α型半水石膏的研制
摘要 以简化生产工艺流程，降低生产成本为原则，研究开发了无转晶剂的两种生产α型半水石膏工艺。其产品质量可达到：标准稠度低于40%，抗折强度高于10MPa，抗压强度大于30MPa 。关键词 α型半水型石膏 转晶剂 成本
1 前言
石膏是一种多功能气硬性胶凝材料，但根据制作条件的不同，可获得α型半水石膏或β型半石膏。其制品的功能与性能均有明显差异，前者为规则的结晶体，后者与原料原始形态有关。半水石膏的结晶形态是影响其制品强度的关键因素。常压炒制的β型半水石膏的比容大、水膏比大，胶凝后气孔率高、强度低。用β型半水石膏制造的陶瓷模具，有吸水率高的优点，但模具使名用寿命短，不能适应于压力较高的滚压成形。以过蒸压法、水热法等不同的工艺方法制得α型半水石膏为致密的短柱状晶体，比容小、水膏比小，胶凝后强度高，俗称高强半水石膏。用α型半水石膏制造的陶瓷模具强度高，使用寿命长，并可以提高陶瓷表面的光洁度，提高陶瓷产品档次。但由于α型半水石膏的生产工艺复杂，设备投资 大，生产成本高，售价高，使它使用量受到限制，国内外都把研究开发α型半水石膏粉的新工艺，大幅度降低其生产成本，列为石膏产业的重大攻关课题。
生产α型半水石膏方法很多。但质量相差很大，同一种方法，因受设备条件、控制参数的影响，质量很稳定，笔者研究开发了无添加转晶剂和有添加转晶剂两种生产α型半水石膏工艺，并进行了中试生产，现做些总结，供读者参考。
2 无转晶剂生产方法
没有添加转晶剂，也可以生产出水膏比低于40%的α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
。
2.1 生成α型半水石膏的工艺原理
二水石膏脱去1.5个结晶水形成半水石膏，其反应式为 CaSO4·2H2O=CaSO4· H2O+1.5H2O在不同压力下二水石膏脱水形成半水石膏石膏的温度也不同。图1中曲线1为二水石膏——半水石膏的“压力——温度”平衡曲线。从图上可以看出，曲线1非常接近液相水—气相水的“压力—温度”平衡曲线2，并相交于C点，在没有添加转晶剂条件下，要制成 α型半水石膏，二水石膏的结晶水要以液态水排出。所以，二水石膏在图1ABC“温度—压力”区间内(图中斜线阴影部分)就容易制成α型半水石膏。在曲线2的下方就制成β型半水石膏；在曲线1的上方，结晶水能排出。通常蒸压法生产α型半水石膏，是以饱和蒸汽加热，蒸压釜内“温度—压力”的关系都在曲线2上，致使二水石膏结晶水可能以液态排出制成α型半水石膏，也可能以汽态水排出制成β型半水石膏。所以用饱和蒸汽蒸压二水石膏制成的产品，实际上是α型和β型混合的半水石膏，质量难以稳定。
2.2 无转晶剂生产α型半水石膏工艺流程
根据以上生成α型半水石膏的工艺原理，要生产质量优良的α型半水石膏，就要使蒸压釜内温度和压力在图1ABC区间内。为此，我们研究开发了新工艺流程：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。然后往蒸压釜注入水，使二水石膏全部浸泡在水中。详见图2工艺流程简图。图2中2为热水泵，它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。图2中3为电加热器(大生产可用其它能源加热)，对循环水进行加热，调 整加热器给循环水的供热量，可命名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的蒸气是用于初始液态水升温加热和配合加热器3控制蒸压釜内液态水温度。为了使生产的α型半水石膏不搬动， 在同一蒸压釜内进行干燥。在图2中，设计了干燥热空气鼓入口D和抽出口B。干燥时，在B抽汽的同时，由D鼓入干热空气，对已生成的α型半水石膏直接干燥。为了降低能耗，蒸压釜、加热器和管道都要外加保温层。
2.3 该生产α型半水石膏工艺特点
该生产α型半水石膏工艺和其它蒸压法工艺相比，有如下特点：
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.蒸气进口 D.干燥热空气鼓入口 E.排水口
a.二水石膏全部浸泡在液态水中，通过调整加热器供热量和蒸汽进口A的蒸汽压力，使二水石膏保持在图1ABC区间“温度—压力”内，进行加热，结晶水全部以液态排出，确保二水石膏全部生成α型半水石膏。
b.在一个蒸压釜中相继完成蒸压和干燥二道工序，既大大降低了工人劳动强度，也使生成的α型半水石膏不会因装卸、搬移而降温转化回到二水石膏。
c.该工艺不需加任何转晶剂，可降低成本，还省去清洗媒晶剂的离心脱水设备。
2.4 工艺控制与技术参数
虽然二水石膏在图1ABC“温度—压力”区间内都可以生成α型半水石膏，但在ABC区间内，温度和压力不同，生成的α型半水石膏质量也有所差别，它们的晶体形状也有所不同。温度升高，压力降低，可以使二水石膏脱水生成α型半水石膏的速度加快，缩短蒸压时间，可降低成本，但产品质量有所下降。我们经过多次实验，温度在125~1350C，压力在0.25~0.37MPa范围内最适合。蒸压时间除与温度、压力有关系外，还与二水石膏块度大小有关。块度大延长蒸压时间，块度小可缩短蒸压时间，但在干燥时，因鼓入的热空气经过细块度石膏层时，阻力大，难以均匀干燥；若过细，甚至无法吹入热空气，使干燥不能进行。通过实验，二水石膏块度在3~5cm比较好。这时蒸压时间约4小时。干燥时的温度和压力也很重要，干澡温度过高会使生成的α型半水石膏再脱水生成无水石膏。干燥温度过低干燥时间延长，甚至使α型半水石膏转回到二水石膏，经实验，干燥温度控制在130~1400C较好。干燥时蒸压釜内的压力越小越好，最好是负压”
干燥后，进行粉磨细度要过150目筛。
3 添加转晶剂生产α型半水石膏
添加转晶剂可生产出强度很高的α型半水石膏，据文献其水膏比可低于30%，干燥抗压强度高于20MPa。国内外常用水热法制造α型半水石膏。水热法生产流程是：将粉状二水石膏与加有化学转晶剂的水溶液混合，所得浆料置于反应釜中，在一定的温度和压力下经过一定时间，即转变成α型半水石膏。然后再经压滤或离心脱水，干燥和磨细，制得高强石膏粉。此法工艺较复杂，生产效率相对较低，生产能力较小，导致能耗和成本较高。我们从简化工艺，降低成本上考虑，研究设计了如下工艺流程：
天然二水石膏经拣选清洗后，磨成过40目的细粉，将粉状二水石膏与加有化学媒晶剂的水溶液混合，化成浆料在水池(或陶缸)内浸泡24小时后，再将浆料(可滤去部分水溶液)装在盘子里，分层置于蒸压釜中，在0.30~0.35MPa饱和蒸汽压力下蒸压加热3~4小时后，关闭蒸汽降至常压，立即打开盖子，将整盘石膏直接放入干燥室内，在120~1300C温度下烘干，然后磨细，就可制得高强石膏粉。该工艺流程，取消了离心脱水设备，操作简单，减少投资，降低了成本，易实现大批量生产。
尚需指出的是，能在二水石膏脱水成α型半水石膏的过程中，起转晶促进作用的化学品很多，很多文献对它们的作用进行了比较，但要符合以上工艺的转晶剂必须达到：转晶剂剩留在α型半水石膏中，不能影响其初凝，终凝时间，不能改变产品颜色。
4 实验结果及分析
以上两种工艺实验，所用石膏是从河南三门峡槐树洼纤维石膏厂购买的天然纤维二水石膏，纯度高，结晶水含量接近理论值，我们花两年时间研究，先小试，后中试，进行小批量试生产，生产的α型半水石膏性能优良、成本低，经测试两种工艺方法生产的α型半水石膏性能见表1
表 1 α型半水石膏产品技术性能
无转晶剂 在转晶剂
生产工艺 生产工艺
初凝时间(min) 7~9 7~9
终凝时间)(min) 小于30 小于30
标准稠度(%) 38~40 34~36
2hr抗折强度(MPa) 大于6.5 大于6.5
450C干燥抗折强度(MPa) 大于10 大于11.5
2hr抗折强度(MPa) 大于16 大于16
450C干燥抗折强度(MPa) 大于28 大于34
从表1可以看出，无转晶剂生产工艺制成的α型半水石膏强度略低，但因没有使用转晶剂，成本较低。若大批量生产，有转晶剂的工艺更好控制，质量会更稳定。
5 结束语
用α型半水石膏制成的陶瓷模具强度很高，但是吸水率低，并且浇注时，模具凝固膨胀率大，影响模具尺寸精度。所以陶瓷行业一般没有全部用α型半水石膏做模具。根据不同成型方法，α型半水石膏和β型半水石膏以下同比例混合使用。通过实验陶瓷注浆成形模具α型半水石膏配入量为25%~30，滚压成型模具α型半水石膏配入量为40%~45%。
参考文献
1.杨得山译.石膏,中国建筑工业出版社1987.11
2.陈志山.α型半水石膏的生产工艺.非金属矿,1995 No1
3.王瑞麟等.影响α—半水石膏结晶形态的若干因素,新型建筑材料,1991(10)
4.陈聪龙等.陶瓷模用α半水石膏的研究.中国陶瓷,1995(1)
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