Сушкой называется процесс удаления влаги из материалов испарением. При сушке керамических изделий уменьшается их объем (воздушная усадка) за счет уменьшения толщины гидратных оболочек глинистых частиц, повышается прочность сырца.

Сушка изделий обычно разделяется на два периода. Первый - подвялка изделий. В этом периоде сушка осуществляется до кожетвердого состояния массы. Влажность изделия в результате подвялки составляет около 18%. После подвялки во многих случаях (в зависимости от характера керамического материала) непосредственно идет оправка изделия. Второй период - окончательная сушка до влажности 2-6%. Для создания рационального режима сушки в каждом конкретном случае необходимо учесть вид керамической массы, характер отформованного изделия, его размеры, толщину, конфигурацию.

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.

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

Процесс сушки можно разделить на несколько периодов:

1) прогрев, характеризующийся быстрым возрастанием скорости сушки до максимальной величины;

2) период постоянной скорости сушки, когда количество влаги, удаляемой с поверхности изделия, максимально и равно количеству влаги, поступающей из его внутренних слоев. Скорость сушки остается постоянной до тех пор, пока влажность не станет одинаковой по всему сечению изделия, т. е. до момента достижения средней влажности, называемой критической;

3) период падающей скорости сушки наступает после достижения критической влажности материала; в это время скорость сушки уменьшается и по достижении влажности, называемой равновесной, становится равной нулю.

Все материалы могут быть высушены только до равновесной влажности, которая зависит от относительной влажности и температуры теплоносителя. Таким образом, при сушке удаляется влага материала за вычетом равновесной.

В этот период температура материала повышается и в конце сушки, когда испарение прекращается, приближается к температуре теплоносителя.

Процесс сушки керамических изделий представляет собой превращение содержащейся в них воды из жидкого состояния в парообразное и последующее удаление ее в окружающую среду. При этом необходимым условием сушки является наличие внешнего источника тепла, нагревающего изделия. Находящаяся в керамических массах и изделиях вода делится на физическую и химически связанную. Физической называется та часть воды материала, которая не входит ни в какие соединения с ним. Физическая вода находится в изделии в жидком или парообразном состоянии и может быть удалена полностью при нагреве материала до 100-110°. При этом керамическая масса становится непластичной, но с добавлением воды пластические свойства массы восстанавливаются.

Химически связанной водой называется вода, находящаяся в химическом соединении с отдельными элементами керамической массы. Удаление химически связанной воды происходит при более высоких температурах - от 500°С и выше. При этом керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства.

Анализируя процессы, происходящие при сушке материалов, необходимо отметить следующее:

1) содержащаяся в материале вода при температуре 80-90°С испаряется. В этом случае имеет место поверхностное испарение или внешняя диффузия влаги;

2) при испарении влаги с поверхности материала в окружающую среду влага из внутренних слоев изделия перемещается к его поверхности. Происходит внутренняя диффузия влаги.

Процесс сушки можно рассматривать как комплекс параллельно протекающих явлений. К ним относятся:

а) испарение влаги с поверхности материала;

б) внутренние перемещения (диффузии) влаги в материале;

в) теплообмен между материалом и окружающей газообразной средой.

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

Сушка изделий осуществляется преимущественно двумя способами передачи тепла: конвекцией и излучением.

При сушке конвекцией источником тепла служит нагретый воздух, направляемый центробежными вентиляторами из зоны охлаждения туннельных печей, а также пар, подаваемый в калориферы, устанавливаемые внутри или вне сушилки. При сушке конвекцией испарение влаги с поверхности полуфабриката менее интенсивно, чем при радиационой, но более интенсивно, чем при естественной сушке. При конвективной сушке передача тепла изделию осуществляется недостаточно эффективно из-за плохой теплопроводности воздуха, омывающего его поверхность. Но этот метод наиболее дешевый и потому широко используется в производстве тонкокерамических изделий.

При сушке излучением (радиацией) источником тепла является электроэнергия, посредством которой нагреваются металлические теплоизлучатели (обычно нехромовая проволока), или лампы накаливания, а также газ, сжигаемый в специальных горелках панельного типа. Использование радиационного обогрева электрическими и газовыми излучателями с направленным потоком лучистой энергии на каждое изделие в отдельности наиболее эффективно.

Широко внедряется в промышленность сушка инфракрасным излучением. Источником инфракрасных излучений служат все тела, нагретые выше 700°С. Особенно эффективны темные излучатели (98% оксида магния и 0,08% оксидов железа).

При нагреве сырого полуфабриката инфракрасными лучами происходит поглощение материалом лучистой энергии, которая, преобразуясь в тепловую, быстро проникает в тело изделий благодаря высокой теплопроводности влажного полуфабриката.

Небольшая глубина проникновения лучистой энергии и недостаточная теплопроводность керамики способствуют большим перепадам температур и влажности в полуфабрикате, что затрудняет сушку толстостенных изделий без трещин при непрерывном облучении. Поэтому более эффективна импульсная (прерывная) сушка, когда инфракрасное облучение чередуется с конвективной сушкой, что увеличивает скорость сушки на 20-30%. Рекомендуется следующий режим облучения изделий: длительность инфракрасного нагрева из поверхности 4-10 с, выдержка без облучения 20-80 с. За это время влага перемещается из внутренних слоев к поверхности. При таком режиме сушки изделия нагреваются незначительно при малом градиенте влажности, что исключает образование трещин при больших скоростях сушки.

При использовании инфракрасного излучения или комбинированной сушки необходимо обеспечить интенсивный отбор влажного воздуха, так как пары воды, образующиеся над поверхностью изделий, сильно поглощают инфракрасные лучи, снижая тем самым эффективность сушки.

При удалении влаги из глины или сформованного керамического изделия пластичной консистенции происходит уменьшение их первоначального размера, т.е. воздушная усадка, так как силы поверхностного натяжения сближают частицы глины. Величина усадки при сушке изделий, сформованных из определенной массы одной и той же влажности, изменяется в зависимости от условий и интенсивности сушки.

С увеличением скорости сушки остаточная влажность изделий, при которой прекращается усадка, имеет большую величину, чем при медленной сушке, но их воздушная усадка меньше. Это связано с тем, что при более интенсивной сушке увеличивается градиент влагосодержания внутри изделий. При этом поверхностные слои стремятся сократиться в размерах больше, чем внутренние, препятствующие усадке верхних слоев и не позволяющие им сократиться до размеров, которых они достигают при медленной сушке.

Образование трещин является основным дефектом при сушке и обусловливается неравномерными деформациями из-за неравномерных полей влагосодержания и температуры. Образование трещин может также вызываться избыточным давлением паров влаги внутри изделия при интенсивном внутреннем парообразовании. Наиболее опасными при этом являются напряжения, вызванные перепадами влагосодержания.

С точки зрения объемно-напряженного состояния и характера образующихся трещин процесс сушки керамических изделий пластического формования необходимо разбить на два периода:

· период активного нагружения и образования поверхностных трещин;

· период разгрузки с последующим нагружением обратного знака, вызывающим внутреннее трещинообразование.

На деформацию и образование трещин оказывают влияние не только форма, но также вес и размер изделий. С увеличением веса и размера изделий увеличивается продолжительность их сушки, особенно в первый период, когда при интенсивной сушке создаются условия для образования недопустимых перепадов влажности между центральными и поверхностными слоями.