Комплексная переработка шламов глиноземного производства АО"АК"

    При испарении влаги с поверхности  изделий влажность поверхностных слоев по сравнению с внутренними слоями уменьшается и возникает так называемый перепад (градиент) влажности.

    Внешним показателем процесса сушки является изменение веса материала во времени. Графическое изображение зависимости влажности материала от длительности сушки носит название кривой сушки. Характер кривой определяется влажностью и размерами изделия, способом его формования, а также температурой, влажностью и скоростью теплоносителя. Совокупность указанных факторов определяет режим сушки. Режимом сушки называется изменение интенсивности влагоотдачи изделия путем изменения температуры, относительной влажности и скорости движения теплоносителя.

    Изменение режима сушки вызывает изменение  интенсивности влагоотдачи изделия, которая определяется количеством влаги, испаряемой с единицы поверхности высушиваемого изделия в единицу времени.

    Интенсивность влагоотдачи измеряется в граммах на 1 м² в час.

    Режим сушки регулируют, изменяя температуру  или количество теплоносителя, подаваемого в сушилку.

      Сушка зависит от параметров  окружающей среды (температуры, влажности и скорости движения теплоносителя), формы связи влаги с материалом, состава, структуры, влажности и температуры полуфабриката.

    Различают кинетику сушки (изменение средних  значений влажности и температуры заготовки во времени) и ее динамику (изменение влажности и температуры в каждой точке заготовки). Распределение меняющихся во времени полей влажности и температуры в объеме изделия определяет возможность появления опасных напряжений и брака.

    Если  сушку проводят при малых перепадах  температуры между полуфабрикатом и средой, малых скоростях и  высокой влажности теплоносителя, то влажность полуфабриката медленно уменьшается от исходной w₀, а температура повышается до температуры мокрого термометра t_М. Центр заготовки прогревается медленнее, чем поверхность (рис. 3.5.6). Это период прогрева полуфабриката.

    На  втором этапе (период постоянной скорости сушки) влажность заготовки меняется по линейному закону при постоянной температуре.

    После достижения критической влажности  Wкp температура поверхности заготовки увеличивается, приближаясь к температуре сухого термометра t_СУХ, скорость сушки уменьшается, а влажность асимптоматически приближается к равновесной Wp. Температура в объеме полуфабриката растет медленнее, чем на поверхности. Этот период называется периодом падающей скорости сушки. Величина критической влажности Wкp зависит от скорости сушки, размеров и строения полуфабриката. Равновесная влажность Wp зависит от температуры и влажности в помещении. Сушить полуфабрикат до влажности меньше Wp нецелесообразно. Обычно отформованные заготовки сушат до влажности     2-3%, а кусковую глину - до 8-12%.

    При сушке испарение воды происходит диффузионным путем. Движущей силой является разность парциальных давлений пара у поверхности и в объеме теплоносителя. Уменьшение влажности во внешних слоях заготовки сопровождается появлением градиента влажности в ее объеме, что вызывает диффузию капельножидкой воды из объема заготовки к поверхности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 3.5.6 Диаграмма сушки полуфабриката: I – период подогрева; II – период постоянной скорости сушки; III – период падающей скорости сушки; IV – гигроскопическое состояние; 1 – влажность; 2,2`- температура поверхности и центра; 3 – скорость сушки; 4 – градиент температуры; 5 – усадка.

    

При наличии  градиента температуры на процесс  влагопроводности накладывается процесс термовлагопроводностни: вода стремится переместиться в области с меньшей температурой. Термовлагопроводность связана с уменьшением поверхностного натяжения и вязкости воды при повышении температуры и движением пузырьков воздуха в капиллярах. При интенсивном подводе теплоты возможно испарение влаги в глубинных слоях заготовки и удалении воды по механизму паропроводности. Движущей силой процесса является перепад давления водяного пара.

    Общий поток влаги в объеме материала  или заготовки можно описать  дифференциальным уравнением:

                           j= -Кρ (∂W/∂х) ± Кρδ (∂t/∂х) - Dρ(∂Р/∂х),        (3.5.3)

    где j- плотность потока влаги, равная количеству воды, проходящей через единичную площадь в единицу времени, кг/м²*с;

    К - коэффициент влагопроводности, м²/с; δ - термоградиентный коэффициент, 1/К; D - коэффициент молекулярной диффузии пара, м²/Па*с; ρ- кажущаяся плотность твердой фазы, кг/м³; ∂W/∂x, ∂t/∂х, ∂Р/∂х - градиенты влажности, температуры и давления в объеме материала.

    Коэффициент влагопроводности К зависит от структуры, влажности и температуры материала и увеличивается с ростом размера капилляров и частиц твердой фазы. Термоградиентный коэффициент δ зависит от влажности и имеет максимальное значение при критической влажности. Коэффициент молекулярной диффузии пара D увеличивается при повышении влажности и температуры.

    Интенсивность сушки может быть повышена несколькими  способами или их комбинацией:

    - совмещением направления процессов  влагопроводности и термовлагопроводностни  при увеличении температуры заготовки по сравнению с температурой окружающей среды (теплоносителя); этот способ используют при сушке полых изделий (электроизоляторов, тиглей), помещая нагреватели во внутреннюю полость заготовки.

    - увеличением коэффициента влагопроводности  путем повышения пористости заготовки и размеров частиц твердой фазы.

    - снижением общего давления в  сушиле.

    При удалении воды в порах заготовки  образуются вогнутые мениски жидкости. Капиллярное давление увеличивается, уменьшается толщина прослоек жидкости, частицы сближаются, образуя каркас. При влажности, близкой к критической, капиллярные силы уравновешиваются силами трения, сближение частиц и усадка заготовки прекращается. Дальнейшее снижение влажности происходит за счет освобождения объема пор без изменения размеров.

    Изменение размеров полуфабриката в сушке  характеризуют линейной или объемной усадкой, выраженной в процентах.

    Усадка  зависит от влажности заготовки  и размера частиц твердой фазы. Линейная усадка в сушке заготовок  пластического формования составляет  6-8%.

    Величины  критической влажности и усадки зависят от режима сушки. Наибольшую усадку имеют заготовки, высушенные в равновесных условиях. Чем выше температура и ниже влажность теплоносителя, тем меньше усадка. Рост градиента влажности в объеме заготовки увеличивает разницу между фактической и максимально возможной усадками. Эта разница (недопущенная усадка) вызывает появление механического напряжения. Если последнее превысит предел прочности материала, то в теле заготовки образуется трещина.

    Причиной  появления трещин в период постоянной скорости сушки полуфабриката является перепад влажности между наружными и внутренними частями заготовки. Критерием трещинообразования могут служить максимально допустимая разность между средней (интегральной) влажностью заготовки W_t и влажностью ее поверхности W_пов:

    ΔW = W_t - W_пов                    (3.5.4)

    Максимальная  интенсивность (скорость) сушки, не приводящая к образованию трещин, определяется соотношением:

    j_max = KΔW_maxρ A/l,             (3.5.5)

    где А — коэффициент формы, равный 6 для пластины; l — характеристический размер (толщина пластины, диаметр цилиндра).

    Продолжительность сушки зависит от толщины высушиваемого изделия и не зависит от его плотности и площади поверхности.

    В период падающей скорости сушки усадки отсутствуют, поэтому сушку можно интенсифицировать, повысив температуру и скорость движения теплоносителя.

    В процессе сушки могут возникать  различные дефекты.

    Тотальные трещины, проходящие через тело заготовки, возникают из-за больших скоростей прогрева заготовки, имеющей малый коэффициент влагопроводности, на первой стадии сушки.

    Срединные трещины возникают после образования  жесткого каркаса частиц на краях  заготовки, препятствующего усадке влажных центральных частей. Предотвратить образование краевых и срединных трещин можно, покрыв края влагоизолирующим веществом (маслами, растворами сульфитно-спиртовой барды или поливинилового спирта и т. п.).

    Рамочные  трещины могут возникнуть при  трении заготовки о подставку  в процессе усадки. Этот вид брака характерен для кирпича пластического формования. Его можно предотвратить, периодически перекладывая изделия с грани на грань и используя подсыпки (песок, опилки, шамот).

    Микротрещины  и волосяные трещины возникают  при адсорбции воды из воздуха или дымовых газов высушенным полуфабрикатом. Этот вид брака можно предотвратить, прекратив сушку при влажности несколько выше, чем максимальная влагоемкость материала при данной температуре.

    Коробление  изделий может возникнуть при  односторонней сушке плоских  изделий, например облицовочных плиток, при анизотропной структуре полуфабриката, неравномерном распределении влаги в заготовке.

    Для оценки сушильных свойств глин и  полуфабриката на их основе используют показатели чувствительности глин к сушке, характеризующие склонность материала к растрескиванию в период усадки. Коэффициент чувствительности, предложенный З.А. Носовой, определяют как отношение объема усадки V_УС, к объему пор в высушенном материале V_ПОР:

    К_Ч ⁼ V_УС/V_ПОР = V/V₀[(m₀ - m)/(Vo - V) - 1],        (3.5.6)

    где Vo и V - объемы свежеотформованного и высушенного при 20°С образцов, см³; m₀ и m - массы влажного и высушенного образцов, г.

    По  методу А.Ф. Чижского коэффициент чувствительности к сушке определяют по формуле:

    К_С = (W_Н - W_КР)/W_КР,                  (3.5.7)

    где W_Н и W_КР - начальная (формовочная) и критическая влажность образца, %.

    Чем выше коэффициенты К_Ч и К_С, тем сильнее склонность полуфабриката к растрескиванию в сушке. Для малочувствительных глин К_Ч< 1 и К_С< 1,2, а для высокочувствительных глин K_Ч>2 и К_С> 1,8.

      Обжиг.

    Процесс обжига изделий строительной керамики может быть условно разделен на четыре периода:

1. подогрев до 200°С и досушка-удаление физической воды из глины;
2. дальнейший нагрев до 700°С «на дыму» и удаление химически связанной воды из глины;
3. «взвар» - до температуры обжига 980-1000°С - созревание черепа;
4. охлаждение, «закал» - медленное до 500°С и быстрое от 500 до 50°С обожженных изделий.

    К этим реакциям добавляется выгорание  топлива из изделия, если это топливо  было введено в глину при подготовке массы; количество вводимого топлива может достигать 70-80% от того количества, которое необходимо для обжига.

    Такое производственное деление на периоды  не вскрывает сущности реакций в  глине при обжиге. При производственном обжиге глин никогда не достигается термодинамическое равновесие. Тем не менее, можно прибегнуть к расчету изобарно-изотермического потенциала ∆Z некоторых реакций с целью сопоставления возможности появления тех или иных фаз в глине при ее обжиге.

    Можно отметить шесть главных видов  реакций, протекающих в рядовых глинах при обжиге:

    1) выделение гигроскопической воды  из глинистых минералов и воды  из аллофаноидов, если таковые присутствуют в глине;

    2) окисление органических примесей;

    3) выделение конституционной воды, т. е. дегидратация глинистых минералов и реакции в так называемых твердых фазах;

    4) жидкофазные реакции и образование  стекловидного расплава;

5. образование новых кристаллических фаз;
6. реакции декарбонизации и десульфуризации.