Kinetics of Quartz Sand and Its Mixtures Drying by Microwave Radiation
Loading...
Date
2021
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Dnipro University of Technology
Abstract
ENG: Purpose. Kinetics research and description of drying by microwave radiation mechanism development of quartz sand and its mixes with sodium silicate in limited quantity of water steam medium. Methodology. Distilled water, sodium silicate solute and quartz sand have been used in this research. Study has been performed on sand samples weighing 200 g. Mixtures drying and structuring have been performed by microwave radiation with power of 700W with frequency of 2.45 GHz in air and in saturated water weighing 1 g steam medium. Accuracy of temperature measurement is 1, mass is 0.02 g. Realized in this investigation drying kinetics has been specified as specimen weight change dependence and moisture evaporation from this mixture rate vs. drying duration. Dependencies have been built on the results of video recording and corresponding chrono-gravimetric measurements data digitalization. Mixtures during heating by microwave radiation temperature changes registration has been performed with an interval of 1560 s. Samples average heating rate has been estimated by calculation based on results in their temperature change determination during first 2 minutes of heating with microwave radiation. Findings. For the first time, microwave drying kinetics of quartz sand and its mixtures with sodium silicate in limited water medium (structured by SMS-process) has been studied. For the first time, based on SMS-process material balance, analytical dependence has been developed. This dependence application allows sand-sodium-silicate mixture structured by SMS-process maximum mass to calculate when using sodium silicate solute (silicate module 2.83.0) for quartz sand cladding and 1 g of saturated water steam for mixture structuring. It has been established that when mixtures structuring according to SMS-process water extraction from them takes place in three stages at ~100, 100108 and at 125138. Maximum appropriate heating temperature of sand-sodium-silicate mixture during structuring by SMS-process has been recommended as ~125. Exceeding of specified temperature leads to hydrated water from mixture releasing in steam form and its condensation on colder working surface of model-rod rigging. Resulting condensate leads to mixture restructuring in contact with equipment places and, accordingly, sharp quality deterioration in prepared molds and rods. For manufactured molds and rods quality stabilization, it has been recommended to pre-dry the quartz sand cladded with sodium silicate solute in microwave field for at least 3 minutes before structuring according to SMS-process. Originality. For the first time, data on drying kinetics has been obtained and quartz sand and its mixtures with sodium silicate in limited water steam medium microwave drying mechanism description has been developed. Influence of number of SMS-process basic parameters on structured quartz sand weight regularities has been established. Practical value. Research results will be useful in terms of ideas expanding about the processes that accompany granular materials drying, as well as in technologies and equipment for drying and structuring fine-grained dielectric materials and their mixtures development, creating new capillary-porous media, etc. under microwave radiation influence.
UKR: Мета. Дослідження кінетики та встановлення механізму сушіння мікрохвильовим випромінюванням кварцового піску та його сумішей з силікатом натрію в середовищі обмеженої кількості водяної пари. Методика. У роботі використовували дистильовану воду, рідке скло та кварцовий пісок. Дослідження проводили на наважках піску масою 200 г. Сушіння та структурування сумішей проводили мікрохвильовим випромінювання потужністю 700 Вт із частотою 2,45 ГГц на повітрі та у середовищі насиченої водяної пари масою 1 г. Точність вимірювання температури – 1 °С, маси – 0,02 г. Кінетика сушіння, що була прийнята в роботі – залежність зміни маси навішення та швидкості випаровування з нього вологи від тривалості сушіння. Залежності будували за результатами відеореєстрації та оцифровки даних відповідних хроно-гравиметричних вимірювань. Вимір змін температури наважок сумішей при нагріванні мікрохвильовим випромінюванням проводили з інтервалом 15–60 с. Середню швидкість нагріву наважок визначали розрахунковим шляхом за результатами визначення зміни їх температури за перші 2 хвилини нагрівання мікрохвильовим випромінюванням. Результати. Уперше досліджена кінетика та описано механізм сушіння мікрохвильовим випромінюванням кварцового піску та його сумішей з силікатом натрію в середовищі обмеженої кількості водяної (структурованого за ПМЗ-процесом). Уперше на основі матеріального балансу ПМЗ-процесу розроблена аналітична залежність, використання якої дозволяє розрахувати максимальну масу піщано-рідкоскляної суміші, структурованої за ПМЗ-процесом, при використанні для плакування кварцового піску натрієвого рідкого скла (силікатний модуль 2,8–3,0), та 1 г насиченої водяної пари для структурування суміші. Встановлено, що при структуруванні сумішей по ПМЗ-процесу, виділення з них води проходить у три етапи – при ~100, 100–108 і при 125–138 °С. Рекомендована максимально припустима температура нагрівання піщано-рідкоскляної суміші під час структурування за ПМЗ-процесом складає ~125 °С. Перевищення зазначеної температури призводить до виділення гідратної води в суміші у вигляді пари та її конденсації на холоднішій робочій поверхні модельно-стрижневого оснащення. Виниклий конденсат призводить до переструктуризації суміші в місцях її контакту з оснащенням і, відповідно, різкого погіршення якості виготовлених ливарних форм і стрижнів. Для стабілізації якості при виготовленні ливарних форм і стрижнів рекомендовано до початку структурування за ПМЗ-процесом плакований натрієвим рідким склом кварцовий пісок попередньо просушити в полі мікрохвильового випромінювання протягом не менше 3 хвилин. Наукова новизна. Уперше отримані дані про кінетику сушіння та описано механізм сушіння мікрохвильовим випромінюванням кварцового піску та його сумішей з силікатом натрію в середовищі обмеженої кількості водяної пари, встановлені закономірності впливу ряду основних параметрів ПМЗ-процесу на масу структурованого кварцового піску. Практична значимість. Результати досліджень будуть корисні в частині розширення уявлень щодо процесів, які супроводжують сушку зернистих матеріалів, а також при розробці технологій та обладнання, призначених для сушіння й структурування дрібнозернистих діелектричних матеріалів і їх сумішей, створення нових капілярно-пористих середовищ і т.п. під впливом мікрохвильового випромінювання.
RUS: Цель. Исследование кинетики и установление механизма сушки микроволновым излучением кварцевого песка и его смесей с силикатом натрия в среде ограниченного количества водяного пара. Методика. В работе использовали дистиллированную воду, жидкое стекло и кварцевый песок. Исследования проводились на навесках песка массой 200 г. Сушку и структурирование смесей проводили микроволновым излучением мощностью 700 Вт с частотой 2,45 ГГц на воздухе и в среде насыщенного водяного пара массой 1 г. Точность измерения температуры – 1 °С, массы – 0,02 г. Кинетика сушки, принятая в работе – зависимость изменения массы навески и скорости испарения из неё влаги от продолжительности сушки. Зависимости строили по результатам видеорегистрации и оцифровки данных соответствующих хроно-гравиметрических измерений. Измерение изменений температуры навесок смесей при нагреве микроволновым излучением проводили с интервалом 15–60 с. Среднюю скорость нагрева навесок определяли расчетным путем по результатам определения изменения их температуры за первые 2 минуты нагрева микроволновым излучением. Результаты. Впервые исследована кинетика и описан механизм сушки микроволновым излучением кварцевого песка и его смесей с силикатом натрия в среде ограниченного количества водяного (структурированного по ПМО-процессу). Впервые на основе материального баланса ПМО-процесса разработана аналитическая зависимость, использование которой позволяет рассчитать максимальную массу песчано-жидкостекольной смеси, структурированной по ПМО-процессу, при использовании для плакирования кварцевого песка натриевого жидкого стекла (силикатный модуль 2,8–3,0) и 1 г насыщенного водяного пара для структурирования смеси. Установлено, что при структурировании смесей по ПМО-процессу выделение из них воды проходит в три этапа – при ~100, 100–108 и при 125–138 °С. Рекомендуемая максимально допустимая температура нагрева песчано-жидкостекольной смеси при структурировании по ПМО-процессу составляет ~125 °С. Превышение указанной температуры приводит к выделению гидратной воды в смеси в виде пара и его конденсации на более холодной рабочей поверхности модельно-стержневой оснастки. Возникший конденсат приводит к переструктуризации смеси в местах ее контакта с оснасткой и, соответственно, резкому ухудшению качества изготовленных литейных форм и стержней. Для стабилизации качества при изготовлении литейных форм и стержней рекомендуется до начала структурирования по ПМО-процессу плакированный натриевым жидким стеклом кварцевый песок предварительно просушить в поле микроволнового излучения в течение не менее 3 минут. Научная новизна. Впервые получены данные о кинетике сушки и описан механизм сушки микроволновым излучением кварцевого песка и его смесей с силикатом натрия в среде ограниченного количества водяного пара, установлены закономерности влияния ряда основных параметров ПМО-процесса на массу структурированного кварцевого песка. Практическая значимость. Результаты исследований будут полезны в части расширения представлений о процессах, которые сопровождают сушку зернистых материалов, а также при разработке технологий и оборудования, предназначенных для сушки и структурирования мелкозернистых диэлектрических материалов и их смесей, создания новых капиллярно-пористых сред и т.п. под влиянием микроволнового излучения.
UKR: Мета. Дослідження кінетики та встановлення механізму сушіння мікрохвильовим випромінюванням кварцового піску та його сумішей з силікатом натрію в середовищі обмеженої кількості водяної пари. Методика. У роботі використовували дистильовану воду, рідке скло та кварцовий пісок. Дослідження проводили на наважках піску масою 200 г. Сушіння та структурування сумішей проводили мікрохвильовим випромінювання потужністю 700 Вт із частотою 2,45 ГГц на повітрі та у середовищі насиченої водяної пари масою 1 г. Точність вимірювання температури – 1 °С, маси – 0,02 г. Кінетика сушіння, що була прийнята в роботі – залежність зміни маси навішення та швидкості випаровування з нього вологи від тривалості сушіння. Залежності будували за результатами відеореєстрації та оцифровки даних відповідних хроно-гравиметричних вимірювань. Вимір змін температури наважок сумішей при нагріванні мікрохвильовим випромінюванням проводили з інтервалом 15–60 с. Середню швидкість нагріву наважок визначали розрахунковим шляхом за результатами визначення зміни їх температури за перші 2 хвилини нагрівання мікрохвильовим випромінюванням. Результати. Уперше досліджена кінетика та описано механізм сушіння мікрохвильовим випромінюванням кварцового піску та його сумішей з силікатом натрію в середовищі обмеженої кількості водяної (структурованого за ПМЗ-процесом). Уперше на основі матеріального балансу ПМЗ-процесу розроблена аналітична залежність, використання якої дозволяє розрахувати максимальну масу піщано-рідкоскляної суміші, структурованої за ПМЗ-процесом, при використанні для плакування кварцового піску натрієвого рідкого скла (силікатний модуль 2,8–3,0), та 1 г насиченої водяної пари для структурування суміші. Встановлено, що при структуруванні сумішей по ПМЗ-процесу, виділення з них води проходить у три етапи – при ~100, 100–108 і при 125–138 °С. Рекомендована максимально припустима температура нагрівання піщано-рідкоскляної суміші під час структурування за ПМЗ-процесом складає ~125 °С. Перевищення зазначеної температури призводить до виділення гідратної води в суміші у вигляді пари та її конденсації на холоднішій робочій поверхні модельно-стрижневого оснащення. Виниклий конденсат призводить до переструктуризації суміші в місцях її контакту з оснащенням і, відповідно, різкого погіршення якості виготовлених ливарних форм і стрижнів. Для стабілізації якості при виготовленні ливарних форм і стрижнів рекомендовано до початку структурування за ПМЗ-процесом плакований натрієвим рідким склом кварцовий пісок попередньо просушити в полі мікрохвильового випромінювання протягом не менше 3 хвилин. Наукова новизна. Уперше отримані дані про кінетику сушіння та описано механізм сушіння мікрохвильовим випромінюванням кварцового піску та його сумішей з силікатом натрію в середовищі обмеженої кількості водяної пари, встановлені закономірності впливу ряду основних параметрів ПМЗ-процесу на масу структурованого кварцового піску. Практична значимість. Результати досліджень будуть корисні в частині розширення уявлень щодо процесів, які супроводжують сушку зернистих матеріалів, а також при розробці технологій та обладнання, призначених для сушіння й структурування дрібнозернистих діелектричних матеріалів і їх сумішей, створення нових капілярно-пористих середовищ і т.п. під впливом мікрохвильового випромінювання.
RUS: Цель. Исследование кинетики и установление механизма сушки микроволновым излучением кварцевого песка и его смесей с силикатом натрия в среде ограниченного количества водяного пара. Методика. В работе использовали дистиллированную воду, жидкое стекло и кварцевый песок. Исследования проводились на навесках песка массой 200 г. Сушку и структурирование смесей проводили микроволновым излучением мощностью 700 Вт с частотой 2,45 ГГц на воздухе и в среде насыщенного водяного пара массой 1 г. Точность измерения температуры – 1 °С, массы – 0,02 г. Кинетика сушки, принятая в работе – зависимость изменения массы навески и скорости испарения из неё влаги от продолжительности сушки. Зависимости строили по результатам видеорегистрации и оцифровки данных соответствующих хроно-гравиметрических измерений. Измерение изменений температуры навесок смесей при нагреве микроволновым излучением проводили с интервалом 15–60 с. Среднюю скорость нагрева навесок определяли расчетным путем по результатам определения изменения их температуры за первые 2 минуты нагрева микроволновым излучением. Результаты. Впервые исследована кинетика и описан механизм сушки микроволновым излучением кварцевого песка и его смесей с силикатом натрия в среде ограниченного количества водяного (структурированного по ПМО-процессу). Впервые на основе материального баланса ПМО-процесса разработана аналитическая зависимость, использование которой позволяет рассчитать максимальную массу песчано-жидкостекольной смеси, структурированной по ПМО-процессу, при использовании для плакирования кварцевого песка натриевого жидкого стекла (силикатный модуль 2,8–3,0) и 1 г насыщенного водяного пара для структурирования смеси. Установлено, что при структурировании смесей по ПМО-процессу выделение из них воды проходит в три этапа – при ~100, 100–108 и при 125–138 °С. Рекомендуемая максимально допустимая температура нагрева песчано-жидкостекольной смеси при структурировании по ПМО-процессу составляет ~125 °С. Превышение указанной температуры приводит к выделению гидратной воды в смеси в виде пара и его конденсации на более холодной рабочей поверхности модельно-стержневой оснастки. Возникший конденсат приводит к переструктуризации смеси в местах ее контакта с оснасткой и, соответственно, резкому ухудшению качества изготовленных литейных форм и стержней. Для стабилизации качества при изготовлении литейных форм и стержней рекомендуется до начала структурирования по ПМО-процессу плакированный натриевым жидким стеклом кварцевый песок предварительно просушить в поле микроволнового излучения в течение не менее 3 минут. Научная новизна. Впервые получены данные о кинетике сушки и описан механизм сушки микроволновым излучением кварцевого песка и его смесей с силикатом натрия в среде ограниченного количества водяного пара, установлены закономерности влияния ряда основных параметров ПМО-процесса на массу структурированного кварцевого песка. Практическая значимость. Результаты исследований будут полезны в части расширения представлений о процессах, которые сопровождают сушку зернистых материалов, а также при разработке технологий и оборудования, предназначенных для сушки и структурирования мелкозернистых диэлектрических материалов и их смесей, создания новых капиллярно-пористых сред и т.п. под влиянием микроволнового излучения.
Description
L. Solonenko: ORCID 0000-0003-2092-8044; S. Repiakh: ORCID 0000-0003-0203-4135; K. Uzlov: ORCID 0000-0003-0744-9890; I. Mamuzich: ORCID 0000-0002-7968-7540; T. Kimstach: ORCID 0000-0002-8993-201X; O. Bilyi: ORCID 0000-0003-1234-5404
Keywords
kinetics, drying, sand, sodium silicate, steam, structuring, microwave radiation, кінетика сушіння, пісок, силікат натрію, пара, структурування, мікрохвильове випромінювання, кинетика сушки, песок, силикат натрия, пар, структурирование, микроволновое излучение, КЛВ, КМТОМ
Citation
Solonenko, L. I., Repiakh S. I., Uzlov K. I., Mamuzich, I., Kimstach T. V., Bilyi O. P. Kinetics of Quartz Sand and Its Mixtures Drying by Microwave Radiation. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2021. № 1. P. 68–77. DOI: 10.33271/nvngu/2021-1/068.