彩瓦的自动化生产

魏伟

　　 前言

春节过后，依旧处于疫情期，闭门在家闲着无事，突然想到，何不利用此空闲时间，把我25年来从事彩色水泥瓦行业技术及管理工作的经验和有关资料写成美篇，以供感兴趣的人们和同行参考。

《美篇》有个好处，不仅可以有文字和图片，也可以播放视频和动画，用《美篇》写成技术文献，不仅图文并茂，更有视频和动画，生动形象，起到图文都难以表达的效果。此外，美篇还可以随时进行修改或补充内容，并与读者互动。

彩色水泥瓦装备制造行业属于小众行业，至今有关技术文献很少，国内技术水平-无论是制瓦水平还是装备制造水平与国际先进水平相比差距还很大。我从1994年进入美国独资伯林盖姆(常州)机械有限公司工作，后来又长期担任中美合资华美建筑材料有限公司总经理，与美国伯林盖姆工业公司合作二十余年，也与国内的很多同行有很好的朋友关系。希望我多年积累的技术资料和有关论文对我国的水泥瓦行业赶超世界先进水平有所帮助。

第一章 彩色水泥瓦生产简史

水泥瓦的历史几乎与水泥的出现同样古老，在公元1800年左右，水泥瓦首先在德国出现，当时一个德国农民用新出现的水泥材料做成一些平的薄板，然后把这些平薄板当作屋面瓦盖在他的谷仓上。不久，他建立了一个小作坊，为他的邻居制造这些薄板来作为屋面瓦使用。
商业性的制造和使用水泥是在19世纪20年代，有人在巴伐利亚附近用天然水泥做成混凝土，在斯塔达赤地区，19世纪的许多屋顶都采用混凝土水泥瓦，这种瓦大都是菱形的，模仿传统的石板瓦，有一点点颜色，甚至没有颜色。百年之后还能见到那时造的屋面瓦，事实证明水泥瓦的耐久性相当长。

法国东南部乡村: 历经百年的水泥瓦

水泥瓦在20世纪初被介绍到英国、荷兰和其它欧洲国家，为了要替代传统的粘土屋面瓦，他们加进了颜料，有些是将颜料搅拌在混凝土内，有些是在瓦表面涂色。这就形成了延续至今的彩色水泥瓦。这些早期的彩色水泥瓦都是用手工做的，或是半机械做的。
　　第一台使用动力的制瓦机于20世纪20年代初在丹麦发明。这台机器是把混凝土倒进模子，铸铁模子中装入的混凝土被一个称为抹光块的金属块压缩并压光。这就是早期的水泥瓦生产技术。
　　这种机器不久传入英国，约在1925年，一个叫威廉·鲍威尔的年轻工程师对该机器进行了较大的改进。然而，当时的砖瓦产品仍然是一个劳动强度大、生产效率低的产品。瓦的上架、输送、养护、脱模等工序还是手工操作，机器的磨损也相当快。1930年之前，英国已经建立了一些水泥瓦厂，最常使用的就是鲍威尔机器。当时生产的水泥瓦几乎都是平板瓦。

　　一个叫威肯逊的人在管理他父亲的工厂过程中，决心要减少沉重的手工劳动，提高生产效率。他设计了一种较有效率的制瓦机器，经过数年的不断改进，终于制造成功一种带有旋转轧辊、能够生产拱波形水泥瓦的制瓦机。他还设计制造了把瓦送入瓦架的装置，这是一个自动上架设备，它用一个气动装置通过传送带把瓦送入瓦架，1948年左右，他又设计了一个新的筐式上架系统。1954年在澳洲，他设计并建造了一套全新的水泥瓦生产线，这条生产线包括很多新特点，其中包括了第一个主机采用凸轮的推进系统（瓦模下部的板链推进头利用凸轮喂入瓦模端头，从而推动瓦模连续前进不停顿）。

　　制瓦机的进步，使彩色水泥瓦获得了快速发展。到1961年，英国82%的屋顶盖的是彩色水泥瓦，在澳洲，这个比例接近60%，在德国，彩色水泥瓦覆盖着30%的新屋顶。而到1978年，欧洲和南太平洋国家90%的屋顶都盖上了彩色水泥瓦，日本和美国也在快速地从其他瓦产品转换成彩色水泥瓦。水泥瓦的瓦型品种也越来越多，除了各种平板瓦和拱波形瓦外，还出现了大拱波S形瓦和彩色水泥筒状瓦。在瓦的色彩上，也由开始的表面单色瓦和通体单色瓦逐步发展为表面叠彩瓦和通体多色迷彩瓦等等，如此丰富多彩、千姿百态的彩色水泥瓦奠定了现代屋顶建筑艺术的基础。

古城堡屋顶用的水泥瓦

新奇屋面用的水泥瓦

古色古香的水泥瓦建筑

S瓦的应用建筑效杲

平板瓦的应用建筑效果

第二章 彩色水泥瓦的生产工艺概况

国内外较为先进的彩色水泥瓦生产工艺主要有二种，一种是辊压式生产工艺，源于欧美，另一种是模压式生产工艺，源于日本。

辊压式彩色水泥瓦生产过程

辊压式彩瓦生产线的组成部分: 下图左边是成型线，由于刚成形的水泥瓦是湿的，简称湿线。右边是脱模线，因为水泥瓦已养护硬化了，简称干线。

辊压式成型原理图

挤压舱的内部: 波形瓦的轧辊与拨料杆，下面是波形瓦的铝合金瓦模。

　　辊压式成型原理如同轧面条，搅拌好的半干混凝土连续喂入挤压舱内，瓦模由主机推进系统送入挤压舱底部，在驱动设备牵引下匀速前移，轧辊以大于瓦模前移速度约10%的速度旋转。由于轧辊、磨光块及瓦模的相对运动对混凝土物料产生了强制性的挤压作用，故在瓦模上生成一条连续的瓦坯，再经切刀，按瓦模长度切割分离，从而使瓦坯一片片的在瓦模上连续不断的由输送系统运至下道生产工序。整个瓦坯的成型也如同轧钢，生产效率高，是其主要特点。目前世界最高生产速度已达到140片/min。

彩瓦主机(瓦模推进机构)及挤压舱

彩瓦成型与切断: 更换不同的挤压舱和切瓦机上的刀片以及瓦模，可生产不同形状的瓦型，如S瓦、平板瓦、波形瓦等等。

　　彩色水泥瓦的着色工艺有二种，第一种是将颜料加入到混凝土中去，一起搅拌，经轧制和磨光块挤压抹光，彩瓦表面呈现一种古色古香的亚光色彩。通常称之为通体着色法。如果在彩瓦制备过程中，另外再不均匀的滴入其它颜料，就可以做成通体迷彩瓦。第二种是在混凝土瓦坯上喷涂彩色水泥浆，使彩瓦表面呈现一种亮丽夺目的鲜艳色彩。

　

喷甩彩色水泥浆的原理如图所示:

将配制好的水泥色浆存放在喷浆着色机的贮罐内，启动计量隔膜泵将水泥色浆从贮罐抽至给浆辊与挡板形成的角形色浆堆积区，色浆透过挡板与给浆辊之间的缝隙均匀地通过给浆辊带到刷辊上，当刷辊高速旋转时，由于离心力的作用，刷辊上的彩色水泥浆料就被均勻甩向在输送带上行走的瓦坯前端及瓦体表面。

由于色浆与瓦体都是混凝土材料，且在水化反应之前就结触在一起，故结合非常牢固，春夏秋冬热胀冷缩，永不剥落。

这是喷浆着色机

　安装二套或三套喷浆设备，采用不同的色浆进行迭加着色，便可生产所谓叠彩瓦，即一片瓦表面有二至三种颜色，使瓦体表面色彩更加丰富多样。

这二种着色工艺是辊压式彩色水泥瓦生产中的重要组成部分。

养护

为提高瓦模的周转率，使瓦坯尽快地凝固干硬，需要对刚成型的瓦坯进行养护。现代化的水泥瓦养护是在自动化的养护窑内进行，温度自动控制在48℃±1℃，湿度控制在95%左右，窑内各处的温度和湿度误差极小，这样才能使瓦表面不出现色差，不会返碱。采用高强度早强型水泥的瓦坯经过4~5小时的养护就可出窑。

下图: 子母窑车正在把一瓦架瓦送入养护窑

养护窑内的情景

表面密封处理

　　养护好的瓦片出窑后要在表面喷涂丙烯酸，以便在瓦体表面形成保护膜，将水泥瓦表面的细微孔洞密封，防止出现二次泛碱。同时可使彩色水泥瓦的防渗水性和抗紫外线辐射能力增强，色泽明亮，耐候性提高。这在业界被称为“干喷丙烯酸工艺”

刚刚挤压成型的瓦片也可先在表面喷涂丙烯酸之后，再送入窑中养护。这在业界被称为“湿喷丙烯酸工艺”。用这一方法可降低对养护窑的技术要求。

脱模

每一片水泥瓦下面都有一片瓦模，已经养护硬化的水泥瓦要与瓦模分离，瓦模回收后用于循环生产，成品瓦则须打包入库。

瓦、模分离后，瓦走上层输送线，瓦模走下层输送线。

生产工艺流程

　　显然围绕着彩色水泥瓦的生产工艺流程，生产装备可简单也可复杂，自动化程度高的生产线，生产效率高，产品质量稳定，但技术要求高，设备投资大。而简单的生产线，大量工作靠人力完成，劳动强度高、生产效率低，但设备投资小。

刚生产出来的湿瓦要装上瓦架去养护，养护完成后的干瓦要卸下瓦架去脱模、打包，自动上下架机的应用解放了人力，极大的提高了生产效率。

伯林盖姆制瓦系统的自动上下架机，可以每5片瓦编成一组送入上架机，每提升20层后推进一次，每个瓦架可装600片水泥瓦及瓦模，因此这种自动上下架机可适应从20片/min到140片/min的各种型号生产线。

这是自动上下架机的下架部分推瓦机构

转向机: 瓦模及瓦在行进中90度转向。

成品瓦完成生产，在全自动彩瓦生产中，将继续前往自动打包机系统，完成叠瓦、捆扎、成垛等工序。

第三章 世界最大的彩瓦生产厂简介

下图是世界最大的彩色水泥瓦生产厂--位于California Rialto的EAGLE瓦厂鸟瞰图

EAGLE于1989年从一家挤压瓦设备制造厂为开端。如今， EAGLE的Rialto水泥瓦制造厂已是世界上最大的瓦厂，拥有两座大型厂房计6条全自动生产线，产品堆场面积巨大。 EAGLE的Phoenix、Arizona 、Stockton、Florida等地工厂也在迅速发展。

EAGLE的Rialto工厂彩色水泥瓦生产过程

美国伯林盖姆工业公司EAGLE彩瓦厂就是一个典型的例子，仅仅二十多年就从一条彩瓦生产线发展成为拥有二十六条自动生产线的世界最大的彩瓦生产集团之一。依靠的就是不断对新技术的追求和不断革新的精神。
　　从原材料入库、黄沙振动筛选、原材料输送计量到混合搅拌，都是无人操作，自动运行的。从混凝土进入主机挤压舱，到辊压成型、上色、瓦坯分组、上架、母子车送瓦架入窑养护、出窑、下架、喷密封剂、模瓦分离、叠瓦捆扎包装也都是全自动运行的，整条生产线也就五、六个人看管，Rialto EAGLE工厂的彩瓦自动线生产速度为100片/分钟。计算机、PLC可编程序控制器、各种传感器、光电开关等广泛应用于生产线的各个环节，使各环节上的设备协调有秩的工作。

方形的钢仓是沙子的贮罐，圆柱仓是水泥贮罐。

沙子料仓底部的气动仓门和物料传送带

瓦模在进入挤压舱前须喷涂脱模油

颜料自动配色计量装置: 只须在计算机上输入调色参数，就能获得所需的彩瓦颜色。

液压全自动运送瓦架的子母窑车，由伯林盖姆(常州)机械有限公司于1995年研制成功。

子车: 车轮由摆线油马达驱动。台面可以升降，用以顶升或放下瓦架。

正在输送瓦架的子母车

　　下面我们来看一看，全自动液压母子车是如何送瓦架入窑的：母车走的是纵向轨道，子车走的是横向轨道，并排八个养护窑内的轨道都是横向的，与上下架机下面的轨道及推进器是并行的，当装满瓦模及瓦坯的瓦架在推进器作用下推进到一定位置时，传感器发出信号，子车自动开进，到达瓦架下部，顶升缸工作将瓦架顶起，子车顶着瓦架又开回到母车上，母车带着子车驶向养护窑群，在程序控制下，选择空窑，并接轨，在接轨的同时触发信号，被选的窑的卷帘门自动打开，子车带着瓦架入窑，当遇到预定的感应块时就自动停止，顶升缸下降，放下瓦架后小车又自动回到母车上，母车收轨后开回，卷帘门又自动关闭。于是一架瓦（约600片）自动入窑完毕，整个过程不到2分钟。母车上还装有计算机屏幕，每一个动作都有图形和文字说明，显示的清清楚楚，自动控制状态下是无人操作的。

在养护窑巷道里行走的子母车，左边一并排都是养护窑及卷帘式窑门。

自动上下架机也由伯林盖姆(常州)机械有限公司制造

预脱模装置: 圆形刀片楔入瓦与模的边缘界面，迫使模瓦脱离粘接。

　　到上个世纪九十年代末，EAGLE彩瓦厂的彩瓦生产线开始配备自动包装线，到目前为止所有的生产线都配备了自动包装线，事实上包装线的复杂程度远远大于彩瓦生产线，它是由机械、液压、气动、电气及计算机综合武装起来的复杂装备，它要完成，彩瓦叠迭捆扎，成排堆放、成垛包扎等一系列工作。最后由叉车将成垛包扎好的成品运送到堆场上去，等待发货。

叠瓦机构: 来一片瓦升一格，每九片瓦成一垛。有二套叠瓦机构交替工作，以适应每分钟100片以上的生产速度。

在二套叠瓦机构之间的是叠瓦输送机

　　在叠瓦输送机最左边的是夾瓦翻转机，每一叠瓦到达此处，即被夾住，翻转到垛瓦斜台上去。

　　斜台上的挡板每接受一叠瓦就后退一次，后退的距离刚好等于一叠瓦的尺寸，然后再接受下一叠瓦，通常后退三次，斜台上就有四叠计36片瓦。挡板后退到位后，夾瓦吊车下降，夾住斜台上迭满的瓦后，升起、转正，送往扎带处。斜台也有二套，一套在执行吊夾任务时，另一套在接受后面紧跟而来的叠瓦。

夾瓦吊车将这一夾瓦运到板式传送链上(俗称坦克链)，放下该夾瓦后，松开夾板、上升，再回到斜台处，去夾运下一夾瓦。已在坦克链上的瓦由对接式扎带机捆扎成包后，随坦克链移出扎带位置，空出扎带位置等待下一夾瓦的到来。

坦克链上的瓦包由升降大瓦夾每三包一夾，运到铺有木托板的输送链处，每个木托板上堆两层计6包瓦。

每托板的瓦还要缠绕上薄膜，才能出厂。

一垛垛的瓦自动输送出厂房，由叉车运往堆场堆放，继续自然养护，等待发货。

叉车正在装车

近几年来，随着计算机和互联网的迅速发展，使得技术与管理密切地结合在了一起。前面说过，辊压式彩瓦生产对养护窑的要求很高，尤其是高速生产线，生产轻质瓦时，瓦坯要在4~5小时内凝固且达到脱模强度，需要对温度、湿度及其分布作精确的反映与控制，管理者也需要随时了解各个养护窑的状况。EAGLE彩瓦厂的所有养护窑，其温度、湿度及其分布场、燃烧器工作状况、水雾喷洒清况，窑门开启状态全部由一台计算机监测，且在显示器屏幕上形象显示出来，并通过计算机网络，传输到各级相关管理者的计算机中，即使管理者出差到国外，也可以通过互联网随时了解各个养护窑的工作状况。

该厂还非常重视新材料新技术的应用，硬质合金越来越多的应用到制瓦机的各个易损零部件中，成倍甚至几十倍的提高了一些易损件的寿命。例如，原来淬火钢轧辊只能使用1个月，而硬质合金轧辊则可以使用1年以上，原来的水沟槽抹光块只能用1个班，而硬质合金水沟槽抹光块则可以用1个月。原来自动包装机上的提瓦淬火角钢寿命不到十天，而现在嵌了硬质合金薄条后，寿命成倍提高。
　　一种称为“聪明电机”的电动机问世还没几年，该厂就在制瓦机上应用了。所有这些新材料新技术的应用，大大提高了彩瓦生产线的运行可靠性，减少了设备故障的发生率，为不断提高生产速度提供了条件，尽管很花钱，但由此产生的效益却更可观。

美国EAGLE彩瓦厂几年前就实现了网络计算机管理，计算机配备到了班组，生产状况包括正常生产时间，故障时间、故障原因及处理情况、成品数、破损率等等，管理者随时都可以从计算机中查阅，财务部门当天就可以通过计算机自动算出各个班组的当班经济考核指标。

第四章 高速彩瓦生产线简介

2005年初，由伯林盖姆(常州)机械有限公司研发制造的每分钟130片高速彩瓦生产线在美国北加州Stockton EAGLE工厂顺利投产，该工厂一个大车间安装有4条这样的高速生产线。

Stockton EAGLE工厂每分钟130片生产线运行情况见下视频

车间内的混凝土输送线

　　每条生产线都配有伯林盖姆工业公司独特设计制造的皮带式混凝土搅拌机，由9个搅拌头组成，搅拌均匀度高，具有沙土自动计量、连续搅拌的功能。生产通体色彩瓦时，在不同的搅拌头位置滴入不同的颜色，能在瓦面上形成迷幻般的色彩。

EAGLE所有瓦厂的一个特色是: 在一间大厂房下并排安装有三条或四条生产线，在二条生产线的养护窑之间有一条巷道，是走子母窑车运送瓦架的。生产速度在100片/min以下时，子母窑车来得及运送巷道两边养护窑的瓦架。当生产速度超过100片/min时，一套子母窑车就来不及了，Stockton EAGLE工厂在养护窑之间的巷道内安排了二套子母窑车，各为各的生产线服务。

　　EAGLE工厂的沙子贮运系统也是一个庞大高效的自动化系统。图为Stockton EAGLE工厂的卸沙库房，一辆运沙车正在开入。

库房的下部是沙仓，车道中间下面铺有钢栅栏。

运沙车的下部沙斗舱门打开，一车沙子就快速落入钢栅栏下的沙仓了。

         图为Stockton EAGLE工厂的储沙贮罐，由于该厂彩瓦产能极大，庞大的原料贮存就成为必要。卸沙库房下部沙仓的沙子通过输送皮带先运到震动筛进行筛选，筛过的沙子就送入这里的贮罐群储存。筛剩的沙头则通过输送带送入粉碎机粉碎后回送到震动筛前的沙仓，与原沙混合后再行筛选。

　　储沙贮罐群下部有输送分配系统，再通过一条输送带将沙子运入车间。全部工作都由计算机控制，无需人工操作。

下图是Stockton EAGLE工厂的水泥贮罐，水泥与沙子的用量比例一般是1:3

第五章 S瓦的高速自动包装线

2013年，由伯林盖姆(常州)机械有限公司研发制造的每分钟110片高速S形彩瓦生产线在美国佛多里达州 Florida EAGLE工厂顺利投产，其中S瓦高速自动包装线极富特色，特予介绍。

S瓦高速自动包装线

S瓦高速自动包装线详细运行情况展示

Florida EAGLE工厂S瓦自动包装线一角

S瓦的输送线，瓦从水平输送逐步转为接近垂直。

点头机: 输送带每过来一片瓦，该皮带机就向下微点一下，皮带就将瓦片抛向斜台。

翻转机: 将一包横卧的瓦翻转为竖立。

自动打包系统中心地带

捆扎瓦包采用的是对接式扎带机

瓦垛之间自动铺上硬纸板

换个角度看

自动包装线的控制中心: PLC可编程序控制器

后记

彩瓦自动化生产设备种类繁多，总体看生产速度越快，生产效率越高，设备也越复杂，投资也越大，生产过程中的易损件需求也很大。美国伯林盖姆工业公司从1994年进入中国，利用中国廉价的劳动力及制造能力、钢材及颜料等原材料快速的武装和发展自已，仅十多年时间，就成为北美最大的制瓦集团。本文仅作了粗略的介绍，今后将继续介绍有关装备的设计、制造、使用等方面的内容和经验。

2000年10月在美国建筑工地考察

与美国同事在洛杉矶西来寺游览

2001年4月与德端克等同事在伯林盖姆(常州)机械有限公司

2001年6月与伯林盖姆董事长在一起

2015年8月与新任董事长西玛斯在常州华美建筑材料有限公司