Теоретические основы сушки и сушильные устройства (стр. 1 из 2)

Сушильные устройства и режимы сушки

Сушку проходят все керамические изделия. В процессе сушки полуфабрикат отдает часть имеющейся в нем влаги, что способствует отделению изделий от формы, приобретает значительную прочность (2—2,5 МПа для фарфора, 4—6 МПа для фаянса), водоустойчивость к размыванию, что позволяет наносить на его поверхность глазурь при однократном обжиге изделий. В себестоимости фарфоровых изделий затраты на сушку составляют 2—3%, фаянсовых 6—8%. Процесс сушки равен 35—40%) общей длительности производственного цикла при однократном обжиге изделий, сушилки занимают 18—25% общей площади поточной линии.

Теоретические основы сушки. В процессе сушки полуфабриката происходят физико-механические коллоидно-физические и биохимические изменения, во многом определяющие получение продукции нужного качества.

Известно, что вода в формовочной массе или литейном шликере не одинаково связана с минеральными частицами и по-разному проявляет свои свойства в процессе сушки.

При сушке вода удаляется частично, даже в высушенном полуфабрикате всегда сохраняется 2—4% свободной влаги, так как еще не создаются условия для разрыва химических связей влаги с материалом и удаления конституционной воды.

Обычно при сушке удаляется вода, механически удерживаемая микро- и макрокапиллярами и располагающаяся на поверхности частиц изделия. Частично удаляется вода физико-химическая, связанная адсорбционно, из гидратных оболочек глинистых частиц и вода, связанная структурно, находящаяся между гидратными оболочками.

Перемещение воды в материале в процессе сушки происходит как в жидком состоянии, до 60% общего количества, так и в виде пара — до 40% общего количества влаги. Обычно на всем протяжении сушки встречаются оба вида перемещения влаги. Перемещение влаги ускоряется с повышением температуры, так как вязкость воды при 70° С почти в 4 раза меньше, чем при 0°С, а с повышением температуры от 0 до 90° С степень насыщения окружающего воздуха увеличивается примерно в 104 раза.

Характерной особенностью сушки тонкостенных фарфоровых, фаянсовых и других керамических изделий является то, что скорость сушки определяется в основном скоростью внешней диффузии влаги в окружающую среду при относительно свободном поступлении ее из внутренних слоев черепка. Это объясняется повышенной влагопроводностью черепка полуфабриката, состоящего из 50% глинистых частиц, имеющих размер до 10 мкм, и 50% каменистых материалов с более крупным размером частиц — до 50 мкм и выше. Регулирование интенсивности испарения влаги в различные периоды сушки, усадки полуфабриката и усадочных напряжений, продолжительности сушки, свойств и скорости движения теплоносителя достигается соответствующим режимом сушки.

Режим сушки — это комплекс мероприятий, предусматривающий минимальное время, необходимое для сушки изделий с учетом их свойств, формы, размеров и особенностей сушильных устройств, а также рациональный подвод теплоты к высушенному изделию с минимальными потерями теплоты и изделий. Процесс сушки характеризуется тремя периодами: подогрева, постоянной и подающей скорости сушки (рис. 60), за которыми следует период равновесного состояния.

Рис. 60. Кривые сушки полуфабриката I — влагоотдачи; II — скорости сушки; III — температуры материала; К — точка критической влажности

Первый период сушки характеризуется ускоренным прогревом массы полуфабриката от начальной температуры до температуры насыщенного теплоносителя при данном его влагосодержании. Температура полуфабриката соответствует показаниям мокрого термометра, температура среды — показаниям сухого термометра психрометра. Влагосодержание полуфабриката изменяется еще незначительно. Относительно высокая пористость материала изделий, значительное количество сильно развитых макроскопических пор и наличие влаги, механически связанной частицами глинистых материалов и слабоудерживаемой в толстых гидратных оболочках глинистых частиц, обусловливают возможность .интенсивной сушки в первый период, особенно после отдачи первых 3—5% общего количества имевшейся в изделиях влаги. К концу периода устанавливается равновесие между количеством теплоты, идущим на нагрев массы полуфабриката, и количеством, расходуемым на испарение влаги.

Второй период сушки характеризуется наличием на кривой скорости сушки (II) горизонтального участка, указывающего на то, что скорость сушки численно равна скорости испарения влаги с поверхности полуфабриката. Влагосодержание полуфабриката изменяется почти по прямой. Температура поверхности полуфабриката (кривая III) остается постоянной, так как основная масса теплоты расходуется на испарение влаги. Поверхность изделия остается смоченной влагой, поступающей из внутренних слоев. Постоянная скорость сушки сохраняется до тех пор, пока количество испаряющейся с поверхности изделия воды меньше или равно количеству воды, поступающему по капиллярам из внутренних слоев под действием диффузионно-осмотических и капиллярных сил.

Интенсивность сушки во втором периоде зависит уже не от скорости испарения влаги с поверхности изделия, а от скорости перемещения ее из внутренних слоев материала наружу. При этом влага перемещается в основном в виде пара и изделие теряет большую часть влаги, скорость сушки резко падает, что фиксируется изломом на кривой сушки в точке К, указывающим на окончание второго периода сушки. Влажность, соответствующая окончанию второго периода, называется критической для данного материала и при данных параметрах теплоносителя. К концу второго периода влагосодержание поверхности материала выравнивается с его равновесным влагосодержанием, фронт испарения влаги перемещается внутрь материала и начинается третий период сушки.

Третий период характеризуется падающей скоростью сушки и повышением температуры полуфабриката. Интенсивность влагоотдачи в этом периоде пропорциональна средней влажности материала в интервале от критической до конечной влажности. Разность между влажностью материала до сушки и влажностью, соответствующей равновесной, определяется количеством влаги, удаляемой в процессе сушки. В третьем периоде сушки допускается значительное повышение температуры и скорости теплоносителя.

Сушку изделий прекращают при достижении конечной влажности Wкон, которая меньше критической Wкр, но больше или равна равновесной влажности Wp:Wкр> Wкон≥Wp

У пластичных высокодисперсных масс равновесная влажность выше, чем у тощих. При испарении влаги в процессе сушки до уровня ниже равновесной влажности полуфабрикат должен немедленно поступать на обжиг. Несвоевременное поступление полуфабриката на обжиг и пребывание его в условиях, когда он может увеличить количество равновесной влаги (фарфоровая масса 1,5— 2%) за счет поглощения ее из воздуха в результате заполнения некомпенсированных связей твердых частиц, сопровождается частичным набуханием частиц глины, объясняемым сорбционным расклиниванием воды и возможным снижением прочности полуфабриката. Совмещение процессов сушки и первого обжига в одном тепловом агрегате или применение высокотемпературной сушки исключает подобное явление.

Воздушная усадка является результатом удаления влаги из полуфабриката. Она достигает у фарфоровых изделий 8—11%, У фаянсовых 10—12%.

Изменение влагосодержания полуфабриката и его усадка вызывают усадочные напряжения, в результате которых на полуфабрикате возможно появление трещин и его коробление.

Воздушная усадка полуфабриката неодинакова во взаимно перпендикулярных направлениях, поскольку в процессе пластического формования или отливки изделий глинистые частицы, имеющие пластинчатую форму, принимают ориентированное положение. Неравномерность усадки возникает также в результате разнотолщинности изделий и неодинаковой скорости сушки различных мест изделия.

Рис. 61. Диаграмма объемных изменений в глине при сушке (по Берри)

По мере удаления влаги уменьшается объемная доля воды (рис. 61), заполняющей микрокапилляры и образующей вогнутые мениски на границе изделие—воздух. Поверхностное натяжение оставшейся в капиллярах воды увеличивается, что приводит к сближению частиц, обусловливающих усадку полуфабриката. Усадка происходит до тех пор, пока частицы не придут во взаимное соприкосновение. Возникающие при этом силы трения частиц возрастают и в момент, когда они превысят силы поверхностного натяжения влаги в капиллярах, усадка прекращается. При этом в массе полуфабриката наряду с воздухом, заполняющим поры, сохраняется определенное количество влаги, соответствующее критической влажности высушиваемого материала.

Возникновение напряжений в процессе сушки объясняется неравномерной усадкой материала в результате различных условий для внешней и внутренней диффузии влаги, разноплотности, разнотолщинности, анизотропии структуры изделий. Величина внутренних напряжений зависит в основном от свойств и первоначальной влажности материала, режима и скорости сушки, вида изделий. Внутренние напряжения пропорциональны величине усадки. Чем больше перепад влажности поверхностных и внутренних слоев, тем больше усадочные напряжения. Наибольшая усадка наблюдается в период максимального удаления влаги и развития капиллярных усилий, которые тем выше, чем дисперснее и пластичнее масса. У пластичных глин капиллярные усилия достигают 6,8 МПа, у каолинов 2—2,5 МПа. Объемная усадка в этом периоде сушки равна количеству испаренной влаги — воды усадки. Дальнейшее удаление влаги в третьем периоде сушки сопровождается незначительной усадкой, а с прекращением усадки, т. е. при достижении критической влажности, сушка полуфабриката протекает без уменьшения его объема, так как частицы массы вошли в плотный контакт друг с другом, образуя прочный каркас.