CC BY
20УДК 666.3.047
В.Я. ТОЛКАЧЕВ, д-р техн. наук, главный технолог ООО «Сибирский элемент» (Красноярск)
Реальные сушильные процессы и новые решения оценки трещинообразования
Сушка — один из самых важных и сложных этапов производственного процесса. Проблематичный сушильный агрегат может стать тем узким местом, в котором застопорится как производительность, так и рентабельность всего производства. Задача по организации бездефектной сушки актуальна для каждого предприятия.
Настоящее исследование посвящено применению методов адсорбционно-термометрического анализа к технологическому процессу сушки и теоретическому обоснованию полученных результатов, в том числе разработке новых критериев трещинообразования, а также практическому доказательству достоверности сделанного предположения [1, 2]. Исследования проведены на сушильной печи туннельного типа Тегат-10 (Испания).
Сушка — достаточно сложный процесс, на который влияют многочисленные факторы: природа глины, степень ее подготовленности и однородности, напряжения, которые могли возникнуть при формовании, конструкция и формат изделия, равномерность или неравномерность сушки. При сушке изделию необходимо проделать путь, обратный, пройденному глиной при смешивании с водой (при затворении).
Считается, что процесс сушки состоит из трех периодов: прогрева, постоянной скорости сушки и падающей скорости сушки. Размеры большинства материалов в процессе сушки уменьшаются, то есть происходит усадка.
Основным препятствием для быстрой сушки многих материалов является их растрескивание. Причиной появления трещин (локальное разрушение), а так же полного разрушения (потеря целостности структуры) является развитие объемно-напряженного состояния сушимого материала свыше предельно допустимого, обусловленного прочностью материала.
В реальных телах местный разрыв всегда возникает при значительно меньших напряжениях вследствие наличия дефектов, слабых мест и трещин, развивающихся в напряженном состоянии. При этом необходимо иметь в виду, что предельные напряжения для деформации растяжения в несколько раз больше, чем для деформации сдвига. Именно эти места — зародыши будущих трещин разрыва, и являются причиной возникновения
Температура, оС
Температура, оС
Рис. 1. Характер изменения скорости (а) и продолжительности (б) разогрева от температуры
опасных касательных напряжении, которые следует рассматривать как единственную причину разрыва.
При производстве керамических стеновых материалов используют природное глинистое сырье, относящееся к дисперсным твердым веществам. При этом чаще всего применяют концентрированные суспензии таких веществ, т. е. системы твердое тело—вода. Вода распределяется по поверхности частиц глины в виде пленок. При этом толщина прослоек воды, образующихся на поверхности частиц глины, достаточно мала. Пленочная вода существенно отличается по своиствам от объемноИ воды. У нее изменяется структура, плотность, теплоемкость и другие своИства. Например, теплопроводность пленочноИ воды на поверхности слюды больше, чем у объемноИ в 100 раз.
Различия в своИствах воды в зависимости от ее состояния положены в основу методов адсорбционно-термометрического анализа дисперсных материалов (методы АТА) [3]. Полученные результаты разработки перенесены в данном случае на процесс сушки.
Глина и вода относятся к полярным веществам. Методами АТА доказано, что теплофизические своИ-ства полярных веществ (глин) можно описать не только традиционными характеристиками, но и скоростью и продолжительностью разогрева (рис. 1). При этом выявленные закономерности распространения тепла или изотермическоИ поверхности внутри изделия имеют криволинеИныИ (экстремальным) характер. Экстремальная точка характеризует состояние системы глина—вода в тот или иноИ период производства.
Дополнительными исследованиями установлено, что и процесс охлаждения (будь то материал или изделие) также имеет экстремальным характер (рис. 2). При этом возникает вероятность первичного трещинообра-зования. Причем расположение точки экстремума зависит в каждом случае от начальноИ температуры разогретого материала.
Таким образом теоретически, чем выше температура разогретого изделия и чем ниже температура окружающеИ его среды, т. е. чем больше температурныИ градиент, тем больше вероятность первичного трещинообразования.
ПереИдем к реальным (производственным) процессам.
Практически процесс сушки начинается еще на этапах формования и загрузки сушильных тележек, то есть до начала собственно этапа сушки [1, 2].
В процессе экструзии масса от трения о стенки экс-трузионноИ машины дополнительно нагревается до определенноИ температуры. Это зависит от технического состояния машины, и в определенные моменты повышение температуры может достигать значительных величин. Повышение температуры бруса оказывает значительное влияние на качественные показатели сформованного полуфабриката и в конечном итоге готовоИ продукции.
Таким образом, при выходе из экструдера сформо-ванныИ брус имеет нормальную или повышенную температуру. При этом происходят тепло-массообменные процессы между брусом и окружающеИ средоИ (рис. 1, 2.). Скорость охлаждения в период транспортировки, резки и загрузки сушильных тележек зависит от температур-
rj научно-технический и производственный журнал
J^J ® декабрь 2011 33
160
150
145
135
140 g
130
125
115
120
110
100 в
- 105
220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90
16 14 12 10 8 Температура,
6 оС
20 17 14 11 8 Температура, оС
17 15 13 119 7 Температура,
5 оС
Рис. 2. Кривые охлаждения глинистых материалов Тисульского, Обского месторождений и Просяновского каолина
ного градиента изделие—окружающая среда. От этого зависит на данном этапе качество полуфабриката и стойкость к первичному трещинообразованию.
Далее загруженная сушильная тележка заходит в сушильную печь на запасной путь. При несовпадении температуры свежесформованного изделия и температуры среды входа происходит дальнейшее охлаждение изделий за счет начавшегося испарения воды затворения (рис. 2.).
При поступлении сушильных тележек на рабочие пути сушилки происходит нагрев и собственно сушка полуфабриката (сырца изделий). При этом разогрев также имеет экстремальный характер (рис. 1.). Так как от величины скорости разогрева зависит скорость продвижения изотермической поверхности внутрь изделия, то ее превышение без учета свойств глинистого материала приводит к проявлению вторичного трещинообразования.
Чтобы предотвратить вторичное трещинообразова-ние необходимо настроить сушилку на режим, который учитывает характеристики глинистого материала и его технологические свойства, а так как глинистые материалы имеют различный состав (химический, минералогический, гранулометрический), то и опасные условия у них будут отличаться друг от друга.
250
. 230
210
190
170
150
130
200
180
о- 160
140
120
100
25 35 45 55 65
Температура массы, оС
Температура массы, оС
25 35 45 55 65 Температура массы, оС
Рис. 3. Изменение продолжительности разогрева глинистых масс по температуре Кривые разогрева мономинеральных глин. а - каолина, б - гидрослюдистой глины, в - монтмориллонитовой глины - бентонита
Проиллюстрируем данное утверждение. При исследовании разогрева сухих глинистых материалов по методике АТА получены результаты, качественно характеризующие преобладание того или иного минерала (той или иной группы минералов) или уточняющие результаты предыдущего определения минералогического типа глинистого материала.
Установлено, что повторный разогрев (кривые 2) проходит у различных материалов по-разному (рис. 3). У глинистых материалов экстремальная точка сдвигается вправо. На этом основании можно утверждать, что с одной стороны данный факт свидетельствует о памяти материалов на термическое воздействие, а с другой стороны — о дополнительных возможностях разработанных методов АТА по определению преимущественного содержания того или иного минерала. Метод определения количественного соотношения глинистых минералов приведен в [3]. Кроме того, данное исследование несет дополнительную информацию как критерий трещиноо-бразования [1, 2].
Автором был установлен интервал температуры при разогреве концентрированных керамических суспензий, какими являются сформованные керамические изделия [3], который мог бы служить критерием трещи-нообразования при сушке. Однако на практике при настройке режимов работы сушильной печи «Teram-10» оказалось, что сушильные дефекты проявлялись при других значениях температуры. Это объясняется тем, что в процессе сушки влажность изделия уменьшается и поэтому температурный интервал трещинообразова-ния, характерный для концентрированных керамических суспензий, становится не критичным. Обоснование этого явления было сделано в результате анализа ранее выполненных исследований при разработке метода определения минералогического типа глинистых материалов. В результате разработана тройная диаграмма (рис. 4) для определения критических значений температуры трещинообразования при сушке керамических изделий в зависимости от минералогического состава глинистой составляющей керамической массы.
Достоверность выполненного исследования подтверждена многолетней эксплуатацией установленных режимов сушки на промышленной сушильной печи Teram-10 в Красноярске [1].
Подтверждением правильности сделанных выводов о новом критерии трещинообразования и механизме процесса сушки также является инструментальное обследование, выполненное специалистами испанской фирмы «Solincer» в декабре 2006 г. (рис. 5) с помощью автоматического прибора серии «DATAPAC& CERIDRY». Результаты проведенных измерений подтвердили теоретическую и практическую достоверность сделанных автором выводов о возможности применения разработанного критерия трещино-образования применительно к на-
а
в
научно-технический и производственный журнал ■Q'j'pyyrj'SjJ.yj-liyJS "34 декабрь 2011 Ы ®
0 100
Каолинит
100
0
100
40 60
Монтмориллонит
Рис. 4. Взаимосвязь критической температуры трещинообразования и минералогического состава глинистого сырья
стройке и регулировке сушильных печей керамического производства.
Приведенные на рис. 5 результаты измерений графически показывают изменение влажности сушильного агента, его температуры, усадочных характеристик изделий. Пилообразный характер кривых свидетельствуют о конструктивных особенностях сушильной печи и об организованном в ней процессе сушки. Изменение влажности и температуры сушильного агента за относительно небольшой промежуток времени (увеличение показателя с дальнейшим снижением) за счет перемещения поезда рециркуляторов по длине сушильного
канала положительно влияет на процесс сушки, так как создается более мягкий режим сушки изделий после их интенсивного обдува.
Выявленные особенности организации процесса сушки в комплексе со знанием скоростных (температурных) критериев трещинообразования послужили основой для разработки режимов бездефектной сушки.
На основании выполненной отработки технологических параметров сушки керамического кирпича автором доказана принципиальная возможность использования методов АТА при теоретическом обосновании сушильных процессов, что и подтверждено опытом эксплуатации технологии сушки кирпича в сушильной печи Тегат-10.
В результате проведенных исследований установлены дополнительные причины и новые критерии трещи-нообразования. Данные выводы теоретически обоснованы и подтверждены практически путем отработки режимов сушки в условиях действующего производства.
Ключевые слова: методы адсорбционно-термометри-ческого анализа, сушка керамических изделий, трещиноо-бразование, режим сушки, бездефектная сушка
Список литературы
1. Толкачев В.Я. Технология качественной сушки изделий из глин. Красноярск: Компьютерные технологии, 2008. 142 с.
2. Толкачев В.Я. Технологическая линия производства кирпича «AGEMAC». Красноярск: Компьютерные технологии, 2009. 602 с.
3. Толкачев В.Я., Бердов Г.И., Толкачева Н.П. Адсорб-ционно-термометрические методы исследования дисперсных материалов. Изд. 2-е. Красноярск: Компьютерные технологии, 2002. 270 с.
154.2 0.0 97
40.0
153.1
-0.6
152.0 36.0
■1.3 78
150.9 34.0
■2.0
149.7 32.0
■2.6 58
148.6 30.0
■3.3
■3.9
■4.6
■5.2
-5.9
■6.5
147.5
145.2
144.1
143.0
28.0
24.0
22.0
20.0
гни "С
Рис. 5. Поверочные измерения характеристик процесса сушки керамического кирпича в сушильной печи «Teram-10»
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® декабрь 2011 35
