石膏的综合利用进展

日期: 2019-01-17 来源:www.efful.com 作者:石膏粉厂家
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摘  要:介绍了石膏在不同行业的综合利用现状,对其发展方向进行了综合评述,指出了石膏制品市场需求潜力巨大,依法合理开发我国石膏资源,具有极大的经济和社会意义,提出应调整石膏应用领域的产业结构和产品结构,在加工设备和产品质量上实现技术创新,缩短与发达国家的差距。

关键词:石膏;石膏制品;综合利用;开发 

 

石膏为非金属,主要成份为钙的硫酸盐,分天然和工业副产石膏两大类。天然石膏在矿物学上根据晶格类型及化学成份可分为石膏(CaSO4·2H2O)和硬石膏(CaSO4)两类。石膏、硬石膏经过加热或水化,二者可互相转化。硬石膏经水作用后,变为石膏,体积可增大30%以上。石膏加热可脱水,变为用途广泛的熟石膏。石膏具有白度高、质轻、导热率低、不易燃、吸湿、收缩率低、抗震等特征。

世界上石膏最大生产国是美国。在美国,石膏矿床分布在22个州,共有69座矿山,最大产地在阿依华州道奇堡。其次是加拿大,法国在欧洲石膏生产中居领先地位,再次为西德、英国、西斑牙。我国的石膏资源极其丰富,全国24个省(区、自治区)有石膏矿产出,已探明的天然矿石储量近600亿吨,其中有9个省(市自治区)储量超过10亿吨,石膏比较贫乏的地区是东北和华北地区。我国石膏制品业从七十年代中期开始发展起来。多年来,我国石膏多用于水泥缓凝剂,约占石膏利用总量的80%~90%,而在其它方面如石膏墙体材料、胶凝材料、农业(作土壤改良剂和肥料)、化工、轻工、食品、工艺美术、文教、医药等方面的用量仅占10%~20%左右。这一状况和发达国家正好相反。发达国家石膏资源用于生产和加工建筑石膏制品占60%以上,用于其他行业约占40%[1,2]。现在石膏已成为我国重点发展的八种矿物之一,石膏开发利用的研究十分活跃,并取得了一批新成果。随着我国经济建设的发展,石膏的消费结构将不断发生变化。 

1       石膏在陶瓷行业中的应用

陶瓷工业中使用的石膏粉是半水石膏粉。半水石膏粉根据加工炒制工艺和产品晶型结构的不同可分为两大类,即普通石膏粉(也称β石膏粉)和高强石膏粉(也称α石膏粉)。除此之外,生产中还使用由以上2种石膏粉按不同比例(一般是70%~80 %的β石膏粉与30 ~20 %的α石膏粉)混匀形成的混合石膏粉。这种石膏粉是利用β石膏的吸水性能好和α石膏强度高的特点,综合利用两者的优点,用于陶瓷生产中注浆成形模型的制造。近些年来,随着陶瓷行业的发展,在高强度α石膏粉的基础上通过改进加工工艺和添加一些特殊外加剂又衍生出许多有特殊用途的超高强石膏粉[3,4]。

1.1  注浆成形用石膏粉

陶瓷生产中采用注浆成形的品种较多,部分日用陶瓷异型件、全部卫生陶瓷、特种化学瓷、陶瓷烧成用的一些窑具等都采用注浆成形方法生产。注浆成形主要强调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与β按比例混合的石膏粉,细度一般为80~120目,石膏和水的比例一般为1.2~1.5∶1。根据生产品种和生产工艺的不同,石膏和水的比例有所不同。例如在日用陶瓷和特种化学瓷的小件注浆生产中,由于是常压成形且体积较小,对强度要求不高,主要强调模型的吸水性,故石膏和水的比例一般在1.2∶1左右。这种模型的吸水率一般为45~50%,抗折强度为2.8~3.5MPa 。在卫生陶瓷微压注浆成形或日用瓷的压力注浆生产中,一般体积较大,除了主要强调模型吸水性之外,还对模型的强度和防变形性提出了严格的要求,故石膏和水的比例要求大些,一般为1.35~1.5∶1。这种模型的吸水率为35~42%,抗折强度为3.8~4.5MPa。

1.2  滚压成形用石膏粉

滚压成形是日用陶瓷生产中主要的成形方法。其主要强调模型的强度,使模型承受较强烈的耐磨和抗冲击能力,同时也要求模型有一定的吸水性和耐高温性能。使用的石膏粉主要是高强度α石膏粉,或者部分采用混合石膏粉。石膏和水的比例一般为1.6~1.8∶1,模型的吸水率一般为27~31%。为了确保模型的强度和防止变形,根据石膏粉不同生产厂家、产品体积的大小和阴阳模成形工艺方式的不同,可微调石膏和水的比例,一般体积小时比例小(在1.6~1.7∶1);体积大时比例高(在1.7~1.8∶1),有的甚至高达2.0∶1,且模型的吸水率在22~23%。

1.3  塑压成形用石膏粉

塑压成形是日用陶瓷成形生产中一种特殊的成形工艺方法,也叫冷压成形。它是随着日用陶瓷行业异形件的越来越多而发展起来的,特别适用于带浮雕图案的大件和异型大件产品。对于滚压成形无法生产的品种,除了采用注浆成形方法外,就是采用这种塑压成形工艺方式。所使用的石膏粉也是高强度α石膏粉。石膏和水的比例一般为1.6~1.8∶1,模型的吸水率一般为27~31%。其主要强调模型的强度、耐磨性和较低的膨胀系数,同时也要求模型应具有一定的吸水性和透气性能。

1.4  母模翻胎用石膏粉

也称树脂石膏粉或K型石膏粉,一般细度在250~300目。它是在α石膏粉中加入特殊的化学添加剂,或者在α石膏炒制加工过程中采用特殊的工艺,改善了高强α石膏粉的结构性质,形成特殊的高强石膏粉。这种石膏粉对吸水率不作要求,主要要求强度高、硬度高、膨胀率低以及胎型表面要有较高的光滑度、光洁度。这种石膏粉的标准稠度需水量极低,生产中石膏和水的比例可达到2.3~2.85∶1,凝固时间长,可搅拌10~15min不凝固,其干后抗折强度高达11.5MPa 。这种石膏粉的价格极高,国产母模石膏一般都在每吨5000元左右。国内的生产厂家很多,如邢台隆尧的双华、山东平邑的金信、河北唐山的兴华等。目前邢台双华母模石膏粉的售价已降到了4000元以下,膨胀系数控制在0.6%以下,各项性能指标已达到或超过国外先进水平,是目前国内性能优良的特种母模石膏粉。

石膏是陶瓷行业中不可缺少的重要辅助材料。石膏粉质量的好坏,直接影响模型的质量及使用寿命。不同的成型工艺对石膏粉的要求不同。我国有许多石膏粉生产厂家,但由于原矿品质、工艺技术等多方面原因,生产出的产品质量不高,多数不能直接用来制作中压注浆模具,因此还需要对产品进行改性处理。模型石膏的市场容量虽然不如建筑石膏大,但产值与其接近,发展前景还是挺好的[5]。 

2  石膏在建筑及建材行业中的应用

石膏作为建筑胶凝材料,建筑制品主要用在建材业,因为它具有质轻、防水、保温、调节湿度、隔音、抗震及制品结构平整、加工性能好、施工速度快等优点,目前已形成了以纸面石膏板、纤维石膏板、装饰石膏板、石膏砌块等为主的系列产品,现已具备年生产各类纸面石膏板2.8亿m2;各类纤维石膏板2000万m2,各类装饰石膏板3000万m2,石膏条板及各类砌块2000万m2的能力[6]。

2.1 石膏板

石膏板是所有石膏建筑材料中用途最广,产量最大的石膏产品。与传统的建材相比,石膏板有许多优越性,主要包括以下几类[5]:

(1)纸面石膏板

纸面石膏板是在建筑石膏中加入适量的轻质填料、纤维、发泡剂、缓凝剂等,加水拌成料浆,浇注在底层护面纸上,成型后覆以上层护面纸,经过凝固、切断、烘干而成的建筑板材。随着人们生活水平的提高,纸面石膏板在建筑装修方面的应用也日趋广泛。纸面石膏板具有轻质、绝热、吸声、不燃和可钉、可锯等性能特点,可与轻钢龙骨及其他配套材料组成轻质隔墙与吊顶,而且原料来源广泛,加工设备简单,故被广泛应用于各种类型的工业和民用建筑[7,8]。

目前我国的纸面石膏板的品种主要是普通纸面石膏板、耐水纸面石膏板和耐火纸面石膏板3大类。而国外纸面石膏板的品种除了上述3个品种外,还有耐水汽纸面石膏板、耐火耐潮纸面石膏板、耐冲击纸面石膏板、隔声纸面石膏板、高强度纸面石膏板、井道衬墙板和各种形状的纸面石膏角线等。随着纸面石膏板在国内应用领域的拓展,其它种类的产品也将在国内市场上亮相[9]。

我国自第一条年产400万m2的国产化纸面石膏板生产线建成以来,至今已20多年,广大科技工作者在实现我国纸面石膏板生产线系列化、大型化、自动化方面做了大量工作。    目前,北新建材、拉法基、可耐福、杰科、山东晨翔等企业的石膏板生产线单机规模已达到年产2000万m2及以上,国内还有数条年产3000万m2纸面石膏板生产线正处在设备调试阶段,可以说,国产化的年产2000万-3000万m2纸面石膏板生产线技术及装备已基本成熟,我国已经具备设计、制造、建设大型纸面石膏板生产线的能力。这将为今后建设大型纸面石膏板生产线提供技术支持。可以预见,在未来的几年内,我国新建设的生产线将以年产2000万-3000万m2为主,同时还将出现年产5000万-6000万m2纸面石膏板生产线。根据国外经验和我国的发展动态,纸面石膏板生产线向大型化发展是必然趋势,在我国纸面石膏板产品市场上,大型生产线生产的产品也将逐步占主导地位[10,11]。

(2)纤维石膏板

纤维石膏板是由建筑石膏、木质刨花或纸纤维等和少量化学添加剂制成。主要包括植物纤维石膏板、石膏刨花板和纸纤维石膏板

植物纤维石膏板是以石膏为基质,植物纤维为增强材料,添加必要的辅助原料,经冷压而成的一种性能优良的轻质建筑材料,其主要用于建筑内隔墙及室内装修,具有自重轻;节约能耗;增加使用面积;便于施工及使用灵活;装饰新颖美观;无污染;良好的隔热、隔声以及可调节室内湿度等性能,在国内外都具有非常广阔的市场前景。

石膏刨花板是以石膏为胶凝剂,木质材料的刨花为增强材料,添加适量的化学助剂和水,采用半干法生产工艺,在受压状态下完成石膏与木质材料的固结而形成的建筑板材。石膏刨花板独具的特点如可进行各种机械加工和表面装饰、无游离甲醛的公害、具有优良的耐火性和不燃性等,使其成为一种较为理想的新型建筑材料。山东苍山县建材公司投资115亿元,从西德比松公司引进年产3万m2的石膏刨花板全套设备,目前已经投产[12]。

纸纤维石膏板有湿法和半干法两种生产方法。湿法工艺是指水膏比0.5以上的生产工艺,半干法是指水膏比0.5以下的生产工艺,由于水膏比的不同,板坯的成型方法也完全不同,目前纸纤维石膏板的生产绝大多数是半干法生产。纸纤维石膏板具有良好的隔音性能和加工性能;抗冲击力好;内结合强度大,粘接牢固;抗压痕能力强;有良好的阻燃性和小的吸水厚度膨胀率,可调节居室空气湿度。为了提高我国纤维石膏板的生产水平,湖北应城石膏矿、孝感市开源贸易公司和德国咨询工程股份有限公司(ACE)合作,成立湖北三环墙体材料公司,引进德国Siempelkamp公司技术和年产300万m2半干法纸纤维石膏板生产线,1997年8月建成投产。该生产线的投产,填补了我国规模化、机械化生产纤维石膏板的空白,使我国纤维石膏板的生产技术走入世界前列[13]。

(3)装饰石膏板

装饰石膏板是一种以石膏为基材,掺入适量纤维增强材料和外加剂,与水一起搅拌成均匀的料浆,经浇注成型、干燥而成的不带护面纸或其它覆盖物的装饰板材,具有轻质、价廉、防火、阻燃和独特的装饰效果,以及工艺简单、投资少等优点。目前我国至少有300多家装饰石膏的生产厂家,年产量为600多万 m2 [12]。但就生产工艺和设备来说,许多厂家仍采用作坊式的手工作业方式。

2.2石膏砌块

石膏砌块是以建筑石膏(β-半水石膏)或无水硬石膏为主要原料,根据不同型号和种类的要求,掺加适量水泥、珍珠岩、纤维、矿渣、粉煤灰、无机和有机增强剂、防水剂等辅助原料,经浇注或压制成型、自然干燥等工艺制成的轻质隔墙块型材料。轻质石膏砌块是有很大发展前途的新型建筑材料,与传统材料的建筑材料相比,具有低能耗、低污染、重量轻、防火、隔热、隔音、收缩率小、可钉、可锯、可粘结等突出优点,是取代红砖的理想材料,具有广阔的开发前景[14,15]。有关石膏砌块的种类及性能指标如表1所示[5]。

石膏的综合利用进展

目前,我国的石膏砌块研究已从单一的β-半水石膏向硬石膏及化工副产品石膏发展。科研工作者在充分利用工业废料,提高制品强度及耐水性方面进行了大量的研究,并取得了一定的研究成果。但总体来看,我国的石膏砌块生产及应用尚处于起步阶段[16]。目前约有十几条小规模的半机械化的生产线,生产能力不大,与发达国家相比,无论是品种还是数量均有很大差距。如法国在80年代,石膏砌块的年产量就已达1700万m2,德国年产600万m2,其中约1/4用化学石膏生产;西班牙400万m2/年;荷兰及比利时各为300万m2/年;在国外,尤其是欧、澳地区的建筑业中石膏砌块已经成为传统材料的替代产品,许多大的工程项目,都指定采用石膏砌块,例如,在荷兰石膏砌块占所有隔墙材料的50%。

2.3 粉刷石膏

粉刷石膏是以建筑石膏为主要成分,掺入少量工业废渣、多种外加剂和集料而制成的气硬性胶凝材料,是一种建筑内墙及顶板表面的抹面材料,是传统水泥砂浆或混合砂浆的换代产品。按石膏粉料相组成分类,粉刷石膏可分为四大类十个品种,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。在前三种类型粉刷石膏中,又可分成面层粉刷石膏(M),底层粉刷石膏(D)和保温层粉刷石膏(W)三类[17],而石膏、石灰混合型粉刷石膏只适用于面层,构成了十个品种的粉刷石膏。粉刷石膏作为一种新型抹灰材料,既具有建筑石膏快硬早强、粘结力强、体积稳定性好、吸湿、防火、轻质等优点,又改善了建筑石膏凝结速度过快、粘性大和抹灰操作不便等缺点。粉刷石膏不仅可在水泥砂浆和混合砂浆上罩面,也可以在砼墙、板、天棚及石膏板墙面等光滑的基底上罩面,用粉刷石膏罩面的墙面,质密光滑细腻,既不起灰又有较高的强度,硬化后体积稳定、无裂缝、无空鼓现象,因此在国内外均有很大的市场[5][18]。 

3  石膏在水泥行业中的应用

水泥工业中,在水泥熟料中加入适量石膏(允许掺入SO3的最大限量我国定为3.5%)主要作用是在水泥水化过程中及时向溶液中提供足够的SO42-,从而避免水泥中铝酸三钙矿物快速水化导致的水泥体系的早凝或速凝[19],提高水泥强度(特别是早期强度)、收缩率和抗腐蚀性,使水泥制品在空气中的干缩率下降30~50%,提高水泥的抗冻性和安定性。通用水泥中一般需要掺加3~5%的石膏以调整凝结时间。我国是世界上水泥最大的生产国,在未来很长的一段时间内,水泥行业仍是我国石膏的消费大户。 

4  石膏在化学工业中的应用

石膏中的CaSO4在焦炭还原作用下分解为SO2和CaO,前者用于制取硫酸,后者可与粘土质原料制成水泥熟料。化学反应式为:2CaSO4 +C→ 2CaO + 2 SO2+ CO2↑(反应在900~1350℃进行)。石膏还可用于生产硫酸铵化肥,硫酸铵(俗称硫铵)是一种速效氮肥,通过将氨和二氧化碳通入石膏粉的悬浮液中而制得[20]。 

5  其它用途

石膏可用于油漆、涂料、颜料、橡胶、造纸业、纺织、塑料、粉笔、牙膏、化妆品等行业中的填料;在铸造、医疗、文教等行业中的制作模具;石膏在传统中药中有广泛的应用,在目前中药商业化大形式下,研究石膏作为药用、提高石膏的附加值,也是比较有前途的一块[21];在食品、工艺美术等领域中均有广泛的应用,如可用石膏来净化啤酒厂的用水,降低酒石的含量,作为养鱼场中鱼食的骨料等。石膏还可用于改良土壤,例如在美国西部(加利福尼亚州)、印度和巴基斯坦,都大量使用生石膏来改良土壤的碱性,也可用来改良酸性土壤。还可用于施肥及生产农药,生石膏可以保存其他肥料中的氮,并清除除氮细菌。 

6  结语

我国石膏资源丰富,用途广泛,国内石膏市场需求潜力巨大,据中国建材报和中国石膏工业协会报导,进入21世纪,我国对石膏的需求以每年10%的速度递增,但我国石膏工业的消费结构当中,水泥所占比例过大,用于建筑制品的比例过小,与西方发达国家相差甚远(发达国家80%的石膏用于建筑制品)[22]。目前我国城乡建筑90%以上的墙体仍使用粘土砖和传统胶凝材料水泥和石灰,发展新型墙体材料和石膏胶凝材料的任务十分艰巨。随着我国经济建设的发展,住宅产业已成为国民经济新的增长点和消费热点,建筑业及建材业将成为启动内需的主要依据对象。建材和装饰材料作为扩大内需的热门产品,仅装饰材料年销售额就达3000亿元人民币[23],因此,大力开发石膏工业,不仅可以合理利用资源,而且可提高企业的经济效益。对石膏建材的应用,国家有关部门已制定了相应的优惠政策。墙体改革已开始实施,加之对建材的节能政策,环保的要求,为适合我国的基本状况,实现经济可持续发展,大力发展节能、隔热、隔音、防火、防潮,具有调节功能的“绿色建材”石膏建材制品已势在必行。政府部门应采用行政手段逐步推广,强制实施调整石膏应用领域的产业结构和产品结构,使石膏胶凝材料及其制品使用量由目前占石膏总用量的10%上升到50%,接近中等发达国家,加大半水石膏的生产比例,使石膏制品由普通型向高强防水型发展。此外,还应增加资金投入,引进国外先进设备和技术,对国内的重点企业进行技术改造,并以此为基础组建大的跨地区的石膏建材集团,带动我国整个石膏建材业的发展;增大科技投入,重视科研机构和队伍建设,开发石膏应用新领域、新途径,在加工设备和产品质量上实现技术创新,缩短与发达国家的差距[24]。


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