Теоретические основысушки и сушильные устройства
Сушильные устройства ирежимы сушки
Сушку проходят всекерамические изделия. В процессе сушки полуфабрикат отдает часть имеющейся внем влаги, что способствует отделению изделий от формы, приобретаетзначительную прочность (2—2,5 МПа для фарфора, 4—6 МПа для фаянса),водоустойчивость к размыванию, что позволяет наносить на его поверхностьглазурь при однократном обжиге изделий. В себестоимости фарфоровых изделийзатраты 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 основысушки. В процессе сушки полуфабриката происходят физико-механическиеколлоидно-физические и биохимические изменения, во многом определяющиеполучение продукции нужного качества.
Известно, что вода вформовочной массе или литейном шликере не одинаково связана с минеральнымичастицами и по-разному проявляет свои свойства в процессе сушки.
При сушке вода удаляетсячастично, даже в высушенном полуфабрикате всегда сохраняется 2—4% свободнойвлаги, так как еще не создаются условия для разрыва химических связей влаги сматериалом и удаления конституционной воды.
Обычно при сушкеудаляется вода, механически удерживаемая микро- и макрокапиллярами ирасполагающаяся на поверхности частиц изделия. Частично удаляется водафизико-химическая, связанная адсорбционно, из гидратных оболочек глинистыхчастиц и вода, связанная структурно, находящаяся между гидратными оболочками.
Перемещение воды вматериале в процессе сушки происходит как в жидком состоянии, до 60% общегоколичества, так и в виде пара — до 40% общего количества влаги. Обычно на всемпротяжении сушки встречаются оба вида перемещения влаги. Перемещение влагиускоряется с повышением температуры, так как вязкость воды при 70° С почти в 4раза меньше, чем при 0°С, а с повышением температуры от 0 до 90° С степеньнасыщения окружающего воздуха увеличивается примерно в 104 раза.
Характерной особенностьюсушки тонкостенных фарфоровых, фаянсовых и других керамических изделий являетсято, что скорость сушки определяется в основном скоростью внешней диффузии влагив окружающую среду при относительно свободном поступлении ее из внутреннихслоев черепка. Это объясняется повышенной влагопроводностью черепкаполуфабриката, состоящего из 50% глинистых частиц, имеющих размер до 10 мкм, и50% каменистых материалов с более крупным размером частиц — до 50 мкм и выше.Регулирование интенсивности испарения влаги в различные периоды сушки, усадкиполуфабриката и усадочных напряжений, продолжительности сушки, свойств искорости движения теплоносителя достигается соответствующим режимом сушки.
Режим сушки — этокомплекс мероприятий, предусматривающий минимальное время, необходимое длясушки изделий с учетом их свойств, формы, размеров и особенностей сушильныхустройств, а также рациональный подвод теплоты к высушенному изделию сминимальными потерями теплоты и изделий. Процесс сушки характеризуется тремяпериодами: подогрева, постоянной и подающей скорости сушки (рис. 60), закоторыми следует период равновесного состояния.
/>
Рис. 60. Кривые сушкиполуфабриката I — влагоотдачи; II — скорости сушки; III — температурыматериала; К — точка критической влажности
Первый период сушкихарактеризуется ускоренным прогревом массы полуфабриката от начальнойтемпературы до температуры насыщенного теплоносителя при данном еговлагосодержании. Температура полуфабриката соответствует показаниям мокроготермометра, температура среды — показаниям сухого термометра психрометра. Влагосодержаниеполуфабриката изменяется еще незначительно. Относительно высокая пористостьматериала изделий, значительное количество сильно развитых макроскопических пори наличие влаги, механически связанной частицами глинистых материалов ислабоудерживаемой в толстых гидратных оболочках глинистых частиц, обусловливаютвозможность.интенсивной сушки в первый период, особенно после отдачи первых3—5% общего количества имевшейся в изделиях влаги. К концу периода устанавливаетсяравновесие между количеством теплоты, идущим на нагрев массы полуфабриката, иколичеством, расходуемым на испарение влаги.
Второй период сушкихарактеризуется наличием на кривой скорости сушки (II) горизонтального участка,указывающего на то, что скорость сушки численно равна скорости испарения влагис поверхности полуфабриката. Влагосодержание полуфабриката изменяется почти попрямой. Температура поверхности полуфабриката (кривая III) остается постоянной,так как основная масса теплоты расходуется на испарение влаги. Поверхностьизделия остается смоченной влагой, поступающей из внутренних слоев. Постояннаяскорость сушки сохраняется до тех пор, пока количество испаряющейся споверхности изделия воды меньше или равно количеству воды, поступающему покапиллярам из внутренних слоев под действием диффузионно-осмотических икапиллярных сил.
Интенсивность сушки вовтором периоде зависит уже не от скорости испарения влаги с поверхностиизделия, а от скорости перемещения ее из внутренних слоев материала наружу. Приэтом влага перемещается в основном в виде пара и изделие теряет большую частьвлаги, скорость сушки резко падает, что фиксируется изломом на кривой сушки вточке К, указывающим на окончание второго периода сушки. Влажность,соответствующая окончанию второго периода, называется критической для данногоматериала и при данных параметрах теплоносителя. К концу второго периодавлагосодержание поверхности материала выравнивается с его равновеснымвлагосодержанием, фронт испарения влаги перемещается внутрь материала иначинается третий период сушки.
Третий периодхарактеризуется падающей скоростью сушки и повышением температурыполуфабриката. Интенсивность влагоотдачи в этом периоде пропорциональна среднейвлажности материала в интервале от критической до конечной влажности. Разностьмежду влажностью материала до сушки и влажностью, соответствующей равновесной,определяется количеством влаги, удаляемой в процессе сушки. В третьем периодесушки допускается значительное повышение температуры и скорости теплоносителя.
Сушку изделий прекращаютпри достижении конечной влажности Wкон, которая меньше критической Wкр, нобольше или равна равновесной влажности Wp:Wкр> Wкон≥Wp
У пластичныхвысокодисперсных масс равновесная влажность выше, чем у тощих. При испарении влагив процессе сушки до уровня ниже равновесной влажности полуфабрикат долженнемедленно поступать на обжиг. Несвоевременное поступление полуфабриката наобжиг и пребывание его в условиях, когда он может увеличить количестворавновесной влаги (фарфоровая масса 1,5— 2%) за счет поглощения ее из воздуха врезультате заполнения некомпенсированных связей твердых частиц, сопровождаетсячастичным набуханием частиц глины, объясняемым сорбционным расклиниванием водыи возможным снижением прочности полуфабриката. Совмещение процессов сушки ипервого обжига в одном тепловом агрегате или применение высокотемпературнойсушки исключает подобное явление.
Воздушная усадка являетсярезультатом удаления влаги из полуфабриката. Она достигает у фарфоровых изделий8—11%, У фаянсовых 10—12%.
Изменение влагосодержанияполуфабриката и его усадка вызывают усадочные напряжения, в результате которыхна полуфабрикате возможно появление трещин и его коробление.
Воздушная усадкаполуфабриката неодинакова во взаимно перпендикулярных направлениях, поскольку впроцессе пластического формования или отливки изделий глинистые частицы,имеющие пластинчатую форму, принимают ориентированное положение.Неравномерность усадки возникает также в результате разнотолщинности изделий инеодинаковой скорости сушки различных мест изделия.
/>
Рис. 61. Диаграммаобъемных изменений в глине при сушке (по Берри)
По мере удаления влагиуменьшается объемная доля воды (рис. 61), заполняющей микрокапилляры иобразующей вогнутые мениски на границе изделие—воздух. Поверхностное натяжениеоставшейся в капиллярах воды увеличивается, что приводит к сближению частиц,обусловливающих усадку полуфабриката. Усадка происходит до тех пор, покачастицы не придут во взаимное соприкосновение. Возникающие при этом силы трениячастиц возрастают и в момент, когда они превысят силы поверхностного натяжениявлаги в капиллярах, усадка прекращается. При этом в массе полуфабриката нарядус воздухом, заполняющим поры, сохраняется определенное количество влаги,соответствующее критической влажности высушиваемого материала.
Возникновение напряженийв процессе сушки объясняется неравномерной усадкой материала в результатеразличных условий для внешней и внутренней диффузии влаги, разноплотности,разнотолщинности, анизотропии структуры изделий. Величина внутренних напряженийзависит в основном от свойств и первоначальной влажности материала, режима искорости сушки, вида изделий. Внутренние напряжения пропорциональны величине усадки.Чем больше перепад влажности поверхностных и внутренних слоев, тем большеусадочные напряжения. Наибольшая усадка наблюдается в период максимальногоудаления влаги и развития капиллярных усилий, которые тем выше, чем дисперснееи пластичнее масса. У пластичных глин капиллярные усилия достигают 6,8 МПа, укаолинов 2—2,5 МПа. Объемная усадка в этом периоде сушки равна количествуиспаренной влаги — воды усадки. Дальнейшее удаление влаги в третьем периодесушки сопровождается незначительной усадкой, а с прекращением усадки, т. е. придостижении критической влажности, сушка полуфабриката протекает без уменьшенияего объема, так как частицы массы вошли в плотный контакт друг с другом,образуя прочный каркас.
Удаление влаги припостоянном объеме изделий вызывает образование пор. Эта влага называется водойпор, и для пластичных масс ее количество составляет 10—18%. Количествоусадочной воды зависит от первоначальной влажности массы, в то время как водапор является величиной постоянной для данной массы.
Воздушная усадкаполуфабриката начинается в местах интенсивной влагоотдачи, т. е. с егоповерхности. Усадка поверхностных слоев при влажных внутренних слояхсопровождается образованием в них растягивающих усилий. Давление сжимающихповерхностных слоев вызывает сжатие внутренних слоев. Пока масса полуфабрикатасохраняет пластические свойства, растягивающие усилия в поверхностном слоекомпенсируются пластическими деформациями. Если растягивающие усилия превысятпрочность, на полуфабрикате образуются поверхностные трещины, что чащенаблюдается в начале сушки.
С перемещением зеркалаиспарения влаги внутрь массы изделия происходят изменения усадочных напряжений:в поверхностном прочном слое возникают сжимающие усилия; во внутреннем,стремящемся к сокращению объема— растягивающие, в силу прочных связейвнутренних и поверхностных слоев. Это иногда приводит к образованию внутреннихтрещин (структурных), что обычно наблюдается в третьем периоде сушки. Спрекращением усадки ослабевают внутренние напряжения и дальнейшее удалениевлаги не вызывает деформаций полуфабриката.
При неравномерной сушке вразличных сторонах полуфабриката возможно его коробление. При скорости сушки,значительно превышающей допустимую для данной массы, в высушенном полуфабрикатемогут сохраниться остаточные напряжения, придающие ему хрупкость.
Величина воздушной усадкизависит от свойства массы и определяет чувствительность ее к сушке. Величинавоздушной усадки должна быть минимальной, но достаточной для свободногоотделения и освобождения изделий из формы. Повышенная усадка массысопровождается деформацией, появлением трещин, увеличением остаточныхнапряжений. Усадка, как и величина усадочных напряжений, регулируется вводомдобавочных материалов, изменяющих условия внутренней и внешней диффузии влаги.
Регулирование внутреннейдиффузии влаги в полуфабрикате достигается согласованными действиями по двумнаправлениям: замедлением внешней диффузии путем изменения температуры,относительной влажности и скорости теплоносителя и увеличением внутреннейдиффузии влаги вводом в массу отощающих материалов — кварцевого песка, бояизделий и др. Электролиты с двухвалентным катионом (Са2+ и др.) также снижаютформовочную влажность массы, вызывают коагуляцию глинистых частиц, способствуютукрупнению капилляров, освобождая их от взвешенных частиц, улучшаютвлагопроводность материала, снижая его воздушную усадку. Вакуумирование массытакже способствует уменьшению усадки при сушке.
Снижение воздушной усадкимассы приобретает особую актуальность в условиях автоматизированного производстваввиду более жестких условий тепловой обработки изделий.
Продолжительность сушкиизделий зависит от технологических свойств массы, начальной и конечнойтемпературы полуфабриката и теплоносителя, относительной влажноститеплоносителя, размера, вида и конфигурации изделий, температурного режима,конструктивных особенностей сушильных устройств. Она колеблется от 10—13 мин до4 и более часов в искусственных и до 2 суток в естественных сушилках и можетбыть сокращена в первом периоде за счет добавки в массу отощающих материалов, аво втором — за счет повышения температуры и скорости теплоносителя.
Использование частиотработанного теплоносителя или добавочное увлажнение его при работе накалориферах, а также организация сушки полуфабриката большими объемамитеплоносителя сокращают продолжительность второго периода сушки. Сокращениетретьего периода сушки достигается повышением температуры.
Исследования показали,что длительность сушки, например фарфоровых и фаянсовых тарелок, может бытьзначительно сокращена как при одностадийной, так и при двухстадийной сушке приусловии цикличной подачи теплоносителя, нагретого до 140—320° С, направленнымпотоком на изделия со скоростью 1,5—2 м/с (рис. 62). Одностадийная сушкафаянсовых тарелок возможна за 9—10 мин (кривая 1), двухстадийная за 8— 10 миндо влажности 3— 4% (кривая 3). Фарфоровые тарелки можно высушить до влажности3—4% на гипсовой форме (одностадийная сушка) за 11—16 мин, при двухстадийнойсушке до влажности 2—3% за 10—11 мин (кривые 2 и 4). Замена гипсовых форм наформы из других материалов и подача теплоносителя направленным потокомпозволяют повысить температуру сушки до 250—320° С при его цикличной подаче.Использование радиационного обогрева позволяет сократить при двухстадийнойсушке первую стадию сушки полых изделий до 3—4 мин, вторую стадию сушки плоскихизделий — до 10 мин и полых — до 3—4 мин. При любом форсировании процесса сушкискорость ее не должна превышать максимально допустимую, так как возможнорастрескивание изделия (на рис. 63 заштрихованная область).
/>
Рис. 62. Изменениевлажности при одностадийной сушке на гипсовых формах фаянсовых (1) и фарфоровых(2) тарелок и при двухстадийной сушке фаянсовых (3) и фарфоровых (4) тарелок
/>
Рис. 63. Кривые скоростисушки 1 — максимально допустимой; 2 — фактической; 3 — область вероятногорастрескивания изделий
Наименее эффективным присушке является испарение влаги с полуфабриката методом конвективного нагреваего теплоносителем, так как передача теплоты изделию осуществляетсянедостаточно интенсивно из-за плохой теплопроводности воздуха, омывающегоповерхность изделия, Использование радиационного обогрева электрическими игазовыми излучателями с направленным потоком лучистой энергии на каждое изделиев отдельности наиболее эффективно.
Основным преимуществомновых методов сушки является непосредственное повышение температуры в самомподвергающемся сушке полуфабрикате без участия газовой (воздушной) среды какпередатчика теплоты.
Эти методы сушки могутбыть различны: кондуктивные, диэлектрические, сверхвысокочастотные илимикроволновые. При диэлектрической сушке можно применять прерываемый(импульсный) режим. Недостаток этих методов сушки — высокая стоимость исложность установок для сушки полуфабриката.
Сушка инфракраснымизлучением — один из новых и весьма перспективных методов сушки, широковнедряемый в промышленность совместно с конвективным нагревом. При нагреве полуфабрикатаинфракрасными лучами происходит поглощение материалом изделия лучистой энергиис длиной волны 140—650 нм с последующим переходом ее в тепловую энергию.Глубина проникновения инфракрасного излучения в керамический полуфабрикатопределяется его материалом и структурой, но вообще мала — 0,05—1 мм. Капиллярыили поры многократно отражают лучи от своих стенок, энергия этих лучей можетпоглощаться почти полностью, как абсолютно черным телом. Шероховатостьповерхности изделий, наличие царапин, волнистости, загрязнения поверхностиувеличивают коэффициент поглощения лучей.
При сушке изделийинфракрасными лучами учитывают, что фарфоровое изделие поглощает значительнобольшее количество лучистой энергии, а гипсовая форма поглощает ее во много разменьше, что может привести к ее перегреву. При замене гипсовых форм на формы издругих материалов (керамических и др.) опасность их перегрева снижается.Продолжительность сушки изделий 15—30 мин при толщине стенок 2,5— 4 мм. Широкому распространению сушил радиационного типа способствует резкое сокращениепродолжительности сушки за счет повышения средней скорости влагоотдачи до 3,25кг/м2 ч против 0,4 кг/м2 ч, достигаемой при конвективной сушке.
При использованииинфракрасного излучения или комбинированной сушке необходимо обеспечитьинтенсивный отбор влажного воздуха, так как пары воды, образующиеся надповерхностью изделий, сильно поглощают инфракрасные лучи, снижая тем самымэффективность сушки.
При газовом отоплении вкачестве излучателей применяют инжекторные горелки (микрофакельные), приэлектронагреве — лампы марок ЗС, ЗС-1 и другие мощностью 500 Вт,карбидокремневые нагреватели, металлические нагреватели из нихромовойпроволоки. Температура нагрева излучателей около 850—650° С. При сушке в первойстадии в гипсовых формах мощность лучистой энергии определяется необходимостьючастичного нагрева гипсовой формы и достигает 25 Вт/см2, в то время как вовторой стадии без формы она снижается до 0,2—0,8 Вт/см2. Продолжительностьпервой стадии сушки 15—20 мин, второй 10—15 мин. Расход электроэнергии в первойстадии сушки около 2 Вт-ч на 1 кг испаряемой влаги.
Организация скоростной, втом числе и высокотемпературной сушки наиболее полно отвечает требованиямавтоматизированного производства изделий.