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摘要 以簡化生產工藝流程，降低生產成本為原則，研究開發了無轉晶劑的兩種生產α型半水石膏工藝。其產品質量可達到：標準稠度低于40%，抗折強度高于10MPa，抗壓強度大于30MPa 。
關鍵詞 α型半水型石膏 轉晶劑 成本
1 前言
石膏是一種多功能氣硬性膠凝材料，但根據制作條件的不同，可獲得α型半水石膏或β型半石膏。其制品的功能與性能均有明顯差異，前者為規則的結晶體，后者與原料原始形態有關。半水石膏的結晶形態是影響其制品強度的關鍵因素。常壓炒制的β型半水石膏的比容大、水膏比大，膠凝后氣孔率高、強度低。用β型半水石膏制造的陶瓷模具，有吸水率高的優點，但模具使名用壽命短，不能適應于壓力較高的滾壓成形。以過蒸壓法、水熱法等不同的工藝方法制得α型半水石膏為致密的短柱狀晶體，比容小、水膏比小，膠凝后強度高，俗稱高強半水石膏。用α型半水石膏制造的陶瓷模具強度高，使用壽命長，并可以提高陶瓷表面的光潔度，提高陶瓷產品檔次。但由于α型半水石膏的生產工藝復雜，設備投資 大，生產成本高，售價高，使它使用量受到限制，國內外都把研究開發α型半水石膏粉的新工藝，大幅度降低其生產成本，列為石膏產業的重大攻關課題。
生產α型半水石膏方法很多。但質量相差很大，同一種方法，因受設備條件、控制參數的影響，質量很穩定，筆者研究開發了無添加轉晶劑和有添加轉晶劑兩種生產α型半水石膏工藝，并進行了中試生產，現做些總結，供讀者參考。
2 無轉晶劑生產方法
沒有添加轉晶劑，也可以生產出水膏比低于40%的α型半水石膏，并可降低生產成本，但其工藝技術控制都要求比較高
。
2.1 生成α型半水石膏的工藝原理
二水石膏脫去1.5個結晶水形成半水石膏，其反應式為 CaSO4·2H2O=CaSO4· H2O+1.5H2O在不同壓力下二水石膏脫水形成半水石膏石膏的溫度也不同。圖1中曲線1為二水石膏——半水石膏的“壓力——溫度”平衡曲線。從圖上可以看出，曲線1非常接近液相水—氣相水的“壓力—溫度”平衡曲線2，并相交于C點，在沒有添加轉晶劑條件下，要制成 α型半水石膏，二水石膏的結晶水要以液態水排出。所以，二水石膏在圖1ABC“溫度—壓力”區間內(圖中斜線陰影部分)就容易制成α型半水石膏。在曲線2的下方就制成β型半水石膏；在曲線1的上方，結晶水能排出。通常蒸壓法生產α型半水石膏，是以飽和蒸汽加熱，蒸壓釜內“溫度—壓力”的關系都在曲線2上，致使二水石膏結晶水可能以液態排出制成α型半水石膏，也可能以汽態水排出制成β型半水石膏。所以用飽和蒸汽蒸壓二水石膏制成的產品，實際上是α型和β型混合的半水石膏，質量難以穩定。
2.2 無轉晶劑生產α型半水石膏工藝流程
根據以上生成α型半水石膏的工藝原理，要生產質量優良的α型半水石膏，就要使蒸壓釜內溫度和壓力在圖1ABC區間內。為此，我們研究開發了新工藝流程：先將天然石膏敲成小塊狀，清洗干凈后，裝入蒸壓釜。為了使干燥時熱氣體均勻流動，二水石膏需分層堆裝，每層20cm，層間隔5cm。然后往蒸壓釜注入水，使二水石膏全部浸泡在水中。詳見圖2工藝流程簡圖。圖2中2為熱水泵，它使蒸壓釜內液態水不斷上下循環流動。保持釜內各部位二水石膏溫度均勻。圖2中3為電加熱器(大生產可用其它能源加熱)，對循環水進行加熱，調 整加熱器給循環水的供熱量，可命名蒸壓釜內液態水保持工藝要求的溫度。調整進口A的蒸汽壓力，使蒸壓釜內保持工藝要求的壓力。進口C的蒸氣是用于初始液態水升溫加熱和配合加熱器3控制蒸壓釜內液態水溫度。為了使生產的α型半水石膏不搬動， 在同一蒸壓釜內進行干燥。在圖2中，設計了干燥熱空氣鼓入口D和抽出口B。干燥時，在B抽汽的同時，由D鼓入干熱空氣，對已生成的α型半水石膏直接干燥。為了降低能耗，蒸壓釜、加熱器和管道都要外加保溫層。
2.3 該生產α型半水石膏工藝特點
該生產α型半水石膏工藝和其它蒸壓法工藝相比，有如下特點：
1.蒸壓釜 2.熱水泵 3.電加熱器 A.蒸汽進口 B.干燥余氣抽出口 C.蒸氣進口 D.干燥熱空氣鼓入口 E.排水口
a.二水石膏全部浸泡在液態水中，通過調整加熱器供熱量和蒸汽進口A的蒸汽壓力，使二水石膏保持在圖1ABC區間“溫度—壓力”內，進行加熱，結晶水全部以液態排出，確保二水石膏全部生成α型半水石膏。
b.在一個蒸壓釜中相繼完成蒸壓和干燥二道工序，既大大降低了工人勞動強度，也使生成的α型半水石膏不會因裝卸、搬移而降溫轉化回到二水石膏。
c.該工藝不需加任何轉晶劑，可降低成本，還省去清洗媒晶劑的離心脫水設備。
2.4 工藝控制與技術參數
雖然二水石膏在圖1ABC“溫度—壓力”區間內都可以生成α型半水石膏，但在ABC區間內，溫度和壓力不同，生成的α型半水石膏質量也有所差別，它們的晶體形狀也有所不同。溫度升高，壓力降低，可以使二水石膏脫水生成α型半水石膏的速度加快，縮短蒸壓時間，可降低成本，但產品質量有所下降。我們經過多次實驗，溫度在125~1350C，壓力在0.25~0.37MPa范圍內最適合。蒸壓時間除與溫度、壓力有關系外，還與二水石膏塊度大小有關。塊度大延長蒸壓時間，塊度小可縮短蒸壓時間，但在干燥時，因鼓入的熱空氣經過細塊度石膏層時，阻力大，難以均勻干燥；若過細，甚至無法吹入熱空氣，使干燥不能進行。通過實驗，二水石膏塊度在3~5cm比較好。這時蒸壓時間約4小時。干燥時的溫度和壓力也很重要，干澡溫度過高會使生成的α型半水石膏再脫水生成無水石膏。干燥溫度過低干燥時間延長，甚至使α型半水石膏轉回到二水石膏，經實驗，干燥溫度控制在130~1400C較好。干燥時蒸壓釜內的壓力越小越好，最好是負壓”
干燥后，進行粉磨細度要過150目篩。
3 添加轉晶劑生產α型半水石膏
添加轉晶劑可生產出強度很高的α型半水石膏，據文獻其水膏比可低于30%，干燥抗壓強度高于20MPa。國內外常用水熱法制造α型半水石膏。水熱法生產流程是：將粉狀二水石膏與加有化學轉晶劑的水溶液混合，所得漿料置于反應釜中，在一定的溫度和壓力下經過一定時間，即轉變成α型半水石膏。然后再經壓濾或離心脫水，干燥和磨細，制得高強石膏粉。此法工藝較復雜，生產效率相對較低，生產能力較小，導致能耗和成本較高。我們從簡化工藝，降低成本上考慮，研究設計了如下工藝流程：
天然二水石膏經揀選清洗后，磨成過40目的細粉，將粉狀二水石膏與加有化學媒晶劑的水溶液混合，化成漿料在水池(或陶缸)內浸泡24小時后，再將漿料(可濾去部分水溶液)裝在盤子里，分層置于蒸壓釜中，在0.30~0.35MPa飽和蒸汽壓力下蒸壓加熱3~4小時后，關閉蒸汽降至常壓，立即打開蓋子，將整盤石膏直接放入干燥室內，在120~1300C溫度下烘干，然后磨細，就可制得高強石膏粉。該工藝流程，取消了離心脫水設備，操作簡單，減少投資，降低了成本，易實現大批量生產。
尚需指出的是，能在二水石膏脫水成α型半水石膏的過程中，起轉晶促進作用的化學品很多，很多文獻對它們的作用進行了比較，但要符合以上工藝的轉晶劑必須達到：轉晶劑剩留在α型半水石膏中，不能影響其初凝，終凝時間，不能改變產品顏色。
實驗結果及分析
以上兩種工藝實驗，所用石膏是從河南三門峽槐樹洼纖維石膏廠購買的天然纖維二水石膏，純度高，結晶水含量接近理論值，我們花兩年時間研究，先小試，后中試，進行小批量試生產，生產的α型半水石膏性能優良、成本低，經測試兩種工藝方法生產的α型半水石膏性能見表1
表 1 α型半水石膏產品技術性能
無轉晶劑 在轉晶劑
生產工藝 生產工藝
初凝時間(min) 7~9 7~9
終凝時間)(min) 小于30 小于30
標準稠度(%) 38~40 34~36
2hr抗折強度(MPa) 大于6.5 大于6.5
450C干燥抗折強度(MPa) 大于10 大于11.5
2hr抗折強度(MPa) 大于16 大于16
450C干燥抗折強度(MPa) 大于28 大于34
從表1可以看出，無轉晶劑生產工藝制成的α型半水石膏強度略低，但因沒有使用轉晶劑，成本較低。若大批量生產，有轉晶劑的工藝更好控制，質量會更穩定。
5 結束語
用α型半水石膏制成的陶瓷模具強度很高，但是吸水率低，并且澆注時，模具凝固膨脹率大，影響模具尺寸精度。所以陶瓷行業一般沒有全部用α型半水石膏做模具。根據不同成型方法，α型半水石膏和β型半水石膏以下同比例混合使用。通過實驗陶瓷注漿成形模具α型半水石膏配入量為25%~30，滾壓成型模具α型半水石膏配入量為40%~45%。
參考文獻
1.楊得山譯.石膏,中國建筑工業出版社1987.11
2.陳志山.α型半水石膏的生產工藝.非金屬礦,1995 No1
3.王瑞麟等.影響α—半水石膏結晶形態的若干因素,新型建筑材料,1991(10)
4.陳聰龍等.陶瓷模用α半水石膏的研究.中國陶瓷,1995(1) |
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