化工工艺学小论文

α型半水石膏生产工艺的介绍及其探讨

摘要 本文主要根据相关文献，简要地介绍了近十年来对α型半水石膏生产工艺的研究，并

且对α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α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 α型半水石膏；生产工艺；石膏 前言

半水石膏(CaSO 4-1/2H 2O)，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α型半水石膏、β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。β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α型半水石膏。α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，α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 α型半水石膏生产原理

α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 。α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，α型半水石膏属于三方晶系、层状结构，但也有研究认为当T<318K 时，α型半水石膏为斜方晶系，只有当T>318K 时才属于三方晶系。虽然α型半水石膏的精细结构还不十分清楚，但α型半水石膏与β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。α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，β型半水石膏则恰好相反。α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α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α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α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α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 α型半水石膏生产方法

在工艺上，α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α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α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α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α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α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α型半水石膏工艺和“湿法”中的加压水溶液法生产α型半水石膏工艺，并且对近年研究出来的“新型湿法”制备α型半水石膏工艺进行了部分讨论。

3 加压水蒸汽法制备α型半水石膏的生产工艺

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α型半水石膏主

要都是采用该类方法。加压水蒸汽法

生产α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α

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α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α

型半水石膏，再通过干燥和粉磨，即

得α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α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α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α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α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α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α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

α