книги / Технология керамических материалов

3.3. Сушка керамических изделий

3.3.1.Теоретические основы и технология сушки

Сушкой называют процесс удаления влаги из кусковых или тонкозернистых материалов, шликеров, свежеотформо- ванного полуфабриката (сырца), протекающий в естественных (естественная сушка) или искусственных (искусственная суш- ка) условиях. Искусственная сушка – процесс удаления влаги из материалов (полуфабрикатов), протекающий в сушилках:

–в условиях подвода теплоты к влажному материалу от источника тепловой энергии посредством конвекции или радиации;

–при условии, что давление водяных паров у поверх- ности материала больше давления (концентрации) водяных паров в окружающей среде.

Движущая сила процесса сушки – градиент влажно- сти (градиент упругости водяных паров) между поверхно- стью высушиваемого материала и окружающей средой:

Процесс испарения влаги с поверхности изделия и пе- реход ее в виде паров в окружающую среду называют внеш- ней диффузией. Внешняя диффузия обусловлена присутстви- ем теплоносителя, который поглощает поверхностную влагу и удаляет ее. Она зависит от температуры, скорости движе- ния и влажности теплоносителя. При ∆ W > 0 (Wм > Wср) ма- териал отдает влагу в окружающую среду за счет массопе-

жающей среды до значения Wм, соответствующего (при данной температуре) гигроскопичной влажности (материал обладает гигроскопичностью).

141

Вследствие внешней диффузии между поверхностью материала (полуфабриката) и его внутренними частями, воз- никает в свою очередь, градиент влажности, инициирующий процесс внутренней диффузии.

Процесс переноса воды в объеме пористого материала в направлении понижения градиента влажности, осуществ- ляемый посредством внутренней диффузии, называется вла-

гопроводностью

Внутренняя диффузия определяется влагопроводно- стью массы, температурой влаги в материале и внешней диффузией.

Влага мигрирует из внутренних слоев на поверхность материала до полного удаления химически не связанной вла-

ги ( ∆ W = 0).

Сушка керамического полуфабриката осуществляется

сцелью:

–достижения достаточной прочности полуфабриката, необходимой для транспортировки и усадки в печах при обжиге;

–предотвращения дефектов при обжиге изделий (тре- щин, разрывов, вздутий), которые могут возникнуть из-за бы- строго удаления воды, разложения органических соединений;

–завершения объемных изменений (усадки).

Изменение влажности происходит за период времени,

определяемый как длительность сушки.

Скорость сушки – количество влаги, удаляемой с еди- ницы поверхности полуфабриката в единицу времени. Ос- новными технологическими параметрами, оказывающими влияние на скорость сушки, являются температура, влаж- ность теплоносителя и скорость его движения над поверхно- стью подвергаемого сушке полуфабриката. Скорость сушки увеличивается при повышении температуры и скорости дви- жения теплоносителя; при повышении влажности теплоноси- теля скорость сушки снижается.

142

Наиболее сложна сушка полуфабриката, сформованно- го из высокочувствительного к сушке глинистого сырья ме-

тодом пластического формования, что обусловлено низкой трещиностойкостью данного сырья и значительной влажно- стью массы (22–25 %).

Сушка полуфабриката, сформованного методом ли- тья, осложняется повышенной влажностью изделий, его вы- сокой объемной усадкой ( ≈ 25 %) и низкой влагопроводно- стью. При этом возможно появление мелких несквозных трещин (посечек), вызванных рядом причин:

–использование для заливки свежего (невыдержанно- го) шликера, что приводит к неравномерному смачиванию глинистых частиц;

–присутствие в шликере избытка электролита;

–пониженная вязкость шликера и его повышенная вла- гопроводность.

Значительно проще проводить сушку полуфабриката, полученного прессованием (особенно в случае присутствия

отощетелей), что обусловлено его меньшей объемной усад- кой ( ≈ 10 %) и высокой влагопроводностью. Процесс сушки при таком способе формования можно сократить ускорением внутренней диффузии за счет повышения температуры суш- ки и совместить сушку и обжиг полуфабриката в одном тепло- вом агрегате.

Процесс сушки необходи-

мо проводить по оптимальному режиму (рис. 67).

Оптимальный режим суш- ки подразумевает комплекс ме-

143

иособенностей сушильных устройств, а также рациональ- ный подвод теплоты к высушенному изделию с минималь- ными потерями.

После нагрева поверхности свежеотформованного ма- териала до заданной температуры (при данных влажности

искорости движения теплоносителя) начинается собственно сушка. Изменение зависимости скорости сушки и усадки по-

луфабриката от влажности (процесс сушки) происходит

втри этапа: в начальный период сушки (нагрев изделий) те-

плота, подводимая к материалу, расходуется на подогрев из- делия от начальной температуры до температуры теплоноси- теля. Влажность изделия уменьшается незначительно. Влага

вжидкой фазе перемещается из глубины изделия к его по- верхности испарения (внутренняя диффузия). Перемещение влаги из центра изделия с высокой влажностью к его поверх-

ности, то есть к участку с низкой влажностью, зависит от скорости испарения влаги с поверхности изделия, поэтому скорость внешней диффузии должна быть больше или равна

скорости внутренней диффузии (Vвнеш.диф ≥ Vвнут.диф). Жела-

тельно уменьшить разность между скоростью внешней и внутренней диффузии. Легче регулировать внешнюю диф- фузию, меняя параметры теплоносителя: температуру, ско- рость движения, влажность. Основными путями повышения внутренней диффузии следует считать:

–введение песка, шамота, древесного опила, которые увеличивают пористость, а древесный опил сам является вла- гопроводным материалом.

–введение электролитов (0,5 %-ный раствор СаСl2;

Ca(OH)2-известь и др.), но их трудно перемешать в пластич- ной массе равномерно, а известь – коагулятор, снижает пла- стичность массы.

– использование смешанного состава глин, то есть глин, различающихся по дисперсности. Известно, что влаго- проводность ухудшается в присутствии мелкодисперсных

144

частиц. Можно допустить до 13 % частиц < 2 мкм, если их больше, то наблюдается ухудшение влагопроводности.

–повышение внутренней диффузии влаги в изделии можно обеспечить, не изменяя влагопроводность глин. На- пример, при пароувлажнении глин, то есть при прогреве паром низкого давления 0,05–0,07 МПа с температурой 180–220 º С, сокращается длительность сушки изделий, так как отсутствует первоначальная конденсация влаги в материале при подаче теплоносителя, и материал начинает сохнуть с первого момен- та соприкосновения с теплоносителем.

Введение в глину керосина в количестве 0,5 % или ЛСТ, действующих как поверхностно-активные добавки, способствует переводу части связанной воды в свободную.

Снижается требуемое количество воды затворения (Взатв). Поверхностные слои изделия отдают больше влаги,

чем внутренние и имеют большую усадку. В результате по- верхностные слои начинают испытывать растягивающие усилия, а внутренние – сжимающие, что при недостаточной прочности материала приводит к поверхностным трещинам на изделии. После окончания усадки поверхностных слоев,

ипри продолжающейся усадке внутренних слоев могут воз-

никнуть внутренние структурные трещины в изделии. Наи-

более значительная усадка происходит, именно, в начальный период сушки и он самый ответственный. Первый период завершаетя при критическом значении влажности (Wкрит), когда усадка прекращается и, достигнув максимального зна- чения, во втором и третьем периоде не изменяется.

Чтобы не происходило растрескивания поверхности из- делия, необходимо соблюдать определенный градиент влаж- ности (∆W) между влажностью середины полуфабриката (Wсер)

ивлажностью поверхности (Wпов).

–в основной период сушки (постоянная скорость суш- ки) влага с поверхности изделий испаряется, и водяные пары поглощаются окружающим воздухом или газами (внешняя

145

диффузия). В основном периоде сушки влага удаляется с по- стоянной скоростью, до тех пор, пока влажность на поверх- ности изделий не начнет уменьшаться.

Для уменьшения внешней диффузии используют по- крытие кирпича влагоудерживающей пленкой, уплотняют поверхность изделий прикаткой роликами, которые прикреп- ляют к мундштуку. Можно орошать поверхность составом из 3 частей нефти + 1 часть воды + 1 часть известкового мо- лока, что замедляет удаление воды с поверхности.

Скорость движения воздуха тоже повышает интенсив- ность сушки, но не влияет на влагопроводность и приводит к пересыханию поверхности плиток.

При выборе оптимальной скорости сушки изделий по- лусухого прессования учитывают, что:

–что, при быстром прогреве тонких изделий с низкой влажностью вода превращается в пар уже в теле изделия. Ин- тенсивное перемещение пара к поверхности изделия может вызвать «взрыв» плитки;

–при различной влажности нижней и верхней поверх- ностей плиток возникает коробление плиток. При этом по- верхность, имеющая большую влажность и температуру, имеет большую усадку, в связи с чем она коробится в сторо- ну поверхности с большей влажностью и температурой;

–при сушке возможно расслоение плиток, растрески- вание их параллельно поверхности. Расслоение плиток может быть обусловлено:

–присутствием запрессованного воздуха в прессовке;

–повышенным давлением прессования или перепрес- совкой изделий (трудно удаляется влага);

–использованием тонкоизмельченного сырья (в этом слу- чае также затруднена отдача влаги через мелкие капилляры).

В период замедленной («падающей») скорости сушк постепенно уменьшается влажность изделий до минимально- го остаточного количества. Этот период характеризуется не-

146

прерывным снижением скорости сушки и незначительным снижением величины усадки изделий. Влажность, которую имеет изделие в момент прекращения усадки, называется

критической влажностью (Wкрит). Усадка заканчивается до окончания периода сушки.

Конец третьего периода характеризуется равновесной влажностью, при которой прекращается уменьшение массы изделия и скорость сушки равна нулю. Затем происходит удаление водяных паров из сушильного пространства возду- хом или газами.

3.3.2. Сушилки керамического производства

Сушилки – тепловые агрегаты, предназначенные для удаления влаги из кусковых или тонкозернистых материалов,

шликеров, а также сфежеотформованного керамического полуфабриката. На продолжительность процесса сушки су- щественное влияние имеет тип применяемых сушилок.

Сушилки, обычно применяемые для сушки керамиче- ского полуфабриката, различают:

–по цикличности работы: периодические (камерные)

инепрерывного действия (барабанные, распылительные,

туннельные, конвейерные);

–по кратности использования теплоносителя: с одно- кратной и многократной рециркуляцией газов;

–по методу подогрева теплоносителя: с центральным

иместным подогревом.

К прогрессивным способам сушки относится цикличе- ская сушка, при которой сырец омывается пульсирующим потоком теплоносителя. Для уменьшения перепада темпера- тур по высоте канала и для повышения влажности среды ис- пользуют рециркуляцию газов.

Конвейерные сушилки используются для сушки сани- тарно-технических и плиточных изделий.

147

часть камеры; удаление отработанного теплоносителя произ- водится в ее верхней части. В процессе сушки изделия непод- вижны, а необходимые в данный период сушки параметры (температура, влажность и скорость движения теплоносителя) контролируются системами автоматического регулирования.

Наиболее сложным является выбор сушилок при про- изводстве полнотелого кирпича пластического формования из высокочувствительного к сушке глинистого сырья. Даже на импортных линиях конструктивное исполнение сушилок не соответствует сушильным свойствам такого сырья. По- этому многие заводы выпускают пустотелый кирпич, для ко- торого процесс сушки значительно облегчен.

Туннельные сушилки – широко распространенные не- прерывно действующие тепловые агрегаты конвективного типа (рис. 70).

Рис. 70. Туннельная сушилка: 1– приточный канал; 2, 6 – заслонки; 3 – двери; 4 – вагонетка с изделиями; 5 – туннель; 7 – вытяжной канал

Размеры туннеля стандартной сушилки: длина – 30 м, ширина – 4,5 м, высота – 3 м. Количество туннелей в сушил- ке может быть разным (7, 10, 18). Высушиваемые изделия размещают на вагонетках, проталкиваемых с заданным рит- мом через тоннель цепным толкателем.

Что касается аэродинамического и теплового режима сушильных установок, то на равномерность сушки оказывает влияние тип применяемой садки изделий на вагонетки. Тип садки обуславливает характер движения теплоносителя и усло- вия сушки в различных участках поперечного сечения туннеля.

149

Применяют полочную и штабельную садку изделий на сушильные вагонетки (рис.71,72).

Рис. 71. Пример полочной садки Рис. 72.Штабельная садка сырца сырца с разрежением в нижних на сушильную вагонетку

рядах вагонетки

При полочной садке изделий сушка изделий в нижних рядах замедленна, что объясняется более медленным движе- нием теплоносителя около пода туннеля. Поэтому на нижних полках часто применяют разреженную садку изделий, при этом несколько выравниваются условия сушки по высоте туннеля. Применение полок удорожает стоимость изделий.

В простых противоточных сушилках предложена шта- бельная садка изделий на вагонетки, при этом наблюдается более полное заполнение объема сушилки воздухом (рис. 73).

Для туннельных сушилок кирпич укладывается на ва- гонетки с сушильными рамками.

Рис. 73. Схема движения воздуха

втуннельной сушилке при полочной (а)

иштабельной (б) садке

150