Теоретические основы сушки и сушильные устройства

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 адсорбци-онно, 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.

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 WK0B, которая меньше критической WKp, но больше или равна равновесной влажности Wv: WKp>

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.

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, 3 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.

Удаление влаги при постоянном объеме изделий вы­зывает образование пор. Эта влага называется водой пор, и для пластичных масс ее количество составляет 10—18%- Количество усадочной воды зависит от перво­начальной влажности массы, в то время как вода пор является величиной постоянной для данной массы.

Воздушная усадка полуфабриката начинается в ме­стах интенсивной влагоотдачи, т. е. с его поверхности. Усадка поверхностных слоев при влажных внутренних слоях сопровождается образованием в них растягиваю­щих усилий. Давление сжимающих поверхностных сло­ев вызывает сжатие внутренних слоев. Пока масса по­луфабриката сохраняет пластические свойства, растяги­вающие усилия в поверхностном слое компенсируются пластическими деформациями. Если растягивающие усилия превысят прочность, на полуфабрикате образу­ются поверхностные трещины, что чаще наблюдается в начале сушки.

С перемещением зеркала испарения 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 свя­зей внутренних и поверхностных слоев. Это иногда при­водит к образованию внутренних трещин (структур­ных), что обычно наблюдается в третьем периоде суш­ки. С прекращением усадки ослабевают внутренние на­пряжения и дальнейшее удаление влаги не вызывает деформаций полуфабриката.

При неравномерной сушке в различных сторонах полуфабриката возможно его коробление. При скорости сушки, значительно превышающей допустимую для дан­ной массы, в высушенном полуфабрикате могут сохра­ниться остаточные напряжения, придающие ему хруп­кость.

Величина воздушной усадки зависит от свойства массы и определяет чувствительность ее к сушке. Вели­чина воздушной усадки должна быть минимальной, но достаточной для свободного отделения и освобождения изделий из формы. Повышенная усадка массы сопро­вождается деформацией, появлением трещин, увеличе­нием остаточных напряжений. Усадка, как и величина усадочных напряжений, регулируется вводом добавоч­ных материалов, изменяющих условия внутренней и внешней диффузии влаги.

Регулирование внутренней диффузии влаги в полу­фабрикате достигается согласованными действиями по двум направлениям: замедлением внешней диффузии путем изменения температуры, относительной влажности и скорости теплоносителя и увеличением внутренней диффузии влаги вводом в массу отощаю­щих материалов — кварцевого песка, боя изделий и др. Электролиты с двухвалентным катионом (Са2+ и др.) также снижают формовочную влажность массы, вызы­вают коагуляцию глинистых частиц, способствуют ук­рупнению капилляров, освобождая их от взвешенных частиц, улучшают влагопроводность материала, снижая его воздушную усадку. Вакуумирование массы также способствует уменьшению усадки при сушке.

Снижение воздушной усадки массы приобретает осо­бую актуальность в условиях автоматизированного про­изводства ввиду более жестких условий тепловой обра­ботки изделий.

Продолжительность сушки изделий зависит от тех­нологических свойств массы, начальной и конечной температуры полуфабриката и теплоносителя, относи­тельной влажности теплоносителя, размера, вида и кон­фигурации изделий, температурного режима, конструк­тивных особенностей сушильных устройств. Она колеб­лется от 10—13 мин до 4 и более часов в искусственных и до 2 сут в естественных сушилках и может быть со­кращена в первом периоде за счет добавки в массу ото­щающих материалов, а во втором — за счет повышения температуры и скорости теплоносителя.

Использование части отработанного теплоносителя или добавочное увлажнение его при работе на калори­ферах, а также организация сушки полуфабриката большими объемами теплоносителя сокращают продол­жительность второго периода сушки. Сокращение треть его периода сушки дости­гается повышением темпе­ратуры.

Исследования показа­ли, что длительность суш­ки, например фарфоро­вых и фаянсовых тарелок, может быть значительно сокращена как при одно­стадийной, так я при двухстадийной сушке при условии цикличной пода­чи теплоносителя, нагре­того до 140—320° С, на­правленным потоком на изделия со скоростью 1, 5—2 м/с (рис. 62). Од­ностадийная сушка фаян­совых тарелок возможна за 9—10 мин (кривая /), двухстадийная за 8— 10 мин до влажности 3— 4% (кривая 3). Фарфоро­вые тарелки можно высушить до влажности 3—4% на гипсовой форме (одностадийная сушка) за 11—16 мин, при двухстадийной сушке до влажности 2—3% за 10—11 мин (кривые 2 и 4). Замена гипсовых форм на формы из других материалов и подача теплоносителя направленным потоком позволяют повысить температу­ру сушки до 250—320° С при его цикличной подаче. Ис­пользование радиационного обогрева позволяет сокра­тить при двухстадийной сушке первую стадию сушки полых изделий до 3—4 мин, вторую стадию сущки плос­ких изделий — до 10 мин и полых — до 3—4 мин. При любом форсировании процесса сушки скорость ее не должна превышать максимально допустимую, так как возможно растрескивание изделия (на рис. 63 заштри­хованная область).

Наименее эффективным при сушке является испаре­ние влаги с полуфабриката методом конвективного на­грева его теплоносителем, так как передача теплоты из­делию^ осуществляется недостаточно интенсивно из-за плохой теплопроводности воздуха, омывающего поверх­ность изделия. Использование радиационного обогрева электрическими и газовыми излучателями с направлен­ным потоком лучистой энер­гии на каждое изделие в от­дельности- наиболее эффек­тивно.

Основным преимущест­вом новых методов сушки является 'непосредственное повышение температуры в самом подвергающемся суш­ке полуфабрикате без учас­тия газовой (воздушной) среды как передатчика теп­лоты.

Эти методы сушки могут быть различны: кондуктив-ные, диэлектрические, сверхвысокочастотные или микро­волновые. При диэлектрической сушке можно применять прерываемый (импульсный) режим. Недостаток этих методов сушки — высокая стоимость и сложность уста­новок для сушки полуфабриката.

Сушка инфракрасным излучением — один из новых и весьма перспективных методов сушки, широко внед­ряемый в промышленность совместно с конвективным нагревом. При нагреве полуфабриката инфракрасными лучами происходит поглощение материалом изделия лу­чистой энергии с длиной волны 140—650 нм с после­дующим переходом ее в тепловую энергию. Глубина про­никновения инфракрасного излучения в керамический полуфабрикат определяется его материалом и структу­рой, но вообще мала — 0, 05—1 мм. Капилляры или по­ры многократно отражают лучи от своих стенок, энер­гия этих лучей может поглощаться почти полностью, как абсолютно черным телом. Шероховатость поверх­ности изделий, наличие царапин, волнистости, загряз­нения поверхности увеличивают коэффициент поглоще­ния лучей.

При сушке изделий инфракрасными лучами учитыва­ют, что фарфоровое изделие поглощает значительно большее количество лучистой энергии, а гипсовая фор­ма поглощает ее во много раз меньше, что может при­вести к ее перегреву. При замене гипсовых форм на формы из других 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 сокращение продолжитель­ности сушки за счет повышения средней скорости вла­гоотдачи до 3, 25 кг/м2 ч против 0, 4 кг/м2 ч, достигаемой при конвективной сушке.

При использовании инфракрасного излучения или комбинированной'сушке необходимо обеспечить интен­сивный отбор влажного воздуха, так как пары воды, образующиеся над поверхностью изделий, сильно погло­щают инфракрасные лучи, снижая тем самым эффектив­ность сушки.

При газовом отоплении в качестве излучателей при­меняют инжекторные горелки (микрофакельные), при электронагреве — лампы марок ЗС, ЗС-1 и другие мощ­ностью 500 Вт, карбидокремневые нагреватели, металли­ческие нагреватели из нихромовой проволоки. Темпе­ратура нагрева излучателей около 850—650° С. При сушке в первой стадии в гипсовых формах мощность лучистой энергии определяется необходимостью частич­ного нагрева гипсовой формы и достигает 25 Вт/см2, в то время как во второй стадии без формы она сни­жается до 0, 2—0, 8 Вт/см2. Продолжительность первой стадии сушки 15—20 мин, второй 10—15 мин. Расход электроэнергии в первой стадии сушки около 2 Втч на 1 кг испаряемой влаги.

Организация скоростной, в том числе и высокотемпе­ратурной сушки наиболее полно отвечает требованиям автоматизированного производства изделий.