陶瓷模用α—石膏粉的生产工艺设计与控制的探讨

摘 要：本文主要阐述了普通α-石膏粉的工艺节点设计、陶瓷模用α-石膏粉的生产工艺控制，以及工艺设计与运行相关的问题探讨。目前，该矿区大规模生产的α-石膏粉广泛用于陶瓷滚压成形、注浆成形等方面的陶瓷模具，当前还没有合适的质优价廉替代材料，是必不可少的陶瓷工业原料。从长远来看，必将有稳定可持续的发展空间。

关键词：陶瓷模具；α-石膏粉；工艺控制；设计

1 前言

山东平邑盆地石膏矿带所产的雪花石膏，采用蒸压干法工艺生产普通α-石膏粉，产量近30万t/年，其产品性能优异、稳定。在北方陶瓷工业模具生产中占极为重要的地位，广泛适用于滚压、注浆陶瓷模具，也可以用作其他石膏胶凝材料基料，具有显著的经济效益。

普通干法α-石膏工艺在平邑石膏矿区已有近30年的历史，但其工艺进步不大。为了其技术的进步，笔者通过设计、改造、调试，以及引导、组织运行此类生产线，以提高生产工艺控制水平与效率，供相关类似矿区以及同行参考。

2 普通α-石膏粉的工艺节点设计

蒸压法α-石膏粉项目在平邑矿区的工艺模式主要包括蒸压、晾晒、磨粉、炒制、混合、包装陈化等工段。从当前市场容量与周边优质石膏供应能力、投资水平等条件来看，单条生产线经济规模在5～6万t/年是比较合理的。各工段的具体情况如下：

2.1 蒸压

蒸压就是把天然石膏矿石破碎至规定大小，并在蒸压反应釜中蒸压脱水的过程。

蒸压工段要设计400～500m2石膏原料堆场，原料破碎可以采用人工，也可以采用机械。50mm以下的原料一般不进入蒸压釜，可以用滚筛选出后用于纸面石膏板，进行建筑石膏生产，或给水泥厂用做缓凝剂等。

选用的卧式蒸压釜可以用窑车、料筐填料，也可以直接人工小车推料填装。一般用窑车（填装量1.5～1.8t）蒸压效果好、劳动强度低、作业环境好，也便于在轨计量。其缺点是每次填装量少（但生产循环快，单位时间内总产量相差不大）、普通铁制料筐，会导致底盘留下氧化的铁碎屑，严重时影响陶瓷表面质量（斑点），需强化后再进行除铁。当然材质都可以选择不锈钢的，但其价格昂贵。窑车的轴承最好选用固体润滑剂润滑。

如果按产量1～1.5万t/年计算，需配一台长为16～22m、直径为1.6～1.8m的卧式蒸压釜。蒸压釜必须带安全锁，罐体一般为16Mn材质。蒸压釜底部腐蚀快，长时间使用会有安全隐患。因此，可以在底部用耐腐蚀的不锈钢板（5～8mm）做内衬。蒸压釜系统需配置轴流风机，用于蒸压釜排汽降温进入出料。

根据经验表明（蒸压过程的负荷是变化的），该型号的卧式蒸压釜配3～4t/h的蒸汽锅炉较合适，达到快速升压、稳定保压的要求。对锅炉的水处理要特别注意，需选择可靠的一用、一备独立，且可以自动切换水软化处理的系统，可明显提升锅炉的效能与寿命。

2.2 晾晒

从泄压后的蒸压釜出来的半水石膏块附着水含量大，并且内压、内热很大，可以快速排掉大部分的附着水。晾晒工段包括平整且周边排水好的晾晒场设计；檐高合适（6～8m）且水平与竖向通风排潮采光好的晾晒棚设计，所有晾晒棚子的架体与焊接点都需要严格的防腐处理；无障碍行车（2～3t）线规划设计；物料铲运（5t）路线与功能区（晾晒区、待用区、周转区）设计。晾晒场总面积可以按400～500m2/万t设计。

2.3 磨粉

磨粉工段是把块状的半水石膏磨至规定的细度与颗粒级配。破碎机可选用耐用的鄂式破碎机；喂料可采用板式喂料机，便于铲车供料；磨机一般选用4R、5R雷蒙磨机。实践表明，物料颗粒级配与料浆流变性比较适合陶瓷工业模具要求，但对磨辊的密封提出了更高的要求。磨机的供料与磨机电流要实现连锁控制，并且磨机严禁空膛运行。磨机调压排风系统收尘除了旋风收尘外，还要用其他二级收尘，最好选用静电收尘。袋收尘不适合低温含湿的半水石膏粉尘过滤，极易吸潮凝固堵塞滤布而失效，且功能难以恢复。

在物料需磨至120目，筛余<1%的条件下，4R型号的雷蒙磨机的产量为3～3.5t/h、5R型号的雷蒙磨机的产量为7～8t/h，可以参照该实测数据进行选型。

2.4炒制

炒制的目的是为了把没蒸透、残存的，以及在晾晒过程中水化次生的二水石膏进一步脱水生成半水石膏，通过调节物料相组成来调节凝结时间。为了获得陶瓷模具所要求的，且稳定的物料相组成，一般选用间歇式炒锅。

这个工段主要由中间仓、供料-排料系统、炒锅与供热系统组成。炒锅一般选用导热油加热，当然也可以直烧锅底，相对而言，导热油炒锅运行稳定，且较经济。

炒锅的有效长径比可以按1.2：1～1.5：1来设计，以保证锅内气氛；夹套厚度为100～200mm，夹套要在高点设排气口，其内要设导热油导流板；每锅容量一般为1～2t；搅拌转速为60～90转/min。炒锅内可以设计导流搅叶和导流板，改善传热和产品品质。炒锅设计需注意排料口密封设计，防漏料。炒锅可以按总传热系数65～95W/m2·k进行设计，计算换热面积，炒制时间一般要求为25～35min/锅。导热夹层最好设计成法兰连接，便于定期清理夹层内换热面结焦，每1mm厚的结焦，降低传热系数20%～25%。因此，会严重影响生产效率，甚至引起爆锅事故。

炒锅一般设计3台，两用一备。为了保证可以集中供、排料、热均质陈化，必须设计采用较大流量LS型螺旋，保证炒锅的供料时间低于3min，以及在5～15s内快速排料。

为了改善作业环境，需设计好炒锅的收尘罩、风道的管径流速、倾角、清灰点等方面，在冬季有必要设计加热、保温措施，否则结露后导致静电除尘器无法使用（要求排风温度不低于85℃）。另外，除尘器收集的石膏粉较细，回收再进入生产环节时需均匀添加，否则会造成批量产品质量不合格。对炒制车间做好顶棚冬季保温，防止溢出的潮气结露后形成滴水落入产品，造成产品制浆时存在无法打散的小结块。

2.5 混合

由于石膏粉炒制是间歇式炒锅作业，难免存在质量偏差，为了在尽可能的再批次范围内消除产品品质偏差，便于产品应用，需要设计混合系统。同时，实现物料在输送、提升、混合过程中的初步冷却（<80℃）、陈化。

一般可以选用USH-12或LD-12混合机，其中LD-12效果较好，基本没有混合死角，每个批次不超过7～8t。另外，在炒制与混合之间还要设计中间仓，保证生产的连续运行。

2.6 包装与陈化设计

半水石膏粉极易吸潮变性失效，包装设计必须做防潮措施。另外，石膏粉包装时的温度较高（特别在夏季能达到近90～100℃），需选择耐温的外包装与防潮内膜或包装带有施胶覆膜内衬，后者粉料冷却陈化较快，但防潮效果稍差。一般选择自封口包装袋，以及带收尘接口的包装机，去掉封包环节，改善作业环境。

仓库除设计标高（满足装车方便）外，还要做防潮、通风设计。仓库面积大小一般生产线可按500t库存量设计（大约需要500～600m2），或者按正常生产3d的产量来规划设计。

2.7 能耗

该工艺设计的产品其电耗为30～32kW/t、热耗为35万kcal/t。

3 陶瓷模用α-石膏粉的生产工艺控制

生产工艺控制的目的是在项目工艺与工程设计的基础上，通过对生产工艺进行控制，稳定产品性能，实现产品质量、产品成本、安全生产、节能环保等生产目标。

3.1 原材料质量控制与蒸压

（1） 石膏品位

陶瓷模用α-石膏粉品位要求二水石膏（DH）>85%，必须在蒸压装料以及磨粉前去除硬石膏、灰岩、泥岩等杂质。这些杂质的存在对产品强度、吸水性、模具溶蚀、耐磨性产生严重的影响。

（2） 蒸压压力-时间与块度

块度范围一般要求控制在150～250mm。从生产节拍和效率方面考虑，釜内压力一般选择为0.6～0.8MPa、温度为160～175℃、蒸压为4～4.5h，要求快速升压与稳定保压。

（3） 排水作业

一个蒸压作业循环反应釜一般需要排3～4次冷凝水，充汽达到工艺压力后排水，然后进行中间排水（1～2次），最后再排汽前排水，以保证有良好蒸压效果。

（4） 石膏原料与蒸压后的半成品质量关系

石膏原料与蒸压后的半成品的质量比在原材料品位不太高的情况下可以按（1.15～1.16）：1计算。

（5） 能耗

整个蒸压过程的煤耗占产品总煤耗的2/3，约45～50kg（热值为5200kcal/kg）。

3.2 晾晒时间控制

排出蒸压釜的湿态半水石膏块状物料由于具有较高的内压、内能，会在2h内快速排掉大部分的附着水，冷却至常温。经验与测试表明，在夏季以及南方，由于空气湿度大，晾晒2d较合适；而在低温冬季，则需要4～5d的晾晒时间，春秋干燥季节晾晒3d即可。

由于α-石膏极易吸潮水化，长时间（5～6天后）暴露在空气中会大面积水化失效，在后续炒制中会吸较多的热，造成炒制时间延长、产品指标下降。因此，蒸压后的半成品α-石膏需在5～6天内用完。充分晾干的α-石膏内含有结晶水7%～7.5%（实测值），偏高是因为大约15%半水α-石膏，因晾晒干燥模式的缺陷重新水化的结果。

3.3 磨粉与炒制

晾晒后块状的半成品需要破碎至20～30mm，然后再进入雷蒙磨，磨粉细度大约为120目，湿筛余<1%，D50=4.5μm、D90=27μm、D10=1.4μm、S/V=18000cm-1。

磨到规定细度的石膏粉，用输料螺旋尽量在3min内加到规定的锅内高度，在机械搅拌与导流条件下加热至145～155℃左右，经两次（大约100～120℃和140℃以上两个温度段）锅内流态化沸腾排潮后，可以进行排料。此时，石膏粉具有类似热水一样的流动性，在极短时间内就可以实现锅内排空，炒制工序进入下一次生产作业循环。

炒制过程中，锅内料位会下降一定高度，但决不允许二次加锅。温度控制与炒制时间要求非常严格，炒制温度过低，凝结时间快，物料浇注模型没有操作时间，模型强度也较低；温度炒制过高，凝结时间慢，影响浇注模型节拍，并且对模型吸水性、耐磨性、膨胀系数都产生影响。

正常炒制后石，膏粉初凝时间在标稠流径220mm条件下，需要控制在12～20min（维卡法）内，2h湿抗折强度一般为3.5～4.5MPa。而磨后没经炒制的石膏粉凝结时间为3～4min，强度只有1.3～1.7MPa。

3.4混合-包装-陈化

混合的目的是在批量范围内消除间歇式炒制工艺的产品质量偏差，并实现初级冷却、陈化，改善产品品质。用混合机混合后的质量偏差要求<5%。

混合与包装的间隔时间差（1.5h），可以保证物料刚出锅后滞存在料坑螺旋内的在进入混合机之前均热陈化，余热推动物料的相变反应较完全，以及在良好气氛条件下，材料表面裂纹弥合较好。

包装需要考虑防潮与耐温。一般陶瓷模型石膏粉使用前需要陈化的最短时间为冬季不少于3d，夏季5～7d。有条件的生产线在包装前可以采用强制陈化工艺、稳定产品质量。

3.5 产品技术指（实测值）

（1） 120目，筛余<0.6%～1%；

（2） 混水比（W/P） 53%（220mm）、47%～49%（180mm）；

（3） 凝结时间（t） 12～24min（初凝）、17～30min（终凝）；

（4） 2h湿抗折强度 3.5～4.5MPa；

（5） 膨胀系数 0.28%～0.32%；

（6） 结晶水（H2O+） 4.8%～5.2%；

（7） 24h吸水率 20%～25%（混水比53%）、35%～40%（混水比66%～70%）；

（8） 扩散系数 0.014～0.02cm2/s；

（9） 吸水速度 2～3mL/min；

（10） 划痕硬度 0.2mm。

4 工艺设计与运行相关的问题探讨

4.1 原材料拣选

随着优质石膏资源的逐渐枯竭，因此，对该工艺的杂质拣选工艺设计提出了更高的要求。但是，离开人工的拣选模式也不现实，其拣选难度大、拣选劳动强度大，要从原料质量与块度控制-蒸压入选-入破碎机拣选等环节入手。拣选出的低品位石膏可以用于纸面石膏板、砌块生产，以及普通、特种水泥生产。

4.2 机械化与自动化系统

该工艺的蒸压工段难以全部实现机械化、自动化，特别是在蒸压釜进出料环节中，还要进行优化设计。有的蒸压工艺选择立式蒸压釜，但由于容量受限，对大规模化生产不适用。有条件的可以借鉴蒸压灰砂砖的进出反应釜的机械与路线进行设计，如国外的蒸压压块脱硫等α-石膏生产线就基本采用这种作业模式。

现代化的石膏粉生产线越来越重视自动化控制系统，以保证生产系统运行质量、提高运行效率、保证产品品质、降低生产成本、改善作业环境、确保作业安全等。虽然α-石膏生产工艺的蒸压环节很难实现机械化、自动化，且劳动强度大，但在后期的破碎-磨粉-计量-给送料-炒制-排料-混合-包装等生产工艺环节中，是可以实现自动化控制的。然而，目前的生产作业模式很原始，其缺点为生产检测滞后、信息不畅、环境恶劣、作业强度大、员工极易患职业病-尘肺病等。这种低水平运行生产线国家并不提倡，在劳动力越来越紧张的情况下是很难发展的，即使当前还有较为可观的经济效益，现状仍需要改变。

4.3 磨粉系统

4R与5R磨辊的维修量较大，除了选用优质轴承、密封件外，还要与厂家联系进行密封设计，这是选择4R、5R磨机所面临的瓶颈。若选用其他磨机，如：ZMJ，将会出现较大颗粒难以磨细等问题，并对选分要求高；有些工艺也有选用类似FFC的磨机，磨出的颗粒较为均匀，混水比较低，但流变性有差异。实践表明，雷蒙磨是最适合的粉磨设备。

4.4 蒸压与自然晾晒与人工烘干

半成品人工烘干的好处是显而易见的，避免了半水α-石膏的水化。但是，其干燥周期长、干燥能耗大，在大规模生产线中不能接受。并且该工艺物料凝结时间快，需要混合调整，混水量比本文介绍的工艺约低7%～8%，且使用FFC类磨机，物料细度稍粗、料浆流变性也有差异。本工艺若选择FFC磨机，两者混水比仅相差约3%～4%。

自然晾干带来的问题为：大约15%半水α-石膏的水化，所以必须经过炒制调整过程，否则凝结时间快、强度低。但该工艺模式极易实现规模化生产，最终的产品指标、投资、成本都能接受。应该指出的是，在排汽后开反应釜罐门，出料前可以加抽真空干燥系统，实现一定程度的快速排湿干燥。

4.5 除铁与除尘

原材料除铁工艺设计对保证陶瓷产品表面质量有重要意义。在陶瓷工业生产中对原材料铁含量有严格要求，富集的铁杂质会造成斑点缺陷。在石膏粉整个生产中，设备中会存在大量的磨损与氧化，这是产品铁杂质的主要来源，因此，需要进行除铁工艺设计。除铁主要通过强磁铁除掉富集的铁制碎屑，可以采用磁辊、强磁块进行磁选。通过除铁措施，铁杂质的量由0.004%～0.005%降至0.0015%～0.0025%，并且选出的都是比较富集大粒度的铁杂质。在陶瓷模具料浆制作中适合再一次湿法除铁，但是除铁设备必须及时清理。

此工艺除尘不适合袋式过滤器，因为，磨粉、炒制及其他中间生产环节半水石膏粉在低温、潮湿条件下，吸湿水化极易堵塞滤布。若用静电收尘，含尘、含湿气体，温度较低会出现结露现象，造成冬季静电除尘困难，也需间接加热（若直接用含灰尘锅炉尾气余热加热含尘、含湿气体会造成污染产品的浪费）。

4.6 炒锅内导流板设计

炒锅内物料在搅拌换热脱水过程中是分层的，这样无法取样检测炒制的程度来指导生产。必须设计特殊的导流板来消除物料分层造成的煅烧程度不均质现象。

4.7 余热利用与节能措施

项目设计中必须设计余热利用系统，反应釜出料前的余汽可以充至另一台待冲气的反应釜中，待两个反应釜气压平衡后，最后的余汽以及锅炉的尾气还可以用于加热锅炉供水，这样节能可达15%～20%。油炉以及蒸汽锅炉的尾气在冬季可以用于间接加热炒锅等除尘器管道，提高含尘气体温度，保证除尘效果。

另外，对用热设备、管道、锅炉做好保温设计；选择配有节煤省煤系统的高效锅炉。有条件的还可以回收产品余热，用于原料加热、锅炉鼓风预热，同时实现产品的冷却陈化。

4.8 冬夏季强度偏差的问题

该普通干法α-石膏工艺有一个很特殊的现象，即夏季生产的石膏粉比其他季节生产的要低10%～20%，除吸水性稍有变化外，其他指标变化不明显。其原因有：气候的变化（温度、湿度、大气压）影响到蒸压后半水石膏块晾晒附着水高低、水化次生的程度，物料的差异进而影响磨粉后微细结构；特别是含湿量、炒制速度快慢还影响炒锅内的气氛变化。另外，冬季环境的巨大温差有利于均热与冷却、陈化。最终都会引起石膏粉的微观结构与物性的改变。例如：比表面积大小、微观颗粒晶体表面裂纹弥合的程度、反应活性等，这一系列物性变化又会引起石膏粉料浆水化硬化后的结晶结构网的形成发展，以及内应力破坏程度与结晶接触点的稳定性。

5 结语

山东平邑石膏矿区大规模生产的普通α-型陶瓷模用石膏粉广泛用于陶瓷滚压成形、注浆成形等，当前还没有性能合适、质优价廉的模用材料来代替，是陶瓷工业中必不可少的原料。通过改善普通α-型陶瓷石膏粉生产工艺，使得该工艺走出污染高、劳动强度高、能耗高、低档次、低水平发展等缺陷，以适应产业文明高效发展的要求。

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