尚云寶， 保興國(guó)， 朱玉梅， 張曉猛

(內(nèi)蒙古大地云天化工有限公司 內(nèi)蒙古赤峰 024076)

受原料磷礦石的影響，濕法磷酸生產(chǎn)中副產(chǎn)的磷石膏(二水石膏)雜質(zhì)含量較高，其使用受限。目前，大多數(shù)磷石膏均采用堆放的形式進(jìn)行處置，只有少量的磷石膏用于生產(chǎn)水泥或紙面石膏板，但制得的紙面石膏板經(jīng)常出現(xiàn)抗折強(qiáng)度低、不黏紙等問題。針對(duì)以磷石膏為原料制取紙面石膏板存在的問題，開展了強(qiáng)度改良試驗(yàn)和黏紙性改良試驗(yàn)。

1 抗折強(qiáng)度改良試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

半水石膏具有水化后凝結(jié)硬化的特點(diǎn)，即半水石膏與水會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，重新獲得力學(xué)強(qiáng)度。根據(jù)此原理，磷石膏脫水得到的半水石膏可用于生產(chǎn)石膏板，一般通過測(cè)定半水石膏粉的抗折強(qiáng)度來判定其是否能生產(chǎn)出強(qiáng)度合格的石膏板。

1.2 流程簡(jiǎn)介

以磷石膏為原料生產(chǎn)紙面石膏板的常規(guī)流程：對(duì)磷石膏進(jìn)行烘炒制成半水石膏，然后在半水石膏中加入適量的水(為減輕成品石膏板的質(zhì)量，同時(shí)加入適量的發(fā)泡劑、淀粉等)形成料漿，由泵輸送至滾動(dòng)皮帶機(jī)并進(jìn)行黏紙?jiān)囼?yàn)，最后送入烘箱中烘干即得到成品紙面石膏板。

紙面石膏板生產(chǎn)過程中的控制要點(diǎn)是磷石膏的烘炒時(shí)間和溫度以及水、發(fā)泡劑、淀粉的加入量。磷石膏烘炒時(shí)間過長(zhǎng)或溫度過高，炒制后的石膏粉中半水石膏含量少而無水石膏多，石膏粉的抗折強(qiáng)度較差，必須陳化處理后才能用于紙面石膏板生產(chǎn)。水、發(fā)泡劑、淀粉的用量必須嚴(yán)格控制，水的用量由半水石膏粉的標(biāo)稠用水確定，發(fā)泡劑、淀粉的用量應(yīng)根據(jù)每批半水石膏粉的黏紙?jiān)囼?yàn)結(jié)果確定。

1.3 半水石膏的制取

半水石膏可采用一步法或兩步法制取。一步法是二水石膏在150 ℃下直接烘炒脫水制成半水石膏；兩步法是將二水石膏在高溫下脫水成無水石膏，然后在濕度較大的環(huán)境下陳化轉(zhuǎn)變成半水石膏。

分別采用一步法和兩步法制取半水石膏，破碎后的顆粒(粒徑106～120 μm的占90%以上)主要參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 一步法和兩步法制取的半水石膏主要參數(shù)對(duì)比

由表1可知，兩步法制取的半水石膏具有較大的比表面積和較高的抗折強(qiáng)度，且標(biāo)稠用水相對(duì)較少。但實(shí)踐表明，兩步法生產(chǎn)耗時(shí)較長(zhǎng)，生產(chǎn)成本較高。一步法生產(chǎn)的半水石膏抗折強(qiáng)度雖較差，但可以通過嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)(半水石膏含量、粒徑等)，使抗折強(qiáng)度符合指標(biāo)要求。

1.4 半水石膏工藝指標(biāo)的確定

將磷石膏于150 ℃下烘炒不同時(shí)間，然后分別測(cè)定無水石膏、半水石膏、二水石膏的含量，再研磨不同時(shí)間考察對(duì)半水石膏比表面積、標(biāo)稠用水、抗折強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同烘炒時(shí)間和不同研磨時(shí)間對(duì)半水石膏含量及性質(zhì)的影響

根據(jù)生產(chǎn)要求：半水石膏的抗折強(qiáng)度≥3.0 N，半水石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥65.00%，二水石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤4.90%；若無水石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)>14.99%，應(yīng)陳化后再用于紙面石膏板生產(chǎn)。

研磨時(shí)間決定粒徑大小，而粒徑又直接影響半水石膏的比表面積和堆密度，所以控制粒徑非常重要。但半水石膏粒徑過小，標(biāo)稠用水少，也會(huì)出現(xiàn)抗折強(qiáng)度降低的情況，其原因是水化后溶液過飽和時(shí)間過長(zhǎng)，形成的小結(jié)晶和結(jié)晶觸點(diǎn)過多，產(chǎn)生了反向作用，因此半水石膏的比表面積應(yīng)控制在4 800～6 400 m2/kg。

2 黏紙性改良試驗(yàn)

2.1 黏紙性及其影響因素

黏紙性是指護(hù)面紙?jiān)诔善芳埫媸喟宓恼辰永慰砍潭?，其是紙面石膏板生產(chǎn)過程中重要的指標(biāo)之一，也是判斷紙面石膏板質(zhì)量最直觀的指標(biāo)之一。影響?zhàn)ぜ埿缘囊蛩睾芏啵饕凶o(hù)面紙的吸水性和透氣性、淀粉加入量、半水石膏的水化速度等。護(hù)面紙的吸水性和透氣性是采購(gòu)護(hù)面紙的硬性指標(biāo)，嚴(yán)格控制即可，因此試驗(yàn)考察了淀粉的加入量和半水石膏的水化速度對(duì)黏紙性的影響。

淀粉的作用是輔助粘接，普通淀粉無法滿足粘接要求，必須使用改性淀粉。改性淀粉具有一定的流動(dòng)性，有較強(qiáng)的遷移能力，黏度隨溫度升高變化不大但隨溫度降低增大[1]，所以選擇優(yōu)質(zhì)的淀粉有助于提高黏紙性。

半水石膏的水化速度體現(xiàn)在初凝時(shí)間和終凝時(shí)間上。在標(biāo)稠用水量固定的條件下，初凝和終凝時(shí)間越長(zhǎng)，表明水化速度越慢，結(jié)晶狀態(tài)也越差，反之則表明水化速度快，結(jié)晶狀態(tài)相對(duì)較好。在生產(chǎn)過程中加入硫酸銨或其他促凝物質(zhì)，可提高水化速度。

半水石膏的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間是影響紙面石膏板黏紙性的重要因素之一，一般初凝時(shí)間和終凝時(shí)間越長(zhǎng)，黏紙性越差，抗折強(qiáng)度也會(huì)受到一定影響。曾經(jīng)加入硫酸銨進(jìn)行試驗(yàn)，黏紙性雖有提高但不穩(wěn)定，且成本較高。

2.2 提高水化速度的試驗(yàn)

根據(jù)黏紙性原理，為提高水化速度，水化必須快速完成且過飽和溶液持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。設(shè)計(jì)加入磷石膏進(jìn)行試驗(yàn)，即在200 g半水石膏中加入標(biāo)稠用水(68%)，然后在水化過程中加入不同量的磷石膏，測(cè)定初凝時(shí)間、終凝時(shí)間和黏紙性。加入的磷石膏游離水質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.1%以內(nèi)，磷石膏粒徑小于75 μm，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3可以看出：磷石膏對(duì)提高水化速度和黏紙性有一定的促進(jìn)作用，但磷石膏加入量過多后，將導(dǎo)致二水石膏總量上升，會(huì)影響抗折強(qiáng)度；加入的磷石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2.00%時(shí)，凝固速度過快；加入的磷石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%和0.50%時(shí),對(duì)提高凝固速度有限，所以試驗(yàn)選擇磷石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.50%和2.00%。

表3 加入不同量的磷石膏對(duì)初凝時(shí)間、終凝時(shí)間和黏紙性的影響

2.3 提高黏結(jié)劑性能

淀粉作為黏結(jié)劑的工作原理是在毛細(xì)管作用下，輔助水分遷移至石膏板表面并進(jìn)入護(hù)面紙縫隙中，所以加快水分遷移速率以及增強(qiáng)淀粉的遷移能力可提高黏紙性?；诖嗽恚跇?biāo)稠用水為68%的條件下，將恒溫箱溫度分別設(shè)置在35、40、45 ℃，并在水化過程中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.50%、2.00%的磷石膏進(jìn)行黏紙?jiān)囼?yàn)，結(jié)果見表4。

由表4可以看出：溫度對(duì)黏紙性有一定影響，溫度不能過高，否則降低黏紙性并影響水化結(jié)晶；試驗(yàn)所用半水石膏中加入的磷石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)以1.50%為宜，在恒溫40 ℃的條件下完成初凝和終凝。

表4 不同溫度和磷石膏添加量對(duì)黏紙性的影響

3 改良后抗折強(qiáng)度和黏紙性的變化

隨機(jī)選取3組磷石膏，采用一步法烘炒制得半水石膏，控制指標(biāo)：半水石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥65.00%，比表面積4 800～6 400 m2/kg，磷石膏添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.50%。半水石膏測(cè)定強(qiáng)度后，于40 ℃恒溫箱中進(jìn)行黏紙性測(cè)定，同時(shí)進(jìn)行不添加磷石膏的空白試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表5。

由表5可以看出：在以磷石膏為原料生產(chǎn)紙面石膏板過程中，添加磷石膏可起到促凝效果，通過控制環(huán)境溫度(40 ℃)可提高黏紙性。

表5 改良后抗折強(qiáng)度和黏紙性試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

(1)采用磷石膏烘炒制取半水石膏時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制半水石膏含量和粒徑，半水石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥65.00%，二水石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤4.90%。若制得的半水石膏中無水石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)>14.99%，應(yīng)陳化后再用于紙面石膏板生產(chǎn)。以比表面積作為粒徑的檢驗(yàn)方法，控制范圍推薦為4 800～6 400 m2/kg。

(2)采用磷石膏生產(chǎn)紙面石膏板時(shí)，需在恒溫40 ℃的條件下完成初凝和終凝，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況確定促凝劑磷石膏的加入量，建議添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過2%。

(3)試驗(yàn)得到的結(jié)論適用于以純磷石膏為生產(chǎn)原料，是否適用于脫硫石膏及含脫硫石膏的石膏粉，有待進(jìn)一步研究。