Туннельные и камерные сушилки для керамических изделий

Введение в процесс сушки керамических изделий

Сушка является критически важным технологическим этапом в производстве керамических изделий, определяющим качество готовой продукции. После формования кирпич-сырец содержит значительное количество влаги в диапазоне от 18 до 25 процентов, которую необходимо удалить перед обжигом. Процесс сушки позволяет снизить влажность до остаточного уровня 5-8 процентов, что обеспечивает возможность последующего высокотемпературного обжига без разрушения изделий.

Неправильно проведённая сушка приводит к формированию внутренних напряжений в материале, вызывающих трещинообразование, деформации и другие дефекты, снижающие выход годной продукции. Современное керамическое производство применяет специализированные сушильные установки, обеспечивающие контролируемое удаление влаги при оптимальных параметрах температуры, относительной влажности и скорости движения теплоносителя.

Физико-химические основы сушки

Процесс сушки керамических изделий представляет собой комплекс тепломассообменных явлений, протекающих между влажным материалом и окружающей газовой средой. В качестве теплоносителя используются горячий воздух или дымовые газы от обжигательных печей, что позволяет утилизировать отходящее тепло и повысить энергоэффективность производства.

Механизм сушки включает три взаимосвязанных процесса. Первый процесс заключается в переносе теплоты от теплоносителя к поверхности изделия путём конвекции и излучения. Второй процесс представляет собой перемещение влаги из внутренних слоёв материала к поверхности под действием градиента влажности. Третий процесс состоит в испарении влаги с поверхности изделия и переносе водяных паров в окружающую среду.

При сушке в керамическом сырце удаляется несколько форм влаги. Механически связанная влага находится в капиллярах и порах между частицами глины и удаляется относительно легко. Физически адсорбированная влага удерживается на поверхности глинистых частиц молекулярными силами и требует больших энергетических затрат для удаления. Химически связанная вода входит в кристаллическую решётку минералов и удаляется только при температурах выше 400 градусов Цельсия в процессе обжига.

Стадии процесса сушки

Процесс сушки керамических изделий разделяется на три характерных периода, каждый из которых обладает специфическими особенностями и требует различных технологических подходов.

Первый период: прогрев изделий

Первый период характеризуется интенсивным прогревом материала от начальной температуры до температуры мокрого термометра при данной относительной влажности теплоносителя. Теплота, подводимая к изделию, расходуется преимущественно на нагрев массы, тогда как влажность снижается незначительно. Продолжительность этого периода составляет от 10 до 15 процентов общего времени сушки.

На данной стадии происходит выравнивание температурного поля по объёму изделия. Температура поверхности быстро достигает температуры мокрого термометра и стабилизируется за счёт испарительного охлаждения. Скорость сушки в этом периоде постепенно нарастает по мере прогрева материала.

Второй период: постоянная скорость сушки

Второй период является наиболее ответственным этапом, требующим тщательного контроля технологических параметров. В течение этого периода происходит интенсивное удаление влаги с постоянной скоростью, определяемой условиями внешнего массообмена. Влага, поступающая из внутренних слоёв, непрерывно испаряется с поверхности изделий.

Характерной особенностью второго периода является непрерывная воздушная усадка материала. Частицы глины сближаются по мере удаления влаги из межчастичного пространства, что приводит к уменьшению линейных размеров изделия на 6-10 процентов. Прочность сырца на данной стадии остаётся низкой, материал сохраняет пластичность и чувствителен к механическим воздействиям.

Критическим фактором на этой стадии является равномерность удаления влаги по всему объёму изделия. Неравномерная сушка вызывает различную степень усадки внутренних и наружных слоёв, создавая внутренние напряжения, превышающие предел прочности материала, что приводит к трещинообразованию.

Третий период: падающая скорость сушки

Третий период начинается по достижении критической влажности, когда завершается воздушная усадка изделия. Объём удаляющейся воды соответствует объёму образующихся пор, размеры изделия остаются практически постоянными. Скорость сушки непрерывно снижается, поскольку интенсивность процесса определяется скоростью миграции влаги из внутренних слоёв материала.

В этом периоде прочность сырца значительно возрастает, исчезает опасность трещинообразования от неравномерной усадки. Поэтому допускается существенное повышение температуры теплоносителя до 120-150 градусов Цельсия и снижение его относительной влажности до 30-40 процентов, что позволяет интенсифицировать процесс и сократить общую продолжительность сушки.

Температура изделия в третьем периоде постепенно приближается к температуре теплоносителя. Процесс завершается при достижении равновесной влажности, когда скорость сушки становится равной нулю и дальнейшее удаление влаги прекращается.

Критическая влажность

Критическая влажность представляет собой важнейший технологический параметр, характеризующий переход от второго к третьему периоду сушки. Это значение влажности материала, при котором завершается воздушная усадка изделия и начинается образование пористой структуры. Величина критической влажности зависит от минералогического состава глины, дисперсности частиц и начальной влажности формовочной массы.

Для различных керамических масс критическая влажность варьируется в пределах от 8 до 12 процентов. Высокопластичные глины, содержащие значительное количество монтмориллонитовых минералов, характеризуются более высокими значениями критической влажности по сравнению с малопластичными глинами каолинитового состава.

Определение критической влажности осуществляется экспериментально путём построения кривых сушки и усадки. На графике зависимости изменения массы или размеров изделия от времени точка перегиба кривой соответствует критической влажности. Знание этого параметра позволяет оптимизировать режим сушки, разделив процесс на два этапа с различными условиями теплоподвода.

Туннельные сушилки

Туннельные сушилки представляют собой установки непрерывного действия, обеспечивающие высокую производительность и стабильность технологического процесса. Конструктивно туннельная сушилка выполнена в виде прямолинейного канала длиной от 24 до 36 метров, высотой 1,4-1,8 метра и шириной 1,0-1,6 метра. Изделия перемещаются внутри туннеля на специальных вагонетках, движущихся по рельсовым путям с помощью канатных или передвижных толкателей.

Принцип работы туннельных сушилок

Туннельные сушилки работают по принципу противотока: навстречу движению изделий подаётся теплоноситель, поступающий в туннель со стороны выгрузочного отверстия. Такая схема обеспечивает постепенное повышение температуры и снижение влажности по ходу движения сырца, что соответствует естественной логике процесса сушки.

Теплоноситель подводится и отводится через систему каналов, расположенных в верхней и нижней частях туннеля. Существуют различные схемы подвода теплоносителя: нижний или верхний подвод, сосредоточенная подача через одно отверстие или распределённая подача через несколько отверстий по длине туннеля. Отработанный теплоноситель отбирается со стороны загрузки вагонеток с кирпичом-сырцом.

Для повышения эффективности использования теплоты применяется рециркуляция теплоносителя. Часть отработанного теплоносителя с содержанием влаги возвращается в систему и смешивается со свежим теплоносителем, что позволяет повысить его влагосодержание, смягчить режим сушки и сократить продолжительность процесса. Коэффициент рециркуляции может достигать 70-80 процентов.

Параметры работы туннельных сушилок

Зонирование туннельных сушилок

Туннельные сушилки условно разделяются на три функциональные зоны, обеспечивающие последовательное изменение условий сушки в соответствии со стадиями процесса.

Зона подогрева располагается в начале туннеля со стороны загрузки. В этой зоне происходит прогрев изделий от начальной температуры до рабочей температуры сушки. Температура теплоносителя составляет 50-80 градусов Цельсия, относительная влажность поддерживается на уровне 75-95 процентов. Продолжительность пребывания изделий в зоне подогрева составляет около 20 процентов общего времени сушки.

Зона интенсивной сушки является основной рабочей зоной, где происходит удаление основной массы влаги в период постоянной скорости сушки. Температура теплоносителя повышается до 80-120 градусов Цельсия, относительная влажность снижается до 50-70 процентов. Скорость движения теплоносителя поддерживается на уровне 1,0-1,5 метра в секунду. Длина этой зоны составляет 50-60 процентов общей длины туннеля.

Зона досушки располагается в конце туннеля перед выгрузкой изделий. Здесь завершается удаление остаточной влаги в период падающей скорости сушки. Температура теплоносителя может достигать 110-150 градусов Цельсия, относительная влажность снижается до 30-40 процентов. Продолжительность нахождения в зоне досушки составляет 20-30 процентов общего времени.

Преимущества туннельных сушилок

Туннельные сушилки обладают рядом существенных преимуществ, обеспечивающих их широкое применение в современном керамическом производстве. Непрерывность процесса позволяет обеспечить поточность производства и стабильность качества продукции. Высокий уровень механизации и автоматизации снижает трудозатраты и повышает производительность труда.

Эффективное использование теплоты отходящих газов обжигательных печей повышает энергетическую эффективность производства. Возможность точного контроля и регулирования параметров теплоносителя в каждой зоне обеспечивает оптимальные условия сушки. Высокая производительность при компактных габаритах позволяет рационально использовать производственные площади.

Камерные сушилки

Камерные сушилки относятся к установкам периодического действия, где изделия загружаются, высушиваются и выгружаются партиями. Конструктивно камерная сушилка представляет собой герметичную камеру длиной 10-18 метров и шириной 1,3-1,5 метра с системой подвода и отвода теплоносителя. Камеры объединяются в блоки по 24-48 единиц с общим фронтом загрузки и выгрузки.

Устройство камерных сушилок

Внутренние стены камеры имеют специальные выступы, на которые с помощью десятиполочных вагонеток укладываются рамки с сырцом. Изделия располагаются на сушильных рамках в несколько ярусов, что позволяет эффективно использовать объём камеры. Теплоноситель подаётся через подводящие каналы, расположенные в нижней или верхней части камеры, и отводится через соответствующие каналы с противоположной стороны.

Система каналов обеспечивает равномерное распределение теплоносителя по всему объёму камеры. Подача и отвод теплоносителя осуществляются через щелевые отверстия, расположенные по всей длине камеры. Это создаёт развитую систему циркуляции, обеспечивающую однородность температурно-влажностных условий.

Технологический цикл камерных сушилок

Процесс сушки в камерных сушилках разделяется на несколько последовательных этапов с изменением параметров теплоносителя в соответствии с фазами процесса сушки.

На первом этапе осуществляется медленный прогрев изделий для выравнивания температурного поля по объёму материала. Температура теплоносителя поддерживается на уровне 35-40 градусов Цельсия, относительная влажность 60-80 процентов. Продолжительность этапа составляет 10-12 часов. Медленный прогрев предотвращает возникновение температурных напряжений и формирование поверхностной корки.

На втором этапе происходит удаление основной массы влаги в период постоянной скорости сушки. Температура теплоносителя повышается до 40-50 градусов Цельсия, относительная влажность поддерживается на уровне 70-75 процентов. Продолжительность этапа 8-10 часов. На этой стадии особенно важно обеспечить равномерность условий по всему объёму камеры.

На третьем этапе продолжается интенсивное удаление влаги по мере приближения к критической влажности. Температура повышается до 50-70 градусов Цельсия, относительная влажность снижается до 60-70 процентов. Длительность этапа 8-10 часов. Постепенное повышение температуры обеспечивает плавный переход к следующей стадии.

На четвёртом этапе осуществляется досушка изделий после прохождения критической влажности. Температура теплоносителя повышается до 70-80 градусов Цельсия, относительная влажность снижается до 30-35 процентов. Продолжительность этапа 6-8 часов. Повышенная температура и низкая влажность интенсифицируют удаление остаточной влаги.

Особенности эксплуатации камерных сушилок

Камерные сушилки требуют тщательного контроля температурно-влажностного режима на каждом этапе процесса. Переход от одного этапа к другому должен осуществляться плавно, без резких изменений параметров, которые могут вызвать термические напряжения и трещинообразование.

Важным аспектом является обеспечение равномерности условий по всему объёму камеры. Неравномерность температурного и влажностного полей приводит к различной скорости сушки отдельных изделий, что снижает качество продукции. Для выравнивания условий используется интенсивная циркуляция теплоносителя с помощью вентиляторов.

Загрузка изделий в камеру должна обеспечивать свободный доступ теплоносителя ко всем поверхностям. Расстояние между отдельными изделиями и ярусами должно быть достаточным для свободной циркуляции воздуха. Недостаточное расстояние создаёт зоны застоя, где сушка происходит медленнее, что может вызвать неравномерность по партии.

Сравнительный анализ типов сушилок

Туннельные и камерные сушилки обладают различными технико-экономическими характеристиками, определяющими области их применения в керамическом производстве. Выбор типа сушильной установки зависит от масштаба производства, номенклатуры выпускаемых изделий, доступности энергоресурсов и требований к качеству продукции.

Туннельные сушилки предпочтительны для крупнотоннажного производства однотипных изделий, где требуется высокая производительность и стабильное качество продукции. Непрерывность процесса обеспечивает равномерную загрузку оборудования и эффективное использование производственных мощностей. Автоматизация управления снижает влияние человеческого фактора и повышает воспроизводимость результатов.

Камерные сушилки находят применение в производствах с широкой номенклатурой изделий различных размеров и форм, где требуется гибкость технологического процесса. Периодический режим работы позволяет легко изменять режимы сушки для разных типов изделий без остановки основного производства. Меньшие капитальные затраты делают камерные сушилки привлекательными для предприятий малого и среднего масштаба.

Режимы сушки керамических изделий

Режим сушки представляет собой совокупность параметров теплоносителя, определяющих условия тепломассообмена между изделием и окружающей средой. Основными регулируемыми параметрами являются температура теплоносителя, его относительная влажность и скорость движения. Правильный выбор режима сушки обеспечивает получение качественной продукции при оптимальной продолжительности процесса.

Режимы сушки кирпича

Сушка строительного кирпича в туннельных сушилках осуществляется по следующей схеме. В зоне подогрева температура теплоносителя составляет 50-80 градусов Цельсия, относительная влажность 75-95 процентов, скорость движения воздуха 0,8-1,2 метра в секунду. Продолжительность нахождения в зоне подогрева 4-8 часов.

В зоне интенсивной сушки температура повышается до 80-120 градусов Цельсия, относительная влажность снижается до 50-70 процентов, скорость движения воздуха 1,0-1,5 метра в секунду. Продолжительность основной сушки 8-20 часов в зависимости от формата изделия и начальной влажности массы.

В зоне досушки температура достигает 110-150 градусов Цельсия, относительная влажность снижается до 30-40 процентов, скорость движения воздуха может быть повышена до 1,5-2,0 метров в секунду. Продолжительность досушки 4-10 часов.

Режимы сушки санитарно-технических изделий

Санитарно-технические изделия отличаются сложной формой, переменной толщиной стенок и повышенными требованиями к качеству поверхности, что обуславливает необходимость применения замедленных режимов сушки. Процесс разделяется на четыре последовательных этапа с постепенным повышением температуры и снижением относительной влажности.

Первый этап длится 10-12 часов при температуре не более 37 градусов Цельсия и относительной влажности 60-80 процентов. Медленный прогрев обеспечивает выравнивание температурного поля по всему объёму изделия сложной формы. Второй этап продолжается 8-10 часов с повышением температуры до 50 градусов Цельсия при относительной влажности 70-75 процентов.

Третий этап длится 8-10 часов при температуре до 70 градусов Цельсия и относительной влажности 60-70 процентов. На этом этапе происходит основное удаление влаги при постоянной скорости сушки. Четвёртый этап продолжается 8 часов с повышением температуры до 80 градусов Цельсия и снижением относительной влажности до 30-35 процентов для завершения процесса.

Режимы сушки канализационных труб

Канализационные трубы характеризуются большой массой и толщиной стенок, что требует применения особо замедленных режимов сушки для предотвращения трещинообразования. В первые 12 часов температуру теплоносителя поднимают до 30 градусов Цельсия при относительной влажности 80-90 процентов. В последующие 12 часов температуру повышают до 50 градусов Цельсия при относительной влажности 50-60 процентов.

Дальнейшее повышение температуры осуществляется постепенно с шагом 10-15 градусов Цельсия каждые 12 часов до достижения конечной температуры 70-80 градусов Цельсия. Общая продолжительность сушки составляет 60-96 часов в зависимости от диаметра труб. Более толстостенные изделия большого диаметра требуют увеличения продолжительности сушки.

Подъём температуры в процессе сушки

Скорость подъёма температуры является критическим параметром, определяющим качество сушки и выход годной продукции. Слишком быстрое повышение температуры вызывает интенсивное испарение влаги с поверхности изделия, что создаёт высокие градиенты влажности между поверхностными и внутренними слоями. Возникающие при этом усадочные напряжения могут превысить предел прочности материала, приводя к трещинообразованию.

Оптимальная скорость подъёма температуры зависит от свойств керамической массы, геометрии изделия и текущей стадии процесса сушки. На начальной стадии, когда материал обладает низкой прочностью и высокой пластичностью, скорость повышения температуры должна быть минимальной и составлять 5-10 градусов Цельсия в час. По мере удаления влаги и повышения прочности сырца скорость подъёма температуры может быть увеличена.

После достижения критической влажности скорость подъёма температуры может быть существенно увеличена до 10-15 градусов Цельсия в час, поскольку завершение усадки устраняет опасность возникновения усадочных трещин. На этой стадии ограничивающим фактором становится теплопроводность материала, определяющая скорость прогрева изделия по всему объёму.

Для толстостенных изделий сложной формы скорость подъёма температуры должна быть снижена по сравнению с тонкостенными изделиями простой геометрии. Наличие острых углов, рёбер, резких перепадов толщины стенок создаёт зоны концентрации напряжений, требующие особо осторожного управления температурным режимом.

Признаки нарушения режима сушки

Несоблюдение технологических параметров процесса сушки приводит к формированию различных дефектов, снижающих качество и эксплуатационные характеристики керамических изделий. Своевременное выявление признаков нарушения режима позволяет оперативно корректировать параметры процесса и минимизировать брак.

Трещинообразование

Трещины представляют собой наиболее распространённый и опасный вид дефектов, возникающих при сушке керамических изделий. Различают несколько типов трещин в зависимости от причин их формирования и характера проявления.

Усадочные трещины образуются в период постоянной скорости сушки вследствие неравномерного удаления влаги по объёму изделия. Быстрое испарение влаги с поверхности при недостаточной скорости миграции из внутренних слоёв создаёт градиент влажности, приводящий к различной степени усадки. Характерным признаком является S-образная форма трещины на дне изделий, где толщина стенок больше.

Температурные трещины возникают при слишком быстром подъёме температуры, когда скорость прогрева поверхностных слоёв значительно превышает скорость теплопередачи внутрь материала. Температурный градиент вызывает термические напряжения, которые могут превысить предел прочности сырца. Такие трещины обычно располагаются на поверхности изделия и имеют хаотичный характер.

Трещины от механических воздействий образуются при неосторожной транспортировке или укладке изделий в период, когда материал обладает низкой прочностью. Они имеют локальный характер и располагаются в местах приложения нагрузки. Прочность сырца в первом периоде сушки минимальна, поэтому обращение с изделиями требует особой осторожности.

Деформации

Деформации керамических изделий возникают при неравномерной сушке различных участков или неправильной укладке в процессе сушки. Коробление проявляется в искривлении плоских поверхностей, когда одна сторона изделия высыхает быстрее другой. Причиной может быть неравномерное обдувание теплоносителем или укладка изделий на непроницаемую поверхность.

Скручивание характерно для длинномерных изделий при неравномерной сушке по длине. Один конец изделия высыхает быстрее, что вызывает большую усадку и винтообразную деформацию. Особенно подвержены скручиванию изделия с неравномерной толщиной стенок или пустотностью.

Оплывание происходит при проведении сушки при слишком высокой температуре в начальной стадии, когда материал ещё обладает высокой пластичностью. Изделие теряет форму под действием собственного веса, что приводит к нарушению геометрических размеров и товарного вида продукции.

Поверхностные дефекты

Отслаивание поверхностного слоя наблюдается при чрезмерно интенсивной сушке тонкостенных участков изделий. Быстрое испарение влаги приводит к формированию упрочнённой поверхностной корки, которая препятствует дальнейшему удалению влаги из внутренних слоёв. Давление водяных паров может вызвать отслаивание корки от основного массива материала.

Пересушивание проявляется в чрезмерном снижении остаточной влажности ниже оптимального уровня. Хотя пересушенные изделия не имеют видимых дефектов, они характеризуются повышенной хрупкостью и склонностью к разрушению при механических воздействиях. Пересушивание также приводит к неоправданному перерасходу энергоресурсов.

Контактные пятна образуются в местах соприкосновения изделий с элементами конструкции сушильных вагонеток или рамок. В этих зонах затрудняется испарение влаги, что приводит к замедленной сушке и формированию участков, отличающихся по цвету. Контактные пятна не влияют на прочностные характеристики, но ухудшают внешний вид лицевых изделий.

Контроль качества сушки

Для предотвращения дефектов необходим систематический контроль параметров процесса сушки и качества высушенной продукции. Контролируемые параметры включают температуру и относительную влажность теплоносителя в каждой зоне сушилки, скорость движения воздуха, остаточную влажность изделий на выходе из сушилки.

Остаточная влажность определяется весовым методом путём взятия проб и последующего высушивания до постоянной массы. Для экспресс-контроля применяются влагомеры различных типов, позволяющие оперативно определять влажность непосредственно в процессе сушки. Контроль усадки осуществляется измерением линейных размеров изделий до и после сушки.

Визуальный осмотр высушенных изделий позволяет выявить наличие трещин, деформаций и других дефектов. Обнаружение дефектов является сигналом для корректировки параметров режима сушки. Статистический анализ выхода годной продукции позволяет оценить эффективность применяемых режимов и выявить направления оптимизации процесса.

Вопросы и ответы

Источники

При подготовке статьи использовались следующие источники:

• ГОСТ 530-2012 Кирпич и камень керамические. Общие технические условия (введён в действие с 1 июля 2013 года)
• ГОСТ 530-2007 Кирпич и камень керамические. Технические условия
• ГОСТ 7025-91 Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости
• Августиник А.И. Керамика. Издание второе, переработанное и дополненное. Ленинград, Стройиздат, 1975
• Книгина Г.И. Строительные материалы из горелых пород. Москва, Стройиздат, 1966
• Сайбулатов С.Ж. Технология керамики и огнеупоров. Учебное пособие. Томск, ТПУ, 2003
• Технология керамики и огнеупоров. Под редакцией П.П. Будникова. Москва, Стройиздат, 1962
• Онацкий С.П. Производство керамического кирпича. Москва, Высшая школа, 1971