Сушка керамики
Физико-химические процессы при сушке
Сушка керамических материалов и изделий (полуфабрикатов) производится с целью изменения их технологических и физико-химических свойств: снижения влажности и повышения механической прочности.
Технологический процесс сушки подчиняется закономерностям тепло-и массопереноса в капиллярно-пористых телах, каковыми являются керамические изделия. Режим сушки зависит от способа подвода теплоты к материалу, условий тепло- и массообмена, формы связки влаги с материалом как фактора, определяющего скорость испарения, условий движения влаги по капиллярам, и от теплотехнических параметров окружающей среды. По форме связи влагу в материале, согласно классификации П.А. Ребиндера, разделяют на химическую, физико-химическую и физико-механическую.
Химическая влага удаляется из кристаллической решетки глинистого (или другого) минерала при обжиге. Физико-механическая влага содержится в микро- и макрокапиллярах. Физико-химическая и физико-механическая влага может быть свободной и связанной, в частности, в гидратную оболочку глинистых частиц, которые удаляются при сушке.
В процессе сушки перемещение влаги осуществляется в результате воздействия потенциалов переноса теплоты и массы, градиента температур и массопроводности. Влага при сушке перемещается в жидком состоянии и в виде пара.
По способу передачи тепла сушка может осуществляться конвекцией, излучением, контактным и высокочастотным, а также комбинированными способами. В частности, при конвекционном процессе сушки керамические изделия омываются горячими газами или воздухом. При этом с поверхности изделия удаляется влага, т.е. имеет место внешняя диффузия Вследствие возникающей разности концентраций влаги на поверхности и внутри изделия, она будет непрерывно поступать из глубины к поверхности изделия, стремясь выровнять концентрацию, т.е. будет происходить внутренняя диффузия.
Внешняя диффузия зависит, главным образом, от параметров теплоносителя (температуры и относительной влажности) и от скорости его движения. Внутренняя диффузия зависит от градиента влажности и влагопроводности материала, и скорость ее меньше внешней диффузии. Внешняя и внутренняя диффузии сопровождаются усадкой изделия (уменьшением его размеров), движущей силой которой является изменение поверхностной энергии. Усадка имеет место лишь до определенного предела влажности сырца. Процесс сушки керамики в зависимости от времени можно представить диаграммой (рис. ). Как видно из диаграммы, вся сушка осуществляется в 3 периода.
Длительность сушки, ч
Рис. Зависимость усадки и влагосодержания от времени сушки керамики
В первый период сушки (I) линия усадки совпадает с линией влагосодержания, т.е. объем усадки равен объему удаляемой влаги. Это свидетельствует о том, что влага удаляется только с поверхности зерен. Твердые частицы сближаются, уменьшая объем изделия на величину объема удаленной влага. В этот период сушки наблюдается максимальная усадка изделий, и он является наиболее опасным. С точки зрения образования трещин это еще обусловливается и тем, что сушка в объеме идет неравномерно. Наружные слои высыхают быстрее, сокращаются в объеме, тогда как внутренние, более влажные слои, сокращаются медленнее. Неравномерность усадки вызывает внутренние напряжения в изделии, деформацию сырца и растрескивание. Поэтому в начальный период скорость сушки должна быть невысокой.
Во втором периоде сушки (II) усадка практически заканчивается, материал достигает критической влажности (точка К рис..), поскольку водная пленка с поверхности частиц испарилась, и твердые частицы уже не сближаются. Влага капилляров перестает достигать поверхности, и процесс испарения переносится в глубину изделия. Поры заполняются паром и воздухом. Процесс сушки становится менее опасным с точки зрения скорости сушки и возникновения трещин.
В третьем периоде (III), когда удалена вся усадочная влага, напряжения в изделии не возрастают и процесс сушки можно интенсифицировать.