книги из ГПНТБ / Роговой М.И. Технология искусственных пористых заполнителей и керамики учебник

щаться только за счет термодиффузии. Практически это происходит тогда, когда температура материала в его центре выше, чем на поверхности, например при сушке пароувлажненного кирпича-сырца. Если при сушке ма­ териала влага испаряется внутри его толщи и водяные пары не успевают из него полностью удалиться, то вну­ три материала возникает избыточное их давление, кото­ рое также становится фактором, ускоряющим переме­ щение влаги внутри материала, что в уравнении (63) от­ ражает третий член правой части.

Наличие этого фактора было впервые открыто в рабо­ те [64] и показано, что избыточное давление водяных паров внутри сохнущего материала может появиться уже при температуре около 70° С. Давление их может иногда оказаться настолько большим, что вызывает разрушение материала при его сушке. Чаще всего это проявляется во время обжига, когда в печь загружают недостаточно вы­ сушенный сырец.

Плотность потока влаги от поверхности материала в окружающий воздух /п (внешняя диффузия) описывают уравнением

к разности парциальных давлений; Р \ с и P iu — соответственно пар­ циальные давления пара в воздухе и на поверхности материала, равны давлению насыщенного пара при температуре поверхности материала.

Дебаланс между внутренней и внешней диффузиями с опережением последней обусловливает появление в сох­ нущем изделии перепада влагосодержания, который, с одной стороны, интенсифицирует внутреннюю диффузию, а с другой — приводит к перепаду усадочных деформаций, которые являются причиной возникновения в сохнущем изделии напряжений и трещин.

Минимальным влагосодержанием, до которого может быть высушен материал, является равновесное влагосодержание. С возрастанием температуры равновесная влажность понижается. Следовательно, чтобы высушить материал до более низкой остаточной влажности, нужно сушить его при более высокой температуре. С увеличе­ нием содержания глинистой фракции равновесная влаж­ ность возрастает. У монтмориллонитовых глин она выше,

212

чем у каолинитовых. Добавка отогцйтеля понижает рав­ новесную влажность глин. Пересушка материала до ос­ таточной влажности, более низкой, чем равновесная для цехового помещения, может явиться причиной брака вследствие адсорбционного расклинивания влагой, сор­ бируемой из воздуха пересушенным материалом.

а)

Рис. 84. Схема усилий и напряжений, возникающих при сушке изделия

Ранее (см. гл. 1.§2) было показано, что глинам свой­ ственны усадочные деформации во время сушки. След­ ствием их является возникновение искривлений и тре­ щин в изделиях, выводящих их в брак. Рассмотрим ме­ ханизм возникновения этих пороков, пользуясь рис. 84, на котором приведена схема распределения влагосодер-

213

жанпя п образце прямоугольной формы п период посто­ янной скорости сушки. По оси абсцисс отложена толщи­ на кирпича, равная S, а по оси ординат — влагосодержание материала. Ордината U0 соответствует начальному влагосодержанию образца, которое практически одина­ ково по всему сечению. По прошествии некоторого вре­ мени на поверхности образца влагосодержание резко снижается и становится равным Un, а в центральной его части влагосодержание продолжает оставаться относи­ тельно высоким, равным Пц (рис.84,а).

Согласно закономерности, приведенной на рис.17, размеры образца сокращаются пропорционально умень­ шению его влагосодержания. Поэтому указанному изме­ нению влагосодержания соответствуют новые размеры, приведенные на рис. 84, б. Общий размер образца сокра­ щается с /о до /], соответствуя наиболее высокому его влагосодержанию в данный момент t/ц.

Если бы каждый элементарный слой образца мог из­ менять свои размеры независимо от граничащего с ним слоя, то форма образца изменилась бы и соответственно распределению в нем влагосодержания приняла бы очер­ тания, соответствующие кривой АБВ (рис. 84,6). В дей­ ствительности же образец сохраняет прямоугольную форму, так как внутренние, более влажные слои образца препятствуют сокращению интенсивно сохнущих поверх­ ностных слоев. Если мысленно представить себе поверх­ ностный слой S' отрезанным от остальной части образца (рис. 84, в), то при сушке он сокращался бы независимо от граничащего с ним внутреннего слоя S" и соответст­ венно своему влагосодержанию принял бы размер V. Сле­ довательно, в поверхностном слое сырца возникают и действуют силы, стремящиеся сократить длину слоя S' от величины 1\ до V. Однако в действительности такого сокращения не происходит, так как образец представля­ ет собой сплошное тело и поверхностный слой, будучи неразрывно связан со смежным внутренним слоем S", принимает его размер. Таким образом, с каждой сторо­ ны образца возникает «недопущенная усадка» Г = = 0,5 (/1—V), выражающая разницу между длиной эле­ ментарного слоя, которую он имел бы при данной влаж­ ности и беспрепятственном сокращении,и действительной его длиной. Результат недопущенной усадки проявля­ ется в том, что внутренний слой S" как бы растягивает поверхностный слой S' от размера I' до размера 1\. Дей­

214

ствие сил, стремящихся сократить поверхностный слой до размера вызывает в поверхностном слое возникнове­ ние растягивающих напряжений, а на внутренний слой S" они передают сжимающие напряжения. В итоге эпю­ ра напряжений в образце примет вид, приведенный на рис. 84, г. Если величина растягивающих напряжений превосходит предел прочности материала, то на его гра­ нях, образующих периметр образца, возникают трещи­ ны, называемые сушильными.

Трещины могут возникать не только на периметраль­ ных гранях изделия, но и внутри его, либо на его боль­ шой плоскости, не пересекая граней и ребер изделия. Такие трещины обычно называют внутренними. Механизм их возникновения подробно рассмотрен в работе [15] и

размеров изделия прекратится. Его размер, достигнув величины I], остается неизменным в течение всего даль­ нейшего процесса сушки. Влагосодержание центральной части изделия будет к этому времени составлять Пц>- £/ку.

Поэтому внутренние его слои, продолжая сохнуть, бу­ дут стремиться сокращаться. Если бы центральная часть изделия могла сокращаться независимо от прилегающих внешних слоев (рис. 84, (?), то при достижении ею влаго­

предшествующий период сушки зафиксировался размер 1\. Вследствие возникающей при этом недопущенной усадки также возникнут растягивающие напряжения, но уже не в периферийных, а в центральных слоях изделия. Их проявлением чаще всего становятся трещины, скры­ тые внутри массивного изделия, либо видимые трещины на поверхности плоского изделия, не доходящие до его краев. В кирпиче они фиксируются во время сушки в ви­ де S-образных и свилеватых трещин на постели кирпича.

следовательно, усадка проходят опережающими темпа­ ми по двум продольным граням, а торцовые грани сохнут

пича,

2 15

Тельным, в некоторых случаях грузоемкйм и главное при нем ни­ когда нет уверенности в том, что подобранный таким образом ре­ жим действительно является наилучшим и что не существует еще какого-то другого неопробованного режима, который возможно дал бы лучшие результаты.

В т о р о й п у т ь — на основе представлений о физической сущ­ ности явлений, обусловливающих возникновение дефектов в изде­ лии при его сушке, составляют уравнения, описывающие процесс образования дефектов сушки. Затем экспериментально определяют характеристики материала, входящие в расчетные уравнения, и по

бия. Затем экспериментальным путем определяют критические зна­ чения критериев подобия и по ним рассчитывают параметры режи­ ма сушки.

Таким образом, второй и третий путь являются расчетно-экс­ периментальными, знаменующими собой отход от методов «ползу­ чего эмпиризма». Их усиленно разрабатывают в современной теории сушки, и они являются наиболее перспективными, хотя и не полу­ чили еще заметного распространения в керамической технологии.

падом влагосодержания и интенсивностью сушки в виде гигромет­ рического (массообменного) критерия Кирпичева K i m-

где R — характерный размер тела (например, для пластины — по­ ловина ее толщины); Ua— среднее начальное влагосодержание.

Остальные символы имеют прежнее значение.

Основной принцип использования зависимости (65) для опре­ деления длительности сушки таков:

1) экспериментально определяют величины ат, р0, U0;

2 ) экспериментально определяют, при каком минимальном пе­ репаде влагосодержаний (£/ц—Uu) в изделии появляется трещина;

3) зная U0 изделия, подсчитывают численную величину гигро­ метрического критерия Кирпичева по формуле (65);

4) вычисляют допустимую интенсивность сушки по формуле

(67)

Км Т

* Методика экспериментального определения величины коэффи­ циента диффузии приведена в работе [65].

217

/Ам Приведенное рассмотрение физической стороны про­

цесса образования трещин в сохнущем изделии [59] да­ ст возможность записать выражение для его трещиностойкости в сушке Т с в следующем общем виде:

потенциал окружающей среды: Bim — массообменный критерий Био.

По аналогии с теплообменным критерием Био Bim=

=- ^ - R .

Кг

Если это выражение переписать в виде

ССр

где а р — коэффициент влагоотдачи; R — определяющий размер из­ делия; Хт — коэффициент влагопроводности,

то становится ясным физический смысл массообменного критерия Био — он является отношением сопротивлений внутреннему и внешнему влагопереносу.

После подстановки выражения (70) в (69) получаем

Ям, Рс

Pi Я ' Рп

Первая дробь, заключенная в скобки, выражает комплекс свойств материала, а вторая — режимные факторы. Уравнение (71) раскрывает механизм дейст­ вия мероприятий, применяемых для повышения трещиностойкости изделий в сушке.

Для повышения трещиностойкости в сушке изделий стеновой керамики применяют следующие мероприятия:

218

1)паровое увлажнение глины, повышающее началь­ ную температуру изделия, обусловливает также одно­ значность температурных и влажностных градиентов в уравнении (63). Это означает, что термодиффузия в данном случае будет ускорять процесс перемещения влаги в материале вследствие совпадения направлений потока тепла и влаги в материале. Паровое увлажнение сокращает длительность сушки сформованного из нее изделия. Эффект парового увлажнения заключается еще

впредотвращении конденсации влаги в начальный мо­ мент сушки [66]. При отсутствии парового увлажнения

впервый момент процесса происходит не сушка, а до­ полнительное увлажнение изделий вследствие конденса­ ции влаги из теплоносителя, в то время как изделие, сформованное из пароувлажненной глины, начинает сохнуть сразу, с первого момента его взаимодействия с теплоносителем;

2)прогрев глины в сушильном барабане перед ее формованием действует аналогично паровому увлаж­ нению, и его применяют для глин с карьерной влажно­ стью выше формовочной [57];

3)отощение глин крупнозернистыми добавками сни­

4) добавка опилок является одним из наиболее эф­ фективных средств повышения трещиностойкости кир­ пича-сырца в сушке. Благоприятное влияние опилок, повидимому, объясняется их армирующим действием, по­ скольку длина зерен опилок на несколько порядков больше, чем длина глинистых минералов. Армирующее действие обусловливает возрастание величин RM и е

вуравнении (71);

5)добавка гипса в глину также повышает прочность сформованных изделий. Возрастание предельного на­ пряжения сдвига при добавке гипса в глину представле­ но на рис. 86 [59];

6)вакуумирование глины обусловливает возраста­ ние ее прочности и растяжимости, что дает возмож­

ность применять более «жесткие» режимы, ускоряющие процесс сушки, хотя коэффициент диффузии уменьша­ ется;

7) орошение мундштука влагозадерживающими со­ ставами понижает коэффициент влагоотдачи ар, снижая тем самым величину перепадов влагосодержания в тол­

219

ще изделия. Кроме того, когда ложковые и тычковые поверхности кирпича влагоизолированы, направление влажностного потока приближается к одномерному, что снижает величину усадочных напряжений, возникающих в сохнущем сырце. Идеальные условия сушки наступа­ ют при полностью влаго- и теплоизолированных ложко­ вых и тычковых поверхностях кирпича. В качестве вла­ гоизолирующей смазки некоторые заводы применяют отработанное машинное масло и др.

Рис. 8 6 . Влияние добав­ ки гипса (в %) на пре­ дельное напряжение глиняной массы при сдвиге

Г — 0; 2 — 1; 3 — 3; 4 — 4

8) накатка сырца уплотняет поверхностные слои из­ делия, тем самым упрочняя их, и, кроме того, понижает коэффициент влагоотдачи ар, способствуя уменьшению перепадов влагосодержаний по толщине изделия. Прак­ тика сушки кирпича-сырца с накатанной, поверхностью

10) добавка высокопластичной глины улучшает су­ шильные свойства тощих пылевидных глин, повышая их прочность и растяжимость;

11) рециркуляция отработанного теплоносителя и ув­ лажнение теплоносителя водяным паром повышают на­ чальное парциальное давление водяных паров в нем — величину Рс и тем самым притормаживают интенсив­ ность внешнего влагообмена, уменьшая перепад влаго­

220