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幾種α型高強石膏生產方法介紹
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α型高強石膏的幾種工藝方法及其優缺點進行介紹，并通過幾種工藝方法生產項目的實施數據，對不同工藝方法生產的α型高強石膏粉的性能及成本進行對比分析。
關鍵詞：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、高強、節能、環保、與人及環境融合性好等特點，是公認的生態建材、綠色建材，被廣泛的應用于各個行業，在人們的日常生活和國民經濟中發揮著越來越重要的作用。
隨著經濟發展，人們對居住環境及要求的提高，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用于人們的日常生活和工業生產中;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常見到或用到的材料。陶瓷模具、工業模具、齒科石膏、繃帶石膏、精密鑄造、工藝美術石膏、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、工業填料等也成為石膏材料的重要用途。
隨著石膏產制品用途的拓展及部分領域對石膏材料的性能指標要求的不斷提高，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、石膏制品等諸多領域;同時，不同應用領域對α型高強石膏有著不同的性能要求和成本承擔范圍，不同生產原料、不同生產方法又對α型高強石膏的性能指標和生產成本起著決定性作用。因此，針對不同的原料特性和產品要求，了解和選擇與之匹配的α型石膏的生產方法和設備，可以在**產品性能和發揮原料價值的基礎上有效的降低生產成本。
二、α型高強石膏的生產方法及特點
α型高強石膏的生產方法按照生產過程采用的介質可以分為兩類：蒸壓法和水熱法。蒸壓法是指在一定壓力的飽和蒸汽介質中石膏由二水狀態轉化為α型半水狀態的方法，蒸壓法根據原料狀態又可分為干法生產工藝和半干法生產工藝;水熱法是指二水石膏在水溶液介質中完成由二水石膏至半水石膏的晶體轉化過程，水熱法根據水溶液的狀態分為高壓水溶液法和常壓水溶液法;以上各類生產方法中，除干法蒸壓法不采用轉晶劑技術外，其余生產方法均需采用轉晶劑技術作為配套。轉晶劑也稱為媒晶劑，是根據原料特性由一種或多種能夠影響石膏晶體生產方向、形狀和大小的有機鹽、無機鹽及有機酸等物質。因石膏原料種類較多，各類石膏成分及雜質含量各不相同，原料細度、類別、組成成分、雜質成分等均會對轉晶效果產生影響，因此，對不同的原料類別甚至同一類不同雜質組成的原料，都需要根據自身特性進行調整，才能得到能夠適應于該原料的*佳轉晶劑配方技術，只有調整出*佳轉晶劑技術，才能在合適的生產條件下生產出性能*佳的α型高強石膏產品。
1、蒸壓法
蒸壓法生產α型高強石膏的工藝方法根據具體原料狀態又分為干法蒸壓法技術和半干蒸壓法技術。
1)干法蒸壓法技術 是一種傳統的α石膏生產技術，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，利用水蒸氣介質的壓力及熱量，完成二水石膏晶體結構的轉化和脫水，形成α型半水石膏晶型結構。該技術方法不采用轉晶劑輔助，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，產生生料。因此干法蒸壓法主要應用于天然石膏為原料生產α型高強石膏。干法蒸壓法根據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備內完成的工藝;二步法是指利用兩個設備分別完成蒸壓和烘干過程;
一步蒸壓法的主要生產設備是立式蒸壓釜，也叫脫水器，一步蒸壓法及設備是寧夏建材研究院的研究成果，自上世紀80年代推出以來，先后在國內推廣轉讓30余條生產線，經過不斷的優化改進，仍然是目前天然石膏生產α型高強石膏工藝*簡單、控制*穩定、生產成本*低的生產方法。 一步蒸壓法具有如下特點：
⑴原料適應范圍寬，對純度大于75%以上的天然石膏原料，均可生產α型高強石膏，純度的高低和雜質的類別僅影響強度等指標，不會影響生產過程的穩定性。對不同純度的原料，均可調整生產出能夠體現原料品位和特性的強度值;
⑵生產過程簡單，產品質量穩定 ;該方法生產中，不需要轉晶劑技術輔助，僅需要控制物料粒度、蒸汽壓力、溫度、時間等參數;蒸壓和烘干在一個設備內完成，中間無影響及干擾因素，質量穩定性高。
⑶生產成本低，產品質量高;生產過程不采用轉晶劑，比其它方法減少了轉晶劑成本。生產過程集成在一個設備完成，質量干擾因素少，產品性能指標高，對95%以上的高純度天然石膏原料，產品2小時抗折強度可達到8MPa以上;
⑷因蒸壓及烘干集成在一個設備內完成，產品生產周期較長，但設備產量低，適合小規模高品質產品的生產;
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破碎后再次煅燒的，該工藝因晾曬過程中會造成轉化的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，產品性能指標一般較低，會略高于同類原料生產的β石膏產品;
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%以內的半干狀態，將這種半干狀態的石膏原料直接送入轉晶設備，在一定壓力的飽和水蒸氣介質下進行轉晶或造粒后進行轉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K型超硬石膏，產品經過粉磨后標準稠度可達到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建設年產5000噸生產線一條，生產該類產品，質量較為穩定，產品用于工藝品、鑄造、原模等;但由于該方法生產過程中需要造粒成型，生產效率較低，生產規模小，成本相對較高;
寧夏博得石膏研究院在以上半干法的基礎上，經過不斷完善，研發成功了不需要造粒成型的半干法生產工藝—混合蒸壓轉晶技術，該方法可對與轉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晶，無需造粒或配漿等工序。
混合蒸壓轉晶半干法生產α型高強石膏粉的生產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%的副產石膏原料均可直接進行配料;混合工序是該工藝的重要環節之一，主要是將原料與轉晶劑(或轉晶劑溶液)計量后，通過混合設備進行均勻混合的過程;混合的均勻程度直接決定轉晶劑是否能夠均勻分散至物料中，決定整個物料轉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。
蒸壓轉晶 該過程主要是通過向轉晶設備內通入一定壓力和溫度的飽和水蒸汽，使設備內的物料處于飽和水蒸汽介質中，并通過蒸汽保持合適的轉晶溫度，從而通過轉晶劑、蒸汽壓力及溫度的共同作用，使物料顆粒發生溶解再結晶，由無規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;并形成大小不同的具有一定級配的晶體;由于半干狀態下轉晶劑離子不能形成自由遷移的完全均勻狀態，各物料顆粒之間所吸附的轉晶劑離子濃度存在一定的差異而導致的，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。轉晶效果的主要影響因素為轉晶劑配方、溫度及壓力，轉晶劑配方是根據物料特點預先試驗確定的，一般在生產前已經多次驗證確認，而溫度及壓力則是生產過程中需要嚴格監控的參數，不同的物料、不同的配方所對應的*佳溫度和壓力參數均存在一定的差異;
烘干 蒸壓轉晶后，物料已經完成了從二水到半水石膏的轉變，完成了晶體形態的轉化，屬于實際意義上的α型半水石膏。但脫出的結構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，以避免逆反應對產品的影響。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生二次煅燒，導致脫去剩余的結晶水;一般，由于轉晶非常完備，物料比表面積大幅度縮小，達到轉晶要求的物料活性很低，逆反應速度很慢，出轉晶器物料2小時之內的逆反應對產品性能影響很小，而4小時候開始有比較明顯的影響(會導致強度下降約0.5MPa)，8小時候物料會逐漸變硬結塊;因此半干法出轉晶器的物料*好在4小時以內進入烘干設備進行烘干，生產工藝設置上轉晶器與烘干設備的銜接時間以小于4小時為宜。
粉磨 轉晶后的晶體，大小相對較為均勻，顆粒變粗，比表面積變小，活性降低。如果不經過粉磨，產品凝結時間很長，強度上升速度很慢，不利于應用，因此，粉磨是**產品應用性能指標重要環節之一。不同的粉磨設備，對粉磨過程調整物料顆粒級配，達到*佳產品性能很重要。一般，球磨機對轉晶物料粉磨的效果要好于其它粉磨設備。
混合蒸壓轉晶工藝的特點：
⑴原料適應性強 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%、成分穩定的各類石膏原料;
⑵石膏原料以粉狀直接與轉晶劑溶液混合均勻即可，不需要配漿、不需要造粒;
⑶轉晶設備容積率高，易于規模化生產 物料以濕粉狀態裝入轉晶設備，裝入量可達到設備容積的80%，單臺設備產量大，利于規模化生產;
⑷轉晶過程物料為半干狀態，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;
⑸能夠形成以短柱狀晶體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，有利于提高產品性能指標;
⑹轉晶過程基本無廢水排放，轉晶完成后不需要進行洗滌處理等工序，不產生大量廢水，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生產成本低，利用提高產品競爭力。直接生產成本主要由原料成本、蒸汽成本、轉晶劑成本、電成本構成;
⑻生產線投資低，混合蒸壓轉晶半干法工藝，生產線主體設備均采用常規建材類設備，僅蒸壓轉晶設備部分要求較高，因此，整體生產線投資相對水熱法等工藝大幅度下降;
半干法(混合蒸壓轉晶)生產α石膏晶體圖片：
2、水熱法
水熱法是采用由一定濃度的轉晶劑配置的溶液作為介質，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，使石膏在轉晶劑溶液、溫度、壓力的作用下完成晶體的轉化，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、轉晶、漿料分離、洗滌、烘干、粉磨等工序;水熱法根據轉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，越有利于轉晶效果，但產量越小，料漿濃度越高，越有利于產量提高及成本降低，但不利于轉晶的均一性)，將料漿送入轉晶設備內，通過對轉晶設備內料漿加熱，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晶劑溶液的作用下，二水石膏進行溶解再結晶，因為轉晶劑離子的作用，形成特定的短柱狀晶體。轉晶完成后，通過對料漿進行離心過濾等方式將漿料分離，為了避免殘余轉晶劑對產品的影響，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備進行烘干，烘干后的α型半水石膏熟料經粉磨后既為成品。為了避免水污染及節省成本，一般需要對分離出的溶液進行調整后再次配置料漿利用，但一般在副產石膏中，因石膏中的多種可溶性成分會不斷溶入溶液中，不斷積聚，導致溶液中的各類離子濃度及成分不斷改變，多次應用后會對轉晶逐漸產生影響，因此，必須針對不同的原料設置合理的循環利用及水處理措施，增加水處理措施會大幅度增加生產成本。
2)常壓水熱法
常壓水熱法的生產工序基本與帶壓水熱法相同，不同之處主要是轉晶采用的條件為常壓狀態，轉晶溫度一般為95-105度，轉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與浙江大學等單位合作完成863項目中試中，利用該方法生產的脫硫石膏原料α高強石膏粉，基料性能指標可達到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;
水熱法生產α石膏晶體圖片：
三、幾種α型高強石膏生產工藝的產品性能及成本對比分析
寧夏博得石膏研究院(原寧夏石膏設計研究院)在高強石膏技術、工藝及設備方面具有較長的研究歷史和積累，以上各類α型高強石膏生產方法及工藝均有涉及(研究及推廣)，并且干法技術及設備、半干法(混合蒸壓轉晶技術)技術及設備形成了自己獨特的專利技術和設備;帶壓水熱法也進行了大量的研究實驗及小規模的生產技術及設備轉讓。對于各工藝方法的優缺點及產品性能特點，進行了大量的試驗對比，不同的技術方法對原料的適應性存在一定的差異，不同的技術方法生產的產品性能也存在一定的差異，同時，生產成本更是存在很大的不同。以下，僅從我院在同一種原料下，不同技術方法的產品性能及成本方面進行對比分析。
1、不同技術方法生產產品的主要性能差異
該差異主要體現在干法其它生產方法上，干法生產技術直接采用塊狀石膏蒸壓生產α型高強石膏，生產過程中不采用轉晶劑，沒有對晶體形狀進行干預，晶體多為針狀或簇狀纖維晶體，產品標準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，但產品抗壓強度低于其它方法;半干法(混合蒸壓轉晶)生產的高強石膏與水熱法生產的高強石膏性能指標基本一致，指標主要取決于轉晶技術水平和生產控制等工藝方面。我院采用的96%左右的天然石膏及96%左右的高純度副產石膏采用不同的方法生產的α型高強石膏性能指標對比如下表：
2、生產成本對比分析
α型高強石膏的生產成本主要由原材料直接成本、人工成本、投資成本、管理經營成本等構成。其中人工成本、投資成本、管理經營成本受生產規模、原料特性、產品類別、市場銷售、總體投資等影響較大，各生產線直接可比性不強;而生產中的原材料直接成本是各種生產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)：
在規模化生產中，產品性能指標會受到原料、生產控制、技術、工藝等因素的影響，而生產成本也會受到生產方法、原材料價格、生產規模、投資、市場、經營等因素的影響。高強石膏產品因應用領域眾多，性能要求不一。因此，在實際生產中，應該根據自身原料特性(純度、雜質、顏色等)、產品市場定位、生產規模等，選擇能夠發揮原料*佳性能和*低生產成本的工藝方法，以適應產品檔次梯級分布的市場需求模式。
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