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型半水石膏生产工艺的介绍及其探讨型半水石膏生产工艺的介绍及其探讨 摘要摘要 本文主要根据相关文献 简要地介绍了近十年来对 型半水石膏生产工艺的研究 并 且对 型半水石膏的晶体结构 形成机理 晶形转化剂的一些研究展开了探讨 最后 对 型半水石膏制备的新工艺 新方法及其应用前景进行了展望 关键词关键词 型半水石膏 生产工艺 石膏 前言前言 半水石膏 CaSO4 1 2H2O 是二水 石膏在一定的单元操作条件下通过加 热而失去 3 2 分子水的产物 而由于产 物结晶形态上的不同 半水石膏又可 被分为 型半水石膏 型半水石膏两 种 它们在颗粒尺寸 颗粒形状以及 能量特征曲线上均有差异 因此应用 特征也各不相同 型半水石膏是通过 直接或间接加热法而制得 其强度较 低 但在某些条件下 人们希望能有 强度更高的石膏硬化体 故需要对石 膏进行特殊的处理 从而得到 型半 水石膏 型半水石膏是性能优良的改 性石膏 有很多优点 如需水量少 强度高等 目前 型半水石膏在机械 船舶 汽车制造 建筑 建材 陶瓷 医学和齿学等众多领域均有广泛应用 1 型半水石膏生产原理型半水石膏生产原理 型半水石膏的主要生产原理是 二水石膏脱去 3 2 个结晶水形成半水 石膏 其反应式为 CaSO 2H O CaSO H O 1 5H O 型半水石膏 的化学组成虽然简单 但其所属晶系 尚未定论 一般认为 型半水石膏属 于三方晶系 层状结构 但也有研究 认为当 T318K 时才属于三方 晶系 虽然 型半水石膏的精细结构 还不十分清楚 但 型半水石膏与 型半水石膏只是石膏脱水相一个系统 中的 2 个极端相 二者在微观结构即 原子排列的精细结构上没有本质的差 别 然而作为石膏胶凝材料 其宏观 性能相差很大 这是由亚微观即晶粒 形态 大小及分散度方面的差异决定 的 型半水石膏水化速度慢 水化热 低 需水量小 硬化体结构密实 强 度高 型半水石膏则恰好相反 型 半水石膏的形成机理尚无定论 多数 学者认为在加热水蒸气压力下按溶解 析晶机制形成 部分学者认为二水石 膏转变为 型半水石膏的初期 按局 部化学反应机理进行 而后期则按溶 解析晶机理进行 还有一种说法则是 二水石膏先分解成无水硫酸钙和游离 水 当后来结合水分子时 才生成粗 大 密实的结晶 型半水石膏 半水 石膏按结晶形态的不同 可分为不同 的种类 而不同的结晶形态 则取决 于它的煅烧条件及其制备过程 如观 察二水石膏和水的压力 温度平衡曲线 图 1 则可发现二水石膏 半水石膏的 平衡曲线 曲线 A 很接近于液相水 气 相水的平衡曲线 曲线 B 这两条曲线 在接近 100 时相交 这说明如果在大 于 1 个大气压的压力锅内使二水石膏 脱水 液相的溶解 再结晶机理就决定 了 型半水石膏的形成 曲线上 1 2 3 4 点的脱水周期 完全在液相中完 成 对于形成结晶良好的 型半水石 膏有重要意义 图 1 热处理条件的温度 压力曲线 2 型半水石膏生产方法型半水石膏生产方法 在工艺上 型半水石膏由二水石 膏可通过一定的工艺条件转化制得 其中二水石膏原料有天然石膏 磷石 膏和化学石膏 以天然石膏为原料制 备的 型半水石膏强度最高 磷石膏 中由于含有较多的磷 氟等杂质导致 强度较低 而化学石膏溶解度较大 转变成的 型半水石膏晶体细小 强 度低 从二水石膏脱水的角度考虑 制备 型半水石膏的方法可以分为加 压水蒸汽法和水热法 又称 干法 和 湿法 加压水蒸汽法是我国目前主要 采用的方法 其原料要求较高 一般 为结晶度较好的天然石膏 制得的 型半水石膏强度为 25 50 MPa 水热 法又可分为加压水溶液法和常压盐溶 液法 由于水热法可以通过控制每个 晶面的生长速率来控制晶型 因此此 法所制得的 型半水石膏强度较高 加压水蒸汽法和加压水溶液法都需要 较高的压力 能耗较大 而常压盐溶 液法可以在常压的条件下实现晶体转 化 能耗较低 但与此同时 此法的 工艺设备较为复杂 实验室研究较多 工业应用很少 本文我们主要介绍 干 法 中的加压水蒸汽法生产 型半水石 膏工艺和 湿法 中的加压水溶液法生 产 型半水石膏工艺 并且对近年研 究出来的 新型湿法 制备 型半水石 膏工艺进行了部分讨论 3 加压水蒸汽法制备加压水蒸汽法制备 型半水石膏的型半水石膏的 生产工艺生产工艺 3 1 加压水蒸汽法工艺概述 该技术及设备主要形成于 70 年代 80 年代后有较大幅度的推广应用 目 前 国内市场生产的 型半水石膏主 要都是采用该类方法 加压水蒸汽法 生产 型半水石膏一般分为一步法和 二步法 一步法是将蒸压过程和烘干 过程在一个设备内完成 过程中不降 温 半水相不还原 很好的保证了 型半水相的特性 产品质量较高 质 量稳定 二步法则因为蒸压完成后降 压 出釜后送至烘干设备 过程中因 温度下降 半水相会部分还原 导致 烘干后的产品质量下降或不稳定 3 2 加压水蒸汽法工艺流程图 加压水蒸汽法是生产 型半水石 膏的最早采用的工业化生产方法 属 于 干法 工艺 块状二水石膏被置于蒸 压釜内 通入饱和蒸汽 在一定的温 度和压力下 经过一定时间 转变成 型半水石膏 再通过干燥和粉磨 即 得 型高强石膏粉 此工艺所使用的 蒸压釜分为卧式和立式两种 在使用 卧式釜时 另外建有烘干窑 即将蒸 压和干燥分别在两个设备中进行 使 用立式釜时 可以在干燥阶段内直接 向釜中吹入热空气或经过过滤的烟道 气 采用这种工艺方法的能耗比较大 并且产品的质量波动较大 品质也较 差 我国西北 华北地区采用加压水 蒸汽法时大多采用 5t 8t 10t 立式蒸 压釜 蒸压和干燥均在同一设备中进 行 加压水蒸汽法生产 型半水石膏 的生产工艺流程见图 2 所示 1 天然石膏原料仓库 2 筛分机 3 卧式高 压釜 4 预碎机 5 旋转式烘干机 6 二级 粉碎 7 混合器 8 输送带 图 2 加压水蒸汽法生产 型半水石膏的工 艺流程图 3 3 加压水蒸汽法工艺分析 将二水石膏打碎后 通入 2 8MPa 的高压水蒸气 转化 1 5 10 h 后在 90 160 条件下常压干燥 3 9h 磨碎 后得到 型半水石膏 所用的水蒸气 压力越大 蒸压的时间越短 同时要 控制 型半水石膏的析出速度 若速 度太快 生成的晶体中含有针状的形 貌 加压水蒸汽法制得的 型半水石 膏强度与所用原料有很大的关系 所 用的二水石膏越密实越容易形成高强 度的 型半水石膏 如果在卧式蒸压 釜中转化 转化后需要将转化后的 型半水石膏送入干燥器中干燥 期间 由于压力和温度的降低可能会使部分 型半水石膏吸水又转化为二水石膏 导致产品不纯 如果使用立式蒸压釜 转化和干燥可以同时在蒸压釜内进行 但干燥时需要不断向蒸压釜内送入热 空气 耗能较大 在工业生产中 开 始时可适当提高温度 然后要逐渐降 低 但在实际生产中要烘干块状石膏 有一定的难度 要得到满意的 a 型半 水石膏 还需进行二次炒制 4 加压水溶液法制备加压水溶液法制备 型半水石膏的型半水石膏的 生产工艺生产工艺 4 1 加压水溶液法工艺概述 加压水溶液法是在掺加晶形转化 剂的水溶液中加入二水石膏粉末 在 密闭的容器中升温到 120 140 在饱 和水蒸气压下恒定一段时间 二水石 膏将转化为短柱状的 型半水石膏 然后经过压滤或离心脱水 干燥和磨 细 制成高强石膏粉 此工艺比较复 杂 生产效率较低 能耗相对较高 导致成本升高 但是此法生产的高强 石膏强度等级很高 可达 30 70 MPa 甚至可以达到 100 MPa 4 2 加压水溶液法工艺流程图 二水石膏经粉碎后 加入晶型转 化剂水溶液 制成料浆 料浆浓度 15 40 加压水热并搅拌 在常压 下用高温水洗净 干燥 磨碎 即得 型半水石膏 在此法中不可缺少的 晶型转化剂有以下几种 加水分解呈 水溶性的蛋白质 唬拍酸 马来酸以 及碳原子在 2 以上的梭酸及盐 棕搁 酸 亚油酸等碳原子数在 15 以上的脂 肪酸的水溶性碱金属 在晶型转化剂 为 0 01 0 02 的水溶液中加入二水 石膏 于密闭的容器内使温度达到 120 140 饱和水蒸汽压保持一段时 间 二水石膏便转换成短柱状 板状 的 型半水石膏 将固液在热态下分 离 水洗干燥后即可得稳定的 型半 水石膏 加压水溶液法生产 型半水 石膏的生产工艺流程如图 3 所示 1 细粉状石膏原料仓库 2 计量器 3 料浆 混合器 4 高压釜 5 甩干器 6 沉淀池 7 压力过滤器 8 干燥器 9 热汽发生炉 10 细粉碎机 11 混合器 12 包装机 图 3 加压水溶液法生产 型半水石膏的工 艺流程图 4 3 加压水溶液法工艺分析 本法与加压水蒸汽法不同 它以 粉末二水石膏为原料 晶型转化剂不 仅只限于有机物 在无机盐类中也有 效果较好的晶型转化剂 本法的处理 条件除与晶型转化别的种类 浓度 水温及水热时间有关外 还与二水石 膏本身结晶度 聚合度 有关 这些条件 的适当组合 就会制出性能优良的 型 半 水 石 膏 包 括 抗 压 强 度 60 100MPa 的超硬石膏 5 新型新型 型半水石膏生产工艺型半水石膏生产工艺 经过多年石膏工艺的发展 我国 科研人员不断创新 现已研发出各种 新型的 型半水石膏生产工艺及技术 5 1 亚硫酸钙强制氧化法 亚硫酸钙强制氧化法的理论反应 式如下所示 CaSO H O O 2CaSO 1 2 H O 该法是将火电厂烟气中的 SO2通 入到 Ca H2S04浆液中进行吸收 然后 利用 设备加压 并在高温下强制通入空气 或氧气进行氧化 而制得高强 型半 水石膏 但是此法成本较高 5 2 新型湿法 湿法 型半水石膏的生产过程是 一个既包含化学变化又包含物理变化 的复杂化学反应 生产过程的各个控 制环节控制要求较高 而且部分控制 环节影响因素多 具有时滞 非线性 等特点 因此 要达到良好的控制效 果需要专家学者等共同研究开发 新 型湿法的工艺流程如图 4 所示 图 4 新型湿法 型半水石膏生产工艺流程 本生产线所用的原料磷石膏是公 司生产硫酸的中间产物 是一条变废 为宝充分利用资源的生产线 意义重 大 磷石膏首先得经过破碎 破碎后 的磷石膏经过计量皮带送到预混罐 预混罐中物料用饱和蒸汽加热 根据 实际生产要求预混罐的温度控制在 70 20 的范围内 加热到指定温度后 进行保温 将料浆从一号转晶罐打到 二号转晶罐进行进一步的反应 在二 号转晶罐内 料浆中晶体进行二次生 长 使二水石膏转化成 型半水石膏 的转化率提高到 95 通过二号转晶 罐内的压力作用 将料浆打到离心机 中 使料浆迅速的脱水烘干 对离心 机内的物料进行烘干的蒸汽温度比较 高 考虑离心机的安全 烘干用的蒸 汽限制在一定的范围内 料浆经过离 心机的脱水烘干后传送到造粒机进行 近一步的烘干 经过造粒机烘干后再 经过选粉机选粉 合格则送到成品仓 否则必须经过处理后选粉 5 3 无转晶剂生产方法 在不添加转晶剂的情况下 也可 以生产出水膏比低于 40 的 型半水 石膏 并可降低生产成本 但其工艺 技术控制都要求比较高 其工艺流程 如图 5 所示 1 蒸压釜 2 热水泵 3 电加热器 A 蒸汽 进口 B 干燥余气抽出口 C 蒸汽进口 D 干燥热空气鼓入口 E 排水口 图 5 无转晶剂法生产 型半水石膏流程简 图 先将天然石膏敲成小块状 清洗 干净后 装入蒸压釜 为了使干燥时 热气体均匀流动 二水石膏需分层堆 装 每层 20cm 层间隔 5cm 然后往 蒸压釜注水 使二水石膏全部浸泡在 水中 热水泵使蒸压釜内液态水不断 上下循环流动 保持釜内各部位二水 石膏温度均匀 电加热器对循环水进 行加热 调整加热器给循环水的供热 量 可使蒸压釜内液态水保持工艺要 求的温度 调整进口 A 的蒸汽压力 使蒸压釜内保持工艺要求的压力 进 口 C 的蒸汽是用于初始液态水升温加 热和配合加热器控制蒸压釜内液态水 温度 干燥热空气鼓入口 D 和抽出口 B 是为了使生产的 型半水石膏在同 一蒸压釜内进行干燥 在 B 抽汽的同 时 由 D 鼓入干热空气 对己生成