USCAREA PRODUSELOR CERAMICE

USCAREA PRODUSELOR CERAMICE

1. Mecanismul uscarii

Prin uscarea produselor ceramice se intelege eliminarea apei, continuta in masa lor cruda. Aceasta apa este necesara la fasonare, permitind dezvoltarea plasticitatii pastelor ceramice precum si a proprietatilor de curgere al barbotinelor (in cazul turnarii).

Uscarea, ca faza tehnologica in fabricarea produselor ceramice este impusa de urmatorii factori:

trecerea masei ceramice de la starea plastica la starea solida

necesitatea maririi rezistentei mecanice a produselor fasonate in vederea efectuarii operatiilor de transport si incarcare la ardere, fara modificarea formei.

Inlaturarea fenomenului de distrugere al formei datorita evaporarii bruste a unei cantitati mari de apa continuta in produs.

Umiditatea produselor care se supun uscarii este determinata de modul de fasonare si este cuprinsa intre 2 si 25%. Umiditatea de echilibru, aceea pe care o au produsele prin sedere in mediul inconjurator, este de 1-2%.

La baza uscarii sta ca si fenomen fizic difuzia. Difuzia este determinata pe de-o parte de tendinta vaporilor de apa de la suprafata produselor de a avea aceeasi presiune cu cea a vaporilor de apa din mediul inconjurator, iar, pe de alta parte de tendinta apei si a vaporilor din interiorul produselor de a avea aceeasi presiune cu cea a vaporilor de apa de la suprafata produselor.

Evaporarea apei de la suprafata produselor este denumita difuzie externa sau vaporizare. Difuzia externa creeaza o diferenta de umiditate intre straturile exterioare si cele interioare ale produselor, ceea ce genereaza o deplasare a apei de la zonele mai umede spre cele mai uscate, deci de la interior spre suprafata, fenomen denumit difuzie interna sau mai simplu difuzie. Difuzia interna aduce noi cantitati de apa la suprafata produsului, de unde aceasta se evapora, trecind in mediul inconjurator. Procesul continua pana cind se ajunge la starea de echilibru, atunci cind presiunea vaporilor de la suprafata produsului este egala cu cea a aerului inconjurator.  

Deplasarea apei din interior spre exterior, respectiv coeficientul de difuzie, este dependent de vascozitatea apei, care la randul ei este o functie a temperaturii. Difuzia interna creste deci odata cu temperatura produselor ceramice.

Pentru accelerarea uscarii, in ceramica se practica tehnica incalzirii. Caldura necesara pentru evaporarea umiditatii se aduce cu ajutorul unui agent de uscare (aer sau gaze incalzite).

Parametrii agentului de uscare sunt :

umiditatea relativa

presiunea

temperatura

viteza de miscare

Ultimul parametru (viteza de miscare) are o insemnatate deosebita pentru procesul de uscare deoarece cu cit viteza de deplasare a agentului de uscare care circula printre produse este mai mare, cu atat apa evaporata de la suprafata produselor se indeparteaza mai repede din spatiul de lucru si evaporarea este mai accelerata.

Masele ceramice care au in compozitia lor materiale argiloase contin apa sub urmatoarele forme :

apa de constitutie - cel mai strans legata iar indepartarea ei are loc la temperaturi ridicate ; pierderea ei este ireversibila si atrage dupa sine pierderea plasticitatii.

apa zeolitica - continuta sub forma unor straturi dispuse intre foile elementare ale retelei cristaline ; pierderea ei se face continuu fara modificarea retelei.

apa adsorbita (de contractie) - formeaza pelicule la suprafata particulelor

apa de capilaritate (porozitate) - continuta in capilare si pori

2. Fenomenele care au loc la uscare.

Prin uscarea maselor ceramice se produc doua efecte :

cresterea rezistentelor mecanice

contractia

Cresterea rezistentelor mecanice a produselor are loc pe masura eliminarii apei. Cauzele sunt multiple: concentrarea si deshidratarea substantelor coloidale care, intarindu-se, exercita o actiune de cimentare, fortele de atractie electrostatica si cele de tip Van der Waals, care cresc cu cat particulele sunt mai apropiate.

Rezistenta in stare uscata depinde de natura mineralogica a materialului argilos (mai mare la argile decat la caolinuri), de forma si dimensiunile particulelor (cresterea dimensiunilor fine duce la cresterea rezistentelor in stare uscate), de procedeul de fasonare. Acesti factori influenteaza direct compactitatea produselor. Cu cat compactitatea este mai mare, cu atat reteaua formata dupa uscare este mai rigida si rezistenta mai mare.

Rezistenta in stare uscata se poate mari prin adaugarea unor substante, ca silicat de sodiu, acid fosforic, rasini sintetice etc.

Materialele argiloase cu rezistenta mare in stare uscata sunt deosebit de valoroase, deoarece chiar in cazul inglobarii unei cantitati insemnate de degresant se obtin dupa uscare, produse cu rezistente suficient de mari.

Contractia la uscare reprezinta scaderea dimensiunilor produselor, concomitent cu pierderea apei.

Procesul de uscare se produce in doua faze distincte (fig 1). In prima faza are loc indepartarea apei adsorbite (de contractie) insotita de apropierea particulelor argiloase si deci de contractie. La inceput micsorarea volumului este egala cu volumul apei indepartate. Pe masura ce o parte a particulelor se ating, incep sa apara pori, contractia slabeste si este mai mica ca si volumul apei indepartate (fig 2). La sfirsitul fazei, contractia inceteaza si apa coloidala este complet indepartata.

Fig. 1. Fazele procesului de uscare

Fig. 2. Contractia la uscare a produselor ceramice

In faza a doua a uscarii, mai lunga deobicei, se produce evaporarea apei din capilarele formate prin atingerea particulelor de masa intre ele. Aceasta apa este denumita de porozitate, deoarece, odata cu inceperea indepartarii ei se formeaza pori in produs.

Contractia la uscare se exprima prin contractia lineara (reducerea dimensiunilor intr-o directie) :

C₁ ( l₀- l ) / l₀ ] x 100 [%]

sau prin contractia in volum (reducerea volumelor):

C_v = [(v₀ - v ) / v₀ ] x 100 [%]

in care:

v₀ - volumul initial, la  umiditatea w₀

v - volumul final in stare uscata

l₀ - lungimea initiala, la umiditatea w₀

l - lungimea finala in stare uscata

Factorii care influenteaza contractia la uscare sunt:

compozitia mineralogica

capacitatea de adsortie si natura cationilor adsorbiti

dimensiunile particulelor

continutul de apa

degresantii

Sensibilitatea la uscare a materialelor argiloase continute in produsele ceramice este o caracteristica importanta. Sensibilitatea la uscare o constituie tendinta diferitelor mase ceramice spre deformare sau formarea de fisuri in cursul uscarii. Ea este caracteristica si nu poate fi legata de evolutia unei singure proprietati.

In general cu cat contractia si plasticitatea sunt mai mari, cu atit sensibilitatea este mai mare.

3. Curba de uscare

Datorita contractiei si ca urmare a tensiunilor care se formeaza la uscare, procesul trebuie condus cu foarte multa atentie. Acest lucru presupune, in primul rand, stabilirea riguroasa a parametrilor uscarii si, in al doilea rand respectarea acestora in fluxul tehnologic. O viteza prea mare de uscare poate ave aca urmare accelerarea rapida a difuziei externe si formarea unei cruste exterioare, care, contractindu-se prea pronuntat, creeaza tensiuni mari la limita cu miezul produsului si deci fisuri sau crapaturi.

Datorita pierderii umiditatii, greutatea produsului scade continuu in timpul procesului de uscare. Reprezentindu-se grafic continutul de umiditate al produsului (w) in functie de timp se obtine curba uscarii (fig 3.)

Fig.3. Curba de uscare

4. Factorii care determina durata uscarii produselor ceramice

Durata uscarii este determinata de un complex de factori, principalii fiind :

a)     Factorii care tin de agentul de uscare

temperatura

umiditatea

viteza

presiunea

b)     Factorii care tin de forma produsului

c)     Factorii care depind de natura mineralelor argiloase

USCATOARE

Marea varietate a produselor de ceramica fina care se deosebesc dupa compozitie, structura, forma si dimensiuni conditioneaza asigurarea procedeului si regimului de uscare cel mai adecvat.

Uscarea produselor ceramice se realizeaza in conditii naturale (uscare naturala) sau in conditii special creeate (uscare artificiala)

Uscarea naturala se efectueaza in spatii deschise, pe stelaje sau in sectiile de fasonare. Se caracterizeaza prin : efort mare la incarcarea si descarcarea produselor, neuniformitate a uscarii, procent ridicat de rebuturi.

Uscarea artificiala presupune construirea unor instalatii speciale (uscatoare), in care regimul de uscare sa poata fi reglat sau mentinut constant.

Conditiile pe care trebuie sa le indeplineasca uscatoarele sunt :

sa asigure o schimbare usoara a regimului in vederea crearii conditiilor optime pentru un anumit tip de produse impuse uscarii ;

sa asigure uscarea uniforma atit a suprafetei cat si a volumului produsului

sa realizeze viteza maxima de uscare fara sa dauneze calitatii produselor ;

sa aiba un consum redus de caldura si energie electrica ;

cantitatea de umiditate evaporata, in Kg/h m³ a spatiului de lucru sa fie cat mai mare pentru a micsora costul constructiei.

Sa fie dotate cu aparatura de masura si control, precum si cu regulatoare automate de temperatura, umiditate, presiune, etc ;

Sa aiba o deservire simpla, pe cat posibil mecanizata.

Uscatoarele artificiale functioneaza pe baza unui agent de uscare, aer sau gaze, care se preincalzeste in instalatii aferente si dau posibilitatea reglarii temperaturii, umiditatii si vitezei de circulatie in spatiul de lucru.

In functie de modul de lucru, uscatoarele pot fii continue sau periodice.

a)    Uscatoare cu functionare periodica

Acestea sunt uscatoarele in care materialul se incarca si se descarca pe loturi, in functie de ciclul de uscare.

Produsele raman stationare, iar regimul de uscare evolueaza in timp, dupa diagrama stabilita.

Dezavantajele acestui tip de uscator sunt :

uscare neuniforma

randament scazut datorita pierderilor de caldura la incarcarea si descarcarea produselor

consum mare de caldura datorita pierderilor prin neetanseitati

incarcare si descarcare dificila si neproductiva.

Uscatorii de tip deschis - uscarea se poate realiza in apropierea unor cuptoare sau surse de caldura care incalzesc spatiul inconjurator. Produsele se aseaza pe stelaje, parametrii uscarii nu se pot regla iar uscarea se produce mai putin controlat, functie de sursa de caldura, de conditiile atmosferice si de curentii locali.

Uscatoare camera - sunt construite sub forma unor camere izolate sau baterii legate intre ele. Uscatoarele sunt prevazute cu un sistem de circulatie al agentului de uscare, fie sub forma unor canale de refulare si aspiratie din vatra fie sub forma unor jaluzele in peretii laterali (care admit patrunderea aerului cald) si orificii de evacuare al agentului epuizat. In general drept agent de uscare se intrebuinteaza aerul cald adus din zona de racire a cuptoarelor de ardere, ca si energie secundara. Produsele se incarca fie pe stelaje sau rafturi fixate in pereti fie pe vagoneti speciali care se introduc in camera.

b)    Uscatoare cu functionare continua

In acest tip de uscator, produsele se incarca si se descarca continuu, aflindu-se in continua circulatie, in timp ce parametrii de uscare sunt mentinuti constanti, pe zone (stationari).

In ceramica se practica frecvent circulatia in contracurent (in sensuri opuse) a produselor si a agentului de uscare. Aceasta tehnica raspunde cel mai bine necesitatii de uscare lenta, cu viteza mica la inceput si cu cresterea vitezei spre sfirsitul uscarii, cind contractia produselor a incetat.

In aceasta categorie de uscatoare mentionam :

Uscatoare tunel - destinate uscarii produselor de serie mare (placi de faianta, gresie etc). Ele se compun dintr-un canal ingust si lung (tunel) in care pe la un capat patrund produsele incarcate pe mijloace continue de circulatie (vagoneti, benzi transportoare metalice, etc). La capatul opus, produsele se descarca din uscator. Ca agent de uscare se intrebuinteaza aerul cald (in industria de ceramica fina) si gazele de ardere (in industria materialelor de constructii cu ciob colorat).

Uscatoare conveier (cu banda rulanta) - se folosesc frecvent in industria ceramicii fine, pentru produsele de serie mare (farfurii, cesti). Ele au avantajul ca asigura transportul complet mecanizat al produselor si permit alcatuirea unor linii tehnologice continue, care incep cu prefabricarea calupurilor de pasta si trecind prin toate fazele sfirsesc cu preluarea produselor curatite, apte de a fii introduse la ardere.

Uscatoare dulap - se folosesc pentru uscarea produselor cu pereti subtiri (cesti, farfurii, placi, etc). Uscatoarele au forma unui dulap , de dimensiuni mari, prevazute cu un sistem de incalzire si distributie a agentului de uscare precum si cu un sistem de deplasare al produselor (transportor).

Uscatoare carusel sau cu masa circulara - sunt destinate uscarii produselor adinci (cesti, pahare, boluri, cani de bere, etc) din portelan sau faianta si se folosesc cuplate cu rollere semiautomate de fasonare