W artykule zaprezentowano przegląd technologii procesów obróbczych kamienia przy produkcji elementów budowlanych z kamienia wymiarowego jako surowca do produkcji kamiennych elementów budowlanych. Tekst może stanowić poradnik dla organizujących pracę w zakładach kamieniarskich.

W procesie obróbki kamienia wyróżnia się następujące operacje obróbcze:

– cięcie bloków kamienia na płyty surowe,

– przecinanie i obcinanie płyt surowych na elementy kamienne płytowe o żądanym kształcie i wymiarze,

– szlifowanie i polerowanie powierzchni,

– nadawanie określonego rodzaju faktury elementom kamiennym,

– operacje pomocnicze: wiercenie otworów, fazowanie, profilowanie,

– inne czynności, uzupełniające, takie jak woskowanie, żywicowanie itp.,

– wykonywanie niestandardowych fragmentów elementów kamiennych.

Do wykonywania wymienionych operacji stosowane są następujące maszyny obróbcze: traki kamieniarskie, cyrkularki, frezarki, szlifierko-polerki, boczkarki, urządzenia do nadawania faktur oraz operacji pomocniczych i innych czynności o mniejszym znaczeniu. Zakłady obróbki kamienia charakteryzują się różnorodnym zestawem maszyn i urządzeń, a to bardzo często wynika z potrzeby produkcji szerokiego wachlarza wyrobów zróżnicowanych pod względem wyglądu, kształtu, rozmiaru i przeznaczenia. Pierwszą grupę stanowi produkcja kamiennych elementów płytowych z przeznaczeniem na okładziny wewnętrzne i zewnętrzne oraz poziome i pionowe. Następną grupę produktów stanowią elementy kamienne budowlane pełniące funkcję dekoracyjną oraz konstrukcyjną, takie jak: cokoły, słupki, obramienia okienne, parapety okienne, tralki, stopnie, krawężniki, płyty chodnikowe, kostka itp. Uzupełnienie stanowią elementy kamienne dla potrzeb małej architektury, budownictwa inżynierskiego oraz pomników, nagrobków i innych.

Surowiec do produkcji kamiennych elementów budowlanych stanowią kamienie z grupy granitoidów, gnejsy, piaskowce, marmury i inne. Kolejną grupę stanowią skały węglanowe, takie jak wapienie zbite, dolomity wapienie lekkie i trawertyny. W większości wymienione surowce kamienne są pochodzenia krajowego. Natomiast inne rodzaje skał, jak gabro, granodioryt oraz niektóre wapienie zbite i marmury poddawane procesowi obróbczemu pochodzą z importu.

Od ponad pół wieku w obróbce kamienia dominują narzędzia diamentowe, w które są uzbrojone maszyny obróbcze i które są na wyposażeniu zakładów obróbki kamienia. Do grupy tej należą wszystkie frezarki i cyrkularki, szlifierki, wiertarki itp. Równocześnie był to okres wprowadzania do technologii obróbki kamienia nowych rozwiązań konstrukcyjnych w postaci traków kamieniarskich diamentowych, następnie traków tarczowych diamentowych, a obecnie obserwuje się trend wprowadzania traków linowych diamentowych. Dziś traki diamentowe wyparły całkowicie traki wahadłowe przy cięciu marmurów i wapieni zbitych. W krajach Europy Zachodniej do cięcia skał magmowych głębinowych stosowane są traki szerokie, tzw. Jumbo, przy użyciu ścierniwa luźnego. Traki te spełniają swoje zadanie przy masowej produkcji cienkich i o dużej powierzchni płyt z granitu, sjenitu, granodiorytu, gnejsu i innych granitoidów. Obserwuje się duże zainteresowanie trakiem linowym wielocięgnowym uzbrojonym w diamentowe segmenty w kształcie pierścieni osadzonych na lince stalowej. Dotychczasowe rezultaty cięcia szerokiego zestawu kamieni pod względem pochodzenia zachęcają do powszechnego ich stosowania, a uzyskane wyniki i ich analiza pokaże, czy potwierdzą się dotychczasowe założenia i oczekiwania. Zaletą traków wielolinowych diamentowych jest możliwość cięcia bloków nieregularnych i o bardziej zróżnicowanych wymiarach, a więc daje to możliwości cięcia i wykorzystania kamieni o dużej wartości użytkowej i wysokich walorach kolorystycznych i estetycznych, a pochodzących ze złóż, z których nie można w łatwy sposób uzyskiwać bloków o regularnym kształcie.

Standardowe układy technologiczne

Pod względem organizacji produkcji w zakładach obróbki kamienia można wydzielić następujące układy technologiczne:

– układy gniazdowe,

– układy potokowe.

W układzie gniazdowym wyróżnia się zespoły maszyn kamieniarskich tego samego typu i wykonujące te same czynności obróbcze, takie jak: przecieranie bloków kamienia na płyty surowe, obcinanie i przecinanie płyt, szlifowanie, polerowanie, nadawanie faktur np. poprzez piaskowanie, groszkowanie, płomieniowanie, łupanie, grotowanie itp. Zestaw maszyn zależy od rodzaju obrabianego kamienia, rodzaju produkcji i wielkości produkcji.

W skład układu gniazdowego wchodzą zespoły maszyn kamieniarskich określonego rodzaju i wykonujące tę samą czynność obróbczą, ustawione zwykle w oddzielnych halach lub w wydzielonych kwaterach w hali wraz z innymi gniazdami. Taki standardowy układ gniazdowy zakładu mechanicznej obróbki kamienia składa się z następujących zespołów jednego rodzaju maszyn:

– hala traków,

– hala cyrkularek i frezarek,

– hala szlifierek,

– hala polerek,

– hala operacji pomocniczych i wykończeniowych,

– hala CNC,

– pomieszczenia jako składowiska – magazyny półproduktu, czyli płyt surowych, elementów częściowo obrobionych oraz magazyn produktów gotowych.

Wykaz maszyn i czynności procesu obróbczego zakładu obróbki kamienia w układzie gniazdowym

Hala traków

> traki wielopiłowe:

trak wahadłowy – do cięcia granitoidów (w większości granitów) i mocnych piaskowców

trak diamentowy tarczowy – do cięcia marmuru i wapieni zbitych

trak diamentowy piłowy prostoliniowy – do cięcia marmuru i wapieni zbitych

trak linowy – do cięcia marmuru, piaskowca, granitu i innych

Czynności obróbcze w tym zestawie maszyn kamieniarskich – cięcie bloków kamienia na płyty surowe.

> szlifierki stosowane do szlifowania wszystkich rodzajów kamienia

> polerki – stosowane do polerowania wszystkich rodzajów kamienia przyjmujących poler

Czynności obróbcze w tym zestawie maszyn – szlifowanie i polerowanie płyt kamiennych uzyskanych w wyniku cięcia bloków na trakach.

> frezarki – do przecinania i obcinania płyt na elementy na żądany wymiar i kształt

> cyrkularki – do obcinania płyt na żądany wymiar i kształt

Czynności obróbcze – obcinanie płyt z nadaną fakturą maszynową, szlifowaną, polerowaną, piaskowaną i inną według zapotrzebowania.

> urządzenie do płomieniowania – do wykonywania faktury płomieniowej

Czynności obróbcze – płomieniowanie płyt w celu uzyskania faktury płomieniowej. Najlepsze rezultaty uzyskuje się przy płomieniowaniu granitu zawierającego ziarna dobrze wykształconego kwarcu.

> urządzenie do piaskowania – do wykonywania faktury piaskowanej

Czynności obróbcze – piaskowanie w celu uzyskania faktury piaskowanej.

> urządzenie do woskowania

Czynności obróbcze – do nadania ochronnej powłoki na powierzchnię kamiennego elementu.

> urządzenie do żywicowania

Czynności obróbcze – do nadania ochronnej powłoki na powierzchnię kamiennego elementu.

> urządzenie CNC

Czynności obróbcze – do wykonywania kamiennych elementów budowlanych, ozdobnych, o złożonym kształcie i zróżnicowanej pod względem ilości w serii. Zwykle chodzi o elementy kamienne dekoracyjne wnętrz i pomieszczeń mieszkalnych, użyteczności publicznej i w małej architekturze. Dotyczy to także wyrobów w dowolnej ilości egzemplarzy wyrobów zaliczanych do galanterii kamiennej.

Wykaz dość bogatej oferty dla branży kamieniarskiej urządzeń CNC (obróbcze centrum sterowane numerycznie) pod względem rozwiązań konstrukcyjnych, rodzaju i ruchu narzędzia roboczego.

Typ 1. Frezarka mostowa wyposażona w zestaw narzędzi diamentowych.

Typ 2. Urządzenie wyposażone w głowicę do obróbki kamienia i innych twardych materiałów za pomocą wysokociśnieniowej strugi wody, a niekiedy dodatkowo ścierniwa luźnego.

Typ 3. Frezarka pracująca przy użyciu diamentowej piły linowej do cięcia materiału kamiennego o różnym złożonym profilu.

Typ 4. Specjalne maszyny i urządzenia do wykonywania elementów kamiennych o złożonym kształcie i powierzchni narzędziami z zestawu różnego rodzaju i bogatego pod względem kształtu wierteł, koronek i innych narzędzi. Innym rodzajem narzędzi jest zestaw pił tarczowych diamentowych do wykonywania wydłużonych i profilowanych elementów kamiennych.

    Podstawową cechą układu gniazdowego jest to, że obrabiany element (przedmiot) w postaci półproduktu po zakończeniu kolejnej czynności obróbczej nie przechodzi koniecznie do następnej operacji, ale najczęściej idzie do składowania na składowisku półproduktów. W zakładzie z układem gniazdowym prowadzona jest produkcja kamiennych elementów budowlanych o różnorakich kształtach i wymiarach oraz o bardzo zróżnicowanej długości serii. Możliwy jest wyrób pojedynczych egzemplarzy, jak również w seriach o dowolnej ilości. Schemat układu gniazdowego przedstawiono na rys. 1.

Standardowy układ gniazdowy

    Układ ten przedstawiono dla zakładu obróbki kamienia do produkcji płyt surowych. Obecnie coraz częściej w krajach zasobnych w złoża kamienia blocznego producenci bloków foremnych są równocześnie producentami surowych płyt kamiennych. Właściciele i użytkownicy kamieniołomów złóż blocznych są w posiadaniu zakładów obróbki i przerabiają w nich wydobyte bloki na płyty surowe, które są przeznaczone dla odbiorców zewnętrznych. Zakłady obróbki kamienia, w których odbywa się wspomniana produkcja, zwykle wyposażone są tylko w jeden typ maszyn kamieniarskich podstawowych, jakimi są traki kamieniarskie. Można tu mówić o zakładzie obróbki kamienia z jednym gniazdem. Przykładem tego są zakłady obróbki kamienia wyposażone w traki kamieniarskie, które służą jedynie do cięcia bloków na płyty surowe w dużych ilościach we Włoszech, Hiszpanii, Grecji i innych krajach Europy, a także Ameryki Południowej, w Chinach, Indiach i innych. W tym przypadku produktem finalnym zakładu są płyty surowe z fakturą maszynową przeznaczone dla odbiorców zewnętrznych.

    Odmianą układu gniazdowego ze skróconą linią technologiczną są zakłady, które obok traków do cięcia bloków na płyty surowe wyposażone są w szlifierko-polerki, które pozwalają na produkcję płyt polerowanych i dzięki temu rozszerzenie wachlarza produkcji o płyty szlifowane i polerowane. Grubość płyt wynika z zapotrzebowania. Produktem tych zakładów są płyty surowe o fakturze maszynowej, płyty o fakturze szlifowanej lub o fakturze polerowanej. Cała produkcja jest przeznaczona dla odbiorców krajowych lub na eksport.

Dalszym przedłużeniem linii produkcyjnej jest zainstalowanie urządzenia do naklejania siatki z tworzywa sztucznego na tylnej powierzchni płyt surowych.

Wymieniona praktyka jest stosowana przy produkcji płyt ze względnie słabszych surowców kamiennych, dużych rozmiarów i mniejszej grubości. Pokrywanie płyt warstwą materiału sztucznego i siatką wzmacnia je pod względem sztywności i w większym stopniu zabezpiecza je przed uszkodzeniem w czasie transportu. Grubość płyt wynika z zapotrzebowania na określony rodzaj kamienia oraz jego zastosowania. Produktem tych zakładów są płyty surowe lub polerowane oraz o wzmocnionej sztywności. Cała produkcja jest przeznaczona dla odbiorców krajowych oraz na eksport.

Schemat produkcyjny jest następujący:

– trak kamieniarski – cięcie bloków kamienia na płyty o żądanej grubości; produkt – płyty surowe;

– szlifierko-polerka – szlifowanie i polerowanie płyt surowych; produkt – płyty szlifowane lub polerowane;

– urządzenie do pokrywania siatką i klejem płyt surowych; produkt – podklejona i wzmocniona płyta handlowa.

Standardowy model linii obróbczej potokowej

Pod pojęciem „linia obróbcza potokowa” rozumie się szereg maszyn kamieniarskich ustawionych w określonym porządku wykonujących na jednakowych przedmiotach wiele operacji obróbczych według z góry ustalonego planu operacyjnego, przy zachowaniu ustalonego rytmicznego przepływu obrabianych przedmiotów na przenośnikach (ruchomych stołach). Przykładem linii obróbczej może być zestaw następujących maszyn kamieniarskich: frezarka wielkotarczowa, czyli trak tarczowy, frezarka wielotarczowa, automatyczna szlifierka do płaszczyzn, automatyczna polerka do płaszczyzn, automatyczna szlifierko-polerka do boków, ręczna obcinarka (cyrkularka) poprzeczna itp.

    W skład linii obróbczej potokowej wchodzą następujące urządzenia i maszyny kamieniarskie:

– trak dzielący do cięcia bloku na płyty – formaki o grubości na życzenie i równej szerokości płyt, które zamierza się uzyskać w dalszym procesie obróbczym,

– frezarka wielotarczowa wzdłużna do cięcia formaków na płyty,

– frezarka obcinarka poprzeczna,

– szlifierko-polerka przelotowa automatyczna wielogłowicowa,

– szlifierka do boków automatyczna (tzw. boczkarka).

W początkowych wersjach tego układu pierwszym elementem był trak tarczowy wyposażony w piłę tarczową diamentową o średnicy powyżej 2500 mm. Najczęściej stosowane są piły tarczowe o średnicy 2700 mm, a niekiedy średnica piły tarczowej dochodzi do 3500, a nawet do 5000 mm. Przy użyciu tej frezarki, zwanej trakiem tarczowym, bloki kamienne tnie się na płyty (formaki) o grubości 200 do 500 mm w zależności od zapotrzebowania. Zamiast traka tarczowego pierwsze ogniwo może stanowić inna maszyna podstawowa, może to być np. trak linowy diamentowy wyposażony w jedno cięgno, trak dzielący wahadłowy lub trak dzielący jednopiłowy diamentowy. Obecnie można zaobserwować tendencję do stosowania traka diamentowego linowego.

Drugim elementem układu jest frezarka wielotarczowa o średnicy pił tarczowych 800 do 1600 mm. Najczęściej stosowana ilość pił wynosi od 3 do 5 sztuk. Obecnie istnieje możliwość stosowania frezarki wyposażonej w piły w ilości do 50 sztuk. Wymienione frezarki służą do cięcia formaków na płyty o grubości 10–30 mm i szerokości równej grubości ciętych formaków, czyli o szerokości 200 do 500 mm, oraz długości równej długości obrabianego bloku.

    Trzecim elementem układu jest cyrkularka jedno- lub dwutarczowa o średnicy pił tarczowych 250–500 mm. Cyrkularka ta służy do obcinania i wycinania płytowych elementów kamiennych o żądanym kształcie i wymiarze z płyt uzyskanych na frezarce wielotarczowej.

    Obcięte elementy kamienne podawane są następnie na ruchomy stół (taśmę) szlifierko-polerki przelotowej, gdzie ich górna powierzchnia zostaje wyrównana do określonej grubości płyty, następnie wyszlifowana i wypolerowana.

    Piątym elementem układu może być tzw. boczkarka, jest to szlifierko-polerka przeznaczona do szlifowania i polerowania krawędzi bocznych obrabianych elementów kamiennych.

 

TRAK DZIELĄCY	=>	FREZARKA WIELOTARCZOWA	=>	FREZARKA	=>	SZLIFIERKO-POLERKA PRZELOTOWA	=>	BOCZKARKA
						¯                   I               V		¯              I            V
						MAGAZYN WYROBÓW GOTOWYCH

 

Schemat układu przedstawiono na rys. 2.

    W skład linii obróbczej beztrakowej typu 2 wchodzą następujące urządzenia:

– frezarka wielotarczowa o kilku tarczach pionowych i 1 tarczy poziomej – do wycinania długich płyt bezpośrednio z bloku,

– frezarka obcinarka poprzeczna,

– szlifierko-polerka automatyczna przelotowa wielogłowicowa,

– szlifierko-polerka do boków, tzw. boczkarka.

    Pierwszym elementem tego układu jest frezarka o kilku tarczach pionowych i 1 tarczy poziomej – do wycinania długich płyt bezpośrednio z bloku. Pionowe tarcze służą do cięcia pionowego na określoną głębokość, a tarcza pozioma służy do podcinania poziomego, w wyniku czego uzyskuje się wąskie płyty surowe o określonej grubości i szerokości oraz długości równej wymiarowi ciętego bloku.

    Drugim elementem układu jest cyrkularka jedno- lub dwutarczowa o średnicy pił tarczowych 250–500 mm. Cyrkularka ta służy do obcinania i wycinania płytowych elementów kamiennych o żądanym kształcie i wymiarze z płyt uzyskanych na frezarce wielotarczowej ogniwa pierwszego.

    Trzecim elementem układu jest ruchomy stół szlifierko-polerki przelotowej, gdzie surowe płytowe elementy kamienne poddawane są szlifowaniu i polerowaniu. Następnym i ostatnim elementem układu jest boczkarka – do szlifowania i polerowania powierzchni i krawędzi bocznych płytkowych elementów kamiennych.
 

 

Schemat układu przedstawiono na rys. 3.

Przeglądem objęto w zasadzie kraje europejskie, które posiadają duże zasoby kamienia blocznego i prowadzą ich eksploatację. Do tych krajów należą: Włochy, Grecja, Hiszpania, Portugalia, Finlandia, Szwecja, Norwegia oraz na mniejszą skalę Polska, Bułgaria, Niemcy i Ukraina. Dla uzupełnienia należy wymienić Francję, Szkocję, Anglię i Turcję. Należy też wspomnieć o niektórych krajach Ameryki Południowej oraz Republikę Południowej Afryki, a także innych krajach Afryki i Azji. Wymienione kraje obok wydobycia kamienia blocznego zajmują się jego przerobem na krajowe potrzeby wewnętrzne, jak i na eksport. Eksport z wymienionych krajów obejmuje bloki foremne oraz wyroby kamienne w postaci płyt surowych, jak i płyt szlifowanych i polerowanych. Na przykład z Finlandii większość eksportu stanowią surowe bloki handlowe kierowane do wszystkich krajów świata. Wydobycie w dużych kamieniołomach granitoidów odbywa się metodami mechanicznymi oraz techniką strzelniczą przy użyciu materiałów wybuchowych. W dużych kamieniołomach o zróżnicowanych warunkach geologiczno-górniczych i bogatych przedsiębiorstwach bardzo często urabianie na bloki prowadzi się metodami mechanicznymi w taki sposób, aby nie wpływać w sposób szkodliwy na środowisko naturalne. Drugim wymogiem jest taki sposób urabiania, aby nie przyczyniać się do obniżenia jakości bloków urabianego kamienia.

Obecnie w technologii wydobycia i obróbki kamienia obserwuje się tendencję do lokalizacji i budowy zakładów obróbczych w bezpośrednim sąsiedztwie kamieniołomu lub na jego terenie. Zakłady te służą do przerobu wydobytych bloków surowych na płyty surowe, płyty polerowane oraz płyty wzmocnione za pomocą naklejania na jednej stronie płyty siatki z tworzywa sztucznego. Wyroby te przeznaczone są dla odbiorców krajowych, jak i na eksport. Do technologii obróbki kamienia wprowadzane są traki wahadłowe szerokie o możliwym zestawie pił w ilości 120 sztuk, 150 sztuk, a nawet 160 sztuk i postępie przecierania dochodzącego do 4,5 cm/godz.

Drugim zjawiskiem jest rozwój w budowie traków linowych diamentowych i ich zastosowanie do cięcia wszystkich rodzajów kamienia. Ostatnie konstrukcje pracują już zestawem 50 linek uzbrojonych w segmenty diamentowe. Obserwuje się również dalszy rozwój w konstrukcji CNC oraz szlifierek i polerek przelotowych.