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幾種α型高強石膏生產(chǎn)方法介紹
寧夏博得石膏研究院 王立明 陳興福 王凱 王偉
摘要：本文主要對蒸壓法及水熱法生產(chǎn)α型高強石膏的幾種工藝方法及其優(yōu)缺點進行介紹，并通過幾種工藝方法生產(chǎn)項目的實施數(shù)據(jù)，對不同工藝方法生產(chǎn)的α型高強石膏粉的性能及成本進行對比分析。
關(guān)鍵詞：α型高強石膏 蒸壓法、半干法、水熱法、帶壓水熱法、常壓水熱法
一、綜述
石膏基建材具有輕質(zhì)、高強、節(jié)能、環(huán)保、與人及環(huán)境融合性好等特點，是公認的生態(tài)建材、綠色建材，被廣泛的應(yīng)用于各個行業(yè)，在人們的日常生活和國民經(jīng)濟中發(fā)揮著越來越重要的作用。
隨著經(jīng)濟發(fā)展，人們對居住環(huán)境及要求的提高，石膏材料作為墻體材料、裝飾裝修材料、功能性材料等大量應(yīng)用于人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中;紙面石膏板、石膏砌塊、石膏條板、抹灰石膏、石膏膩子、粘貼石膏、石膏線條、石膏裝飾板、石膏吊頂板、石膏模盒、石膏浮雕、自流平石膏、石膏裝配式建筑等成為人們生活中經(jīng)常見到或用到的材料。陶瓷模具、工業(yè)模具、齒科石膏、繃帶石膏、精密鑄造、工藝美術(shù)石膏、玩具石膏、石膏晶須、硫酸鈣抗靜電地板、特種地板、GRG、3D打印、食用添加劑、工業(yè)填料等也成為石膏材料的重要用途。
隨著石膏產(chǎn)制品用途的拓展及部分領(lǐng)域?qū)κ嗖牧系男阅苤笜?biāo)要求的不斷提高，α型高強石膏的用途得到了大幅度拓展，α石膏被廣泛的應(yīng)用于陶瓷模具、精密鑄造、GRG制品、自流平砂漿、特種地板、齒科石膏、石膏工藝品、石膏制品等諸多領(lǐng)域;同時，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ζ列透邚娛嘤兄煌男阅芤蠛统杀境袚?dān)范圍，不同生產(chǎn)原料、不同生產(chǎn)方法又對α型高強石膏的性能指標(biāo)和生產(chǎn)成本起著決定性作用。因此，針對不同的原料特性和產(chǎn)品要求，了解和選擇與之匹配的α型石膏的生產(chǎn)方法和設(shè)備，可以在**產(chǎn)品性能和發(fā)揮原料價值的基礎(chǔ)上有效的降低生產(chǎn)成本。
二、α型高強石膏的生產(chǎn)方法及特點
α型高強石膏的生產(chǎn)方法按照生產(chǎn)過程采用的介質(zhì)可以分為兩類：蒸壓法和水熱法。蒸壓法是指在一定壓力的飽和蒸汽介質(zhì)中石膏由二水狀態(tài)轉(zhuǎn)化為α型半水狀態(tài)的方法，蒸壓法根據(jù)原料狀態(tài)又可分為干法生產(chǎn)工藝和半干法生產(chǎn)工藝;水熱法是指二水石膏在水溶液介質(zhì)中完成由二水石膏至半水石膏的晶體轉(zhuǎn)化過程，水熱法根據(jù)水溶液的狀態(tài)分為高壓水溶液法和常壓水溶液法;以上各類生產(chǎn)方法中，除干法蒸壓法不采用轉(zhuǎn)晶劑技術(shù)外，其余生產(chǎn)方法均需采用轉(zhuǎn)晶劑技術(shù)作為配套。轉(zhuǎn)晶劑也稱為媒晶劑，是根據(jù)原料特性由一種或多種能夠影響石膏晶體生產(chǎn)方向、形狀和大小的有機鹽、無機鹽及有機酸等物質(zhì)。因石膏原料種類較多，各類石膏成分及雜質(zhì)含量各不相同，原料細度、類別、組成成分、雜質(zhì)成分等均會對轉(zhuǎn)晶效果產(chǎn)生影響，因此，對不同的原料類別甚至同一類不同雜質(zhì)組成的原料，都需要根據(jù)自身特性進行調(diào)整，才能得到能夠適應(yīng)于該原料的*佳轉(zhuǎn)晶劑配方技術(shù)，只有調(diào)整出*佳轉(zhuǎn)晶劑技術(shù)，才能在合適的生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出性能*佳的α型高強石膏產(chǎn)品。
1、蒸壓法
蒸壓法生產(chǎn)α型高強石膏的工藝方法根據(jù)具體原料狀態(tài)又分為干法蒸壓法技術(shù)和半干蒸壓法技術(shù)。
1)干法蒸壓法技術(shù) 是一種傳統(tǒng)的α石膏生產(chǎn)技術(shù)，也就是俗稱的蒸壓法。該方法主要是以一定壓力的飽和水蒸汽為介質(zhì)，利用水蒸氣介質(zhì)的壓力及熱量，完成二水石膏晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化和脫水，形成α型半水石膏晶型結(jié)構(gòu)。該技術(shù)方法不采用轉(zhuǎn)晶劑輔助，因此所采用的原料必須具有一定的粒度，粒度過小，容易造成蒸壓后顆粒粘接;粒度過大，不易蒸透，產(chǎn)生生料。因此干法蒸壓法主要應(yīng)用于天然石膏為原料生產(chǎn)α型高強石膏。干法蒸壓法根據(jù)具體烘干工藝分為一步法和二步法，一步法是將蒸壓和烘干兩個過程集成在一個設(shè)備內(nèi)完成的工藝;二步法是指利用兩個設(shè)備分別完成蒸壓和烘干過程;
一步蒸壓法的主要生產(chǎn)設(shè)備是立式蒸壓釜，也叫脫水器，一步蒸壓法及設(shè)備是寧夏建材研究院的研究成果，自上世紀(jì)80年代推出以來，先后在國內(nèi)推廣轉(zhuǎn)讓30余條生產(chǎn)線，經(jīng)過不斷的優(yōu)化改進，仍然是目前天然石膏生產(chǎn)α型高強石膏工藝*簡單、控制*穩(wěn)定、生產(chǎn)成本*低的生產(chǎn)方法。 一步蒸壓法具有如下特點：
?、旁线m應(yīng)范圍寬，對純度大于75%以上的天然石膏原料，均可生產(chǎn)α型高強石膏，純度的高低和雜質(zhì)的類別僅影響強度等指標(biāo)，不會影響生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。對不同純度的原料，均可調(diào)整生產(chǎn)出能夠體現(xiàn)原料品位和特性的強度值;
⑵生產(chǎn)過程簡單，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定 ;該方法生產(chǎn)中，不需要轉(zhuǎn)晶劑技術(shù)輔助，僅需要控制物料粒度、蒸汽壓力、溫度、時間等參數(shù);蒸壓和烘干在一個設(shè)備內(nèi)完成，中間無影響及干擾因素，質(zhì)量穩(wěn)定性高。
?、巧a(chǎn)成本低，產(chǎn)品質(zhì)量高;生產(chǎn)過程不采用轉(zhuǎn)晶劑，比其它方法減少了轉(zhuǎn)晶劑成本。生產(chǎn)過程集成在一個設(shè)備完成，質(zhì)量干擾因素少，產(chǎn)品性能指標(biāo)高，對95%以上的高純度天然石膏原料，產(chǎn)品2小時抗折強度可達到8MPa以上;
?、纫蛘魤杭昂娓杉稍谝粋€設(shè)備內(nèi)完成，產(chǎn)品生產(chǎn)周期較長，但設(shè)備產(chǎn)量低，適合小規(guī)模高品質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn);
二步法是采用蒸壓釜完成石膏的蒸壓過程，蒸壓完成后石膏卸出蒸壓釜，送入烘干設(shè)備直接烘干。也有將出蒸壓釜的石膏自然晾曬至表面干燥后經(jīng)破碎后再次煅燒的，該工藝因晾曬過程中會造成轉(zhuǎn)化的α半水石膏再次水化成二水石膏，煅燒后實際形成的是α和β的混合石膏相，產(chǎn)品性能指標(biāo)一般較低，會略高于同類原料生產(chǎn)的β石膏產(chǎn)品;
蒸壓法高強石膏的晶體圖片如下：
2)半干法
半干蒸壓法即通常的半干法，是指將粉狀或較小顆粒與粉狀混合的石膏原料與轉(zhuǎn)晶劑溶液進行均勻混合，混合后原料總體含水率一般保持在20%以內(nèi)的半干狀態(tài)，將這種半干狀態(tài)的石膏原料直接送入轉(zhuǎn)晶設(shè)備，在一定壓力的飽和水蒸氣介質(zhì)下進行轉(zhuǎn)晶或造粒后進行轉(zhuǎn)晶的方法稱為半干法。
寧夏建材研究院*早在2000年研制成功的利用天然石膏粉磨至一定細度后與轉(zhuǎn)晶劑溶液混合后造粒，在一定飽和水蒸氣壓力條件下蒸壓形成1:1—1:3的短柱狀晶體生產(chǎn)K型超硬石膏，產(chǎn)品經(jīng)過粉磨后標(biāo)準(zhǔn)稠度可達到25-35%，2小時抗折強度可達到5-7MPa;干抗壓強度可達到60-80MPa;寧夏建材研究院并利用該技術(shù)建設(shè)年產(chǎn)5000噸生產(chǎn)線一條，生產(chǎn)該類產(chǎn)品，質(zhì)量較為穩(wěn)定，產(chǎn)品用于工藝品、鑄造、原模等;但由于該方法生產(chǎn)過程中需要造粒成型，生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)規(guī)模小，成本相對較高;
寧夏博得石膏研究院在以上半干法的基礎(chǔ)上，經(jīng)過不斷完善，研發(fā)成功了不需要造粒成型的半干法生產(chǎn)工藝—混合蒸壓轉(zhuǎn)晶技術(shù)，該方法可對與轉(zhuǎn)晶劑混合均勻的含水率5-20%的粉狀或一定粒度與粉狀的混合料直接進行轉(zhuǎn)晶，無需造?；蚺錆{等工序。
混合蒸壓轉(zhuǎn)晶半干法生產(chǎn)α型高強石膏粉的生產(chǎn)工藝流程主要包括如下幾個部分：
混合工序 該工藝方法對原料的要求范圍比較寬，因此，對粒度小于1mm，含水率低于20%的副產(chǎn)石膏原料均可直接進行配料;混合工序是該工藝的重要環(huán)節(jié)之一，主要是將原料與轉(zhuǎn)晶劑(或轉(zhuǎn)晶劑溶液)計量后，通過混合設(shè)備進行均勻混合的過程;混合的均勻程度直接決定轉(zhuǎn)晶劑是否能夠均勻分散至物料中，決定整個物料轉(zhuǎn)晶均勻性從而形成以柱狀晶體為主的晶型的主要要素。因此，**計量的**性和混合的均勻性非常主要。
蒸壓轉(zhuǎn)晶 該過程主要是通過向轉(zhuǎn)晶設(shè)備內(nèi)通入一定壓力和溫度的飽和水蒸汽，使設(shè)備內(nèi)的物料處于飽和水蒸汽介質(zhì)中，并通過蒸汽保持合適的轉(zhuǎn)晶溫度，從而通過轉(zhuǎn)晶劑、蒸汽壓力及溫度的共同作用，使物料顆粒發(fā)生溶解再結(jié)晶，由無規(guī)則的顆粒形狀重新生長為以六方短柱狀晶體為主體(長徑比1:1—1:3)的，以少量其它晶體(球狀、棒狀、纖維狀等)為輔助的混合晶體形態(tài);并形成大小不同的具有一定級配的晶體;由于半干狀態(tài)下轉(zhuǎn)晶劑離子不能形成自由遷移的完全均勻狀態(tài)，各物料顆粒之間所吸附的轉(zhuǎn)晶劑離子濃度存在一定的差異而導(dǎo)致的，但由于混合階段要求的均勻性，則可以形成一定程度上的均一性，達到以短柱狀晶體為主體的特點。轉(zhuǎn)晶效果的主要影響因素為轉(zhuǎn)晶劑配方、溫度及壓力，轉(zhuǎn)晶劑配方是根據(jù)物料特點預(yù)先試驗確定的，一般在生產(chǎn)前已經(jīng)多次驗證確認，而溫度及壓力則是生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格監(jiān)控的參數(shù)，不同的物料、不同的配方所對應(yīng)的*佳溫度和壓力參數(shù)均存在一定的差異;
烘干 蒸壓轉(zhuǎn)晶后，物料已經(jīng)完成了從二水到半水石膏的轉(zhuǎn)變，完成了晶體形態(tài)的轉(zhuǎn)化，屬于實際意義上的α型半水石膏。但脫出的結(jié)構(gòu)水及物料表面的附著水仍然吸附在物料顆粒上，需要盡快的烘出，以避免逆反應(yīng)對產(chǎn)品的影響。因此在烘干過程需要**合適的溫度，僅烘干而不需要對物料產(chǎn)生二次煅燒，導(dǎo)致脫去剩余的結(jié)晶水;一般，由于轉(zhuǎn)晶非常完備，物料比表面積大幅度縮小，達到轉(zhuǎn)晶要求的物料活性很低，逆反應(yīng)速度很慢，出轉(zhuǎn)晶器物料2小時之內(nèi)的逆反應(yīng)對產(chǎn)品性能影響很小，而4小時候開始有比較明顯的影響(會導(dǎo)致強度下降約0.5MPa)，8小時候物料會逐漸變硬結(jié)塊;因此半干法出轉(zhuǎn)晶器的物料*好在4小時以內(nèi)進入烘干設(shè)備進行烘干，生產(chǎn)工藝設(shè)置上轉(zhuǎn)晶器與烘干設(shè)備的銜接時間以小于4小時為宜。
粉磨 轉(zhuǎn)晶后的晶體，大小相對較為均勻，顆粒變粗，比表面積變小，活性降低。如果不經(jīng)過粉磨，產(chǎn)品凝結(jié)時間很長，強度上升速度很慢，不利于應(yīng)用，因此，粉磨是**產(chǎn)品應(yīng)用性能指標(biāo)重要環(huán)節(jié)之一。不同的粉磨設(shè)備，對粉磨過程調(diào)整物料顆粒級配，達到*佳產(chǎn)品性能很重要。一般，球磨機對轉(zhuǎn)晶物料粉磨的效果要好于其它粉磨設(shè)備。
混合蒸壓轉(zhuǎn)晶工藝的特點：
?、旁线m應(yīng)性強 該方法可適用于粒度小于5mm、附著水含量小于20%、二水硫酸鈣含量大于85%、成分穩(wěn)定的各類石膏原料;
?、剖嘣弦苑蹱钪苯优c轉(zhuǎn)晶劑溶液混合均勻即可，不需要配漿、不需要造粒;
?、寝D(zhuǎn)晶設(shè)備容積率高，易于規(guī)?；a(chǎn) 物料以濕粉狀態(tài)裝入轉(zhuǎn)晶設(shè)備，裝入量可達到設(shè)備容積的80%，單臺設(shè)備產(chǎn)量大，利于規(guī)模化生產(chǎn);
?、绒D(zhuǎn)晶過程物料為半干狀態(tài)，不需要攪拌，僅需要保持合適的飽和水蒸氣壓力、溫度、時間即可，過程簡單易控;
?、赡軌蛐纬梢远讨鶢罹w為主體的具有一定晶型級配和晶體粒度級配的混合型晶體，有利于提高產(chǎn)品性能指標(biāo);
?、兽D(zhuǎn)晶過程基本無廢水排放，轉(zhuǎn)晶完成后不需要進行洗滌處理等工序，不產(chǎn)生大量廢水，不需要進行廢水處理，主要排出為水蒸氣冷凝水，可收集利用;
⑺生產(chǎn)成本低，利用提高產(chǎn)品競爭力。直接生產(chǎn)成本主要由原料成本、蒸汽成本、轉(zhuǎn)晶劑成本、電成本構(gòu)成;
?、躺a(chǎn)線投資低，混合蒸壓轉(zhuǎn)晶半干法工藝，生產(chǎn)線主體設(shè)備均采用常規(guī)建材類設(shè)備，僅蒸壓轉(zhuǎn)晶設(shè)備部分要求較高，因此，整體生產(chǎn)線投資相對水熱法等工藝大幅度下降;
半干法(混合蒸壓轉(zhuǎn)晶)生產(chǎn)α石膏晶體圖片：
2、水熱法
水熱法是采用由一定濃度的轉(zhuǎn)晶劑配置的溶液作為介質(zhì)，與石膏原料配置成一定濃度的料漿，通過給料漿一定的溫度和壓力，使石膏在轉(zhuǎn)晶劑溶液、溫度、壓力的作用下完成晶體的轉(zhuǎn)化，形成特定形狀(短柱狀)的晶體;水熱法工藝一般都具有原料配漿、轉(zhuǎn)晶、漿料分離、洗滌、烘干、粉磨等工序;水熱法根據(jù)轉(zhuǎn)晶壓力要求又分為帶壓水熱法和常壓水熱法二類。
1)帶壓水熱法
帶壓水熱法一般是將二水石膏與特定的轉(zhuǎn)晶劑一期配置成一定濃度的料漿，料漿濃度一般在20-35%(料漿濃度越低，越有利于轉(zhuǎn)晶效果，但產(chǎn)量越小，料漿濃度越高，越有利于產(chǎn)量提高及成本降低，但不利于轉(zhuǎn)晶的均一性)，將料漿送入轉(zhuǎn)晶設(shè)備內(nèi)，通過對轉(zhuǎn)晶設(shè)備內(nèi)料漿加熱，使料漿保持一定的溫度和壓力(一般采用0.2-0.5MPa的壓力和130-150度的溫度)，并對料漿進行攪拌，避免料漿沉淀 ，在一定溫度和壓力及轉(zhuǎn)晶劑溶液的作用下，二水石膏進行溶解再結(jié)晶，因為轉(zhuǎn)晶劑離子的作用，形成特定的短柱狀晶體。轉(zhuǎn)晶完成后，通過對料漿進行離心過濾等方式將漿料分離，為了避免殘余轉(zhuǎn)晶劑對產(chǎn)品的影響，可以對過濾后的物料進行洗滌過濾，然后將處理完成后的含有一定附著水的物料送入烘干設(shè)備進行烘干，烘干后的α型半水石膏熟料經(jīng)粉磨后既為成品。為了避免水污染及節(jié)省成本，一般需要對分離出的溶液進行調(diào)整后再次配置料漿利用，但一般在副產(chǎn)石膏中，因石膏中的多種可溶性成分會不斷溶入溶液中，不斷積聚，導(dǎo)致溶液中的各類離子濃度及成分不斷改變，多次應(yīng)用后會對轉(zhuǎn)晶逐漸產(chǎn)生影響，因此，必須針對不同的原料設(shè)置合理的循環(huán)利用及水處理措施，增加水處理措施會大幅度增加生產(chǎn)成本。
2)常壓水熱法
常壓水熱法的生產(chǎn)工序基本與帶壓水熱法相同，不同之處主要是轉(zhuǎn)晶采用的條件為常壓狀態(tài)，轉(zhuǎn)晶溫度一般為95-105度，轉(zhuǎn)晶劑溶液一般采用鹽溶液，溶液濃度也遠比帶壓水熱法的溶液濃度高，二水石膏在較高濃度的鹽溶液中，通過一定的溫度完成溶解再結(jié)晶過程。因為采用的鹽溶液濃度較高，因此必須對分離后的物料進行洗滌，同時對洗滌及過濾后的溶液進行再利用，因過濾洗滌后的溶液的溢出現(xiàn)象，會大幅度增加廢水處理量及成本。寧夏建材研究院在2007-2009與浙江大學(xué)等單位合作完成863項目中試中，利用該方法生產(chǎn)的脫硫石膏原料α高強石膏粉，基料性能指標(biāo)可達到2小時抗折強度6-7MPa，改性后可達到10MPa以上，具有較高的性能指標(biāo);
水熱法生產(chǎn)α石膏晶體圖片：
三、幾種α型高強石膏生產(chǎn)工藝的產(chǎn)品性能及成本對比分析
寧夏博得石膏研究院(原寧夏石膏設(shè)計研究院)在高強石膏技術(shù)、工藝及設(shè)備方面具有較長的研究歷史和積累，以上各類α型高強石膏生產(chǎn)方法及工藝均有涉及(研究及推廣)，并且干法技術(shù)及設(shè)備、半干法(混合蒸壓轉(zhuǎn)晶技術(shù))技術(shù)及設(shè)備形成了自己獨特的專利技術(shù)和設(shè)備;帶壓水熱法也進行了大量的研究實驗及小規(guī)模的生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備轉(zhuǎn)讓。對于各工藝方法的優(yōu)缺點及產(chǎn)品性能特點，進行了大量的試驗對比，不同的技術(shù)方法對原料的適應(yīng)性存在一定的差異，不同的技術(shù)方法生產(chǎn)的產(chǎn)品性能也存在一定的差異，同時，生產(chǎn)成本更是存在很大的不同。以下，僅從我院在同一種原料下，不同技術(shù)方法的產(chǎn)品性能及成本方面進行對比分析。
1、不同技術(shù)方法生產(chǎn)產(chǎn)品的主要性能差異
該差異主要體現(xiàn)在干法其它生產(chǎn)方法上，干法生產(chǎn)技術(shù)直接采用塊狀石膏蒸壓生產(chǎn)α型高強石膏，生產(chǎn)過程中不采用轉(zhuǎn)晶劑，沒有對晶體形狀進行干預(yù)，晶體多為針狀或簇狀纖維晶體，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)稠度與其它方法相比較高，抗折強度高，可與其它方法處于同一水平，但產(chǎn)品抗壓強度低于其它方法;半干法(混合蒸壓轉(zhuǎn)晶)生產(chǎn)的高強石膏與水熱法生產(chǎn)的高強石膏性能指標(biāo)基本一致，指標(biāo)主要取決于轉(zhuǎn)晶技術(shù)水平和生產(chǎn)控制等工藝方面。我院采用的96%左右的天然石膏及96%左右的高純度副產(chǎn)石膏采用不同的方法生產(chǎn)的α型高強石膏性能指標(biāo)對比如下表：
2、生產(chǎn)成本對比分析
α型高強石膏的生產(chǎn)成本主要由原材料直接成本、人工成本、投資成本、管理經(jīng)營成本等構(gòu)成。其中人工成本、投資成本、管理經(jīng)營成本受生產(chǎn)規(guī)模、原料特性、產(chǎn)品類別、市場銷售、總體投資等影響較大，各生產(chǎn)線直接可比性不強;而生產(chǎn)中的原材料直接成本是各種生產(chǎn)方法對比較為直接的部分，各種α型高強石膏的原材料消耗及成本對比如下(僅供參考)：
在規(guī)?；a(chǎn)中，產(chǎn)品性能指標(biāo)會受到原料、生產(chǎn)控制、技術(shù)、工藝等因素的影響，而生產(chǎn)成本也會受到生產(chǎn)方法、原材料價格、生產(chǎn)規(guī)模、投資、市場、經(jīng)營等因素的影響。高強石膏產(chǎn)品因應(yīng)用領(lǐng)域眾多，性能要求不一。因此，在實際生產(chǎn)中，應(yīng)該根據(jù)自身原料特性(純度、雜質(zhì)、顏色等)、產(chǎn)品市場定位、生產(chǎn)規(guī)模等，選擇能夠發(fā)揮原料*佳性能和*低生產(chǎn)成本的工藝方法，以適應(yīng)產(chǎn)品檔次梯級分布的市場需求模式。
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