|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ออกซิเจน สิ่งสำคัญของการเผา | |
|
ออกซิเจน องค์ประกอบที่สำคัญสำหรับการเผา
ดร. คชินท์ สายอินทวงศ์
ในกระบวนการเผานั้น ผลิตภัณฑ์เซรามิกที่ได้จากการเผาจะมาจากการรวมตัวกันของวัตถุดิบทั้ง soft และ hard materials เข้าด้วยกันและตัววัตถุดิบเองนั้นคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีจะเปลี่ยนไประหว่างการเผา เช่นความแข็งแรง การดูดซึมน้ำ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน การนำความร้อน และอื่นๆ ซึ่งสมบัติเหล่านี้มาจากชนิดและจำนวน phase ที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการเผา
ระหว่างการเผาในเตาจะต้องมีขั้นตอนในการเผาที่สำคัญอยู่ 4 ขั้นตอน คือ การอบแห้ง (drying), การสลายตัวของส่วนประกอบ (decomposition), การเกิดออกซิเดชัน (Oxidation) และการเผาจนเกิดปฎิกิริยาอย่างสมบูรณ์ (vitrification)
การอบแห้งในช่วง Pre heating ของเตาก่อนเข้าสู่ช่วงการเผาเพื่อเป็นการขจัดน้ำจำนวนมาก กลไกการขจัดน้ำในดินนั้นจะต้องทำอย่างระมัดระวัง ถ้าเร็วเกินไปผลิตภัณฑ์จะแตกหักได้ง่ายโดยความดันภายในของรูพรุนของตัวผลิตภัณฑ์เอง
ในขั้นตอนแรกที่อุณหภูมิประมาณ 120°C น้ำในดินอันได้แก่ความชื้นและน้ำที่เติมเข้ามาจะถูกขับไล่ออก โดยให้ความร้อนอย่างช้าๆ และระมัดระวัง น้ำ ในโครงสร้าง(chemical combine water) จะไม่ถูกไล่ออกด้วยจนกระทั่งถึงอุณหภูมิ decomposition ~ 590°C เมื่อการอบแห้งสมบูรณ์แล้วอาจเกิดการ crack ได้ถ้า gas ร้อนสัมผัสกับผลิตภัณฑ์ทำให้เกิดการหดตัวอย่างรวดเร็ว ที่ผิวหน้าแห้งแล้ว แต่ภายในยังคงมีความชื้นอยู่ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นน้ำภายในจะกลายเป็นไอขยายตัวขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิสูงขึ้น ปริมาตรของไอน้ำเพิ่มขึ้น (PV=NRT) ทำให้เกิดรอย crack ที่ไม่สม่ำเสมอ
ระหว่างขั้น decomposition สารอินทรีย์ในดินถูกย่อยสลายไปและน้ำภายในโครงสร้าง (chemically combined water) ถูกกำจัดออกไป โดยทั่วไปขั้นตอนนี้จะเริ่มประมาณ 100°C จนถึง 500°C ซึ่งสารอินทรีย์ที่อยู่ในเนื้อดินก็จะเริ่มถูกขจัดไปด้วย
ขั้นตอนที่สามคือการเกิดออกซิเดชั่นเป็นขั้นตอนที่สำคัญของการเผา ในขั้นนี้สารที่เผาไหม้ได้ถูกขจัดออกและเกิดออกซิเดชั่นของ Fe และสารประกอบอื่นๆ สำหรับการผลิตให้ได้สีที่ดีนั้นจะต้องมี oxidation ที่สมบูรณ์ ในที่นี้ความร้อนต้องควบคุมให้ดีหลีกเลี่ยงให้ความร้อนเกินไป หรือเกิด black core ขึ้นภายใน และสีที่มีผลต่อสภาวะออกซิเดชั่นมากๆ ถ้าเผาอย่างเร่งรีบ หรือค่าพารามิเตอร์ระหว่างกาซกับอากาศปรับไม่เหมาะก็จะทำให้สีหลังเผาของผลิตภัณฑ์เพี้ยนไปได้ไม่ว่าจะเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่เคลือบเช่นพวกเทอราคอตตา หรือผลิตภัณฑ์ที่มีการเผาเคลือบต่างๆ แกนดำ (Black coring) ในผลิตภัณฑ์เกิดขึ้นเนื่องจากการ oxidation ไม่เพียงพอของพวกสารอินทรีย์ อย่างไรก็ตาม black core ก็ไม่ได้เกิดจาก carbon อย่างเดียว แต่อาจเกิดเนื่องจากการ reduce ของเหล็กได้
ช่วงของการเกิด oxidation ดีที่สุดสำหรับการเผาอยู่ระหว่าง 930-1040°C ซึ่งเป็นช่วงสำคัญสำหรับคุณภาพของผลิตภัณฑ์ และจะทำให้การทำงานยืดหยุ่นขึ้นโดยสามารถเพิ่ม Production ได้ หรือเปลี่ยนแปลงวัตถุดิบที่ใช้ในสูตรได้
ระหว่างช่วงการเผาขั้นตอนสุดท้ายนั้นผลิตภัณฑ์จะถูกให้ความร้อนเต็มที่ทำให้เกิดการหลอมตัวเกิดเป็นเฟสของเนื้อแก้วขึ้น (vitrification) ขึ้น และทำให้ผลิตภัณฑ์มีความแข็งแรง ความเร็วในการยกอุณหภูมิขึ้นระหว่างช่วงนี้จะมีความสำคัญมากกว่าช่วงอื่นๆ เพราะต้องระวังไม่ให้ผลิตภัณฑ์ได้รับความร้อนมากเกินไปจนทำให้เกิด Overfiring
ออกซิเจน องค์ประกอบสำคัญสำหรับการเผา
เตาเผาเป็นแหล่งให้ความร้อนเพื่อที่จะทำให้เนื้อดินที่มาจากวัตถุดิบต่างๆเกิดปฏิกิริยา แต่ความร้อนก็ไม่ใช่สิ่งจำเป็นอย่างเดียวสำหรับการเกิดปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนวัตถุดิบให้กลายเป็นเนื้อเซรามิก สภาพแวดล้อม บรรยากาศ กระบวนการเผาทั้งทางกายภาพและทางเคมีก็เป็นสิ่งที่สำคัญในการทำให้ผลิตภัณฑ์เกิดปฏิกิริยาอย่างสมบูรณ์ด้วย
กาซทั่วๆไปที่มีในเตาจะเป็น O2 , N2 , CO2 , CO, SO3 สำหรับ O2 และ N2 ได้มาจากอากาศที่ถูกใส่เข้ามาจาก Burner หรือจาก Blower ของเตา การเผาไหม้ของ hydrocarbon fuel เช่นถ่านหิน, น้ำมัน, propane, natural gas จะทำให้เกิด CO2 และไอน้ำซึ่งเป็นการการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ ถ้าการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์จะมีการเกิด CO และ H2 เกิดขึ้น สำหรับสารประกอบของซัลเฟอร์เกิดมาจาก มลทินของตัวเชื้อเพลิงเอง
ปฏิกิริยาทางเคมีของผลิตภัณฑ์ถูกควบคุมโดยสัดส่วนของ O2 และ CO ซึ่งกาซทั้งสองจะมีผลต่อปฏิกิริยาที่เกิดกับ Fe, Mn, V, C ในผลิตภัณฑ์ทั้งในส่วนของเนื้อดินและสีเคลือบ
คาร์บอนโดยธรรมชาติของมันจะเป็นธาตุประกอบอยู่ในวัตถุดิบในรูปของสารอินทรีย์ทั้งในดินชนิดต่างๆหรือแร่อื่นๆ หรือในบางโอกาสคาร์บอนอาจถูกเติมลงไปโดยเป็นตัว binder, ตัวหล่อลื่น และตัวควบคุม porosity แต่ไม่ว่าจะเป็นในกรณีใดคาร์บอนจะต้องถูกเผาไหม้ออกไปในช่วงที่เหมาะสมของกระบวนการเผา ตัวคาร์บอนที่อยู่ในรูปของแข็งจะเปลี่ยนไปเป็นกาซออกไปจากเนื้อดินโดยผ่านรูพรุนที่เปิด (open pore) ถ้าการเผาไหม้ไม่สามารถไล่คาร์บอนออกไปได้หมดก็จะกลายเป็นแกนสีดำ (Black coring) อยู่ภายในเนื้อดินซึ่งจะส่งผลต่อความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์หลังเผา และความสวยงามของผิวเคลือบหลังเผาด้วย
สำหรับค่า Valence ของ Fe จะควบคุมสีของผลิตภัณฑ์จาก white ware red brick
เมื่อมีธาตุมารับ e- เรียก reduction
ดังนั้นออกซิเจนจะลดลงในขั้นตอนของการเปลี่ยนสถานะของ เหล็กออกไซด์ ในกระบวนการทางเคมี ออกซิเจนจะเป็นตัว oxidizing agent เมื่อปริมาณออกซิเจนเพิ่มขึ้นในอากาศที่ใช้เผาไหม้ (combustion air) ออกซิเจนจะมีหน้าที่ในการเผาไหม้ hydrocarbon fuel ตามสมการ
ออกซิเจนในบรรยากาศภายในเตาระหว่างการเผาผลิตภัณฑ์มาจากอากาศที่มากเกินความต้องการสำหรับเผาไหม้เชื้อเพลิง หรือบางกระบวนการอาจมีการฉีดออกซิเจนบริสุทธิ์เข้าไปในบรรยากาศภายในเตา ออกซิเจนสำคัญสำหรับกระบวนการ oxidation ตามปฏิกิริยา ดังนี้
อากาศที่มากเกินพอหรือออกซิเจนที่มากเกินพอจะทำให้ iron oxide อยู่ในรูป Fe2O3 ( ferric ) ระหว่างกระบวนการเผาซึ่งเป็นสีแดง ซึ่งเฉดสีของมันมีได้ตั้งแต่สีแดง ส้ม จนถึงม่วง ขึ้นอยู่กับ อุณหภูมิที่เกิดปฏิกิริยา iron oxide ให้สีครีมขาวใน white ware สีเหลืองปนครีมใน fire clay body และสีแดงใน Terracotta Fe2O3 สามารถละลายได้ใน mullite เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ดังนั้นเมื่อมี % เหล็กมากในเนื้อดินก็จะทำให้เกิดสีชมพู ถึง แดง ในสภาวะที่เป็น oxidizing และเมื่อเผาสูงขึ้นเหล็กเหล่านี้ก็จะมีสีที่เข้มขึ้นตามไปด้วย
การควบคุมคุณภาพในช่วงของการเผา
ในเนื้อดินเซรามิกนั้นจะมีสารประกอบต่างๆอยู่มากมายทั้งที่เราต้องการและไม่ต้องการ สารประกอบบางตัวเมื่อถูกเผาไหม้จะมีการเปลี่ยนสถานะไปเป็นกาซซึ่งจะมีผลกระทบต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ โดยเฉพาะสีหลังเผาทั้งสีของเนื้อดินและสีเคลือบ นอกจากนี้กาซบางตัวก็ส่งผลถึงสภาพแวดล้อมภายนอกด้วย ดังนั้นในขั้นตอนการเผาจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งในการควบคุมให้ปริมาณของออกซิเจนมีเพียงพอในการเผาไหม้ ออกซิเจนจะช่วยกำจัดสารประกอบคาร์บอนในเนื้อดิน และ oxidize สารประกอบอื่นๆอย่างสมบูรณ์ เมื่อเผาผลิตภัณฑ์ที่มีคาร์บอน ตัวคาร์บอนเองจะต้องเคลื่อนออกในขณะที่เนื้อดินจะยังคงมีรูพรุนอยู่ดังนั้นในการเผาควรให้เกิดบรรยากาศ oxidation (excess O2) ตั้งแต่ช่วง preheating 550-980°C เพื่อช่วยกำจัดคาร์บอนหรือซึ่งก็คือสารอินทรีย์ต่างๆที่มีอยู่ในเนื้อดินนั่นเอง
สภาวะ oxidizing จำเป็นอย่างยิ่งที่จะช่วยกำจัด sulfer ซึ่งในวัตถุดิบบางตัวมีพวก iron sulfide (pyrite และ pyrhotite) ซึ่งปกติในการเผาไหม้พวก Sulfer จะกลายเป็นกาซ SO2 ซึ่งเมื่อถูกปลดปล่อยออกไปจากเตาจะทำให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมและถ้าโรงงานใดจำเป็นต้องถูกตรวจปล่องของเตาว่ามีกาซมลพิษใดบ้างที่ถูกปลดปล่อยออกมาขณะทำการเผาก็จะต้องระมัดระวังเรื่องดังกล่าวมากเป็นพิเศษไม่ว่าจะถูกตรวจโดยลูกค้าหรือโดยกรมควบคุมโรงงานก็ตาม สภาวะ oxidizing ที่ดีจะช่วยเปลี่ยน Sulfer ให้กลายเป็นSO3 ซึ่งจะถูกดูดซับที่พื้นผิวภายในของเนื้อดิน จึงขจัดปัญหา sulfurous gas ออกมาในเตาได้ สำหรับสารประกอบV2O3 จะถูก oxidize เป็น inert chemical ใน SiO2 และ Al2O3
เมื่อจำนวนออกซิเจนไม่เพียงพอในการเผาเชื้อเพลิงที่เป็น hydrocarbon จะให้ CO ซึ่ง gas นี้จะเป็น reducing agent กับ Fe, V และ Mn ซึ่งไม่เป็นที่ต้องการในผลิตภัณฑ์เซรามิก เพราะว่า Fe ในรูป Ferrous (FeO) จะเป็นสีดำและเป็น flux อย่างแรงในพวก aluminosilicate product ทำให้เกิดจุดดำที่ผิวหน้าของเคลือบ ส่วนสำหรับในพวกผลิตภัณฑ์ที่ต้องการความขาวมากๆเช่น Porcelain สี blue-white ได้มาจากบรรยากาศที่มี CO อยู่
นอกจากนี้ CO ในบรรยากาศของเตาจะไป reduce V ที่เป็น form ที่ reactive มากและ MnO จะละลายได้ดีมากใน acid solution มันจึงไม่เป็นที่ต้องการใน ceramic body
ออกไซด์ต่างๆที่เปลี่ยนฟอร์มไปในการเผาแบบ Reduction
แนวทางในการเพิ่ม oxidation rate
ปฏิกิริยาเคมีต่างๆที่เกิดขึ้นในเตาขึ้นกับความร้อน ความเข้มข้นของ O2 และอุณหภูมิ ดังนั้นเมื่อในเตามีอุณหภูมิ หรือความเข้มข้นของ O2 เพิ่มขึ้น oxidation rate ก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย
ไอน้ำและ CO2 เป็นผลิตผลที่ได้จากการเผาไหม้ของ hydrocarbon fuel ในการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งวัตถุดิบในกระบวนการผลิตเซรามิกจะปล่อยไอน้ำและ CO2 ในจำนวนมาก ดังนั้นจะเกิดผลกระทบคือทำให้เกิดการเจือจางของปริมาณ O2 ในสภาพแวดล้อมรอบๆผลิตภัณฑ์ เราจำเป็นที่จะต้องรักษาบรรยากาศ oxidizing เอาไว้ตลอดช่วงของการเกิด Oxidation จึงต้องเพิ่มอากาศที่จะไหลเวียนเพื่อขจัดไอน้ำและ CO2 ออกจากเนื้อดินหรืออาจจะเพิ่ม O2 บริสุทธิ์เข้าไป การที่จะเพิ่มอัตราการผลิตโดยการเผาให้เร็วขึ้นจะต้องเพิ่มอัตราการเกิด Oxidation และเพิ่มปริมาณ O2 ที่ใส่เข้าไป
ในการเพิ่มอากาศปริมาณมากเพื่อรักษาความเข้มข้นของ O2 ในบรรยากาศไว้ เมื่อเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้ทุกๆ ปริมาณ 5 ส่วนของอากาศจะมี 1 ส่วนของ O2 และ 4 ส่วนของ inert gas (N2 ) หรือในอากาศ 100% จะมี O2 อยู่เพียง 20% ที่เหลืออีก 80% เป็น inert gas (N2 ) ซึ่งกาซเฉื่อยพวกไนโตรเจนนี้จะไม่มีประโยชน์สำหรับการเผาไหม้เลย ปริมาณของอากาศจำนวนมากต้องถูกให้ความร้อนเมื่อผ่านเข้าไปในโซนที่แตกต่างกันของเตา อากาศจะผ่านความร้อนเข้าสู่ผลิตภัณฑ์ได้โดยการ convection และ conduction ดังนั้นต้องสิ้นเปลืองพลังงานความร้อนจำนวนมากไปสำหรับการเผาไหม้กาซเฉื่อยพวกไนโตรเจนนี้ การเพิ่ม O2 บริสุทธิ์เข้าไปแทนที่อากาศบางส่วนในเตาจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเผาไหม้ และอัตราการ oxidation เพิ่มขึ้นได้
ความแตกต่างระหว่างการฉีด O2 บริสุทธิ์ และการใช้อากาศเพื่อเป็นตัวให้ O2 นั้น สำหรับ stoichiometric ของการเผาไหม้นั้น 1 ft3 ( ~ 0.03 m3 ) ของกาซธรรมชาติจะใช้อากาศ 10ft3 (~ 0.03 m3 )
สมการการเผาไหม้เป็นดังนี้ CH4+8N2+202 --> 8N2+CO2+2H2O
1 ft3 ของกาซธรรมชาติเผาไหม้จะให้พลังงาน 1080 BTU พลังงานนี้ใช้สำหรับการให้ความร้อนและเปลวไฟให้อุณหภูมิ ~ 1870°C ถ้าแทนที่อากาศด้วย O2 บริสุทธิ์ N2 ก็จะถูกขจัดออกไป จำนวนพลังงานที่ได้เท่ากันแต่ปริมาตรของกาซที่ถูกเผาไหม้จะน้อยลง และมีผลทำให้มีความร้อนเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของเปลวไฟเพิ่มขึ้นเป็น 2760°C ดังนั้นการที่เราพยายามจะลดปริมาณ N2 ลงในการเผาไหม้ผลิตภัณฑ์จะมีผล 2 ประการดังนี้
(a) อุณหภูมิของเปลวไฟเพิ่มขึ้นถึงแม้ปริมาณของพลังงานเท่ากัน ทำให้ความร้อนที่ยังคงอยู่มีมากขึ้น ในขณะที่ความร้อนเคลื่อนผ่านโดยการแผ่ความร้อน(Radiating) จากเปลวไฟสู่เตาแปรผันเป็นค่ายกกำลัง 4 ของอุณหภูมิ และมีTurbulence ในบรรยากาศของเตาใช้ สำหรับการเคลื่อนที่ของความร้อนสู่ผลิตภัณฑ์
(b) ปริมาณของกาซที่ได้จากการเผาไหม้ลดลง เนื่องจากปริมาณ O2 เจือจาง จะต้อง ทำให้ความเข้มข้นของ O2ในเตาสูงขึ้น และเร่งความเร็วของการเกิดปฏิกิริยา oxidation ซึ่งจะช่วยเพิ่ม production rate ขึ้น
การที่จะแทนที่อากาศด้วย O2 บริสุทธิ์เลยนั้นไม่แนะนำเพราะจะต้องเปลี่ยนหัวพ่นใหม่ นอกจากนี้อิฐทนไฟในเตาจะต้องเช็คว่าทนอุณหภูมิได้แค่ไหน อย่างไรก็ตาม อากาศที่ใช้เผาไหม้สามารถที่จะเติมO2 บริสุทธ์เข้าไปเพื่อให้มีปริมาณ O2 เพิ่มขึ้นจาก 21% เป็น 24% ในอากาศจะเป็นการเพิ่มค่าพลังงานให้มากขึ้นโดยจำนวนเชื้อเพลิงเท่าเดิมจะช่วยให้ผู้ใช้ตัดปริมาณอากาศที่จะใช้สำหรับเผาไหม้ลงไปได้บางส่วน ผลก็คือช่วยลดปริมาณ gas ที่ไม่จำเป็นในบรรยากาศเตาลงไปได้ ซึ่งในฉบับหน้าจะเขียนถึงการใช้กระบวนการ Oxygen injection เพื่อใช้ในการเพิ่มอัตราการเผาและลด Gas consumption ลงได้
เห็นไหมครับว่าในขั้นตอนของการเผาไม่ใช่มีเพียงอุณหภูมิเท่านั้นที่เป็นเรื่องสำคัญ อัตราการเกิดปฏิกิริยา บรรยากาศในเตา กาซที่เป็นผลผลิตจากการเผาไหม้ สารประกอบต่างๆที่อยู่ในเนื้อดินและสีเคลือบต่างส่งผลต่อการเผาผลิตภัณฑ์เซรามิกทั้งสิ้น ดังนั้นเราควรต้องรู้ก่อนว่าเราต้องการผลิตผลิตภัณฑ์เซรามิกชนิดใด ต้องการคุณภาพแบบใดแล้วจึงควบคุมกระบวนการเผาให้เหมาะสม เช่นถ้าต้องการผลิตชิ้นงานที่มีขนาดใหญ่มาก ขึ้นรูปด้วยแป้นหมุนซึ่งต้องใช้ดินที่มีความเหนียวสูง ซึ่งแน่นอนว่าดินเหล่านี้ก็จะมีสารอินทรีย์หรือคาร์บอนอยู่เป็นจำนวนมาก การเผาไหม้ในช่วงที่ไล่สารอินทรีย์และในช่วง Oxidation จึงเป็นเรื่องสำคัญมาก ไม่เช่นนั้นแล้วก็จะทำให้ผลิตภัณฑ์แตกเสียหายหรือบวมปูด หรือผิวเคลือบไม่สวยได้
การเผาผลิตภัณฑ์ที่ต้องการความขาวเช่น Porcelain ก็เช่นกันถึงแม้ว่าจะเป็นการเผาแบบ Reduction เพื่อให้เหล็กในเนื้อดินเปลี่ยนรูปไปเป็น FeO แต่ก่อนที่จะปรับเข้าสู่บรรยากาศ Reduction ในการเผาก็ต้องมีขั้นตอนของการเกิด Oxidation จนสมบูรณ์ก่อนเช่นกัน
ผลิตภัณฑ์พวกเทอราคอตตาที่ต้องการเนื้อที่มีสีแดงของ Fe2O3 จำเป็นที่จะต้องควบคุมการเผาให้มีการเกิด Oxidation ที่สมบูรณ์จึงจะได้สีของเนื้อดินที่สวยงาม แต่ถ้ามีการปรับอากาศไม่เพียงพอ ทำให้การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์มีการเกิด CO ขึ้นบางส่วนก็จะทำให้เนื้อดินมีสีที่เปลี่ยนไป สีแดงจะจางลงเป็นบางส่วนหรือทั้งหมดทำให้คุณภาพของผลิตภัณฑ์ด้อยลงไปด้วย
ดังนั้นออกซิเจนนอกจากจะทำหน้าที่ในกระบวนการเผาไหม้เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ทำให้เกิดความร้อนแล้ว ออกซิเจนยังทำหน้าที่ในการเปลี่ยนสารประกอบออกไซด์อื่นๆให้อยู่ในรูปที่ไม่เกิดปัญหาต่อผลิตภัณฑ์และสิ่งแวดล้อม และยังช่วยเพิ่มอัตราในการเผาทำให้ได้ปริมาณการผลิตมากขึ้นและลดปริมาณการใช้เชื้อเพลิงลงได้ด้วย
|
|
|
|
|
|
|
