05 Drying and Firing

Drying and Firing Mechanism and Processes Lecture note Jan 7, 2011

schaiwan@su.ac.th

1

เกริ่นนํา....ปัจจัยต่างๆที่มีผลต่อความเหนียวของดิน 1. ปริมาณน้ํา 2. ขนาดของอนุภาคดิน (ยิ่งเล็ก ยิ่งเหนียว) 3. ธรรมชาติของแร่ที่ผสมอยู่ในเนื้อดิน • (แร่ดิน – เหนียว / ทราย – ไม่เหนียว)

4.

5.

6.

7.

รูปร่างของอนุภาคดิน =>รูปร่างแบน/หกเหลี่ยม ขนาดของพื้นผิวของอนุภาค (มีมาก = เหนียวมาก) สิ่งปะปนของวัสดุอื่น (organic additives) ทิศทางการเรียงตัวของนุภาค ||||||| \\\\\\ //////

schaiwan@su.ac.th

2

เกริ่นนํา....

Water of Plasticity ปริมาณน้ําที่ใส่เข้าไปในดินแห้งแล้วทําให้เกิดเป็นเนื้อดินที่มี ความเป็นพลาสติก Kaolinite

8.9-56.3

Illite

17-38.5

Halloysite

33-50

Montmorillonite

83-250

schaiwan@su.ac.th

3

เกริ่นนํา....

Linear Drying Shrinkage of Kaolinite การหดตัวของแร่ดินขาว Particle Size (micron) 10-12

Linear Drying Shrinkage 1.45

2-4

2.19

0.25-0.10

3.70

schaiwan@su.ac.th

4

เกริ่นนํา....

Linear Drying Shrinkage of Clay Minerals การหดตัวของแร่ดินแต่ละชนิด Kaolinite Illite

3-10 4-11

Halloysite

7-15

Montmorillonite

12-23

schaiwan@su.ac.th

5

Drying • Mechanism of Drying

– เป็นการนําเอา “น้ํา” ออกจากเนื้อวัสดุที่เป็นกลุ่มก้อนของ อนุภาคเล็กๆ โดยวิธกี าร “ระเหย” – เกี่ยวข้องการกับถ่ายเทความร้อนจากผิวนอกเข้าไปข้างใน และถ่ายเทความชื้นจากข้างในสู่ผิวนอก – น้ําที่เกาะอยู่บนอนุภาคระเหยออก และเนื้อดินหดตัว จนหยุด หด (Leather-hard) – วิธีการ “ลดความชื้น” โดยการหมุนกระแสลมผ่านผิวก้อนดิน schaiwan@su.ac.th

6

Transfer of Heat • Convection / Radiation / Conduction methods • Convection เป็นวิธีการที่นิยมนํามาใช้มากที่สุดในอุตสาหกรรมเซรามิก – ลมอุ่นพัดผ่านผิวดินเปียก

• Infrared Drying เป็นตัวอย่างของการถ่ายเทความร้อนโดยวิธี radiation ซึ่งเป็น ความร้อนจากจุดอุณหภูมิสูง เป็นวิธีที่ยอมรับกันว่าส่งผ่านความร้อนได้สม่ําเสมอที่สุด – ส่งความร้อนเร็ว (ต้องระวัง) • Conduction ส่งผ่านความร้อนผ่านเนื้อดิน/ของแข็ง โดยเฉพาะฐานรองที่แสง /ลม เข้าถึงไม่ได้ • Microwave Drying ประสิทธิภาพดี เร็ว แต่แพง / เคยใช้ในญี่ปุ่น (1985) เพื่อให้ แก้วที่ผ่านกระบวนการกลึง-แห้งเร็ว - ใช้สูญญากาศช่วยเพื่อเร่งการแห้งตัวของดิน schaiwan@su.ac.th

7

ชนิดของเครื่องอบแห้ง • คํานึงถึงต้นทุน สถานที่ พื้นที่ ความเร็วในการผลิต และใช้พลังงานให้คุ้มค่า • Continuous Dryer + Heating Unit + Temperature and Humidity Controls • สามารถใช้ความร้อนจากการกระบวนการเผามาช่วยอบแห้งได้ • ใช้เชื้อเพลิง – แก๊ส น้ํามัน หรือไอน้ํา • หลากหลายชนิด เช่น Tunnel Dryers / Mangle Dryers / Dobbins Dryers / schaiwan@su.ac.th

8

Tunnel Dryer เป็นอุโมงค์ลําเลียง ชิ้นงานที่ต้องอบแห้งซึ่ง ถูกวางบนพืน้ รถเข็น (ราง) ลมร้อนและแห้งจะถูก พัดผ่านดินหมาดเพื่อ นําพาความชื้นออก จากผิว (ต้องควบคุม ความชื้นและอุณหภูม)ิ schaiwan@su.ac.th

9

Drying Process in Clay

(a) = Wet body (b) = Critical Point (or Leather hard) (c) = Dry ware

schaiwan@su.ac.th

10

Paper by R.K.Hill (Practical of Clay Evaluation, 1974) • อธิบายลักษณะการแห้งตัวของดินดังกราฟต่อไปนี้

Ws (Shrinkage water)

Vol Change (linear) Wi (interstitial water)

critical

schaiwan@su.ac.th

% H2O

Questions: a. What’s Porosity? b. What’s bulk volume of dry clay? c. What’s true volume of dry clay?

initial

11

ความสัมพันธ์ระหว่าง Moisture Contents, Shrinkage และ Rate of Drying

schaiwan@su.ac.th

12

Calculations • Linear Shrinkage (%) LS=(Lp-Ld)x100/Lp • Ex: ถ้าก้อนอิฐแห้งมีขนาด 235x105x78 mm ให้คํานวณหาค่า ความกว้าง ความยาว และความหนาตอนที่ยังเป็นดินหมาด (ออกจาก แม่พิมพ์) โดยกําหนดให้ linear dry shrinkage ของเนื้อดินหมาด เท่ากับ 4%

schaiwan@su.ac.th

13

Calculations • Volumetric Drying Shrinkage (%) VS= (Vp- Vd)x100/Vp

• Ex: ŕšƒŕ¸Ťŕš‰ŕ¸Ťŕ¸˛ŕ¸„ŕ¸§ŕ¸˛ŕ¸Ąŕ¸Şŕ¸ąŕ¸Ąŕ¸žŕ¸ąŕ¸™ŕ¸˜ŕšŒŕ¸Łŕ¸°ŕ¸Ťŕ¸§ŕšˆŕ¸˛ŕ¸‡ VS ๠ละ LS – Hint:

l x l x l (isotropic isotropic linear shrinkage) a schaiwan@su.ac.th

14

Firing Principles • การให้ความร้อนกับเนื้อดิน • ให้ความร้อนเพื่อให้เนื้อดินเกิดพันธะแก้ว (vitreous or crystalline bond) เพื่อให้ได้ซึ่งผลิตภัฑณ์ที่แข็งแกร่ง • ลักษณะการเผากําหนดขนาดที่เปลี่ยนแปลง / สมบัติทางกายภาพ เช่น ความแข็งแรง ความแข็ง และความพรุน

schaiwan@su.ac.th

15

ขั้นตอนการเผา • ต้องเข้าใจขึ้นตอนที่เกิดขึ้นขณะเผาเนื้อดิน ดังนี้ – เอาความชื้นออกจากเนื้อดิน – เกิดการสลายตัวของเนื้อดิน และเกิดไอน้ําจากการสลายตัว – การสันดาปแบบ oxidation และการเกิดการเปลี่ยนแปลงทาง microstructure – การหลอมเหลวของเนื้อแก้ว / Sintering (เผาผนึก) – การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึก (Polymorphic transformations) schaiwan@su.ac.th

16

การไล่ความชื้นออกจากเนื้อดิน • • • •

ดินก่อนเผาต้องไม่มีความชื้น (ซึ่งโดยธรรมชาติ จะมีความชื้นอยู่) ใช้เตาเผาแทนเตาอบไม่ค่อยดีเท่าไหร่ – เพราะความร้อนขึ้นเร็วมาก ความร้อนมาก ผิวแห้งเร็ว ความเค้นสูง ดินแตกร้าว ผิวน้ําที่ติดอยู่บนผิวอนุภาคดิน (ตามช่องว่าง) จะถูกขับออกไปที่ 150C (เรียกว่า Water-smoking period)

schaiwan@su.ac.th

17

การสลายตัวของเนื้อดิน Al2O3.2SiO2.2H2O Al2O3.2SiO2 + 2H2O เกิดขึ้นที่ 450-550C Metakaolin = amorphous phase of kaolinite after dehydroxylation

• ตั้งแต่ 150-650C (จนถึง 850-900C) น้ําจากผลึกแร่ดินถูกขับออกจากเนื้อดิน • เป็นช่วงการเผาที่ต้องอาศัย “เวลา” ให้นาน เนื่องจากมี Vapour เกิดขึ้นเป็น จํานวนมาก schaiwan@su.ac.th

18

การสันดาป • • • •

Oxidation = oxygen เพียงพอ (Reduction = ขาด oxygen) อินทรีวัตถุถูกเผาออกไป C + O2 = CO2 / C + 0.5O2 = CO ช่วง oxidising จะอยู่ในอุณหภูมิประมาณ 350-850C การสันดาปจะสมบูรณ์หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับ – 1. ปริมาณออกซิเจนที่มีอยู่ – 2. ความพรุนของเนื้อวัสดุ – 3. อุณหภูมิ (สําคัญ) ออกซิเจนไม่สามารถเข้าถึงเนื้อดินที่หนาได้ เกิด graphite ข้างในเนื้อดิน (black core)

FeS2 = FeS +S | S + O2 = SO2 2FeS + 3.5O2 = Fe2O3 + 2SO2 schaiwan@su.ac.th

19

การสันดาปและการเปลี่ยนแปลง • สิ่งปะปนเปลี่ยนแปลงขณะถูกเผา @900C CaCO3 = CaO + CO2 • ปัญหาจาก CaCO3 ที่เผาไม่หมดจะดูดความชื้นและดันเนื้อดินให้ แตกได้ • Sulphates ไม่สลายตัวจนถึงอุณหภูมดิ ังนี้ (ต้องให้มีน้อยที่สุด) – MgSO4 – CaSO4 – BaSO4 schaiwan@su.ac.th

@890C @ 1200C @1510C

เกิด efflorescence คราบขาว 20

การหลอมเหลวของเนื้อแก้ว / Sintering (เผาผนึก) • (ก่อนหน้านี้) เป็นเพียงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นผลข้างเคียง • แต่สิ่งที่ทําให้เกิดการเปลี่ยนแปลงต่อเนื้อวัสดุจริงๆนั้น คือ Vitrification and Sintering • Sintering เป็นกระบวนการที่อนุภาคดินเล็กๆการผลึกติดกันด้วยความ ร้อน ทําให้ความหนาแน่นมากขึ้น / ความพรุนน้อยลง • เป็น Solid State Reaction หรือ Intercrystallization เกิด Crystalline Bond • ควรเข้าใจความแตกต่างระหว่าง Solid State Sintering กับ Vitrification schaiwan@su.ac.th

21

การหลอมเหลวของเนื้อแก้ว / Sintering (เผาผนึก) • Vitrification = การหลอมของเนื้อดินบางส่วนในขณะที่ถูกเผา มี liquid phase เกิดขึ้น เป็นแก้ว เกิดการประสานกัน และหดตัวของวัสดุ • Vitrification ขึ้นอยู่กับ ส่วนผสมของเนื้อวัสดุ / ความบริสุทธิ์ของวัสดุ / และการควบคุมการเผา

schaiwan@su.ac.th

22

Polymorphic transformation • เป็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างผลึกที่แตกต่างของวัสดุชนิดใด ชนิดหนึ่ง โดยมีส่วนประกอบทางเคมีคงที่ • ขึ้นอยู่กับ อุณหภูมิ / ความดัน / และสิ่งปะปน (impurities) • เกิดขึ้นได้สองแบบ – Displacive transformations (or Inversions) – Fast!! เช่น alpha – beta quartz – Reconstructive transformations (or Conversions ) – Slow!! Quartz cristoballite schaiwan@su.ac.th

23

Displacive transformations • เปลี่ยนองศาในการจับตัวกันและขยับระยะห่างระหว่างอะตอม โดยที่ไมได้ แตกพันธะ • เกิดขึ้นไวเมื่อถึงอุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนแปลง • ใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาที • เปลี่ยนแปลงกลับไปกลับมาได้ • ต้องเป็นอุณหภูมิ 573.1C จะเกิดการเปลี่ยนแปลงทันที

schaiwan@su.ac.th

24

Reconstructive transformations • มีการเปลี่ยนแปลงระหว่างช่วงอุณหภูมิ (ค่อยๆเปลี่ยน) • ควรต้องมีการควบคุมอุณหภูมิให้มีเวลาเพียงพอที่จะมีการเปลี่ยนแปลง โครงสร้างผลึก • ไม่เปลี่ยนกลับไปกลับมาได้ทันที • หากมี catalyst ช่วย จะทําให้การเปลี่ยนแปลงเร็วขึ้น Quartz -- Cristoballite -- Tridymite schaiwan@su.ac.th

25

Firing Schedule Vitrification and Sintering

1,200

600

Oxidation of Organic Matter

Decomposition of clay Change of Quartz

schaiwan@su.ac.th

Glass transition liquid - solid

Change of Quartz

26

สิ่งทีเ่ กิดขึ้นขณะfiring

schaiwan@su.ac.th

27

Thermal Measurement วิธีการทดสอบสมบัติของเนื้อเซรามิก – Thermal Expansion Measurement – Dilatometer – Thermal Differential Analysis – DTA – Thermal Gravimetric Analysis – TGA

ทดสอบเพื่อศึกษาดูคุณภาพของเนื้อเซรามิก (เช่น ดินเผา, Silicates, Oxides) หรือ วัสดุอื่นๆที่มีการเปลี่ยนแปลงสภาพระหว่างเพิ่มอุณหภูม*ิ *

สามารถนํามาใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ + ปรับปรุงคุณลักษณะได้ schaiwan@su.ac.th

28

Dilatometer เป็นเทคนิคที่วัดการเปลี่ยนแปลง ของขนาด (∆l)ของชิ้นทดลอง ในช่วงอุณหภูมิ (∆t) • โดยกําหนดให้เครื่องมือมี อัตราการเพิ่มความร้อนที่คงที่ (1-5°C/minute) • Plot ∆l(%) vs ∆t • กราฟบ่งบอกช่วงที่เริ่มมีการ หลอมตัวของวัสดุ schaiwan@su.ac.th

29

dilatometric pattern of brickmaking clay mix Material

Kaolinite (%)

Mica (%)

Quartz (%)

Egerton

93

4

2

Sanblend

59.5

23

11.5

Mudgee

25

41

34

@573°C ขยายตัวฉับพลันของ a+ß-quartz ยอดกราฟ = ดินหดตัว แต่ quartz+mica ขยายตัว schaiwan@su.ac.th

กราฟเริ่มลง = เริ่มหลอมตัว 30

DTA Thermal Differential Analysis ** ตรวจหาการเปลี่ยนแปลง ของอุณหภูมิ (∆t) เมื่อ เทียบกับวัสดุอ้างอิง ในขณะที่ถูกเพิ่มความร้อน ด้วยอัตราที่กําหนดไว้ Plot ∆t vs t (°°C) ข้อดี: บอกช่วงอุณหภูมิที่เกิด การเปลี่ยนแปลงทางเคมี และกายภาพ schaiwan@su.ac.th

31

ตัวอย่าง DTA ของ Kaolin @ 510°C ดินเริ่ม สลายตัวเป็น metakaolin @ 980°C เปลี่ยนแปลงผลึก เป็น spinel phase

schaiwan@su.ac.th

32

ตัวอย่าง DTA ของ brickmaking mix @ 380°C และ 502°C อินทรีวัตถุเผาไหม้ @573C ดินสลายตัว แต่ความร้อนที่ได้จากการ เผาไหม้คาร์บอนมาก – peak ของการสลายตัว ของดินไม่ชัด schaiwan@su.ac.th

33

TGA Thermal Gravimetric Analysis วัดการเปลี่ยนแปลงของมวล เมื่อถูกเผาที่ความร้อนสูงขึ้น ด้วยอัตราคงที่ 10-20°C/min Plot ∆m vs ∆t ใช้ตรวจการ สร้างพันธะ(เพิม่ มวล)/ สลายตัว (ลดมวล) / Oxidation? schaiwan@su.ac.th

34

ตัวอย่าง Patterns TGA ของแร่ดิน Slopeลง = มวลน้อยลง (1) ดินสลายตัวที่ 500C (2) น้าํ ระเหยออกอย่างเห็นได้ชัดที่ 200C และดินสลายตัวที่ 600C (3) สูญเสียน้ําที่ 200C และดิน สลายตัว(เฉลี่ย)ที่จนถึง 800C (4) น้ําถูกขับออกมากที่สุด (อุ้มน้ํา มากกว่าเพื่อน) ที่ 200C

schaiwan@su.ac.th

35

อุปกรณ์วัดอุณหภูมแิ ละ Oxygen Probe • Thermocouples – เป็นอุปกรณ์วัดความร้อน(สูง)ที่ ใช้อย่างแพร่หลาย มีหลายชนิด TYPE (วัดอุณหภูมิอย่างมี ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่างกัน)

• เป็นลวดสองชนิดที่ถกู เชื่อมที่ปลาย (@hot junction) และต่อเข้ากับวงจร (@cold junction)วัดความต่าง ศักดิ์ schaiwan@su.ac.th

36

schaiwan@su.ac.th

37

Colour Coded

Thermocouple ชนิดต่างๆ

Constantan = An alloy made of 45 % Nickel + 55 % Copper Alumel = An alloy containing 94% nickel, 2% aluminum, 3% chromium, and 1% silicon Chromel = An alloy containing 90% nickel and 10% chromium schaiwan@su.ac.th

38

Oxygen Probe • ใช้เพื่อวัดปริมาณ oxygen ที่อยู่ในเตาเผา (ว่ามีการสันดาป เพียงพอหรือไม่) • Zirconia (ZrO2) disk – Ionic conductor (มีกระแสก็ต่อเมื่อมี อุณหภูมิที่สูงขึ้น) และมีความดันของก๊าซ Oxygen ต่างกันระหว่างสอง ด้านของ disk

• กระแส ionic ที่เกิดขึ้นเป็นไปตาม

E = 0.0496T log(P1/P2)

E = Voltage (mV) T = Temperature (K) P1 = Partial Pressure (of oxygen, Reference side) Air 20.9%O2 P2 = Partial Pressure (of oxygen, Furnace side)

• ถ้ารู้ว่าเชื้อเพลิงคืออะไร สามารถคํานวณหาปริมาณของ CO, CO2, H2, H2O, O2, และ N2 ในแก๊สหลังเผา schaiwan@su.ac.th

39

Pyrometric Cones เป็นเทคนิคการวัดอุณหภูมิโดยผสมวัสดุเซรามิกให้ หลอมตัว/หดตัว/หย่อนตัว ในอุณหภูมิต่างกัน โดยตั้งชื่อเป็นตัวเลข Cones

Bullers’s Rings Holdcroft Bars schaiwan@su.ac.th

40

AirAir-Water System • • • • • • • • • • • •

Partial Pressure Mole Fraction Volume Fraction Humidity Saturated Humidity Relative Humidity Latent Heat λ Enthalpy ∆H Dew Point Dry-Bulb Temperature Wet-Bulb Temperature Adiabatic Saturation Temperature

schaiwan@su.ac.th

41

schaiwan@su.ac.th

42