5 Drying and Firingeng.sut.ac.th/ceramic/old/course_link/82.pdfถึงจุดเดือด...

Post on 17-Nov-2020

0 views 0 download

Transcript of 5 Drying and Firingeng.sut.ac.th/ceramic/old/course_link/82.pdfถึงจุดเดือด...

Whiteware V drying and firing 1

Drying and Firing of whiteware productsDrying and Firing of Drying and Firing of whitewarewhiteware productsproducts

Part VPart V

Whiteware V drying and firing 2

ก���ก���������ก��� �� (finishing, Fettling)

• ก�����������ก����������� ��� (cutting and trimming)

• ก��������������������������ก��ก� � (Turning)

• ก����!���"��ก���������� (sticking up)

• ก����������������"�����#���$� (Towing and sponging)

Whiteware V drying and firing 3

การตดสวนประกอบของชนงาน(sticking up)

Whiteware V drying and firing 4

การตดขอบและการแตงรอยตะเขบ (Cutting and trimming)

Whiteware V drying and firing 5

การขดแตงผวดวยแปรงและฟองนา (Towing and sponging)

Whiteware V drying and firing 6

ก����������� ���������������ก����������������ก����กก�����

Whiteware V drying and firing 7

ก�����%�� (Drying)• ลม ความชน อณหภม• การหดตวของเนอดน• การระเหยนาดวยพลงงานความรอน : การพาหรอการแผรงสความรอน

• ปรมาณความรอนททาใหความชนในผลตภณฑมอณหภมสงถงจดเดอด และทาใหนาระเหยออกไป

• ปรมาณความรอนททาใหอณหภมของผลตภณฑ หองอบ และบรรยากาศภายในหองอบรอนถงจดสงสด

• ปรมาณความรอนทสญเสยไปกบกาซทผานออกไปจากหองอบ

Whiteware V drying and firing 8

Mechanism of drying

Whiteware V drying and firing 9

d

A B

V

Internal of flow of Moisture

Volume rate of flow = k driving forceflow resistance

Or

Where dV/dt = volume rate of flow A = the water concentration on the wetter faceB = the water concentration on the drier facek = constantd = the length of pathp = permeability of bodyη = viscosity of water

η

p

d

ABk

dt

dV.

)( −=

To increase the water flow rate, increasing the permeability, increasing the moisture gradient or decreasing the viscosity of water

Whiteware V drying and firing 10

Moisture distribution

ก��ก��&��'��(�)����*� �)���!�+ ก���%�� �,(&�ก���%�)�-�,���������� !����� �����ก���&��%�����-�,!+� �,�ก�����%����� -��.� ก�&�-$�*%� !��/'�������� ��,�')� ก�����%�����0&�-$�*%�ก��ก��&��'��(!(,$� !(�

Whiteware V drying and firing 11

Surface Evaporation• Evaporation from a free water surface: depend on the air

temperature, air velocity, water content of air and water temperature

• Drying rates of ceramic body:

Rate of water loss in drying moist clay

Dark to light

Whiteware V drying and firing 12

Drying shrinkage

• Mechanism of drying shrinkage At moisture content (B), อนภาคเขา

มาใกลกน ยงคงมนาอยในชองวางระหวางอนภาค แตการระเหยของนาภายหลงจดนจะไมทาใหอนภาคหดตวอก = Critical moisture content (CMC) คานเปลยนแปลงไปขนอยกบอตราสวนดนตอวตถดบทไมเหนยว การกระจายของขนาดอนภาค รปรางของอนภาคดงนนคานจะทาใหเราสามารถหลกเลยงการแตกหรอการบดเบยวขณะอบแหงได ซงตองใหการแหงชาๆ หลงจากนนกสามารถจะเพมอตราการแหงได เพราะจะไมมการหดตวอกตอไป

Whiteware V drying and firing 13

Rate of water removal & moisture content under constant drying condition

At moisture content greater than CMC, the rate at which water is lost will be constant under constant conditions (ก���� %��$�&�ก��) = constant rate period.After CMC, there is no longer a continuous water layer and water from the interior must diffuse to the surface before it can be removed. Therefore, the rate of water removal decrease (falling rate period) until the sample is completely dried.

Whiteware V drying and firing 14

Clay ware properties influencing on drying rate

• Forming imperfections of clay ware: �$�%�-�, ก�&�กก��� ���" .���ก� ก��&�� ������������+��'�����%���� ���" '��(��ก�������'��(�)�*��������� ���ก����ก��(�����ก

• Moisture content of clay ware• Water permeability of clay ware: '��(�� ����

�����+��'�� "�(����3�+� '��(%�)�����$�-�,�+�%��(�� ������"�(���������-�, �(��*��� 3),�*%�(�ก��ก��&��/ ก�����ก��%��(0

Whiteware V drying and firing 15

Methods of reducing drying shrinkage

• Add the non-plastic raw materials

• Coarse particle

• Molding at high pressure so that the water films are reduced to a low order.

Whiteware V drying and firing 16

�����ก���%����������� �ก�������� �)��� ��"��������������� �����!������3)�-�,�����"�(��������������(�ก &�-$�*%�ก�����%����

Both drying and firing contractions are at a maximum in the direction perpendicular to alignment and at a minimum in the direction of alignment of particles

Whiteware V drying and firing 17

ก�������ก����ก� ��!�ก������ ����

• ��ก��%����-$�.��/�� *���$�"�(������*�ก��� ���" 3,(!��!������5+��-�,(���+��'*%6�%�)���"�(���� �( deflocculant

• ��'��(��ก�������'��(�)�-$�.��/�� �� drying rate *%������/��'��'+( RH��� DB *�ก���� "���"�+�*%�(� permeability (�ก ���'��'+(*%�(�ก���� %�����$� -��ก��-����������

• -$�*%����*���������(��+�%��(!��ก��������ก�������� /��ก��-$�*%��+�%��(!�����'��'+( RH *� ����*%�!��0 *�������ก���ก����

Whiteware V drying and firing 18

Maximum Drying Rate

• Humidity drying: -�,�+�%��(!���$�&�(�'��(%�)��,$� -$�*%�(�ก���� %�����$� ���� � ������-�,�+�%��(!���$��� %���ก." ��� -$�*%� ก�ก����ก����.�� 3),���ก����ก���� &��������*������ก�7-�,�,(���."����'��(�)�*�������ก0���ก������� (),������.�����'��(���� ��(-�,���� '��(�)�&������������� ��� /��.(�*%�(�'��( '���� (stress) ก�� �*������

Whiteware V drying and firing 19

Whiteware V drying and firing 20

ก��'��'+(ก���%����������������

• ���3(3�"��"��! ����

• ���������+��' �)��� ��������� �)���

• ��"���� ���� '��(%����������

• ก���(�'��(�)�*�3(3�"��"��! ���� 5-20% �+�%��(-�,*��*�ก�����%��.(�'�� ก� 105°c 5��3(3��%��.(�'��*���+�%��(�� ก� 45°c

Whiteware V drying and firing 21

Relative humidity

• '�� "���� -�����%����'��(�)�-�,�+�(*���ก�7���'��(�)�-��%(�-�,�+�(.�������ก�7������

• Relative humidity = (%moisture content contain by air)/ (%fully moisture content by air)

• RH = 80% ��ก�7�������+�(�$�.�� 80% ���!�(��5�+�(�$�.����ก 20%

• ��ก�7-�,(��+�%��(!��&��+�(�$�.��(�ก� �

Whiteware V drying and firing 22

Psychometric chart 20-130ºF

George A.,Kirkendale, editor, “Drying Claywares”, Alfred University, USA 1972, p.50!+���( 7��%��(!�ก, �ก!��"��ก��ก��!����� 506303 Drying and firing, 2543

Whiteware V drying and firing 23

Psychometric chart 60-260ºF

George A.,Kirkendale, editor, “Drying Claywares”, Alfred University, USA 1972, p.50!+���( 7��%��(!�ก, �ก!��"��ก��ก��!����� 506303 Drying and firing, 2543

Whiteware V drying and firing 24

Water on surface product evaporated

Water inside poreDiffused

Evaporation

George A.,Kirkendale, editor, “Drying Claywares”, Alfred University, USA 1972, p.53!+���( 7��%��(!�ก, �ก!��"��ก��ก��!����� 506303 Drying and firing, 2543

Moderate Drying

Whiteware V drying and firing 25

1. Rate of loss !��!+�

3. Rate of loss ���� "C� !��/'��Brick Temp. !��� �

2. Brick temp.'�-�, Rate of loss ����'�-�,

Rapid Drying ��&-$�*%�����������ก.��

George A.,Kirkendale, editor, “Drying Claywares”, Alfred University, USA 1972, p.53!+���( 7��%��(!�ก, �ก!��"��ก��ก��!����� 506303 Drying and firing, 2543

Whiteware V drying and firing 26

�� ���-$�.��/�� ก�� 3,('��( ���%���&�ก����������-�, 2 ')� ก��*%� dry bulk '�-�,-�, 114ºF ���RH 70% ��� (),� rate of loss �,(���� "C� !��/'�� ก�'� DB ��� RH '�-�,����%� ,� &�3���� Brick temp 3,(� �D ,����*&��� ���!������-�,!�( & � 3,( DB � � -$�*%� Rate of loss 3,(� � George A.,Kirkendale, editor, “Drying Claywares”, Alfred University, USA 1972, p.54!+���( 7��%��(!�ก, �ก!��"��ก��ก��!����� 506303 Drying and firing, 2543

Whiteware V drying and firing 27

�,(��&�ก DB �,$�0 ���'���0 3,( DB ��� ��%RH ��(������ก���� �����������'��'+(*%� Weight loss ���0 &�3������ critical point ���� 3,( DB ����� %RH 3),�*%��$��� %���ก.".�� ���� �George A.,Kirkendale, editor, “Drying Claywares”, Alfred University, USA 1972, p.54!+���( 7��%��(!�ก, �ก!��"��ก��ก��!����� 506303 Drying and firing, 2543

Whiteware V drying and firing 28

Drier conditions influencing on drying

• Air temperature

• Relative humidity

• Air velocity

• Angle of impingement of air flow

Whiteware V drying and firing 29

Types of Dryer• Tunnel dryer: products load on cars and pass slowly through the length of the tunnel. Heat is supplied by stream coils, air heater or waste heat from the kiln.

• Cross-circulation dryers: fans or jets• Humidity dryers: tunnel dryer are divided into sections with independent heat and humidity control. Ware can be heated up rapidly in a saturated atm to reduce the viscosity of water while the temperature is maintained, the humidity is reduced as the ware passes from one section to another. Fasting drying without cracking.

• Tableware dryers: temperature of molds must not exceed 70°C

Whiteware V drying and firing 30

Whiteware V drying and firing 31

��"ก������!� �����ก���!�# �$��"ก������!� �����ก���!�# �$//��������

• Damper '��'+(ก���������ก�7��ก&�ก ���� (),� "E� damper &�-$�*%� RH ����

• Heater 3),� 3,(%�)����+�%��(*�%����� ')�ก��"��� DB D ,�&�(������ RH ����

• Blower or fan 3),�'��'+("�(�����'��( ����(-�,%(+� �������*�%����� • Spray !�(��53��.��$� ���."*�%����� 3),�"��� RH *%�!��� �*��������ก����• Hygrometer *����� RH ���*�%����� 3),�!�(��5"��� DB ��� RH

*%�!�(3����ก�� ���'��&�(������-�,��ก�7��ก&�ก%��������� 5�� RH <50% �!����� �� !��3������'��(������ก." ���5�� RH>85% �!����� �� !�� ���*�ก����(�ก ก�." '��"����*%���ก�7*%(� ���(��-� 3��� RH !��0 .(�!�(��5�+�(�$�.��(�กก���������

• ���� ก������������ 3),�!�(��5 ก����������." ��'.����������-�,ก$������(�'��(�)� -��.� & �!�(��5"��� DB ��� RB *%� %(��!(

������: !+���( 7��%��(!�ก �ก!��"��ก��ก��!�� Drying and firing

Whiteware V drying and firing 32

-'�'ก��"���%�����• ���&����������ก��� �����(�'��(�)� -��.� (� shrinkage water -��.� 5��(�(�ก&$� "C����������� DB ��� RH !��3���(0ก�� ����& �'���0�� RH ���'� DB .�� /����%�������������&!�� % moisture content 3),������'��(�)���ก."(�ก3�%�)�.(� ����& �"���'�� DB � �

Whiteware V drying and firing 33

Temperature

Time

Relative humidity

Moisture content

• load ���%�����• '���0 3,(�+�%��(5 � 70ºC /��"E� damper 3),���กH� RH 90% • '���0 "E� damper *%� RH �������0 ���-�, 3,('��(���� 3),���กH��+�%��(���*�*%�'�-�, 3),� "C�ก��.���$� �� stress • (),�3���� MC �,(�������(�ก �!����� shrinkage water %(����� ����� 3,( DB .�� ����� RH ��• '�� ก�������*%�(�'��(�)� MC < 3-5%

ก�����&�$��!���$"'����

Whiteware V drying and firing 34

Firingบรรยากาศทใชในการเผา• บรรยากาศออกซเดชน (oxidation firing)

OF = CH4 + 3O2 (excess) � CO2 +2H2 + O2+ energy• บรรยากาศรดกชน (reduction firing)

RF = 2CH4 +3O2 � 2CO +4H2O + energy• บรรยากาศนวทรล (Neutral firing)

NF + CH4 +2O2 � CO2 + 2H2O + energy

การเผาผลตภณฑเซรามกม 3 ขนตอน• การเผาดบ (biscuit firing)• เผาเคลอบ (glost firing)• เผาตกแตง (decoration firing)

Whiteware V drying and firing 35

ก�� ���� (Biscuit firing)

• ไลความชนและสารอนทรย (OF)24°C เพมอณหภมชาๆ ไมเกนชวโมงละ 100°C100-250°C ระบายไอนาออกจากเตาเผา230-573°C ผลกควอทซมการขยายตว ไมเกนชวโมงละ 100°C600°C ชวงเผาปลอดภย ช.ม.ละ 150-200°C750-800°C สนสดการเผาดบ

ผลตภณฑทมขนาดใหญควรอนท 60-80°C for 2-4 hr. หามเปดเตากอนอณหภม 150°C

Whiteware V drying and firing 36

ก�� �� '�)�� (Glost firing)• ชวง 1 อณหภมหอง 24-950°C for 5-6 hrs.• ชวง 2 950-1250°C OF for 3-4 hrs.

or 950-1250°C RF for 4-5 hrs.• ชวง 3 soaking 1250°C for 15 min or longerคานงถง การใหความรอนและการเยนตวลง

การเผาไลคารบอนใหหมดจากเนอดนทมเคลอบปดทบอยจดสกตวของเคลอบและบรรยากาศในการเผา

Whiteware V drying and firing 37

การเผาตกแตง (Decoration firing)

• �ก������ '�)�� (Overglaze decoration): 650-850°C

• �ก����!� ��%�)�!�-�� OF 750°C

• �+�%��(�,$�ก���ก�� �� '�)��

• �+�%��(-�,!��ก����'�-�

Whiteware V drying and firing 38

Whiteware V drying and firing 39

"(���)���������ก������� �����*����ก"I&&�����!���"��ก�� �)���• "�(���$�*� �)���• .��!,� &)�"� ��-����!��• .�� sulphurous impurities• ก�� ก�"Jก������ Reduction %�)� oxidation ���!���"��ก��

*� �)���"IK�• ก�� "��,���"��"�(������ �)��� ��� �),��&�กก�� "��,���"��/'��!�������

!���"��ก��*� �)���-�, ก�� �*���%����ก�� ��%�)�ก�� ������• �+�%��( �.&+�!+ก���

"I&&��&�กก�� ����( �)���"IK�• ������+��'• ��"�������������������• '��(!�(��5*�ก��.��กM�D���ก���$�'��(����

Whiteware V drying and firing 40

• ก��ก$�%���+�%��(��� ���*�ก�� ���������� !�(��5-$�.��5��-���"Jก���-�, ก�� �*���������+�%��(ก�� �� ��(."5 �ก���������%�)�%������������*���%����-�,�������*� ��

• ก�� �� ��� &�������"�(��ก��*�� �)� 3�� �������'$�� �5 �ก�� "��,���"��/'��!���� ��ก0 ���"Jก��� '(� ���&� ก�ก����������%��ก��.������ -$�*%�.���� ก(��.�-����� ก������*%��� ����&�������ก��!+ก���.��

Whiteware V drying and firing 41

Effect of changes on the temperature distribution along an open-fired tunnel kiln;

the vertical scale is temperature

Whiteware V drying and firing 42

Maturing Temperatures for Fine Ceramic Products

Whiteware V drying and firing 43

ก������+�%��(���� Pyrometric Cone• Seger Cone• Orton Cone• ปกโคนเอยง 82±2° กบแนวนอน• เบอรและสวนผสมของโคนบอกถงจดหลอมตวหรอจดทอณหภมภายใน

เตาพอดททาใหโคนออนตวโคงมาแตะฐาน• ปกโคนเรยงจากเบอรตาไปสง ใหเบอรของโคนทใชวดอณหภมอยกลาง• ระวงเรองอตราการเพมความรอนภายในเตาบรรยากาศภายในเตา

ความเรวของแกส อณหภมของผนงเตา• โคนเบอรทใชวดอณหภมลม หมายถงเคลอบนนสกพอด

ขอผดพลาด:• การตง Cone ในตาแหนงไมถกตอง• แกสทเกดจากการไหม เผาเรวไป บรรยากาศม SO2 และ SO3 มการ

สะสมขเถา และพวกเคลอบ

Whiteware V drying and firing 44

Whiteware V drying and firing 45

Whiteware V drying and firing 46

ก�� "��,���"����� �)�����������%����ก�� ��

Physical changes• ลดพนทผว ลดความพรนตว• Sintering การรวมตวหลอม

ละลาย• Vitrification• หลงเผาเนอดนเปลยนสภาพเปน

แกว 50-60% และผลก mullite(3Al2O3.2SiO2) และ free quartz a. Contacting spheres

b. Necks built up at contact pointsc. Spherical pore remainingd. Pore closed

Whiteware V drying and firing 47

Chemical changes

• Microstructure � Optical microscope

• XRD: phase analysis

• Thermal expansion � Cristobalite

• Differential Thermal Analysis

• Electron microscopy (SEM, EPMA)

Whiteware V drying and firing 48

อทธพลของพลงงานความรอนทมตอแรดน Kaolinite

• การสญเสยนาในโครงสรางเมอ 450°C8OH- �4H2O + 4O2-

450°C 950°C (ดด E)

Kaolin Meta-kaolin spinal

MulliteGlass + Cristobalite

SiO2 � Cristobalite or mullite

980°C

1200°C ('�� E)

�+�%��( (°C)

-���

��'�

�(����

+

Whiteware V drying and firing 49

�-�3����3������'��(����������(��-�(���/�.�-�• TOT sheet มพนทผวมากกวา kaolin• นาทดดซบบนผวของแร ระเหยไปท 100°°°°c• นาทลอมรอบพวกอนมลทถกดดซบบนผวแร ท 200°°°°c• ขจดกลม OH- ท 600°°°°c (weight loss)• ตกผลก (คายพลงงาน) ท 800°°°°c เกดเปน spinel ����glass ���� mullite

�-�3����3������'��(����(����.3/�#E�.�-�

• 500 - 550°C !���/'��!����• 1000-1100°C ก� mullite and glass • 700°C expansion to 1200°C (dehydroxylation) ���%������� ����� ���

�),��&�ก OH- group %�+���ก

�+�%��( (°C)

"��� D���

�ก��%

���� �

� !��

Whiteware V drying and firing 50

�-�3����3������'��(����-�,(���� Talc

Talc (OH)2Mg3(Si2O5)2

H2O

Protoenstatite and glass

900-950°C (en)

1200-1400°C (en)

Clinoenstatite, cristobalite and glass

�-�3����3������'��(����-�,(���� Muscovite940-980°C structural breakup1000°C muscovite, small mullite and corundum1100°C Mullite growing1200°C Mullite and corundum

Whiteware V drying and firing 51

Firing-shrinkage curve for three clays

Weight loss on heating clays

�+�%��( (°C)

"��� D���

�ก��%

���� �

� !��

�+�%��( (°C) "��� D���

��$�%�

�ก-�,!�6

!��."

Whiteware V drying and firing 52

Effect of adding 20-mesh raw kyaniteto a mixture of kaolin and grog

Whiteware V drying and firing 53

อทธพลของพลงงานความรอนทมตอซลกา (SiO2)Inversion

573°C

• low quartz (2.65) � high quartz (2.63)117-163°C

• Low tridymite (2.27) � high tridymite (2.26)200-280°C

• Low cristobalite (2.33) � high cristobalite (2.29)

Flint (density = 2.61)• 250-300°C � remove H2O 50%• 350-500°C � remove H2O 30%• 1000°C � all water remove• 1150-1200°C � flint � cristobalite สมบรณท 1250°C

Whiteware V drying and firing 54

Effect of heat on flint

�+�%��( (°C)

"��� D���

�ก��%

���� �

� !��

'��(%�

�����

&�� (g/cm3)

Whiteware V drying and firing 55

อทธพลของพลงงานความรอนทมตอ CaCO3 และ MgCO3

• แคลเซยมคารบอเนต แมกนเซยมคารบอเนต และแรโดโลไมท (xCaCO3.YMgCO3)

• CaCO3 � CaO + CO2

• MgCO3 � MgO + CO2

• CaCO3. MgCO3 � CaO + MgO + 2 CO2

Decomposition temperature For some carbonates

Whiteware V drying and firing 56

�������� D��(ก (),�/�� ������'��(����*��+�%��(����0

Whiteware V drying and firing 57

ขอมลทใชประกอบในการกาหนดอณหภมและเวลาทใชในการเผา (Firing curve)

DTA (differential thermal analysis)• 100-150°C มการไลนาออก• 500-600°C เกด metakaolin เนองมาจากเกด dehydroxylation ตองทาการ

เพมอณหภมชาๆ• 950-1000°C เกด primary mullite เนองจาก SiO2 บางสวนออกมาจาก meta-

kaolin และอณหภมชวงนเกด liquid phase มากขนThermal expansion of unfired body• 500-550°C dehydroxylation ของดน• 573-600°C quartz inversion• 850-900°C SiO2 � meta-kaolin เกดผลกของ γ-Al2O3 spinel• 1050-1075°C Feldspar meltThermal expansion of fired body• 573°C quartz inversion• 750°C glass transition

Whiteware V drying and firing 58

����������� '���%� DTA and Thermal expansion

Whiteware V drying and firing 59

Whiteware V drying and firing 60