05 drying and firing
DESCRIPTION
Introduction to Ceramics Engineering, Drying and Firing of CeramicsTRANSCRIPT
เกริ่นนํา....ปัจจัยต่างๆที่มีผลต่อความเหนยีวของดนิ
1. ปริมาณน้ํา2. ขนาดของอนุภาคดิน (ยิ่งเล็ก ยิ่งเหนียว)3. ธรรมชาติของแร่ที่ผสมอยู่ในเนื้อดิน • (แร่ดิน – เหนียว / ทราย – ไม่เหนียว)4. รูปร่างของอนุภาคดิน =>รูปร่างแบน/หกเหลี่ยม5. ขนาดของพื้นผิวของอนภุาค (มีมาก = เหนียวมาก)6. สิ่งปะปนของวัสดุอื่น (organic additives)7. ทิศทางการเรียงตัวของนุภาค ||||||| \\\\\\ //////
Water of Plasticityปริมาณน้ําที่ใส่เข้าไปในดินแห้งแล้วทําให้เกิดเป็นเนื้อดินที่มี
ความเป็นพลาสติก
83-250Montmorillonite
33-50Halloysite
17-38.5Illite
8.9-56.3Kaolinite
เกริ่นนํา....
Linear Drying Shrinkage of Kaoliniteการหดตัวของแร่ดินขาว
3.700.25-0.10
2.192-4
1.4510-12
Linear Drying ShrinkageParticle Size (micron)
เกริ่นนํา....
Linear Drying Shrinkage of Clay Mineralsการหดตัวของแร่ดินแต่ละชนิด
12-23Montmorillonite
7-15Halloysite
4-11Illite
3-10Kaolinite
เกริ่นนํา....
Drying
• Mechanism of Drying
– เป็นการนําเอา “น้ํา” ออกจากเนื้อวัสดุที่เป็นกลุ่มก้อนของอนุภาคเล็กๆ โดยวธิกีาร “ระเหย”
– เกี่ยวข้องการกับถ่ายเทความร้อนจากผิวนอกเข้าไปข้างใน และถ่ายเทความชื้นจากข้างในสู่ผิวนอก
– น้ําที่เกาะอยู่บนอนุภาคระเหยออก และเนื้อดินหดตัว จนหยุดหด (Leather-hard)
– วธิีการ “ลดความชื้น” โดยการหมุนกระแสลมผ่านผิวก้อนดิน
Transfer of Heat
• Convection / Radiation / Conduction methods
• Convection เป็นวิธีการที่นิยมนํามาใช้มากที่สุดในอุตสาหกรรมเซรามิก– ลมอุ่นพัดผ่านผิวดินเปียก
• Infrared Drying เป็นตัวอย่างของการถ่ายเทความร้อนโดยวิธี radiation ซึ่งเป็นความร้อนจากจุดอุณหภูมิสูง เป็นวิธีที่ยอมรับกันว่าส่งผ่านความร้อนได้สม่ําเสมอที่สุด – ส่งความร้อนเร็ว (ต้องระวัง)
• Conduction ส่งผ่านความร้อนผ่านเนื้อดิน/ของแข็ง โดยเฉพาะฐานรองที่แสง /ลมเข้าถึงไม่ได้
• Microwave Drying ประสทิธิภาพดี เร็ว แต่แพง / เคยใช้ในญี่ปุ่น (1985) เพื่อให้แก้วที่ผ่านกระบวนการกลึง-แห้งเร็ว - ใช้สูญญากาศช่วยเพื่อเร่งการแห้งตัวของดิน
ชนดิของเครื่องอบแห้ง
• คํานึงถึงต้นทุน สถานที ่พื้นที่ ความเร็วในการผลิต และใช้พลังงานให้คุ้มค่า
• Continuous Dryer + Heating Unit + Temperature and
Humidity Controls
• สามารถใช้ความร้อนจากการกระบวนการเผามาช่วยอบแห้งได้
• ใช้เชื้อเพลิง – แก๊ส น้ํามัน หรือไอน้ํา
• หลากหลายชนิด เช่น Tunnel Dryers / Mangle Dryers /
Dobbins Dryers /
Tunnel Dryer
เป็นอุโมงคล์ําเลียงชิ้นงานที่ต้องอบแห้งซึ่งถูกวางบนพืน้รถเข็น (ราง)
ลมร้อนและแห้งจะถูกพัดผ่านดินหมาดเพื่อนําพาความชื้นออกจากผิว (ต้องควบคุมความชื้นและอุณหภูมิ)
Drying Process in Clay
(a) = Wet body (b) = Critical Point (or Leather hard) (c) = Dry ware
Paper by R.K.Hill
(Practical of Clay Evaluation, 1974)• อธิบายลักษณะการแห้งตัวของดินดังกราฟต่อไปนี้
Vol Change (linear)
% H2O
Wi (interstitial water)
Ws (Shrinkage water)
initialcritical
Questions:Questions:Questions:Questions:
a.a.a.a. What’s Porosity?
b.b.b.b. What’s bulk volume of
dry clay?
c.c.c.c. What’s true volume of
dry clay?
Calculations
• Linear Shrinkage (%)
LS=(Lp-Ld)x100/Lp
• Ex: Ex: Ex: Ex: ถ้าก้อนอิฐแห้งมีขนาด 235x105x78 mm 235x105x78 mm 235x105x78 mm 235x105x78 mm ใหค้ํานวณหาค่าความกว้าง ความยาว และความหนาตอนที่ยังเปน็ดินหมาด (ออกจากแม่พิมพ)์ โดยกําหนดให้ linear dry shrinkage linear dry shrinkage linear dry shrinkage linear dry shrinkage ของเนื้อดินหมาดเทา่กับ 4%4%4%4%
Calculations
• Volumetric Drying Shrinkage (%)
VS= (Vp- Vd)x100/Vp
• Ex: ให้หาความสัมพันธ์ระหว่าง VS และ LS
– Hint: ������������ �� � ������ l x l x l �������� (isotropicisotropicisotropicisotropic linear
shrinkage) a � ��
Firing Principles
• การให้ความรอ้นกับเนื้อดิน
• ให้ความร้อนเพื่อให้เนื้อดินเกิดพันธะแก้ว (vitreous or crystalline bond) เพื่อใหไ้ด้ซึ่งผลิตภัฑณ์ที่แข็งแกร่ง
• ลักษณะการเผากําหนดขนาดที่เปลี่ยนแปลง / สมบัติทางกายภาพ เช่นความแข็งแรง ความแข็ง และความพรุน
ขั้นตอนการเผา
• ต้องเข้าใจขึ้นตอนที่เกิดขึ้นขณะเผาเนื้อดิน ดังนี้– เอาความชื้นออกจากเนื้อดิน
– เกิดการสลายตัวของเนื้อดิน และเกิดไอน้ําจากการสลายตัว
– การสันดาปแบบ oxidation และการเกิดการเปลี่ยนแปลงทาง microstructure
– การหลอมเหลวของเนื้อแก้ว / Sintering (เผาผนึก)
– การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึก (Polymorphic transformations)
การไล่ความชื้นออกจากเนื้อดิน
• ดินก่อนเผาต้องไม่มีความชื้น (ซึ่งโดยธรรมชาติ จะมีความชื้นอยู่)
• ใช้เตาเผาแทนเตาอบไม่ค่อยดีเท่าไหร ่– เพราะความร้อนขึ้นเร็วมาก
• ความร้อนมาก � ผิวแห้งเรว็ � ความเค้นสูง �ดินแตกร้าว
• ผิวน้ําที่ติดอยู่บนผิวอนุภาคดิน (ตามช่องว่าง) จะถูกขับออกไปที ่150C (เรียกว่า Water-smoking period)
การสลายตัวของเนื้อดิน
Al2O3.2SiO2.2H2O � Al2O3.2SiO2 + 2H2O
เกิดขึ้นที ่450-550C
Metakaolin = amorphous phase of kaolinite after dehydroxylation
• ตั้งแต่ 150-650C (จนถึง 850-900C) น้ําจากผลึกแร่ดินถูกขับออกจากเนื้อดิน
• เป็นช่วงการเผาที่ต้องอาศัย “เวลา” ให้นาน เนื่องจากม ีVapour เกิดขึ้นเป็นจํานวนมาก
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
การสันดาปและการเปลี่ยนแปลง• สิ่งปะปนเปลี่ยนแปลงขณะถูกเผา
@900C CaCO3 = CaO + CO2
• ปัญหาจาก CaCO3 ที่เผาไม่หมดจะดูดความชื้นและดันเนื้อดินให้แตกได้
• Sulphates ไม่สลายตัวจนถึงอุณหภูมิดังนี ้ (ต้องให้มีน้อยที่สุด)– MgSO4 @890C– CaSO4 @ 1200C � เกิด efflorescence คราบขาว– BaSO4 @1510C
การหลอมเหลวของเนื้อแก้ว / Sintering (เผาผนึก)
• (ก่อนหน้านี้) เป็นเพียงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นผลข้างเคียง• แต่สิ่งที่ทําให้เกิดการเปลี่ยนแปลงต่อเนื้อวัสดุจริงๆนั้น คอื Vitrification
and Sintering• Sintering เป็นกระบวนการที่อนุภาคดินเล็กๆการผลึกติดกันด้วยความ
ร้อน ทําให้ความหนาแน่นมากขึ้น / ความพรุนน้อยลง• เป็น Solid State Reaction หรือ Intercrystallization เกิด
Crystalline Bond • ควรเขา้ใจความแตกต่างระหว่าง Solid State Sintering กับ
Vitrification
• Vitrification = การหลอมของเนื้อดินบางส่วนในขณะที่ถูกเผา ม ีliquid phase เกิดขึ้น เป็นแก้ว เกิดการประสานกัน และหดตัวของวัสดุ
• Vitrification ขึ้นอยู่กับ ส่วนผสมของเนื้อวัสดุ / ความบริสุทธิ์ของวัสดุ / และการควบคุมการเผา
การหลอมเหลวของเนื้อแก้ว / Sintering (เผาผนึก)
• เป็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างผลึกที่แตกต่างของวัสดุชนิดใดชนิดหนึ่ง โดยมีส่วนประกอบทางเคมีคงที่
• ขึ้นอยู่กับ อุณหภูมิ / ความดัน / และสิ่งปะปน (impurities)
• เกิดขึ้นได้สองแบบ – Displacive transformations (or Inversions) – Fast!! เช่น alpha – beta
quartz
– Reconstructive transformations (or Conversions ) – Slow!! Quartz -cristoballite
Polymorphic transformation
• เปลี่ยนองศาในการจับตัวกันและขยับระยะห่างระหว่างอะตอม โดยที่ไมได้แตกพันธะ
• เกิดขึ้นไวเมื่อถึงอุณหภูมิที่เกดิการเปลี่ยนแปลง
• ใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาที
• เปลี่ยนแปลงกลับไปกลับมาได้
• ต้องเป็นอุณหภูมิ 573.1C จะเกิดการเปลี่ยนแปลงทันที
Displacive transformations
• มีการเปลี่ยนแปลงระหว่างช่วงอุณหภูมิ (ค่อยๆเปลี่ยน)
• ควรต้องมีการควบคุมอุณหภูมิให้มีเวลาเพียงพอที่จะมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึก
• ไม่เปลี่ยนกลับไปกลับมาได้ทันที
• หากม ีcatalyst ช่วย จะทําให้การเปลี่ยนแปลงเร็วขึ้น
Quartz -- Cristoballite -- Tridymite
Reconstructive transformations
Firing Schedule
Decomposition of clayChange of Quartz
Oxidation of Organic Matter
Vitrification and Sintering
Glass transition liquid - solid
Change of Quartz
1,200
600
Thermal Measurement
วิธีการทดสอบสมบัติของเนื้อเซรามิก– Thermal Expansion Measurement – Dilatometer
– Thermal Differential Analysis – DTA
– Thermal Gravimetric Analysis – TGA
� ทดสอบเพื่อศึกษาดูคุณภาพของเนื้อเซรามิก (เช่น ดินเผา, Silicates, Oxides) หรือวัสดุอื่นๆที่มีการเปลี่ยนแปลงสภาพระหว่างเพิ่มอุณหภูมิ**
สามารถนํามาใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ + ปรับปรงุคุณลักษณะได้
Dilatometer
เป็นเทคนิคที่วัดการเปลี่ยนแปลงของขนาด (∆l)ของชิ้นทดลอง ในช่วงอุณหภูมิ (∆t)
• โดยกําหนดให้เครื่องมือมีอัตราการเพิ่มความร้อนที่คงที่ (1-5°°°°C/minute)
• Plot ∆l(%) vs ∆t
• กราฟบ่งบอกช่วงที่เริ่มมีการหลอมตัวของวัสดุ
dilatometric pattern of brickmaking clay
mix
344125Mudgee
11.52359.5Sanblend
2493Egerton
Quartz
(%)
Mica
(%)
Kaolinite
(%)
Material
@573°°°°C ขยายตัวฉับพลันของ a+ß-quartz
ยอดกราฟ = ดินหดตัว แต่ quartz+mica ขยายตัว
กราฟเริ่มลง = เริ่มหลอมตัว
** ตรวจหาการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (∆t) เมื่อเทียบกับวัสดุอ้างอิง ในขณะที่ถูกเพิ่มความร้อนด้วยอัตราที่กําหนดไว้
Plot ∆t vs t (°°°°C)
ข้อดี: บอกช่วงอุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี
และกายภาพ
DTA Thermal Differential Analysis
ตวัอย่าง DTA ของ Kaolin@ 510°°°°C ดินเริ่มสลายตัวเป็น meta-kaolin
@ 980°°°°C เปลี่ยนแปลงผลึก เป็น spinel phase
ตวัอย่าง DTA ของ brickmaking mix
@ 380°°°°C และ 502°°°°C อินทรีวัตถุเผาไหม ้
@573C ดินสลายตัว
แต่ความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้คาร์บอนมาก –peak ของการสลายตัวของดินไม่ชัด
TGA Thermal Gravimetric Analysis
วัดการเปลี่ยนแปลงของมวล เมื่อถูกเผาที่ความร้อนสูงขึ้นด้วยอัตราคงที่ 10-20°C/min
Plot ∆m vs ∆t
ใช้ตรวจการ สร้างพนัธะ(เพิม่มวล)/สลายตัว (ลดมวล) / Oxidation?
ตวัอย่าง Patterns TGA ของแรด่ินSlopeลง = มวลน้อยลง
(1) ดินสลายตัวที ่500C(2) น้ําระเหยออกอย่างเหน็ได้ชัดที ่
200C และดินสลายตัวที ่600C(3) สูญเสียน้ําที ่200C และดิน
สลายตัว(เฉลี่ย)ที่จนถึง 800C(4) น้ําถูกขับออกมากที่สุด (อุ้มน้ํา
มากกว่าเพื่อน) ที ่200C
อุปกรณ์วัดอุณหภูมิและ Oxygen Probe
• Thermocouples – เป็นอุปกรณ์วัดความร้อน(สูง)ที่ใช้อย่างแพร่หลาย มีหลายชนิด TYPE (วัดอุณหภูมิอย่างมี
ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่างกัน)
• เป็นลวดสองชนิดที่ถกูเชื่อมที่ปลาย (@hot junction) และต่อเข้ากับวงจร (@cold junction)วัดความต่างศักดิ์
Thermocouple ชนิดต่างๆ
Constantan = An alloy made of 45 % Nickel + 55 % Copper Alumel = An alloy containing 94% nickel, 2% aluminum, 3% chromium, and 1% siliconChromel = An alloy containing 90% nickel and 10% chromium
Colour
Coded
Oxygen Probe
• ใช้เพื่อวัดปริมาณ oxygen ที่อยู่ในเตาเผา (ว่ามีการสันดาปเพียงพอหรือไม่)
• Zirconia (ZrO2) disk – Ionic conductor (มีกระแสก็ต่อเมื่อมีอุณหภูมิที่สูงขึ้น) และมีความดันของก๊าซ Oxygen ต่างกันระหว่างสองด้านของ 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
Pyrometric Cones
เป็นเทคนิคการวัดอุณหภมูิโดยผสมวัสดุเซรามิกให้
หลอมตัว/หดตัว/หย่อนตัว ในอุณหภูมิต่างกัน โดยตั้งชื่อเป็นตัวเลข
Holdcroft Bars
Cones
Bullers’s Rings
AirAirAirAir----Water SystemWater SystemWater SystemWater 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
