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技術文摘

石膏的綜合利用進展

2019-01-19 來源:研發中心

  摘  要:介紹了石膏在不同行業的綜合利用現狀,對其發展方向進行了綜合評述,指出了石膏制品市場需求潛力巨大,依法合理開發我國石膏資源,具有極大的經濟和社會意義,提出應調整石膏應用領域的產業結構和產品結構,在加工設備和產品質量上實現技術創新,縮短與發達國家的差距。

  關鍵詞:石膏;石膏制品;綜合利用;開發 

  石膏為非金屬,主要成份為鈣的硫酸鹽,分天然和工業副產石膏兩大類。天然石膏在礦物學上根據晶格類型及化學成份可分為石膏(CaSO4·2H2O)和硬石膏(CaSO4)兩類。石膏、硬石膏經過加熱或水化,二者可互相轉化。硬石膏經水作用后,變為石膏,體積可增大30%以上。石膏加熱可脫水,變為用途廣泛的熟石膏。石膏具有白度高、質輕、導熱率低、不易燃、吸濕、收縮率低、抗震等特征。

  世界上石膏最大生產國是美國。在美國,石膏礦床分布在22個州,共有69座礦山,最大產地在阿依華州道奇堡。其次是加拿大,法國在歐洲石膏生產中居領先地位,再次為西德、英國、西斑牙。我國的石膏資源極其豐富,全國24個省(區、自治區)有石膏礦產出,已探明的天然礦石儲量近600億噸,其中有9個省(市自治區)儲量超過10億噸,石膏比較貧乏的地區是東北和華北地區。我國石膏制品業從七十年代中期開始發展起來。多年來,我國石膏多用于水泥緩凝劑,約占石膏利用總量的80%~90%,而在其它方面如石膏墻體材料、膠凝材料、農業(作土壤改良劑和肥料)、化工、輕工、食品、工藝美術、文教、醫藥等方面的用量僅占10%~20%左右。這一狀況和發達國家正好相反。發達國家石膏資源用于生產和加工建筑石膏制品占60%以上,用于其他行業約占40%。現在石膏已成為我國重點發展的八種礦物之一,石膏開發利用的研究十分活躍,并取得了一批新成果。隨著我國經濟建設的發展,石膏的消費結構將不斷發生變化。 

  1、石膏在陶瓷行業中的應用

  陶瓷工業中使用的石膏粉是半水石膏粉。半水石膏粉根據加工炒制工藝和產品晶型結構的不同可分為兩大類,即普通石膏粉(也稱β石膏粉)和高強石膏粉(也稱α石膏粉)。除此之外,生產中還使用由以上2種石膏粉按不同比例(一般是70%~80%的β石膏粉與30~20 %的α石膏粉)混勻形成的混合石膏粉。這種石膏粉是利用β石膏的吸水性能好和α石膏強度高的特點,綜合利用兩者的優點,用于陶瓷生產中注漿成形模型的制造。近些年來,隨著陶瓷行業的發展,在高強度α石膏粉的基礎上通過改進加工工藝和添加一些特殊外加劑又衍生出許多有特殊用途的超高強石膏粉。

  1.1  注漿成形用石膏粉

  陶瓷生產中采用注漿成形的品種較多,部分日用陶瓷異型件、全部衛生陶瓷、特種化學瓷、陶瓷燒成用的一些窯具等都采用注漿成形方法生產。注漿成形主要強調石膏模型的吸水性能。一般采用普通β石膏粉或部分采用α與β按比例混合的石膏粉,細度一般為80~120目,石膏和水的比例一般為1.2~1.5∶1。根據生產品種和生產工藝的不同,石膏和水的比例有所不同。例如在日用陶瓷和特種化學瓷的小件注漿生產中,由于是常壓成形且體積較小,對強度要求不高,主要強調模型的吸水性,故石膏和水的比例一般在1.2∶1左右。這種模型的吸水率一般為45~50%,抗折強度為2.8~3.5MPa 。在衛生陶瓷微壓注漿成形或日用瓷的壓力注漿生產中,一般體積較大,除了主要強調模型吸水性之外,還對模型的強度和防變形性提出了嚴格的要求,故石膏和水的比例要求大些,一般為1.35~1.5∶1。這種模型的吸水率為35~42%,抗折強度為3.8~4.5MPa。

  1.2  滾壓成形用石膏粉

  滾壓成形是日用陶瓷生產中主要的成形方法。其主要強調模型的強度,使模型承受較強烈的耐磨和抗沖擊能力,同時也要求模型有一定的吸水性和耐高溫性能。使用的石膏粉主要是高強度α石膏粉,或者部分采用混合石膏粉。石膏和水的比例一般為1.6~1.8∶1,模型的吸水率一般為27~31%。為了確保模型的強度和防止變形,根據石膏粉不同生產廠家、產品體積的大小和陰陽模成形工藝方式的不同,可微調石膏和水的比例,一般體積小時比例小(在1.6~1.7∶1);體積大時比例高(在1.7~1.8∶1),有的甚至高達2.0∶1,且模型的吸水率在22~23%。

  1.3  塑壓成形用石膏粉

塑壓成形是日用陶瓷成形生產中一種特殊的成形工藝方法,也叫冷壓成形。它是隨著日用陶瓷行業異形件的越來越多而發展起來的,特別適用于帶浮雕圖案的大件和異型大件產品。對于滾壓成形無法生產的品種,除了采用注漿成形方法外,就是采用這種塑壓成形工藝方式。所使用的石膏粉也是高強度α石膏粉。石膏和水的比例一般為1.6~1.8∶1,模型的吸水率一般為27~31%。其主要強調模型的強度、耐磨性和較低的膨脹系數,同時也要求模型應具有一定的吸水性和透氣性能。

  1.4  母模翻胎用石膏粉

  也稱樹脂石膏粉或K型石膏粉,一般細度在250~300目。它是在α石膏粉中加入特殊的化學添加劑,或者在α石膏炒制加工過程中采用特殊的工藝,改善了高強α石膏粉的結構性質,形成特殊的高強石膏粉。這種石膏粉對吸水率不作要求,主要要求強度高、硬度高、膨脹率低以及胎型表面要有較高的光滑度、光潔度。這種石膏粉的標準稠度需水量極低,生產中石膏和水的比例可達到2.3~2.85∶1,凝固時間長,可攪拌10~15min不凝固,其干后抗折強度高達11.5MPa 。這種石膏粉的價格極高,國產母模石膏一般都在每噸5000元左右。國內的生產廠家很多,如邢臺隆堯的雙華、山東平邑的金信、河北唐山的興華等。目前邢臺雙華母模石膏粉的售價已降到了4000元以下,膨脹系數控制在0.6%以下,各項性能指標已達到或超過國外先進水平,是目前國內性能優良的特種母模石膏粉。

  石膏是陶瓷行業中不可缺少的重要輔助材料。石膏粉質量的好壞,直接影響模型的質量及使用壽命。不同的成型工藝對石膏粉的要求不同。我國有許多石膏粉生產廠家,但由于原礦品質、工藝技術等多方面原因,生產出的產品質量不高,多數不能直接用來制作中壓注漿模具,因此還需要對產品進行改性處理。模型石膏的市場容量雖然不如建筑石膏大,但產值與其接近,發展前景還是挺好的。 

  2、石膏在建筑及建材行業中的應用

  石膏作為建筑膠凝材料,建筑制品主要用在建材業,因為它具有質輕、防水、保溫、調節濕度、隔音、抗震及制品結構平整、加工性能好、施工速度快等優點,目前已形成了以紙面石膏板、纖維石膏板、裝飾石膏板、石膏砌塊等為主的系列產品,現已具備年生產各類紙面石膏板2.8億m2;各類纖維石膏板2000萬m2,各類裝飾石膏板3000萬m2,石膏條板及各類砌塊2000萬m2的能力。

  2.1 石膏板

  石膏板是所有石膏建筑材料中用途最廣,產量最大的石膏產品。與傳統的建材相比,石膏板有許多優越性,主要包括以下幾類:

  (1)紙面石膏板

  紙面石膏板是在建筑石膏中加入適量的輕質填料、纖維、發泡劑、緩凝劑等,加水拌成料漿,澆注在底層護面紙上,成型后覆以上層護面紙,經過凝固、切斷、烘干而成的建筑板材。隨著人們生活水平的提高,紙面石膏板在建筑裝修方面的應用也日趨廣泛。紙面石膏板具有輕質、絕熱、吸聲、不燃和可釘、可鋸等性能特點,可與輕鋼龍骨及其他配套材料組成輕質隔墻與吊頂,而且原料來源廣泛,加工設備簡單,故被廣泛應用于各種類型的工業和民用建筑。

  目前我國的紙面石膏板的品種主要是普通紙面石膏板、耐水紙面石膏板和耐火紙面石膏板3大類。而國外紙面石膏板的品種除了上述3個品種外,還有耐水汽紙面石膏板、耐火耐潮紙面石膏板、耐沖擊紙面石膏板、隔聲紙面石膏板、高強度紙面石膏板、井道襯墻板和各種形狀的紙面石膏角線等。隨著紙面石膏板在國內應用領域的拓展,其它種類的產品也將在國內市場上亮相[9]。

  我國自第一條年產400萬m2的國產化紙面石膏板生產線建成以來,至今已20多年,廣大科技工作者在實現我國紙面石膏板生產線系列化、大型化、自動化方面做了大量工作。目前,北新建材、拉法基、可耐福、杰科、山東晨翔等企業的石膏板生產線單機規模已達到年產2000萬m2及以上,國內還有數條年產3000萬m2紙面石膏板生產線正處在設備調試階段,可以說,國產化的年產2000萬-3000萬m2紙面石膏板生產線技術及裝備已基本成熟,我國已經具備設計、制造、建設大型紙面石膏板生產線的能力。這將為今后建設大型紙面石膏板生產線提供技術支持。可以預見,在未來的幾年內,我國新建設的生產線將以年產2000萬-3000萬m2為主,同時還將出現年產5000萬-6000萬m2紙面石膏板生產線。根據國外經驗和我國的發展動態,紙面石膏板生產線向大型化發展是必然趨勢,在我國紙面石膏板產品市場上,大型生產線生產的產品也將逐步占主導地位。

  (2)纖維石膏板

  纖維石膏板是由建筑石膏、木質刨花或紙纖維等和少量化學添加劑制成。主要包括植物纖維石膏板、石膏刨花板和紙纖維石膏板

  植物纖維石膏板是以石膏為基質,植物纖維為增強材料,添加必要的輔助原料,經冷壓而成的一種性能優良的輕質建筑材料,其主要用于建筑內隔墻及室內裝修,具有自重輕;節約能耗;增加使用面積;便于施工及使用靈活;裝飾新穎美觀;無污染;良好的隔熱、隔聲以及可調節室內濕度等性能,在國內外都具有非常廣闊的市場前景。

  石膏刨花板是以石膏為膠凝劑,木質材料的刨花為增強材料,添加適量的化學助劑和水,采用半干法生產工藝,在受壓狀態下完成石膏與木質材料的固結而形成的建筑板材。石膏刨花板獨具的特點如可進行各種機械加工和表面裝飾、無游離甲醛的公害、具有優良的耐火性和不燃性等,使其成為一種較為理想的新型建筑材料。山東蒼山縣建材公司投資115億元,從西德比松公司引進年產3萬m2的石膏刨花板全套設備,目前已經投產。

  紙纖維石膏板有濕法和半干法兩種生產方法。濕法工藝是指水膏比0.5以上的生產工藝,半干法是指水膏比0.5以下的生產工藝,由于水膏比的不同,板坯的成型方法也完全不同,目前紙纖維石膏板的生產絕大多數是半干法生產。紙纖維石膏板具有良好的隔音性能和加工性能;抗沖擊力好;內結合強度大,粘接牢固;抗壓痕能力強;有良好的阻燃性和小的吸水厚度膨脹率,可調節居室空氣濕度。為了提高我國纖維石膏板的生產水平,湖北應城石膏礦、孝感市開源貿易公司和德國咨詢工程股份有限公司(ACE)合作,成立湖北三環墻體材料公司,引進德國Siempelkamp公司技術和年產300萬m2半干法紙纖維石膏板生產線,1997年8月建成投產。該生產線的投產,填補了我國規模化、機械化生產纖維石膏板的空白,使我國纖維石膏板的生產技術走入世界前列。

  (3)裝飾石膏板

  裝飾石膏板是一種以石膏為基材,摻入適量纖維增強材料和外加劑,與水一起攪拌成均勻的料漿,經澆注成型、干燥而成的不帶護面紙或其它覆蓋物的裝飾板材,具有輕質、價廉、防火、阻燃和獨特的裝飾效果,以及工藝簡單、投資少等優點。目前我國至少有300多家裝飾石膏的生產廠家,年產量為600多萬 m2 。但就生產工藝和設備來說,許多廠家仍采用作坊式的手工作業方式。

  2.2石膏砌塊

  石膏砌塊是以建筑石膏(β-半水石膏)或無水硬石膏為主要原料,根據不同型號和種類的要求,摻加適量水泥、珍珠巖、纖維、礦渣、粉煤灰、無機和有機增強劑、防水劑等輔助原料,經澆注或壓制成型、自然干燥等工藝制成的輕質隔墻塊型材料。輕質石膏砌塊是有很大發展前途的新型建筑材料,與傳統材料的建筑材料相比,具有低能耗、低污染、重量輕、防火、隔熱、隔音、收縮率小、可釘、可鋸、可粘結等突出優點,是取代紅磚的理想材料,具有廣闊的開發前景。有關石膏砌塊的種類及性能指標如表1所示。

 

  目前,我國的石膏砌塊研究已從單一的β-半水石膏向硬石膏及化工副產品石膏發展。科研工作者在充分利用工業廢料,提高制品強度及耐水性方面進行了大量的研究,并取得了一定的研究成果。但總體來看,我國的石膏砌塊生產及應用尚處于起步階段。目前約有十幾條小規模的半機械化的生產線,生產能力不大,與發達國家相比,無論是品種還是數量均有很大差距。如法國在80年代,石膏砌塊的年產量就已達1700萬m2,德國年產600萬m2,其中約1/4用化學石膏生產;西班牙400萬m2/年;荷蘭及比利時各為300萬m2/年;在國外,尤其是歐、澳地區的建筑業中石膏砌塊已經成為傳統材料的替代產品,許多大的工程項目,都指定采用石膏砌塊,例如,在荷蘭石膏砌塊占所有隔墻材料的50%。

  2.3 粉刷石膏

  粉刷石膏是以建筑石膏為主要成分,摻入少量工業廢渣、多種外加劑和集料而制成的氣硬性膠凝材料,是一種建筑內墻及頂板表面的抹面材料,是傳統水泥砂漿或混合砂漿的換代產品。按石膏粉料相組成分類,粉刷石膏可分為四大類十個品種,即半水相型粉刷石膏、Ⅱ型硬石膏型粉刷石膏、混合相型粉刷石膏以及石膏、石灰混合型粉刷石膏。在前三種類型粉刷石膏中,又可分成面層粉刷石膏(M),底層粉刷石膏(D)和保溫層粉刷石膏(W)三類,而石膏、石灰混合型粉刷石膏只適用于面層,構成了十個品種的粉刷石膏。粉刷石膏作為一種新型抹灰材料,既具有建筑石膏快硬早強、粘結力強、體積穩定性好、吸濕、防火、輕質等優點,又改善了建筑石膏凝結速度過快、粘性大和抹灰操作不便等缺點。粉刷石膏不僅可在水泥砂漿和混合砂漿上罩面,也可以在砼墻、板、天棚及石膏板墻面等光滑的基底上罩面,用粉刷石膏罩面的墻面,質密光滑細膩,既不起灰又有較高的強度,硬化后體積穩定、無裂縫、無空鼓現象,因此在國內外均有很大的市場。 

  3、石膏在水泥行業中的應用

  水泥工業中,在水泥熟料中加入適量石膏(允許摻入SO3的最大限量我國定為3.5%)主要作用是在水泥水化過程中及時向溶液中提供足夠的SO42-,從而避免水泥中鋁酸三鈣礦物快速水化導致的水泥體系的早凝或速凝,提高水泥強度(特別是早期強度)、收縮率和抗腐蝕性,使水泥制品在空氣中的干縮率下降30~50%,提高水泥的抗凍性和安定性。通用水泥中一般需要摻加3~5%的石膏以調整凝結時間。我國是世界上水泥最大的生產國,在未來很長的一段時間內,水泥行業仍是我國石膏的消費大戶。 

  4、石膏在化學工業中的應用

  石膏中的CaSO4在焦炭還原作用下分解為SO2和CaO,前者用于制取硫酸,后者可與粘土質原料制成水泥熟料。化學反應式為:2CaSO4+C→ 2CaO+ 2SO2+CO2↑(反應在900~1350℃進行)。石膏還可用于生產硫酸銨化肥,硫酸銨(俗稱硫銨)是一種速效氮肥,通過將氨和二氧化碳通入石膏粉的懸浮液中而制得[20]。 

  5、其它用途

  石膏可用于油漆、涂料、顏料、橡膠、造紙業、紡織、塑料、粉筆、牙膏、化妝品等行業中的填料;在鑄造、醫療、文教等行業中的制作模具;石膏在傳統中藥中有廣泛的應用,在目前中藥商業化大形式下,研究石膏作為藥用、提高石膏的附加值,也是比較有前途的一塊;在食品、工藝美術等領域中均有廣泛的應用,如可用石膏來凈化啤酒廠的用水,降低酒石的含量,作為養魚場中魚食的骨料等。石膏還可用于改良土壤,例如在美國西部(加利福尼亞州)、印度和巴基斯坦,都大量使用生石膏來改良土壤的堿性,也可用來改良酸性土壤。還可用于施肥及生產農藥,生石膏可以保存其他肥料中的氮,并清除除氮細菌。 

  6、結語

  我國石膏資源豐富,用途廣泛,國內石膏市場需求潛力巨大,據中國建材報和中國石膏工業協會報導,進入21世紀,我國對石膏的需求以每年10%的速度遞增,但我國石膏工業的消費結構當中,水泥所占比例過大,用于建筑制品的比例過小,與西方發達國家相差甚遠(發達國家80%的石膏用于建筑制品)。目前我國城鄉建筑90%以上的墻體仍使用粘土磚和傳統膠凝材料水泥和石灰,發展新型墻體材料和石膏膠凝材料的任務十分艱巨。隨著我國經濟建設的發展,住宅產業已成為國民經濟新的增長點和消費熱點,建筑業及建材業將成為啟動內需的主要依據對象。建材和裝飾材料作為擴大內需的熱門產品,僅裝飾材料年銷售額就達3000億元人民幣,因此,大力開發石膏工業,不僅可以合理利用資源,而且可提高企業的經濟效益。對石膏建材的應用,國家有關部門已制定了相應的優惠政策。墻體改革已開始實施,加之對建材的節能政策,環保的要求,為適合我國的基本狀況,實現經濟可持續發展,大力發展節能、隔熱、隔音、防火、防潮,具有調節功能的“綠色建材”石膏建材制品已勢在必行。政府部門應采用行政手段逐步推廣,強制實施調整石膏應用領域的產業結構和產品結構,使石膏膠凝材料及其制品使用量由目前占石膏總用量的10%上升到50%,接近中等發達國家,加大半水石膏的生產比例,使石膏制品由普通型向高強防水型發展。此外,還應增加資金投入,引進國外先進設備和技術,對國內的重點企業進行技術改造,并以此為基礎組建大的跨地區的石膏建材集團,帶動我國整個石膏建材業的發展;增大科技投入,重視科研機構和隊伍建設,開發石膏應用新領域、新途徑,在加工設備和產品質量上實現技術創新,縮短與發達國家的差距。 

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