1、泡沫玻璃概述
泡沫玻璃的制备是以富含玻璃相的物质为主要原料，添加适量的发泡剂、助剂，混合后经过粉磨，制成配合料，然后再将配合料放入耐热模具中，经过预热、烧结、发泡、冷却、退火等工艺生产而成的轻质无机多孔状玻璃态材料［1］。泡沫玻璃是典型的气固二相体结构，其中泡孔体积占总体积92%以上，泡孔直径多为1mm左右，其体积密度普遍在100～160kg/m3，是一种性能优异的保温、隔热、吸音、防潮、防火、防腐、防霉的轻质高强保温绝热材料［2］。1935年，法国圣戈班公司(St．Gubain)发明了泡沫玻璃［3］，其以平板玻璃为原料，碳酸钙作为发泡剂，借助耐火模具在其中进行加热，制成轻石状的材料。1937年匹兹堡平板玻璃公司和康宁公司合资成立匹兹堡康宁(简称PC)公司，使用炭黑作为发泡剂研制开发泡沫玻璃，生产出泡孔结构完全封闭的绝热型泡沫玻璃［4］。1939年，前苏联在门捷列夫化工学院中间实验厂采用“一步法”工艺研制生产泡沫玻璃［5］。1945年日本购买法国专利，开始彩色泡沫玻璃研发。1955年中国开始泡沫玻璃的研发工作，直至1974年的上海金山石化项目，才实现小批量产品供应［6］。目前，全球仅有美国康宁公司、俄罗斯、白俄罗斯、乌克兰和中国生产泡沫玻璃产品。康宁公司总计有6个工厂，其中美国本土3个，欧洲2个，中国烟台1个。中国总计有50余个工厂，主要分布在浙江、河北、江苏、河南、山东、甘肃、广西、山西、上海等地，形成了江浙地区和河北地区两大生产基地，泡沫玻璃毛坯总产能达260万m3/年。目前，泡沫玻璃的单线毛坯最大产能已达7．5万m3/年，较初期的单线产能1500m3/年增加50余倍。2004年以前，泡沫玻璃产品应用市场主要是工业保温行业，包括深冷和低温管道、设备、容器与储罐，中温和高温管道、设备，石油化工、硫化生产过程，充分体现了泡沫玻璃独一无二的产品性能，具有不可替代的优势。美国康宁公司长期致力于该领域的发展，我国最初的泡沫玻璃生产企业也主要围绕该领域进行市场开拓。2004年以后，泡沫玻璃逐步在中国的建筑节能领域得到应用和推广，直至2009年央视大火之后，泡沫玻璃产业在中国实现了快速发展，泡沫玻璃在建筑节能与城市防火减灾方面得到了普遍认可和广泛应用。
2、泡沫玻璃发展遇到的问题
目前，泡沫玻璃已经在建筑节能领域得到应用和发展，随着建筑节能对材料节能特性和经济性要求不断提高，泡沫玻璃尽管具有一系列优良特性，但是生产成本和售价高于目前市场广泛应用的聚苯乙烯有机保温板，成为目前广泛应用推广的经济性障碍，造成泡沫玻璃生产成本高的原因主要包括如下几个方面。
2．1耐热钢模具的使用
传统泡沫玻璃生产主要借助S310材质耐热钢模具作为成型容器，大致循环使用1000次左右，模具受热变形、氧化、侵蚀等影响，最终将会报废，同时也会产生很大能源消耗［7］。每个模具成本约为1000元，只能生产1000块泡沫玻璃毛坯(大约切割40m3成品)，因此每立方泡沫玻璃成本因模具损耗费用占25元左右，另外模具在加热炉内循环使用过程中的能耗费用也达15元/m3左右，因此模具使用造成40元/m3成本增加。
2．2毛坯切材率偏低
传统泡沫玻璃生产主要借助模具实现发泡成型，其外观形态并不规则，需要进行锯切加工，进行表面切平取方。目前，借助模具成型的泡沫玻璃毛坯块最大规格仅有680mm×640mm×230mm，进行毛坯6面切割取平后，毛坯切材率普遍在65%～68%，即使通过增大模具的方式，毛坯切材率也只能达到74%～76%。但是模具不能无限增大，因为模具规格变大，其刚性变差，容易产生变形，毛坯更加不规则，反而切材率下降。另外脱模操作难度也随之增加，所以模具规格提高也遇到了瓶颈。在传统模具的生产方式中，意味30%的毛坯成为废料，不能获得有效利用，这是制约成本提高的重要因素，如果提高1%切材率，意味生产成本降低1%。
2．3单线生产规模偏低
尽管泡沫玻璃行业在最近8年内进行了一系列技术革新，生产技术逐步成熟和完善，生产装备水平不断提升，生产线世代发展至今已经发展到第5代，自2007年之后快速淘汰第1代和第2代生产线，出现了第3代、第4代、第5代泡沫玻璃生产线并存状况。随着生产线世代提高，单线生产规格不断提高，其生产成本不断降低，见表1所示［6］。目前，第5代生产线所生产的泡沫玻璃产品质量最优，在投资2800万元的情况下，发泡炉断面并排有3列模具同时运行生产，其年产能最大也只能达到7．5万m3，成本已经相对第3代和第4代泡沫玻璃生产线降低20%以上。而我国每年建筑保温材料需求量高达6000万m3，而岩棉和聚苯板的单线年产能均达到20万m3以上，因此现有第5代泡沫玻璃生产线产能规模依然偏小。综上所述，制约泡沫玻璃生产成本主要在于耐热钢模具的使用、毛坯切材率偏低、单线生产规模偏低3方面。基于上述3方面问题，必须对现有泡沫玻璃生产工艺和装备进行系统革新和改进。经过北京工业大学泡沫玻璃研究团队20多年的潜心研究与开发，提出了第6代泡沫玻璃生产工艺和成套装备构想。
3、第6代泡沫玻璃生产工艺和成套装备
3．1第6代泡沫玻璃生产工艺
第6代泡沫玻璃生产工艺采用“一字形”纵向水平布局，改变国外专利的垂直生产布局思路［7］。利用连续宽断面发泡炉，使用原料是可以回收的废弃玻璃和熔化的新玻璃，进行预热、烧结、发泡、冷却定型，在连续发泡炉末端对毛坯进行在线热切割，使毛坯分割成规格尺寸可达1200mm×900mm或1200mm×600mm的毛坯板块，然后侧立放入退火炉进行退火，退火后再进行精切加工和包装。生产工艺与传统生产工艺几乎一致，仅是在模具和热切割方面存在显著差异，第6代泡沫玻璃生产工艺见图1所示［9］。第6代泡沫玻璃生产工艺特点:(1)采用快速加热、冷却方式，缩短了生产周期，实现连续生产，提高了生产效率;(2)减少了发泡窑冷却和稳定段所需的窑长以及退火窑加热段的窑长，降低了能源的消耗;(3)完全不需要模具，取消回模线，减少了模具费用和脱模剂的消耗;(4)免除了模具清理、脱模剂喷涂、配合料装模、毛坯出模、搬运模具等工序;(5)毛坯切材率达到85%～88%，提高了毛坯切材率10%以上;(6)减少单位产品人工成本消耗，综合生产成本降低20%。
3．2第6代泡沫玻璃生产线成套装备
第6代泡沫玻璃生产线成套装备由八大系统组成，其中包括原料处理系统、配合料制备系统、配合料输送系统、发泡炉系统、热切割设备系统、退火炉系统、冷切割系统和包装系统。3．2．1原料处理系统回收的废玻璃包括平板玻璃和瓶罐玻璃等，由于其在使用过程和回收环节表面粘附很多杂质，包括尘土、纸屑、油污、树叶、塑料、金属等，上述物质必须进行去除，所采取的去除方式包括破碎、清洗、烘干等环节。破碎选用破碎机，对大于300mm块体或空腔玻璃制品进行破碎，形成100mm以下的块状形态。清洗选用回转式滚筒清洗机，水作为清洗介质，水循环使用，设置澄清池和沉淀池，定期补充水的消耗。烘干采用卧式滚筒烘干机，对已经清洗和滤水之后的玻璃碎块进行干燥处理，以及油污、塑料、树叶烧失处理，上述系统单元的连接通过皮带传输实现。3．2．2配合料制备系统配合料制备包括干燥的玻璃碎块粉碎、电子称量与配料、粉磨系统、储料系统和除尘系统。玻璃的粉碎采用锤式破碎机，破碎粒度小于5mm。电子称量与配料，包括玻璃原料的皮带秤称量，发泡剂和助剂螺旋称量。粉磨系统采用三仓结构形式的卧式滚筒连续粉磨机，配合料按比例定时(5～10min)送入卧式滚筒连续粉磨机入口，大约40～50min到达粉磨机出口，出口粒度控制在20mm以下，经筛分震动机进行配合料粉体粒度控制，合格粒度的配合料提升送入到储料仓中。储料仓一般设置2～4个，可满足1～3天使用储量。除尘系统主要设置在破碎机、粉磨机入口和出口处，除尘系统主要采用布袋式除尘器，确保环境卫生要求。3．2．3配合料输送系统为了减少配合料的运输距离，一般将粉磨车间设置在主车间(发泡、退火、切割)附近或结合在一起，减少配合料运输工作量，运输方式包括管道气动输送、管道刮板输送，以及桶罐叉车运输。总之运输距离越长，对配合料均匀性将产生影响，也会产生环境卫生问题，因此建议尽量将粉磨与发泡炉布料系统结合在一起，最大限度地实现节能降耗、提高质量、降低污染。3．2．4发泡炉系统第6代发泡炉完全不同于以前世代的推板窑和辊道炉，该连续发泡炉采用金属叠层网状传输带或金属链板结构，保障了发泡炉的传输面的平整性和严密性。发泡炉宽度可达3．6m以上，优选使用天然气燃料，在传输带或链板上下进行加热，均匀密布燃烧器，减小横向温差，利用燃烧器高速火焰气流的对流传热效果，达到温度场的均匀性。在发泡炉入口处对传输带或链板上表面与配合料进行隔离，防止烧结黏连和配合料遗漏，使用的隔离材料包括薄形无机板状材料、金属材料、有机材料等，然后利用槽型布料器将配合料铺敷在隔离材料上面，配合料布料厚度依据布料器下口与隔离材料的高度来决定，可以人工或自动调节，布料器宽度一般与发泡炉同宽度，一般控制配合料布料厚度在40～50mm，发泡后的毛坯厚度即可达到200mm以上。发泡窑炉的发泡工艺制度几乎与第1代至第5代工艺一致，包括预热、烧结、发泡和冷却定型。3．2．5热切割设备系统连续发泡炉生产出来的毛坯，断面宽度达2．4m，甚至达到3．6m以上，必须对其进行切断，然后送入退火炉退火。因为泡沫玻璃产品的发泡时间和退火时间比例为1∶20，如果不截断，意味与发泡炉同宽度的退火炉长度是发泡炉的20倍长度(大约在1000m)，这在技术和经济上是不可行的。另外不能有效完成退火，会存在不规则断裂，导致采材率很低。因此必须使用一种适用于500～600℃的热切割设备，快速完成宽断面毛坯的分割，一般将其分割成1200mm×900mm或1200mm×600mm毛坯板块，或者其它规格，原则上以退火炉空间或退火炉可满足的最佳退火条件来决定。3．2．6退火炉系统第6代发泡炉基本沿用第5代生产线的金属网带传输型退火炉，并且采用多组(12～36组)热风循环搅拌，实现退火炉断面空间的温度均匀性，最大限度地缩短退火周期。目前厚度230mm毛坯退火时间可达22h，退火炉宽度达4．8m，横向放置16块侧立放置的泡沫玻璃毛坯，退火炉长度可达80～120m。3．2．7冷切割系统由于第6代泡沫玻璃生产线产能更大，传统单机式泡沫玻璃毛坯切割系统无法满足。冷切割加工系统使用低噪音、低尘、高效自动切割系统，采用多个单机串联组合成自动切割线，实现毛坯投入、除上皮、翻坯、去下皮、双侧切、转向、双侧切、人工取块。切割采用低速合金带锯，同时锯带采用淋水冷却和降尘，使工人劳动负荷和环保条件得到极大改善。3．2．8包装设备第6代泡沫玻璃生产工艺对包装进行了革新与改进，采用热风塑料收缩膜对泡沫玻璃成品进行包装，替代纸箱和木/塑托盘技术，提高了包装效率，减少了纸质、木/塑包装材料对储放空间和运输空间占用，同时节约包装成本30%。由于热风塑料收缩膜包装，使制品更加紧密，减少了磨损和破损。
4、总结
2015年是泡沫玻璃诞生80周年，泡沫玻璃生产制备技术不断完善。21世纪全球发展赋予了泡沫玻璃广泛应用市场，尤其在中国的建筑节能领域开始发挥重要作用，但因其生产成本和售价高，影响和妨碍其市场竞争力。作者在泡沫玻璃材料方面20多年的研究成果和经验，提出了第6代泡沫玻璃生产工艺和成套装备构想，该生产线包括原料处理系统、配合料制备系统、配合料输送系统、发泡炉系统、热切割设备系统、退火炉系统、冷切割系统、包装系统。其单线泡沫玻璃毛坯产能可达15万m3/年，生产成本比第5代生产线降低20%，综合成本可控制在420～480元/m3。第6代泡沫玻璃生产线最大特点摒弃了耐热钢模具，实现无模生产，发泡窑采用金属网带或链板结构，幅面宽度可达3．6m，采用热切割设备实现毛坯分割，泡沫玻璃毛坯制品尺寸规格可达1200mm×600mm或1200mm×900mm。第6代泡沫玻璃生产线得到实施后，将进一步提高泡沫玻璃材料在建筑节能领域的市场竞争力。
作者：田英良 孙诗兵 张继光 崔素萍 吴中伟 李思齐 单位：北京工业大学材料科学与工程学院
