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摘 要

发泡剂制备系统是石膏板工艺过程中一个不可缺少的组成部分，由它制得的 泡沫可以降低石膏板单重，对产品的性能有重要作用。北新建材石膏板厂发泡剂 制备系统已经运行了20多年，随着生产技术的发展和市场要求的不断提高，原 来系统逐渐显现出效率低、稳定性差的缺点，已经不能适应生产速度加快和产品 种类越来越多的要求。鉴于上述情况，工厂决定对原有的发泡剂制备系统进行改 造，达到设备集成化，并配置先进的控制装置。

本文分析纸面石膏板的生产方法和国内外石膏板厂发泡剂制备系统的性能， 研究了新发泡剂制备系统的工艺流程。通过对常见液体泵的性能对比和实验，采 用单螺杆泵输送介质。另外，本文比较了多种介质流最调节方法以后，选择变频 调速装置改变泵的转速实现系统的流量控制。最后，选择胶体磨作为泡沫产生和 调节装置，并对胶体磨进口处结构进行了改进设计。

通过调试和运行，发现由单螺杆泵和胶体磨作为主要部件组成的新系统具有 以下特点：发泡质量提高，流量控制更为精确，发泡剂原液使用量有所减少；有 效地节约了人力资源，提高了工作效率；在使用新发泡荆制备系统后。产品单重 降低，干燥控制稍有改变，石膏板的各项质量指标没有明显变化，研究成果表明 改造后的新系统完全满足生产线工艺要求。

关键词：发泡剂石膏板单螺杆泵胶体磨 流量控制

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The foam producing system is the necessary part for paper-surface gypsum board technological process，the^{foamitmakescanreduce} weight^{oftheboardanditis} very important^to quality．The systemⁱⁿ Gypsum^BoardPlantof Beijmg^New Building Materials Company worked for twenty years．But it appeared low efficiency and unstable with the technology development and market requirement．In view of this， developing changes shoIlld be made to improve and design again．the project is scheduled technological innovation in BNBM in 2001．

In this issue，the manufacture of the gypsum board and the current situation of the foam producing system are introduced，we recounted the design method of the new system，the^{flowchartofthe} system^{isdiscussed．The} centrifugal pump^{and the} single scfew pump are test on the product line．and the colloid mill is selected as the foam generator．All^{thecontrolformulaof} system^isbasedonthe technological^{dataof the} equipments．

When the system put into operation we found the pump and the mill worked stably， the system had good charactefistic of value contr01．In addition，the quality of the gypsum board has been improved a little，and the system met the technological requirement．The^{achievementsofthe} study^{indicatesthatitisfeasibletO} improve^the foam producing system．

Key^Words：foam gypsum^board single—screw pump

colloid mili rate of flow

n

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外。本论文不包舍任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：商龟基租

日期：加々年3月3『日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密口，在——年解密后适用本授权书。 本论文属于

不保密嗣。

(请在以上方框内打。4”)

学位论文作者签名：南缱妖指导教师签名：

日期：2四午年3月jI臼

日期：钿午年3月3J日

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1绪论

1．1课题来源

纸面石膏板是一种较为新型的建筑装饰材料，以其良好的特性而广泛应用于商用 建筑和民用住宅。随着社会的发展和人们生活水平的不断提高，市场对石膏板产品逐 渐接受，并提出了更高要求，国外已经出现了一些新的品种。

制造石膏板的过程中，发泡剂是一种非常重要的料浆组分。在石膏板成型时，将 发泡剂制备系统产生稳定的微小气泡加入料浆中，经过湿板的干燥过程，板芯出现孔 隙，在不影响使用强度的前提下起到降低产品单重的作用。

国内石膏板生产线发泡剂制备系统大部分工作是由人工完成的，由于人为操作的 误差和工业用压缩空气的稳定性差等因素，往往会出现发泡效果不稳定的情况，直接 影响石膏板干燥后的板芯质量，使产品的质量出现波动。所以更新发泡剂制备系统是 提高石膏板产品质量的需要。

离心式泵是叶片泵中应用广泛的泵，给水、排水系统中使用最多的是大流量的离 心泵，管道泵在液体输送中也经常见到。

单螺杆泵属于容积泵的范畴，最初应用于造船、石化和制药行业，国外用得比较 多。螺杆泵的发展在我国起步较晚，最初的研究始于六十年代，但随着国内技术和加 工能力的不断提高，螺杆泵已经逐渐被设计人员熟悉和采用。由于它能够输送粘度很 高的液体，气液两相流和含有固体颗粒的介质，单螺杆泵已发展成为应用广泛的介质 输送设备。单螺杆泵具有很好的自吸能力，适合于计量，能够适应石膏板的连续生产 中发泡剂原液的输送。⋯”1

胶体磨是一种物料超细粉磨和乳化设备，它是通过一对固定磨体和高速旋转磨体 的相对运动产生强烈的剪切、摩擦、冲击等作用力，将被处理的物料有效地粉碎、分 散、乳化，可以将0．1—0．2mm的颗粒磨到2p m以下。。¨“胶体磨较多应用在食品、 制药和军事上．9。但从目前的文献中尚未发现其在建材领域的应用。

使用变频调速装置当前工业控制技术发展的趋势和潮流，这种方式可以降低生

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产性电耗，提高相关机械设备的控制性能和精度，同时实现有效的自动控制。新系统 中应用变频调速装置改变单螺杆泵的转速，并通过泵出口管路上的流量测量装置反馈 ． 数值并加以控制。

发泡剂是整个石膏板生产过程中重要的组分，对于降低单重和改善产品的性能有 重要的作用。经过多年的使用，北新建材石膏板厂七十年代末的发泡剂制备系统的缺 点逐渐显露，此课题就是要解决这个问题。

1．2国内外概况和预测

1．2．1石膏板发泡剂制备系统简介

石膏板作为非承重部分的装饰材料，安装或施工过程中并不特别强调结构材料的 强度，同时施工人员要求减轻施工所需劳动强度，也希望防止由于自重引起的变形和 脱落，轻质石膏制品的概念已经被人们所接受，这类产品的特点就是质轻、性能好、 便于施工。嘲m

作为降低石膏板板芯材料的组成成分，发泡荆的制备和添加过程是：首先将发泡 剂原液以～定比例与清水混合，然后通过发泡器形成泡沫，最后通过泵输送到混合 机，与料浆均匀混合后，共同经过挤压成型设备。发泡剂制备系统主要包括：原液混 合设备、混合液发泡装置和泡沫输送设备。

1．2．2国内外发泡剂制鲁系统概况

石膏板在我国的生产和应用只有二十多年的时间，是一种新型建筑材料，其生产 技术还处于研究发展阶段。目前国内生产线的发泡剂制备系统比较简单，以中国新型 建材工业设计研究院(杭州)设计国内领先的、年产2000万平米北新建材石膏板生 产线来说，”1其发泡剂制各系统也是仿照七十年代末引进的外国设备设计的：发泡剂 原液与清水混合，采用简单的人工混合方式，精确性较差。国内有关部门调查论证的 产量更高的石膏板生产线中将要采用的发泡剂制冬系统也没有对泡沫大d、的调整提出 控制方案。

然而国外的石膏板制造商，如澳大利甄的CRS、德国的KNAUF等公司，都使用

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特有的发泡荆制各系统．并且都申请了专利保护，这说明石膏板生产厂家对发泡剂的 应用是非常重视的。通过对国外不同时期建成的石膏板生产线的研究发现，随着生产 速度和产量的增加，发泡剂制备系统也越来越先进。

1．2．3改进国内发泡剂制备系统展望

随着社会的发展和人们对居住条件要求的不断提高，石膏板的生产也出现了一些 新的趋势。国外对石膏板产品已经进行了细分：即不同场合、不同用途、不同施工条 件下所用产品分别使用不同要求的板材，如打破常规尺寸限制，适于电梯运载的 900mmxl800m的石膏板。同时生产厂家必须能够根据不同产品的单位重量、强度、 防水性等要求，实现原材料的不同配比。生产不同种类的石膏板，除了所用的护面纸 和板芯添加材料不同以外(如耐火石膏板需要添加玻璃纤维)，发泡剂是很重要的调 节因素。

为了适应市场形势，可以预见国内的石膏板生产厂家将逐渐更新自己的发泡剂制 备系统，使系统设备集成化、控制自动化，并选择使用低温下流动性良好的低凝发泡 剡原液。此课题研究的新系统应该解决目前存在的泡沫质量不稳定、不能调节泡沫大 小等问题。

1．3课题的主要工作

1．3．1改进发泡剂制备系统的定位

国外石膏板生产技术发展迅速，工艺流程和生产设备不断创新，动态发泡装置就 是新型的发泡荆制备和供给系统，它是石膏板行业20世纪90年代世界上最先进的发 泡技术。

北新建材石膏板厂是国内最好的石膏板制造商，产品质量始终是国内一流的。经 过多年的实践，通过对原有进1：3设备和技术的消化、吸收和改进，我们已经有能力设 计更新自己的发泡剂制备系统。

根据当前生产线的实际情况，本课题必须达到以下要求： 1)新系统能够适用目前的各种原材料，能够和原有系统管路进行切换。应用新系

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统生产的产品关键技术指标(如石膏板的横向、纵向强度)现有数值，这是系统改进 的前提；

• 2)新系统必须取消人工添加各种原材料的环节，消除人工操作误差，以适应石膏

• 板生产线自动化程度较高、生产速度越来越快的特点，同时能够节约人力资源； 3)改变原系统q，泡沫大小不能调节的缺陷，同时提高泡沫稳定性，为生产不同单

• 重要求的石膏板产品打下基础，提高产品质量；

• 4)采用自动控制方式，使各种介质流量的控制更为精确，消耗量有所降低，简化

• 员工操作程序：

• 总之。新型的发泡剂系统稳定、高效，能适应大规模的连续生产，同时有效地降

• 低石膏板每平方米的重量。

1．3．2课题的主要工作

• 为了新的发泡剂制备系统能够达到设计要求，使之完全适应现有的石膏板生产

• 线，所以在系统改进的课题中，必须完成的主要工作包括：

• 1)计容器和管路，实现改进系统中各种介质的独立存放和封闭输送，以取消原来

• 的人工操作环节；

  • 2)发泡剂原液消耗篓较少的特点，选择流量调节性能较好的输送泵；

  • 3)为发泡剂原液输送泵选择先进的流量控制方式，并设计自动控制回路；

  • 4)为了精确控制流量，确定性能优异的流量计量设备；

  • 5)开发出新型的泡沫发生装置，并且实现泡沫的大小可以调节；

  • 6)完成新发泡剂制备系统的在线试运转。

1．4本章小结

本章介绍了纸面石膏板发泡剂系统的国内外现状，指出目前发泡剂制备系统的缺 点并提出改进研究的方向。

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2石膏板发泡剂制备系统的工艺流程

2．1石膏板的生产过程

2．1．1石膏板的组成成分

石膏板的生产过程是：石膏料浆和各种辅料

混合后，填充到上、下护面纸之间，经过挤压成型、切断、干燥、镊边等主要工 艺过程而生产出来的。石膏料浆中主要成分是熟石膏粉和清水，辅料包括纸浆液、淀 粉、促凝剂、发泡剂、防水剂等，所有组分要经过混合机搅拌均匀。

2．1．2石膏板的特点

石膏板是一种新型建筑和装饰材料，它的主要特点是具有防水性、吸音性、保温 性、不燃性等。在人们越来越重视环保的今天，部分石膏板厂已经开始采用100％天 然石膏原料，生产出无污染的产品。

2．1．3石膏扳发展迅速的原因：

在美国，石膏板的人均使用量达到20m2，而在我国石膏板的生产和使用还处于 发展阶段，人均使用量不足lm2，蕴藏着巨大的市场前景。

石膏板在国外发展迅速，主要是由于这种材料本身的特性决定的，它适应现代

建筑特点，主要是91：

1)它适应技术全面、专业性不强的新建筑物的需要；

2)便于多层组合使用：实用、容易安装、工作效率高

3)石膏板可作复合板材的衬砌基材。

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2．2发泡剂的成分和作用

用于生产轻质建材的发泡剂种类很多。简单的发泡剂是通过直接向料浆中引入空 气，属于物理发泡剂，有的是通过把发泡剂加入到料浆时出现化学反应而产生气体， 属于化学发泡剂。旧

生产石膏板所应用的发泡剂属于化学发泡剂，是阴离子型、非离子型或二者复合 的表面活性剂，以脂肪醇硫酸钠为主的复合物[10]。它的状态是透明液体，有较好的 分散、乳化能力，石膏板生产工艺要求发泡剂略呈碱性，与肥皂原料相似，其 PH=7～9，有效成分t>34％。由发泡剂原液产生的泡沫高度>一180,m，5分钟泡沫稳定 性≥95％，泡沫均匀、稳定，直径<1．0咖。

发泡剂是石膏料浆中一种重要的组分。它经过混合机与料浆混合，在石膏板成型 过程中，使料浆中存在稳定的、一定数量的微小气泡。由于气泡主要由水分构成，湿 板在干燥过程中被蒸发捧，从而板材芯部出现的细小孔隙，在不影响使用强度的前提 下降低了石膏板单重，这样石膏板湿板的单位重量降低，干燥过程中节省了热源消 耗，对提高现有干燥机的能力非常重要。另外降低石膏板单重后，提高了板材的力学 性能，起到了隔音效果，同时给工程运输和施工带来方便。 2．3原有发泡剂制备系统

目前国内的多数石膏板生产线广泛应用的发泡剂制备、供给系统比较简单，其工 艺流程图如图2．1所示：

图2．1发泡剂制备系统示意图

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暑=口I{自=目自_tt-qt=jE目置_-|置；口={==_t====目=_tE==昌lI=={j=ttj-_自；皇_篁目口口●●吐_I∞●；％_-●一 该系统中的主要设备包括螺杆泵和发泡器，它们的作用是：

螺杆泵：从制各罐中抽取并输送发泡剂原液与水搅拌后的混合液体，使之通过发 泡器，并将其输送到混合机；

发泡器：在螺杆泵的压力作用下，混合液体与压缩空气共同通过发泡器，利用发 泡器内部的单元之间的间隙产生泡沫。

通过多年生产，我们发现这个系统存在的主要缺点是：

1)在制备发泡剂混合液时，水和发泡剂原液的加入是由人工完成的。

由于员工的个体差异存在较大的操作误差，每次制冬时的加入发泡剂原液的量不 可能精确，结果必然会出现发泡质量不稳定的情况。同时，制备后的液体敞开式存 在，泡沫不稳定，容易破裂，并可能产生直径大于lram的泡沫。如果这些泡沫用于生

• 产，必然会影响产品的强度。

2、泡器内部间隙固定不变，不能调整泡沫大小。

发泡器是一个密闭的壳体，内部是直径3mm以下的玻璃珠子填充而成的。这样在 密闭壳体内部各个单元之间的间隙是固定的，产生泡沫的大小不能调整。

3)输送泵的出口管路上缺少发泡剂的流量计量装置，泡沫容重通过压缩空气的流

量来控制，其精度很低。

正是由于存在上述缺陷，原有的发泡剂制备系统已经影响了特秘规格石膏板产品 的开发和生产。

2．4系统工艺流程的改进

为了解决原来发泡剂制各系统存在的缺点，以适应石膏板生产技术发展的需要 我们提出了此课题。此次改造提出的新系统工艺流程如图2．2所示：

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