Производство костяного фарфора

3) період падаючої швидкості  сушки настає після досягнення  критичної вологості матеріалу;  в цей час швидкість сушіння  зменшується і після досягнення  вологості, званої рівноважної,  стає рівною нулю.

Всі матеріали можуть бути висушені тільки до рівноважної вологості, яка залежить від відносної вологості  і температури теплоносія. Таким  чином, при сушінні видаляється  волога матеріалу за вирахуванням рівноважної.

У цей період температура  матеріалу підвищується і в кінці  сушіння, коли випаровування припиняється, наближається до температури теплоносія.

Процес сушіння керамічних виробів представляє собою перетворення міститься в них води з рідкого  стану в пароподібний і подальше видалення її в навколишнє середовище. При цьому необхідною умовою сушіння  є наявність зовнішнього джерела  тепла, нагріваючого вироби. Що знаходиться в керамічних масах і виробах вода ділиться на фізичну і хімічно зв'язану. Фізичної називається та частина води матеріалу, яка не входить ні в які з'єднання з ним. Фізична вода знаходиться у виробі в рідкому або пароподібному стані і може бути видалена повністю при нагріванні матеріалу до 100-110 °. При цьому керамічна маса стає непластичною, але з додаванням води пластичні властивості маси відновлюються.

Хімічно пов'язаної водою  називається вода, що знаходиться  в хімічному з'єднанні з окремими елементами керамічної маси. Видалення  хімічно зв'язаної води відбувається при більш високих температурах - від 500 ° С і вище. При цьому  керамічна маса безповоротно втрачає  свої пластичні властивості.

Аналізуючи процеси, що відбуваються при сушінні матеріалів, необхідно  відзначити наступне:

1) що міститься в матеріалі  вода при температурі 80-90 °  С випаровується. У цьому випадку  має місце поверхневе випаровування  або зовнішня дифузія вологи;

2) при випаровуванні вологи  з поверхні матеріалу в навколишнє  середовище волога з внутрішніх  шарів виробу переміщається до  його поверхні. Відбувається внутрішня  дифузія вологи.

Процес сушіння можна  розглядати як комплекс паралельно протікають явищ. До них відносяться:

а) випаровування вологи з поверхні матеріалу;

б) внутрішні переміщення (дифузії) вологи в матеріалі;

в) теплообмін між матеріалом і навколишнього газоподібної середовищем.

При випаровуванні вологи з поверхні виробів вологість  поверхневих шарів в порівнянні з внутрішніми шарами зменшується  і виникає так званий перепад (градієнт) вологості.

Сушіння виробів здійснюється переважно двома способами передачі тепла: конвекцією і випромінюванням.

При сушінні конвекцією джерелом тепла служить нагрітий повітря, що направляється відцентровими  вентиляторами із зони охолодження  тунельних печей, а також пар, що подається в калорифери, встановлювані  усередині або поза сушарки. При  сушінні конвекцією випаровування  вологи з поверхні напівфабрикату менш інтенсивно, ніж при радіаційному, але більш інтенсивно, ніж при  природній сушці. При конвективної сушінні передача тепла виробу здійснюється недостатньо ефективно через погану теплопровідності повітря, що омиває його поверхню. Але цей метод найбільш дешевий і тому широко використовується у виробництві тонкокерамічних виробів.

При сушінні випромінюванням (радіацією) джерелом тепла є електроенергія, за допомогою якої нагріваються металеві теплоізлучателі (зазвичай нехромовая дріт), або лампи розжарювання, а також газ, спалюється у спеціальних пальниках панельного типу. Використання радіаційного обігріву електричними і газовими випромінювачами з направленим потоком променистої енергії на кожен виріб окремо найбільш ефективно.

Широко впроваджується в  промисловість сушка інфрачервоним  випромінюванням. Джерелом інфрачервоних  випромінювань служать всі тіла, нагріті вище 700 ° С. Особливо ефективні  темні випромінювачі (98% оксиду магнію і 0,08% оксидів заліза).

При нагріванні сирого напівфабрикату інфрачервоними променями відбувається поглинання матеріалом променевої енергії, яка, перетворюючись на теплову, швидко проникає в тіло виробів завдяки  високій теплопровідності вологого напівфабрикату.

Невелика глибина проникнення  променевої енергії і недостатня теплопровідність кераміки сприяють великих  перепадів температур і вологості  в напівфабрикаті, що ускладнює сушку  товстостінних виробів без тріщин при безперервному опроміненні. Тому більш ефективна імпульсна (безперервна) сушка, коли інфрачервоне опромінення чергується з конвективної сушінням, що збільшує швидкість сушіння на 20-30%. Рекомендується наступний режим опромінення виробів: тривалість інфрачервоного нагріву з поверхні 4-10 с, витримка без опромінення 20-80 с. За цей час волога переміщається з внутрішніх шарів до поверхні. При такому режимі сушіння вироби нагріваються незначно при малому градієнті вологості, що виключає утворення тріщин при великих швидкостях сушіння.

При використанні інфрачервоного випромінювання або комбінованої сушіння  необхідно забезпечити інтенсивний  відбір вологого повітря, так як пари води, що утворюються над поверхнею  виробів, сильно поглинають інфрачервоні промені, знижуючи тим самим ефективність сушіння.

При видаленні вологи з  глини або сформованного керамічного виробу пластичної консистенції відбувається зменшення їх початкового розміру, тобто повітряна усадка, так як сили поверхневого натягу зближують частинки глини. Величина усадки при сушінні виробів, сформованих з певної маси однієї і тієї ж вологості, змінюється залежно від умов та інтенсивності сушіння.

Зі збільшенням швидкості  сушіння залишкова вологість  виробів, при якій припиняється усадка, має більшу величину, ніж при повільній  сушці, але їх повітряна усадка менше. Це пов'язано з тим, що при більш  інтенсивному сушінні збільшується градієнт вмісту вологи всередині виробів. При цьому поверхневі шари прагнуть скоротитися в розмірах більше, ніж  внутрішні, перешкоджають усадці верхніх  шарів і не дозволяють їм скоротитися  до розмірів, яких вони досягають при  повільній сушці.

Освіта тріщин є основним дефектом при сушінні і обумовлюється  нерівномірними деформаціями через  нерівномірних полів вологовмісту і температури. Освіта тріщин може також  викликатися надлишковим тиском парів вологи всередині виробу при інтенсивному внутрішньому паротворенні. Найбільш небезпечними при цьому є напруги, викликані перепадами вологовмісту.

З точки зору об'ємно-напруженого  стану і характеру утворюються  тріщин процес сушіння керамічних виробів  пластичного формування необхідно  розбити на два періоди:

• період активного навантаження та утворення поверхневих тріщин;

• період розвантаження  з подальшим вантаженням зворотного знака, що викликає внутрішнє трещинообразование.

На деформацію і утворення  тріщин впливають не тільки форма, але  також вага і розмір виробів. Із збільшенням  ваги та розміру виробів збільшується тривалість їх сушіння, особливо в перший період, коли при інтенсивному сушінні  створюються умови для утворення  неприпустимих перепадів вологості  між центральними та поверхневими шарами.

2.5 Випал виробів: режими  і сутність процесів 

Поняття випал включає  в себе комплекс послідовно відбуваються в обпалювальної печі процесів: підігрів вихідного матеріалу, доведення  температури випалювального матеріалу  до встановленого для нього максимуму  з усіма регламентованими технологією  температурними і газовими витягами (у окисної, відновної або нейтральному газовому середовищі) і охолодження  готової продукції. Час від початку  підігріву вихідного матеріалу  до закінчення охолодження готової  продукції називається циклом випалу.

Керамічні вироби піддають переважно дворазовому випалу, але  існує й одноразове випалення  виробів. На одноразове випалення надходять  вироби, які пройшли сушку і  Глазурування. При дворазовому випалюванні  на перший (утельного) випал надходять висушені неглазуровані вироби, на другий (политою) випал надходять вироби, які пройшли утельного випал і Глазурування, тобто вироби, на обпечену матеріал яких нанесена глазурная суспензія.

Призначення утельного випалу полягає в тому, щоб надати черепку міцність, достатню для глазурування і транспортування виробів, а також забезпечити максимально можливу ступінь дегазації (дегідратації) маси. При цьому фарфоровий напівфабрикат максимально звільняється від органічних та інших газообразующих складових маси, що позитивно позначається на якості политого випалу та продукції в цілому: різко знижуються відходи при политому випалюванні, досягаються більш високі якісні показники і експлуатаційні властивості готової продукції.

Використовують дві схеми  дворазового випалу виробів:

1. Утельного випал здійснюється при температурі значно нижче температури политого випалу;

2. Температура утельного випалу перевищує температуру политого випалу.

За першою схемою обпікаються, наприклад, порцелянові вироби, тобто  перший випал здійснюється при температурі 850-1000 ° С, другий - при 1260-1450 ° С. При  виробництві ж фаянсових виробів  використовують другу схему, коли температура  першого випалу становить 1280 ° С, а другого (після глазурования) - 1140-1160 ° С (фаянсова схема).

У процесі першого випалу з виробів видаляється механічно  пов'язана та гігроскопічна вода (при температурі 110-130 ° С), відбувається дегідратація глинистої речовини, і  часткове видалення хімічно зв'язаної гідратної води (при температурі 500-600 ° С), вигоряння органічних речовин  і часткова декарбонізація (термічне розкладання) вуглекислих магнію MgCO3 і кальцію СаСО3. У результаті цих фізико-хімічних процесів керамічний напівфабрикат набуває механічну  міцність і звільняється від газоподібних складових маси. Ступінь звільнення залежить від температури і тривалості випалення. Чим вище температура  і тривалість випалу, тим менше  в масі напівфабрикату залишається  газоподібних продуктів, тим вища якість политого випалу та продукції в цілому.

Однак температура першого  низькотемпературного випалу може підвищуватися  до певної межі, після якого її зростання  небажаний, оскільки при цьому різко  знижується пористість черепка за водопоглинанням і ускладнюється процес глазурования виробів.

Политою випал можна розділити  на ряд періодів, кожен з яких протікає при певному температурному режимі і газовому середовищі, що забезпечує поступове формування черепка з  необхідними властивостями.

Перший період випалу порцеляни (20-950 ° С) характеризується різними  фізико-хімічними реакціями, залежними  від попередньої підготовки виробів  до політ випалу, а також від  сушіння виробів після глазурування. Попередня підготовка залежить від  ступеня першого випалу і визначається наявністю у складі виробів газоподібних продуктів.

У першу чергу віддаляється залишкова механічно пов'язана  та гігроскопічна вода. Обидва види води випаровуються при температурі 110-130 ° С.

Після прогріву порцелянових виробів здійснюється більш інтенсивний  підйом температури. У цьому інтервалі  температур відбувається остаточна  дегідратація глинистої речовини і  повне видалення хімічно зв'язаної гідратної води, якщо цей процес не отримав завершення при першому  випаленні. Найбільш активно пари гідратної  води виділяються в інтервалі  температур 500-600 ° С.

Оскільки при зазначених температурах порцеляна має ще досить великою пористістю, бурхливе виділення  вологи в цей період не призводить до розтріскування черепка виробів. Пічна газове середовище не впливає  на видалення гідратної води.

Приблизно з температури 200 до 500 ° С виробу при випалюванні  поглинають (адсорбують) сажистий вуглець з димових газів. Вище 700 ° С починається його поступове вигоряння, яке більш активно відбувається в окислювальному середовищі. Одночасно здійснюється сублімація органічних речовин, що містяться в глинистих матеріалах, яка також супроводжується науглероживанием черепка. Щоб зменшити науглерожіваніе вироби в цьому інтервалі температур підтримують окислювальну газове середовище (? = 2-4).

Чи не вигорілий при  досягненні 1000 ° С вуглець, як і  залишки не віддаленій вологи, на більш  пізніх етапах випалу сприяють утворенню  здуття у вигляді «прищів» в результаті закриття рідкою фазою, яка починає  утворюватися при температурі 950 °  С, деякої частини капілярів в  обпалювати черепку .

Чи не вигорілий до початку  відновного періоду адсорбований черепком вуглець може викликати дефекти  і в наступних періодах випалу порцеляни, особливо в початковий період охолодження, оскільки після періоду  відновлення, коли співвідношення СО: СО2 стане менше 0,1, можливо його вигоряння з утворенням газових бульбашок, що обумовлюють виникнення на порцеляні наколів і кратеровідних заглиблень.

Органічні речовини так само, як і адсорбований вуглець, повинні  бути повністю видалені з черепка  до початку відновного періоду в  різко окисної газовому середовищі з надлишком вільного кисню (близько 4-6%), оскільки при температурі понад 1050 ° С випал вже ведеться в  відновної атмосфері .