Широкий ассортимент подшипников ведущих мировых производителей. SKF, FAG, INA, NSK, TIMKEN
Направляющие, каретки, шарико-винтовые передачи для станков и автоматизации
Изготовление нестандартных деталей и узлов по чертежам заказчика
Консультации инженеров, помощь в подборе аналогов, расчёт ресурса
Ищете специалиста или подрядчика? Попробуйте биржу INNER →
Уже доступен
Сушка керамических изделий представляет собой критически важный этап производственного цикла, определяющий качество конечной продукции. Чувствительность глины к сушке характеризует склонность материала к трещинообразованию и деформациям при удалении влаги. Данный параметр напрямую влияет на выбор режимов сушки, конструкцию сушильного оборудования и экономическую эффективность производства.
Физическая сущность процесса сушки заключается в удалении адсорбционной и капиллярной влаги из глинистой массы. При этом происходит сближение частиц глины, что сопровождается объемной усадкой. Неравномерность удаления влаги по сечению изделия создает внутренние напряжения, которые при превышении предела прочности материала приводят к образованию трещин.
Чувствительность глинистого сырья к сушке определяется комплексом взаимосвязанных факторов. К основным относятся минералогический состав глинистой фракции, гранулометрический состав, степень дисперсности частиц, вид и количество обменных катионов, а также структурные особенности глинистых минералов.
Метод Биготта, предложенный французским исследователем в 1921 году, является одним из классических способов оценки сушильных свойств глинистого сырья. Метод основан на построении зависимости линейной усадки от влажности образца в процессе сушки. Получаемая графическая зависимость, называемая кривой Биготта, позволяет определить критические параметры процесса сушки и вычислить индекс чувствительности.
Процесс сушки глинистых материалов протекает в два характерных периода. В первом периоде, называемом периодом постоянной скорости сушки, удаляется капиллярная влага, что сопровождается линейной усадкой образца. Во втором периоде падающей скорости происходит удаление адсорбционной влаги без существенного изменения линейных размеров.
Кривая Биготта наглядно демонстрирует эти два периода. Первая часть кривой представляет собой прямую линию, угол наклона которой характеризует интенсивность усадки при удалении влаги. Точка перехода от линейного участка к горизонтальному соответствует критической влажности, при которой завершается основная усадка материала.
DSI-B = Wi / DS
где: Wi - начальное содержание воды в образце, % DS - линейная усадка при сушке, %
Данный показатель характеризует соотношение между количеством удаляемой влаги и величиной усадки. Чем выше значение DSI-B, тем менее чувствителен материал к сушке.
Наряду с методом Биготта в практике применяются другие способы оценки чувствительности глин к сушке. Метод Ратценбергера использует определение критического градиента влажности. Метод Чижского по ГОСТ 21216-2014 предполагает испытание образцов в специальной установке.
Для проведения испытаний необходимо изготовить стандартизированные образцы из исследуемой глины. Подготовка включает несколько последовательных этапов. Глинистое сырье предварительно высушивается до воздушно-сухого состояния при температуре 105 ± 5°C согласно ГОСТ 21216-2014, затем измельчается и просеивается через сито для обеспечения однородности.
К подготовленной глине добавляется вода в количестве, обеспечивающем нормальную формовочную влажность. Данная влажность определяется предварительными пробами и соответствует состоянию, при котором масса легко формуется и не прилипает к рукам. Для большинства глин нормальная формовочная влажность составляет 18-28%.
Образцы-бруски: длина 100-150 мм, ширина 25-30 мм, высота 10-15 мм Образцы-кубики: размер грани 25 мм Количество параллельных образцов: не менее 6 штук
Формование производится методом пластического прессования или экструзии для обеспечения плотной и однородной структуры.
После формования образцы маркируются и укладываются на ровную поверхность. Измеряются начальные линейные размеры образцов с точностью до 0,1 мм, определяется начальная масса. Сушка проводится в контролируемых условиях при температуре 25 ± 2°C и относительной влажности воздуха 75 ± 5%.
В процессе сушки периодически проводятся измерения. Фиксируется масса образца для определения текущей влажности и линейные размеры для расчета усадки. Периодичность измерений на начальном этапе сушки составляет 30-60 минут, в дальнейшем интервал может быть увеличен. Измерения продолжаются до достижения постоянной массы образца.
По результатам измерений рассчитываются текущие значения влажности и линейной усадки образцов. Влажность определяется как отношение массы воды к массе сухого образца, выраженное в процентах. Линейная усадка вычисляется как относительное изменение линейных размеров образца.
Текущая влажность: W = ((m - mc) / mc) × 100%
где: m - текущая масса образца, г mc - масса абсолютно сухого образца, г
Линейная усадка: ε = ((L0 - L) / L0) × 100%
где: L0 - начальная длина образца, мм L - текущая длина образца, мм
Начальное содержание воды (Wi): Wi = ((m0 - mc) / mc) × 100%
где: m0 - начальная масса образца, г
Полная линейная усадка (DS): DS = ((L0 - Lc) / L0) × 100%
где: Lc - длина абсолютно сухого образца, мм
Кривая Биготта представляет собой графическую зависимость линейной усадки образца от его влажности. Для построения кривой по оси абсцисс откладывается влажность в процентах, по оси ординат - линейная усадка также в процентах. По экспериментальным точкам проводится сглаживающая кривая.
Типичная кривая Биготта состоит из двух выраженных участков. Первый участок представляет собой прямую линию с определенным углом наклона к оси абсцисс. Этот участок соответствует периоду постоянной скорости сушки, когда удаление влаги сопровождается пропорциональной усадкой образца. Наклон этого участка характеризует интенсивность деформационных процессов.
Второй участок кривой близок к горизонтальной прямой. Он соответствует периоду падающей скорости сушки, когда дальнейшее удаление влаги практически не вызывает изменения размеров образца. Точка пересечения экстраполированных линий этих участков определяет критическую влажность материала.
k = ΔW / Δε
где: ΔW - изменение влажности на линейном участке, % Δε - соответствующее изменение усадки, %
Коэффициент k представляет собой тангенс угла наклона линейного участка кривой Биготта. Физически он характеризует количество удаляемой влаги, приходящееся на единицу усадки.
Критическая влажность является важнейшим технологическим параметром процесса сушки. Она соответствует моменту, когда капиллярная влага практически полностью удалена, и в дальнейшем удаляется преимущественно адсорбционная влага. При достижении критической влажности образец сохраняет достаточную механическую прочность для дальнейшего ускорения процесса сушки.
Каолинитовые глины: 8-12% Гидрослюдистые глины: 10-15% Монтмориллонитовые глины: 15-22% Полиминеральные глины: 12-18%
Значения приведены для глин средней пластичности при стандартных условиях сушки.
На основании определенных по кривой Биготта параметров производится количественная оценка чувствительности глинистого сырья к сушке. Существуют различные системы классификации, основанные на индексе DSI-B или на коэффициенте чувствительности Кч.
Согласно технической литературе глины подразделяются на три основные группы по степени чувствительности к сушке. Малочувствительные глины характеризуются коэффициентом Кч менее 1, среднечувствительные имеют Кч в диапазоне от 1 до 1,5 или от 1 до 2 по разным источникам, высокочувствительные глины имеют Кч более 1,5 или более 2.
Малочувствительные к сушке глины позволяют применять интенсивные режимы сушки с сокращением продолжительности процесса. Для таких материалов возможно использование высоких температур сушильного агента и повышенных скоростей воздушного потока уже на ранних стадиях процесса.
Среднечувствительные глины требуют более осторожного подхода. Режим сушки должен предусматривать постепенное повышение температуры и снижение влажности сушильного агента. Критическим является начальный период сушки, когда необходимо обеспечить равномерное удаление влаги по всему объему изделия.
Высокочувствительные глины представляют наибольшие технологические трудности. Для таких материалов необходимо применение многостадийных режимов сушки с длительным периодом выдержки при мягких условиях.
Исходные данные: Глина гидрослюдисто-каолинитовая Коэффициент Кч = 1,4 (среднечувствительная) Начальная влажность Wi = 22% Критическая влажность Wкр = 12% Толщина изделия = 15 мм
Рекомендуемый режим: Первая стадия (W > Wкр): температура 40-50°C, относительная влажность 70-80%, продолжительность 8-12 часов Вторая стадия (W < Wкр): температура 60-80°C, относительная влажность 50-60%, продолжительность 4-6 часов Финальная досушка: температура 100-105°C, продолжительность 2-3 часа
Минералогический состав глины является определяющим фактором ее сушильных свойств. Различные глинистые минералы обладают существенно отличающейся способностью к набуханию, водоудержанию и усадке при сушке. Эти различия обусловлены особенностями кристаллической структуры минералов и характером связи воды с поверхностью частиц.
Каолинит представляет собой двухслойный минерал с жестко фиксированными пакетами. Размер частиц каолинита составляет 1-3 мкм. Минерал характеризуется низкой набухаемостью и относительно быстрой отдачей влаги при сушке. Глины с преобладанием каолинита обычно малочувствительны к сушке.
Каолинитовые глины при затворении водой не разбухают или разбухают незначительно. Нормальная формовочная влажность составляет 18-23%. Такие глины широко применяются в производстве фарфора, фаянса и огнеупорных изделий.
Монтмориллонит является трехслойным минералом с подвижными пакетами, между которыми может проникать вода. Размер частиц составляет менее 1 мкм. Минерал обладает выраженной способностью к набуханию, которое может достигать многократного увеличения объема. Глины с высоким содержанием монтмориллонита высокочувствительны к сушке.
Монтмориллонитовые глины требуют значительного количества воды для достижения нормальной формовочной консистенции, влажность может достигать 30% и более. При сушке такие глины медленно отдают влагу и дают большую усадку. Чистые монтмориллонитовые глины редко используются самостоятельно и обычно применяются в качестве пластифицирующих добавок.
Гидрослюдистые минералы занимают промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом по своим свойствам. Частицы имеют размер около 1 мкм, обладают умеренной набухаемостью. Глины на основе гидрослюд характеризуются средней чувствительностью к сушке.
Формовочная влажность гидрослюдистых глин составляет 20-26%. Такие глины обеспечивают удовлетворительную прочность сырца и умеренную усадку при сушке. Они широко применяются в производстве строительной керамики, в частности кирпича и керамических блоков.
В природе чаще встречаются полиминеральные глины, содержащие смесь различных глинистых минералов. Свойства таких глин определяются соотношением минералов в составе. Преобладание одного из минералов определяет основные технологические характеристики глины, в то время как присутствие других минералов вносит коррективы в поведение материала.
Для полиминеральных глин характерен широкий диапазон значений коэффициента чувствительности. Оценка сушильных свойств таких глин требует обязательного лабораторного испытания, так как прогнозирование по валовому составу может давать существенные погрешности.
Отощающие добавки представляют собой непластичные материалы, вводимые в глинистую массу для снижения пластичности, уменьшения усадки и повышения трещиностойкости при сушке. Механизм действия отощителей основан на создании жесткого каркаса из крупных частиц, который ограничивает сближение глинистых частиц при удалении влаги.
В качестве отощителей применяются различные материалы природного и техногенного происхождения. Кварцевый песок является наиболее распространенным отощителем. Оптимальный гранулометрический состав песка характеризуется преобладанием фракции 0,25-0,5 мм. Содержание пылевидных частиц в песке не должно превышать 5%.
Шамот представляет собой дробленую обожженную глину или керамический бой. Зерна шамота имеют развитую пористую структуру, что обеспечивает дополнительное улучшение сушильных свойств за счет повышения газопроницаемости массы. Размер частиц шамота обычно составляет 0,5-3 мм.
Котельные и металлургические шлаки также применяются в качестве отощителей, особенно в производстве строительной керамики. Шлаки обладают пористой структурой и при правильном гранулометрическом составе эффективно снижают чувствительность к сушке.
Эффективность отощающих добавок в снижении чувствительности к сушке зависит от их количества и дисперсности. Экспериментально установлено, что введение 10% отощителей снижает величину линейной усадки на 1-2%. При увеличении содержания отощителя до 20% наблюдается существенное улучшение сушильных свойств.
Задача: Оценить влияние введения шамота на сушильные свойства глины
Исходные данные: Исходная глина: высокопластичная, Кч = 2,5 Отощитель: шамот, фракция 0,5-2 мм Содержание отощителя: 20%
Результат: Снижение линейной усадки с 12% до 9-10% Улучшение категории с высокочувствительной до среднечувствительной Повышение газопроницаемости массы
Важно учитывать, что введение отощителей влияет не только на сушильные свойства. Повышенное содержание отощителей снижает пластичность массы, что может затруднить формование изделий сложной конфигурации. Прочность сырца обычно снижается при содержании отощителя более 25-30%.
С другой стороны, отощители улучшают газопроницаемость массы, что способствует более равномерному удалению влаги из толщи изделия. Это особенно важно для изделий большой толщины. Правильный подбор типа и количества отощителя позволяет оптимизировать комплекс свойств керамической массы.
Результаты определения чувствительности по методу Биготта служат основой для разработки рациональных режимов сушки. Для каждой категории глин по чувствительности к сушке рекомендуются определенные параметры сушильного процесса. При этом необходимо учитывать также размеры и конфигурацию изделий, тип сушильного оборудования и экономические факторы.
Периодическое определение чувствительности к сушке необходимо проводить при изменении свойств исходного сырья, корректировке состава керамической массы, освоении новых видов продукции. Рекомендуется проводить контрольные испытания не реже одного раза в квартал для основного сырья и при каждой новой партии для вспомогательных материалов.
При разработке составов керамических масс необходимо обеспечивать баланс между пластичностью, необходимой для формования, и чувствительностью к сушке. Для изделий сложной конфигурации часто приходится использовать высокопластичные глины, что требует введения соответствующих отощителей для компенсации высокой чувствительности к сушке.
Метод Биготта основан на построении полной кривой зависимости усадки от влажности в условиях естественной сушки при комнатной температуре, что позволяет определить критические точки процесса и получить наглядное представление о поведении материала. Метод Чижского по ГОСТ 21216-2014 предполагает испытание образцов в специальной установке с принудительной сушкой и оценку результата по внешнему виду образцов. Метод Биготта более информативен для научных исследований и разработки режимов, в то время как метод по ГОСТу лучше подходит для стандартизированного производственного контроля.
Это обусловлено различиями в кристаллической структуре минералов. Монтмориллонит имеет трехслойную структуру с расширяющейся кристаллической решеткой, что позволяет воде проникать между слоями, вызывая значительное набухание. При сушке удаление межслоевой воды происходит медленно и сопровождается большой усадкой. Каолинит обладает двухслойной структурой с жестко фиксированными пакетами, вода адсорбируется преимущественно на внешней поверхности частиц, что обеспечивает более быструю отдачу влаги и меньшую усадку.
Приблизительную оценку можно получить на основании данных о минералогическом составе и дисперсности глины, однако точное определение требует лабораторных испытаний. Природные глины обычно являются полиминеральными, и влияние различных минералов на конечные свойства может быть неаддитивным. Кроме того, на чувствительность влияют структурные особенности глины, состав обменных катионов, содержание органических примесей, которые сложно учесть расчетным путем. Лабораторные испытания необходимы для надежного прогнозирования поведения материала в производственных условиях.
Избыточная скорость сушки приводит к возникновению градиента влажности между поверхностью и центральными слоями изделия. Поверхностные слои высыхают и дают усадку быстрее внутренних, что создает растягивающие напряжения. Когда эти напряжения превышают предел прочности материала при данной влажности, образуются трещины. Критическая скорость сушки определяется коэффициентом влагопроводности глины и прочностью сырца. Для высокочувствительных глин критическая скорость может быть достигнута даже при умеренных параметрах сушильного агента, что требует применения щадящих режимов.
Эффективность отощителя определяется несколькими факторами: гранулометрическим составом, формой частиц, пористостью и твердостью. Шамот считается одним из наиболее эффективных отощителей благодаря развитой пористой структуре зерен, которая улучшает газопроницаемость массы. Однако выбор отощителя должен учитывать конкретные условия производства и требования к конечной продукции. Для грубой строительной керамики эффективны котельные шлаки, для тонкой керамики предпочтительнее мелкозернистый кварцевый песок или пирофиллит. Оптимальный размер частиц отощителя составляет 0,25-2 мм в зависимости от толщины изделий.
Безопасное увеличение скорости сушки возможно после достижения критической влажности, которая определяется по кривой Биготта как точка перехода от линейного участка к горизонтальному. Для различных глин критическая влажность составляет: каолинитовые глины 8-12%, гидрослюдистые 10-15%, монтмориллонитовые 15-22%. После достижения критической влажности основная усадка завершена, и изделия приобретают достаточную механическую прочность для выдерживания более интенсивных условий сушки. На этом этапе можно повышать температуру на 20-30 градусов и увеличивать скорость воздушного потока в 1,5-2 раза без риска трещинообразования.
Периодичность контроля определяется стабильностью свойств сырья и требованиями к качеству продукции. Для основного сырья с однородного месторождения рекомендуется проводить полные испытания не реже одного раза в квартал. При использовании сырья из различных карьеров или горизонтов контроль необходим для каждой партии. Текущий производственный контроль целесообразно проводить еженедельно по упрощенной методике, коррелирующей с полным определением. При изменении состава керамической массы или освоении новых видов изделий обязательно проведение полного комплекса испытаний.
Выгорающие добавки, такие как древесные опилки, торфяная крошка или измельченный уголь, выполняют несколько иную функцию по сравнению с отощителями. В процессе сушки они действуют аналогично отощителям, создавая каркас и улучшая газопроницаемость массы. Однако их эффективность в снижении чувствительности к сушке обычно ниже, чем у минеральных отощителей. Основное назначение выгорающих добавок заключается в создании пористости после обжига и экономии топлива. Для оптимального результата рекомендуется комбинированное использование минеральных отощителей и выгорающих добавок.
Определение чувствительности глины к сушке с использованием метода Биготта является важным инструментом для оптимизации технологии производства керамических изделий. Метод позволяет получить комплексную информацию о поведении материала в процессе удаления влаги и разработать рациональные режимы сушки, обеспечивающие минимизацию брака и повышение производительности.
Правильная интерпретация результатов испытаний требует понимания взаимосвязи чувствительности к сушке с минералогическим составом глины, гранулометрией и другими физико-химическими характеристиками. Применение отощающих добавок позволяет целенаправленно регулировать сушильные свойства керамических масс и адаптировать их к требованиям конкретного производства.
Систематический контроль чувствительности к сушке и корректировка технологических параметров на его основе способствует стабилизации качества продукции и экономической эффективности керамического производства.
Представленная статья носит исключительно информационно-ознакомительный характер и предназначена для технических специалистов в области керамической технологии. Информация подготовлена на основании научно-технических источников и отражает современное состояние знаний в данной области.
Автор не несет ответственности за результаты практического применения изложенных методик и рекомендаций. При внедрении технологических решений необходимо проведение собственных лабораторных исследований с учетом конкретных условий производства и характеристик используемого сырья. Любые производственные решения должны приниматься квалифицированными специалистами на основании комплексной оценки технологических, экономических и экологических факторов.
Приведенные данные, таблицы и расчетные формулы следует рассматривать как ориентировочные. Фактические значения параметров могут отличаться в зависимости от природы сырья и условий проведения испытаний.
1. ГОСТ 21216-2014. Сырье глинистое. Методы испытаний (с Поправкой 2023)
2. ГОСТ 9169-2021. Сырье глинистое для керамической промышленности. Классификация
3. ГОСТ 32026-2012. Сырье глинистое для производства керамзитовых гравия, щебня и песка. Технические условия
4. Bigot A. Recherches sur le retrait et le gonflement des argiles. Bulletin de la Société de l'Industrie Minérale. 1921
5. Ratzenberger H. Determination of drying sensitivity of ceramic raw materials. Ziegelindustrie International. 1990
6. Августиник А.И. Керамика. 2-е издание. Ленинград: Стройиздат, 1975
7. Будников П.П., Булавин И.А., Выдрик Г.А. Химическая технология керамики и огнеупоров. Москва: Стройиздат, 1972
8. Масленникова Г.Н., Конокин В.Б. Керамические материалы. Учебное пособие. Москва: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2005
9. Павлов В.Ф. Физико-химические основы обжига керамики. Москва: Промстройиздат, 1977
10. Химическая технология керамики и огнеупоров. Учебное пособие для студентов. Екатеринбург: УГЛТУ, 2010
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.