一種半干法制取高強(qiáng)α-半水石膏的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及建筑材料領(lǐng)域，尤其涉及一種半干式濕熱悶蒸法(簡(jiǎn)稱半干法)制取高強(qiáng)α-半水石膏的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，石膏(硫酸鈣)存在的狀態(tài)有二水石膏、半水石膏、III型無(wú)水石膏、II型無(wú)水石膏、I型無(wú)水石膏(又稱之為α型無(wú)水石膏)，其中的二水石膏和半水石膏均呈亞穩(wěn)定狀態(tài)，在一定的條件下可互相轉(zhuǎn)化，二水石膏的兩個(gè)離子層之間的水分子受熱逸出3/4即1.5個(gè)水分子后，Ca2+與SO42彼此錯(cuò)開(kāi)即形成半水石膏。二水石膏在不同的受熱脫水條件下形成的半水石膏，其微觀原子排序上無(wú)本質(zhì)上的差異；但其微觀結(jié)構(gòu)上，原子排序結(jié)晶的疏松或致密使其在宏觀性能上表現(xiàn)出巨大的差異，因而有α型、β型兩個(gè)不同脫水條件下的極端相晶型。當(dāng)二水石膏在加壓水蒸汽條件下或在酸和鹽的水溶液中加熱時(shí)，即在液相中或在蒸壓下脫水，則可以形成α-半水石膏。當(dāng)二水石膏在干燥的環(huán)境中進(jìn)行加熱脫水時(shí)則可以形成半水石膏。
[0003]以β -半水石膏礦物為主的建筑石膏粉，具有需水量大，凝結(jié)硬化快(一般需要加入緩凝劑)，體積微膨脹，孔隙率大，耐水性差，抗凍性差，強(qiáng)度低，不耐磨的特點(diǎn)，僅可作為室內(nèi)粉刷裝飾制品、多孔石膏制品和石膏板等。
[0004]以α-半水石膏為主的石膏稱之為高強(qiáng)石膏，是將二水石膏在110?170°C的溫度飽和蒸汽壓或高濃度鹽溶液(鹽濃度通常大于石膏質(zhì)量的10%)中沸煮脫水形成α-半水石膏，常用的煅燒生產(chǎn)設(shè)備為臥式或立式蒸壓釜(一般需要清洗、干燥設(shè)備)。以α-半水石膏礦物為主的高強(qiáng)石膏具有需水量小，凝結(jié)硬化較慢，體積穩(wěn)定，孔隙率較小和輕質(zhì)，強(qiáng)度好，耐磨等許多優(yōu)異的性能特點(diǎn)，除可應(yīng)用于粉刷、石膏制品的高檔材料外，還可應(yīng)用于很多行業(yè)，如用作陶瓷模具、精密制造、工藝美術(shù)品、齒科超硬石膏、工程塑料與橡膠制品及石膏基自流平材料等。
[0005]顯然，以二水石膏制造α -半水石膏礦物為主的高強(qiáng)石膏具有廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前石膏材料研究的主要方向，國(guó)內(nèi)外制備α -半水石膏(高強(qiáng)石膏)研究和應(yīng)用的主要方法有:
I)飽和蒸汽加壓法:簡(jiǎn)稱“蒸壓法”，是將一定粒徑的塊粒狀的二水石膏置于蒸壓釜內(nèi)，通入飽和水蒸汽，于110?170°C溫度壓蒸一定時(shí)間，使二水石膏緩慢脫水轉(zhuǎn)變?yōu)棣?-半水石膏，再經(jīng)干燥和粉磨，即得α型高強(qiáng)石膏。其缺點(diǎn)是蒸壓釜的有效容積利用率低、能耗高、生產(chǎn)效率低。
[0006]2)常壓鹽溶液法:實(shí)質(zhì)上是利用硫酸鹽之間或硫酸鹽與氯鹽之間的共結(jié)晶特性，即是在常壓條件下，將磨細(xì)的二水石膏粉置于鹽類溶液(共結(jié)晶所用鹽的質(zhì)量為二水石膏質(zhì)量的15%以上)中煮沸一定時(shí)間后，再進(jìn)行過(guò)濾，洗滌(除去共結(jié)晶的鹽份)，干燥，粉磨制成高強(qiáng)石膏粉。常壓鹽溶液法需要壓力容器，各工序設(shè)備亦較復(fù)雜，且制備的α-半水石膏結(jié)晶度較差，脫鹽及干燥難度大。
[0007]3)水熱法:包括靜態(tài)水熱法和動(dòng)態(tài)水熱法，是將粉狀二水石膏與加有轉(zhuǎn)晶劑的水溶液混合漿料(含水率50?80%)置于反應(yīng)釜中，經(jīng)一定時(shí)間的壓力蒸煮轉(zhuǎn)化為α -半水石膏，再經(jīng)壓濾或離心脫水，干燥，粉磨制得高強(qiáng)石膏粉。該方法可生產(chǎn)高強(qiáng)(干壓強(qiáng)度25?50MPa)和超高強(qiáng)(干壓強(qiáng)度50MPa以上)等級(jí)石膏粉，但對(duì)石膏品位要求高，且工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)能較小，能耗高，成本高。
[0008]4)折中法:介于蒸壓和水熱法之間的折中法或聯(lián)合法，即是在磨細(xì)的粉狀石膏中加入含羧基(C00-)的低分子量的羧酸鹽水溶液如馬來(lái)酸、檸檬酸鈉等，在密閉容器中加壓(0.2?0.5Mpa)、水熱攪拌蒸煮I?3h，再在100?160°C溫度下常壓干燥I?2h后，磨細(xì)制成高強(qiáng)石膏粉。該方法生產(chǎn)能耗仍偏高、成本高。
[0009]5)干悶法:即是將二水石膏置于密封的帶隔套的蒸壓釜內(nèi)加熱，以部分二水石膏干熱脫下的結(jié)晶水形成高溫水蒸汽對(duì)剩余二水石膏進(jìn)行壓蒸脫水。干悶法生產(chǎn)能耗相對(duì)于蒸壓法、水熱法、鹽溶液共結(jié)晶法及折中法而言最低，但是，一則需采用帶夾套的蒸壓釜設(shè)備，效率偏低，設(shè)備投資偏高，生產(chǎn)成本偏高，二則其產(chǎn)品礦物為β-半水石膏和α-半水石膏的混合物，且成份波動(dòng)大，強(qiáng)度偏低(一般在10?20MPa)。
[0010]綜上所述，為降低高強(qiáng)石膏的生產(chǎn)能耗、提高生產(chǎn)效率、降低設(shè)備投資及生產(chǎn)成本，且獲得質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定的高強(qiáng)石膏，需要一種制取α -半水石膏的全新的工藝方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資較小，工藝參數(shù)控制簡(jiǎn)單，可防止出現(xiàn)β-半水石膏，產(chǎn)品質(zhì)量易于穩(wěn)定，可以最大限度地降低生產(chǎn)能耗，有效降低生產(chǎn)成本的半干法制取高強(qiáng)α -半水石膏的方法。
[0012]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是，一種半干法制取高強(qiáng)α -半水石膏的方法，采用直熱式反應(yīng)釜，以粒徑<5mm的二水石膏粒狀料或粉料吸附含改性劑的水溶液，吸附有改性劑的二水石膏含濕物料置于直熱式反應(yīng)釜內(nèi)于108 °C?170 °C溫度下濕熱悶蒸I?5h，然后卸壓至大氣壓，于100?115°C釜內(nèi)快速蒸干，經(jīng)粉磨制成高強(qiáng)石膏粉，主要包括以下步驟:
(1)備料:將二水石膏破碎至粒徑5mm以下，或粉磨為80微米篩余〈50%的粉料；或者在原料二水石膏中加入相當(dāng)于二水石膏重量1.5 - 3%的石灰后，混合陳化2 — 5天，再進(jìn)行破碎處理；將改性劑溶于水中制成含水率〈95%的改性劑水溶液；
(2)制備含濕物料:將步驟(I)所得的二水石膏粒狀料或粉料與改性劑水溶液混合，經(jīng)15分鐘以上的陳化吸附，制成含水率〈20%的含濕物料；
(3)半干式濕熱悶蒸制取α-半水石膏:將步驟(2)所得的含濕物料置于直熱式反應(yīng)釜內(nèi)，于108°C?170°C濕熱悶蒸I?5h，制成α -半水石膏；
(4)干燥:將步驟(3)的直熱式反應(yīng)釜的卸壓閥打開(kāi)，使釜內(nèi)物料與大氣相通，于釜內(nèi)100?115°C快速蒸干后卸料，得干燥的α -半水石膏物料；
(5)制成:將步驟(4)所得干燥的α-半水石膏物料粉磨為80微米篩余〈12%的粉料，即得高強(qiáng)石膏粉。
[0013]進(jìn)一步，步驟(I)中，所述二水石膏指天然二水石膏和/或工業(yè)副產(chǎn)品二水石膏，如磷石膏、脫硫石膏。
[0014]進(jìn)一步，步驟(I)中，所述改性劑包括界面吸附改性劑(即顆粒表面改性劑)和晶型改性劑；其中的界面吸附改性劑為聚合硅溶膠和/或偏鋁酸鈉等，用量為原料二水石膏質(zhì)量的0.05?0.95% (優(yōu)選0.2?0.95%，更優(yōu)選0.6?0.9% );其中晶型改性劑，用于調(diào)整半水石膏溶解結(jié)晶習(xí)性，優(yōu)選為聚合甘油、聚乙二醇醚、聚羧酸鹽系減水劑、蜜胺系減水劑、萘磺酸鹽系減水劑、氨基磺酸鹽減水劑、二元及多元有機(jī)酸及其鹽等中的至少一種，晶形改性劑為原料二水石膏質(zhì)量的0.025?1.25% (優(yōu)選0.1?1.2%，更優(yōu)選0.4?1.0%)。
[0015]進(jìn)一步，所述直熱式反應(yīng)釜指底部可直接加熱的立式反應(yīng)釜或可正反向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)筒式反應(yīng)爸等。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)原理:
I)針對(duì)二水石膏及半水石膏這種以Ca' [SO4]2為結(jié)合物的顆粒表示面吸附特點(diǎn)，選用聚合硅溶膠和/或偏鋁酸鈉作為表面吸附改性劑，一方面，強(qiáng)化二水石膏及半水石膏對(duì)高分子結(jié)晶習(xí)性改性劑的有效吸附，強(qiáng)化晶型改性劑的改性效果，另一方面，表面吸附改性劑因其吸附界面改性協(xié)同有效調(diào)整半水石膏的晶型生長(zhǎng)，同時(shí)，以顆粒表面的硅/鋁吸附改性改善石膏的抗水性，協(xié)同促進(jìn)二水石膏脫水溶解結(jié)晶為結(jié)構(gòu)致密、結(jié)晶程度好的短柱狀的α-半水石膏。
[0017]2)根據(jù)結(jié)晶動(dòng)力學(xué)原理，以適宜的表面吸附改性劑和結(jié)晶習(xí)性調(diào)整改性劑改變半水石膏晶體生長(zhǎng)過(guò)程中C軸方向的生長(zhǎng)速度，使二水水石膏脫水溶解結(jié)晶為短柱狀α -半水石膏粗壯晶體。
[0018]3)以含濕物料的較小份額(〈20%)的適量的物理水份提供直熱式反應(yīng)釜悶蒸所需的初始蒸汽，既可防止干悶法所產(chǎn)生的β -半水石膏出現(xiàn)，又可節(jié)省熱耗。
[0019]4)加入復(fù)配的高分子改性劑，既調(diào)整溶解結(jié)晶過(guò)程，又可改善α -半水石膏(高強(qiáng)石膏)粉的施工使用性能和材料特性。
[0020]5)以直熱式反應(yīng)釜半干式濕熱悶蒸處理最大限度地降低常規(guī)蒸壓吹入蒸汽能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的熱損失，并降低所需的熱量，同時(shí)，能簡(jiǎn)化干燥工序，利用釜內(nèi)物料已有的蓄熱及釜外持續(xù)余熱供給，最大限度地降低干燥能耗，進(jìn)一步降低了干燥設(shè)備投資和生產(chǎn)能耗。
本發(fā)明的有益效果:
I)半干式濕熱悶蒸法(簡(jiǎn)稱“半干法”)開(kāi)辟了一種生產(chǎn)α -半水石膏的全新的工藝方法，工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資較小，工藝參數(shù)控制簡(jiǎn)單，可防止出現(xiàn)半水石膏，產(chǎn)品質(zhì)量易于穩(wěn)定，可以最大限度地降低高強(qiáng)石膏的生產(chǎn)能耗，有效降低生產(chǎn)成本。
[0021]2)利于因情適宜的利用天然石膏及工業(yè)副石膏(廢石膏)生產(chǎn)高強(qiáng)高品質(zhì)石膏制品，利于減輕環(huán)境污染和環(huán)境保護(hù)。
[0022]3)可促進(jìn)石膏工業(yè)的研究和發(fā)展，促進(jìn)石膏材料的改性和應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的陳述。
[0024]下述試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行，試驗(yàn)采用容積2500ml的直熱式立式反應(yīng)釜。試驗(yàn)檢測(cè)按照《建筑石膏一般試驗(yàn)條件》(GB/T17669.1-1999)規(guī)定的條件進(jìn)行。二水石膏選用天然二水石膏、磷石膏、脫硫石膏；改性劑中的界面吸附改性劑選用市售的聚合硅溶膠和/或偏鋁酸鈉；改性劑中的溶解結(jié)晶習(xí)性晶型改性劑選用市售的聚合甘油、聚乙二醇醚、羧酸鹽系減水劑、蜜胺系減水劑、萘磺酸鹽系減水劑、氨基磺酸鹽減水劑、二元及多元有機(jī)酸及其鹽。
[0025]實(shí)施例1
石膏原料選用天然二水石膏，改性劑中的顆粒表面改性劑選用偏鋁酸鈉，改性劑中的溶解結(jié)晶習(xí)性調(diào)整用晶型改性劑選用市售的粉狀的蜜胺減水劑、聚合甘油和戊二酸鈉。按如下步驟以半干法制取α-半水石膏:
(1)備料:將2000g二水石膏破碎至粒徑2_以下；將顆粒表面改性劑偏招酸鈉18g(為二水石膏質(zhì)量的0.9%)、晶型改性劑蜜胺減水劑Sg、聚合甘油Ig和戊二酸鈉Ig (合計(jì)為二水石膏質(zhì)量的0.5%)溶于150g水中制成含水率84.3%的改性劑水溶液178g ;
(2)制備含濕物料:將步驟(I)所得粒徑2mm以下的二水石膏粒狀料2000g與改性劑水溶液178g混合，經(jīng)30分鐘的陳化吸附，制成含水率6.9%的含濕物料；
(3)半干式濕熱悶蒸制取α-半水石膏:將步驟(2)所得的含濕物料置于直熱式反應(yīng)釜內(nèi)，密閉反應(yīng)爸，于118°C濕熱悶蒸3h，制成α-半水石膏；
(4)干燥:打開(kāi)直熱式