断面结构。根据板坯所需热量的不同,可对连续压机的前段、中段及后段热压板的加热温度分别进行调整及设定。4.4连续压机在中国的应用连续压机是高度机电液一体化的大型设备,它代表了人造板生产用压机的最高技术水平。对于21世纪人造板工业,连续压机的推广及广泛应用具有里程碑的重大意义,它对传统的多层压机及单层压机形成了强烈的冲击。连续压机的热压机理、设计结构、制造方法及热压工艺都是全新的,连续压机不仅是压机的重大创新与发明,而且它还带动了一系列人造板设备的技术进步。与周期性压机相比,