陶瓷模用α—石膏粉的生產工藝設計與控制的探討

摘 要：本文主要闡述了普通α-石膏粉的工藝節點設計、陶瓷模用α-石膏粉的生產工藝控制，以及工藝設計與運行相關的問題探討。目前，該礦區大規模生產的α-石膏粉廣泛用于陶瓷滾壓成形、注漿成形等方面的陶瓷模具，當前還沒有合適的質優價廉替代材料，是必不可少的陶瓷工業原料。從長遠來看，必將有穩定可持續的發展空間。

關鍵詞：陶瓷模具；α-石膏粉；工藝控制；設計

1 前言

山東平邑盆地石膏礦帶所產的雪花石膏，采用蒸壓干法工藝生產普通α-石膏粉，產量近30萬t/年，其產品性能優異、穩定。在北方陶瓷工業模具生產中占極為重要的地位，廣泛適用于滾壓、注漿陶瓷模具，也可以用作其他石膏膠凝材料基料，具有顯著的經濟效益。

普通干法α-石膏工藝在平邑石膏礦區已有近30年的歷史，但其工藝進步不大。為了其技術的進步，筆者通過設計、改造、調試，以及引導、組織運行此類生產線，以提高生產工藝控制水平與效率，供相關類似礦區以及同行參考。

2 普通α-石膏粉的工藝節點設計

蒸壓法α-石膏粉項目在平邑礦區的工藝模式主要包括蒸壓、晾曬、磨粉、炒制、混合、包裝陳化等工段。從當前市場容量與周邊優質石膏供應能力、投資水平等條件來看，單條生產線經濟規模在5～6萬t/年是比較合理的。各工段的具體情況如下：

2.1 蒸壓

蒸壓就是把天然石膏礦石破碎至規定大小，并在蒸壓反應釜中蒸壓脫水的過程。

蒸壓工段要設計400～500m2石膏原料堆場，原料破碎可以采用人工，也可以采用機械。50mm以下的原料一般不進入蒸壓釜，可以用滾篩選出后用于紙面石膏板，進行建筑石膏生產，或給水泥廠用做緩凝劑等。

選用的臥式蒸壓釜可以用窯車、料筐填料，也可以直接人工小車推料填裝。一般用窯車（填裝量1.5～1.8t）蒸壓效果好、勞動強度低、作業環境好，也便于在軌計量。其缺點是每次填裝量少（但生產循環快，單位時間內總產量相差不大）、普通鐵制料筐，會導致底盤留下氧化的鐵碎屑，嚴重時影響陶瓷表面質量（斑點），需強化后再進行除鐵。當然材質都可以選擇不銹鋼的，但其價格昂貴。窯車的軸承最好選用固體潤滑劑潤滑。

如果按產量1～1.5萬t/年計算，需配一臺長為16～22m、直徑為1.6～1.8m的臥式蒸壓釜。蒸壓釜必須帶安全鎖，罐體一般為16Mn材質。蒸壓釜底部腐蝕快，長時間使用會有安全隱患。因此，可以在底部用耐腐蝕的不銹鋼板（5～8mm）做內襯。蒸壓釜系統需配置軸流風機，用于蒸壓釜排汽降溫進入出料。

根據經驗表明（蒸壓過程的負荷是變化的），該型號的臥式蒸壓釜配3～4t/h的蒸汽鍋爐較合適，達到快速升壓、穩定保壓的要求。對鍋爐的水處理要特別注意，需選擇可靠的一用、一備獨立，且可以自動切換水軟化處理的系統，可明顯提升鍋爐的效能與壽命。

2.2 晾曬

從泄壓后的蒸壓釜出來的半水石膏塊附著水含量大，并且內壓、內熱很大，可以快速排掉大部分的附著水。晾曬工段包括平整且周邊排水好的晾曬場設計；檐高合適（6～8m）且水平與豎向通風排潮采光好的晾曬棚設計，所有晾曬棚子的架體與焊接點都需要嚴格的防腐處理；無障礙行車（2～3t）線規劃設計；物料鏟運（5t）路線與功能區（晾曬區、待用區、周轉區）設計。晾曬場總面積可以按400～500m2/萬t設計。

2.3 磨粉

磨粉工段是把塊狀的半水石膏磨至規定的細度與顆粒級配。破碎機可選用耐用的鄂式破碎機；喂料可采用板式喂料機，便于鏟車供料；磨機一般選用4R、5R雷蒙磨機。實踐表明，物料顆粒級配與料漿流變性比較適合陶瓷工業模具要求，但對磨輥的密封提出了更高的要求。磨機的供料與磨機電流要實現連鎖控制，并且磨機嚴禁空膛運行。磨機調壓排風系統收塵除了旋風收塵外，還要用其他二級收塵，最好選用靜電收塵。袋收塵不適合低溫含濕的半水石膏粉塵過濾，極易吸潮凝固堵塞濾布而失效，且功能難以恢復。

在物料需磨至120目，篩余<1%的條件下，4R型號的雷蒙磨機的產量為3～3.5t/h、5R型號的雷蒙磨機的產量為7～8t/h，可以參照該實測數據進行選型。

2.4炒制

炒制的目的是為了把沒蒸透、殘存的，以及在晾曬過程中水化次生的二水石膏進一步脫水生成半水石膏，通過調節物料相組成來調節凝結時間。為了獲得陶瓷模具所要求的，且穩定的物料相組成，一般選用間歇式炒鍋。

這個工段主要由中間倉、供料-排料系統、炒鍋與供熱系統組成。炒鍋一般選用導熱油加熱，當然也可以直燒鍋底，相對而言，導熱油炒鍋運行穩定，且較經濟。

炒鍋的有效長徑比可以按1.2：1～1.5：1來設計，以保證鍋內氣氛；夾套厚度為100～200mm，夾套要在高點設排氣口，其內要設導熱油導流板；每鍋容量一般為1～2t；攪拌轉速為60～90轉/min。炒鍋內可以設計導流攪葉和導流板，改善傳熱和產品品質。炒鍋設計需注意排料口密封設計，防漏料。炒鍋可以按總傳熱系數65～95W/m2·k進行設計，計算換熱面積，炒制時間一般要求為25～35min/鍋。導熱夾層最好設計成法蘭連接，便于定期清理夾層內換熱面結焦，每1mm厚的結焦，降低傳熱系數20%～25%。因此，會嚴重影響生產效率，甚至引起爆鍋事故。

炒鍋一般設計3臺，兩用一備。為了保證可以集中供、排料、熱均質陳化，必須設計采用較大流量LS型螺旋，保證炒鍋的供料時間低于3min，以及在5～15s內快速排料。

為了改善作業環境，需設計好炒鍋的收塵罩、風道的管徑流速、傾角、清灰點等方面，在冬季有必要設計加熱、保溫措施，否則結露后導致靜電除塵器無法使用（要求排風溫度不低于85℃）。另外，除塵器收集的石膏粉較細，回收再進入生產環節時需均勻添加，否則會造成批量產品質量不合格。對炒制車間做好頂棚冬季保溫，防止溢出的潮氣結露后形成滴水落入產品，造成產品制漿時存在無法打散的小結塊。

2.5 混合

由于石膏粉炒制是間歇式炒鍋作業，難免存在質量偏差，為了在盡可能的再批次范圍內消除產品品質偏差，便于產品應用，需要設計混合系統。同時，實現物料在輸送、提升、混合過程中的初步冷卻（<80℃）、陳化。

一般可以選用USH-12或LD-12混合機，其中LD-12效果較好，基本沒有混合死角，每個批次不超過7～8t。另外，在炒制與混合之間還要設計中間倉，保證生產的連續運行。

2.6 包裝與陳化設計

半水石膏粉極易吸潮變性失效，包裝設計必須做防潮措施。另外，石膏粉包裝時的溫度較高（特別在夏季能達到近90～100℃），需選擇耐溫的外包裝與防潮內膜或包裝帶有施膠覆膜內襯，后者粉料冷卻陳化較快，但防潮效果稍差。一般選擇自封口包裝袋，以及帶收塵接口的包裝機，去掉封包環節，改善作業環境。

倉庫除設計標高（滿足裝車方便）外，還要做防潮、通風設計。倉庫面積大小一般生產線可按500t庫存量設計（大約需要500～600m2），或者按正常生產3d的產量來規劃設計。

2.7 能耗

該工藝設計的產品其電耗為30～32kW/t、熱耗為35萬kcal/t。

3 陶瓷模用α-石膏粉的生產工藝控制

生產工藝控制的目的是在項目工藝與工程設計的基礎上，通過對生產工藝進行控制，穩定產品性能，實現產品質量、產品成本、安全生產、節能環保等生產目標。

3.1 原材料質量控制與蒸壓

（1） 石膏品位

陶瓷模用α-石膏粉品位要求二水石膏（DH）>85%，必須在蒸壓裝料以及磨粉前去除硬石膏、灰巖、泥巖等雜質。這些雜質的存在對產品強度、吸水性、模具溶蝕、耐磨性產生嚴重的影響。

（2） 蒸壓壓力-時間與塊度

塊度范圍一般要求控制在150～250mm。從生產節拍和效率方面考慮，釜內壓力一般選擇為0.6～0.8MPa、溫度為160～175℃、蒸壓為4～4.5h，要求快速升壓與穩定保壓。

（3） 排水作業

一個蒸壓作業循環反應釜一般需要排3～4次冷凝水，充汽達到工藝壓力后排水，然后進行中間排水（1～2次），最后再排汽前排水，以保證有良好蒸壓效果。

（4） 石膏原料與蒸壓后的半成品質量關系

石膏原料與蒸壓后的半成品的質量比在原材料品位不太高的情況下可以按（1.15～1.16）：1計算。

（5） 能耗

整個蒸壓過程的煤耗占產品總煤耗的2/3，約45～50kg（熱值為5200kcal/kg）。

3.2 晾曬時間控制

排出蒸壓釜的濕態半水石膏塊狀物料由于具有較高的內壓、內能，會在2h內快速排掉大部分的附著水，冷卻至常溫。經驗與測試表明，在夏季以及南方，由于空氣濕度大，晾曬2d較合適；而在低溫冬季，則需要4～5d的晾曬時間，春秋干燥季節晾曬3d即可。

由于α-石膏極易吸潮水化，長時間（5～6天后）暴露在空氣中會大面積水化失效，在后續炒制中會吸較多的熱，造成炒制時間延長、產品指標下降。因此，蒸壓后的半成品α-石膏需在5～6天內用完。充分晾干的α-石膏內含有結晶水7%～7.5%（實測值），偏高是因為大約15%半水α-石膏，因晾曬干燥模式的缺陷重新水化的結果。

3.3 磨粉與炒制

晾曬后塊狀的半成品需要破碎至20～30mm，然后再進入雷蒙磨，磨粉細度大約為120目，濕篩余<1%，D50=4.5μm、D90=27μm、D10=1.4μm、S/V=18000cm-1。

磨到規定細度的石膏粉，用輸料螺旋盡量在3min內加到規定的鍋內高度，在機械攪拌與導流條件下加熱至145～155℃左右，經兩次（大約100～120℃和140℃以上兩個溫度段）鍋內流態化沸騰排潮后，可以進行排料。此時，石膏粉具有類似熱水一樣的流動性，在極短時間內就可以實現鍋內排空，炒制工序進入下一次生產作業循環。

炒制過程中，鍋內料位會下降一定高度，但決不允許二次加鍋。溫度控制與炒制時間要求非常嚴格，炒制溫度過低，凝結時間快，物料澆注模型沒有操作時間，模型強度也較低；溫度炒制過高，凝結時間慢，影響澆注模型節拍，并且對模型吸水性、耐磨性、膨脹系數都產生影響。

正常炒制后石，膏粉初凝時間在標稠流徑220mm條件下，需要控制在12～20min（維卡法）內，2h濕抗折強度一般為3.5～4.5MPa。而磨后沒經炒制的石膏粉凝結時間為3～4min，強度只有1.3～1.7MPa。

3.4混合-包裝-陳化

混合的目的是在批量范圍內消除間歇式炒制工藝的產品質量偏差，并實現初級冷卻、陳化，改善產品品質。用混合機混合后的質量偏差要求<5%。

混合與包裝的間隔時間差（1.5h），可以保證物料剛出鍋后滯存在料坑螺旋內的在進入混合機之前均熱陳化，余熱推動物料的相變反應較完全，以及在良好氣氛條件下，材料表面裂紋彌合較好。

包裝需要考慮防潮與耐溫。一般陶瓷模型石膏粉使用前需要陳化的最短時間為冬季不少于3d，夏季5～7d。有條件的生產線在包裝前可以采用強制陳化工藝、穩定產品質量。

3.5 產品技術指（實測值）

（1） 120目，篩余<0.6%～1%；

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

（3） 凝結時間（t） 12～24min（初凝）、17～30min（終凝）；

（4） 2h濕抗折強度 3.5～4.5MPa；

（5） 膨脹系數 0.28%～0.32%；

（6） 結晶水（H2O+） 4.8%～5.2%；

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

（8） 擴散系數 0.014～0.02cm2/s；

（9） 吸水速度 2～3mL/min；

（10） 劃痕硬度 0.2mm。

4 工藝設計與運行相關的問題探討

4.1 原材料揀選

隨著優質石膏資源的逐漸枯竭，因此，對該工藝的雜質揀選工藝設計提出了更高的要求。但是，離開人工的揀選模式也不現實，其揀選難度大、揀選勞動強度大，要從原料質量與塊度控制-蒸壓入選-入破碎機揀選等環節入手。揀選出的低品位石膏可以用于紙面石膏板、砌塊生產，以及普通、特種水泥生產。

4.2 機械化與自動化系統

該工藝的蒸壓工段難以全部實現機械化、自動化，特別是在蒸壓釜進出料環節中，還要進行優化設計。有的蒸壓工藝選擇立式蒸壓釜，但由于容量受限，對大規模化生產不適用。有條件的可以借鑒蒸壓灰砂磚的進出反應釜的機械與路線進行設計，如國外的蒸壓壓塊脫硫等α-石膏生產線就基本采用這種作業模式。

現代化的石膏粉生產線越來越重視自動化控制系統，以保證生產系統運行質量、提高運行效率、保證產品品質、降低生產成本、改善作業環境、確保作業安全等。雖然α-石膏生產工藝的蒸壓環節很難實現機械化、自動化，且勞動強度大，但在后期的破碎-磨粉-計量-給送料-炒制-排料-混合-包裝等生產工藝環節中，是可以實現自動化控制的。然而，目前的生產作業模式很原始，其缺點為生產檢測滯后、信息不暢、環境惡劣、作業強度大、員工極易患職業病-塵肺病等。這種低水平運行生產線國家并不提倡，在勞動力越來越緊張的情況下是很難發展的，即使當前還有較為可觀的經濟效益，現狀仍需要改變。

4.3 磨粉系統

4R與5R磨輥的維修量較大，除了選用優質軸承、密封件外，還要與廠家聯系進行密封設計，這是選擇4R、5R磨機所面臨的瓶頸。若選用其他磨機，如：ZMJ，將會出現較大顆粒難以磨細等問題，并對選分要求高；有些工藝也有選用類似FFC的磨機，磨出的顆粒較為均勻，混水比較低，但流變性有差異。實踐表明，雷蒙磨是最適合的粉磨設備。

4.4 蒸壓與自然晾曬與人工烘干

半成品人工烘干的好處是顯而易見的，避免了半水α-石膏的水化。但是，其干燥周期長、干燥能耗大，在大規模生產線中不能接受。并且該工藝物料凝結時間快，需要混合調整，混水量比本文介紹的工藝約低7%～8%，且使用FFC類磨機，物料細度稍粗、料漿流變性也有差異。本工藝若選擇FFC磨機，兩者混水比僅相差約3%～4%。

自然晾干帶來的問題為：大約15%半水α-石膏的水化，所以必須經過炒制調整過程，否則凝結時間快、強度低。但該工藝模式極易實現規模化生產，最終的產品指標、投資、成本都能接受。應該指出的是，在排汽后開反應釜罐門，出料前可以加抽真空干燥系統，實現一定程度的快速排濕干燥。

4.5 除鐵與除塵

原材料除鐵工藝設計對保證陶瓷產品表面質量有重要意義。在陶瓷工業生產中對原材料鐵含量有嚴格要求，富集的鐵雜質會造成斑點缺陷。在石膏粉整個生產中，設備中會存在大量的磨損與氧化，這是產品鐵雜質的主要來源，因此，需要進行除鐵工藝設計。除鐵主要通過強磁鐵除掉富集的鐵制碎屑，可以采用磁輥、強磁塊進行磁選。通過除鐵措施，鐵雜質的量由0.004%～0.005%降至0.0015%～0.0025%，并且選出的都是比較富集大粒度的鐵雜質。在陶瓷模具料漿制作中適合再一次濕法除鐵，但是除鐵設備必須及時清理。

此工藝除塵不適合袋式過濾器，因為，磨粉、炒制及其他中間生產環節半水石膏粉在低溫、潮濕條件下，吸濕水化極易堵塞濾布。若用靜電收塵，含塵、含濕氣體，溫度較低會出現結露現象，造成冬季靜電除塵困難，也需間接加熱（若直接用含灰塵鍋爐尾氣余熱加熱含塵、含濕氣體會造成污染產品的浪費）。

4.6 炒鍋內導流板設計

炒鍋內物料在攪拌換熱脫水過程中是分層的，這樣無法取樣檢測炒制的程度來指導生產。必須設計特殊的導流板來消除物料分層造成的煅燒程度不均質現象。

4.7 余熱利用與節能措施

項目設計中必須設計余熱利用系統，反應釜出料前的余汽可以充至另一臺待沖氣的反應釜中，待兩個反應釜氣壓平衡后，最后的余汽以及鍋爐的尾氣還可以用于加熱鍋爐供水，這樣節能可達15%～20%。油爐以及蒸汽鍋爐的尾氣在冬季可以用于間接加熱炒鍋等除塵器管道，提高含塵氣體溫度，保證除塵效果。

另外，對用熱設備、管道、鍋爐做好保溫設計；選擇配有節煤省煤系統的高效鍋爐。有條件的還可以回收產品余熱，用于原料加熱、鍋爐鼓風預熱，同時實現產品的冷卻陳化。

4.8 冬夏季強度偏差的問題

該普通干法α-石膏工藝有一個很特殊的現象，即夏季生產的石膏粉比其他季節生產的要低10%～20%，除吸水性稍有變化外，其他指標變化不明顯。其原因有：氣候的變化（溫度、濕度、大氣壓）影響到蒸壓后半水石膏塊晾曬附著水高低、水化次生的程度，物料的差異進而影響磨粉后微細結構；特別是含濕量、炒制速度快慢還影響炒鍋內的氣氛變化。另外，冬季環境的巨大溫差有利于均熱與冷卻、陳化。最終都會引起石膏粉的微觀結構與物性的改變。例如：比表面積大小、微觀顆粒晶體表面裂紋彌合的程度、反應活性等，這一系列物性變化又會引起石膏粉料漿水化硬化后的結晶結構網的形成發展，以及內應力破壞程度與結晶接觸點的穩定性。

5 結語

山東平邑石膏礦區大規模生產的普通α-型陶瓷模用石膏粉廣泛用于陶瓷滾壓成形、注漿成形等，當前還沒有性能合適、質優價廉的模用材料來代替，是陶瓷工業中必不可少的原料。通過改善普通α-型陶瓷石膏粉生產工藝，使得該工藝走出污染高、勞動強度高、能耗高、低檔次、低水平發展等缺陷，以適應產業文明高效發展的要求。