干燥技术在陶瓷生产上的应用

1陶瓷工业干燥技术及其应用廖小辉（景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院08热工一班200810610116）摘要:本文分析了陶瓷干燥过程的基本原理，干燥中容易出现的问题，干燥的各种方式。关键词:陶瓷坯体;干燥技术;远红外干燥;微波干燥IndustrialdryingtechnologyandapplicationofceramicLiaoXiaohui(JingdezhenCeramicInstituteofMaterialsScienceandEngineeringofThermalclass20081061011608)Abstract:Thispaperanalyzesthebasicprinciplesofceramicdryingprocess,problemscaneasilyariseindrying,dryinginvariousways.Keywords:ceramicgreenbody;dryingtechnology;farinfrareddrying;microwavedrying1、前言陶瓷生产过程中，坯料与坯体的干燥是一个重要的一个工艺过程，是影响陶瓷成品率的一个重要的环节之一。坯体含有一定量的水分，其强度较低，在运输和加工的过程中（如粘结、修坯），很容易变形或者因强度不够而破损，因而为了提高成型后坯体的强度，要进行干燥。通过干燥处理，坯体失去可塑性，具有一定的弹性和强度。另一方面坯体中含水率高，其吸附釉浆的能力差，所以为了提高坯体的吸釉能力，其含水率达到一定的程度（比如对陶瓷，施釉是坯体需要干燥至含水率为2%-4%。此外，经干燥除去坯体中绝大多数的自由水后，坯体很少发生收缩，从而是坯体在烧成阶段可以快速升温，而不发生制品变形或开裂，既保证了烧成质量又可以缩短烧成周期，最总提高窑炉利用率，降低能耗。通常坯体入窑前得含水率应该在2%以下。但过分干燥也是不必要的因为当坯体放置在大气中时会再吸附大气中的水分而膨胀，也可能放声开裂。不过，日用陶瓷的坯体干燥是与整个成型过程相关联的，应根据各工序操作来确定排出多少水分。例如许多陶瓷制品在成型后要警醒湿修、镶接或者干修，他们都有自己合适的坯体水分，因此成型后的坯体的水分不能一次干燥到1%-3%，而要根据成型中个加工工序的需要，分阶段的进行干燥，最后干找到适合进窑的最总含水率。陶瓷工业的干燥经历了自然干燥、室式烘房干燥,到现在的各种热源的连续式干燥器、远红外干燥器、太阳能干燥器和微波干燥技术。干燥虽然是一个技术相对简单,应用却十分广泛的工业过程,不但关系着陶瓷的产品质量及成品率,而且影响陶瓷企业的整体能耗。据统计,干燥过程中的能耗占工业总燃料消耗的15%,而在陶瓷行业中,用于干燥的能耗占燃料总消耗的比例远不止此数,故干燥过程的节能是关系到企业节能的大事。陶瓷的干燥速度快、节能、优质、无污染等是新世纪对干燥技术的基本要求。2、陶瓷坯体干燥机理2．1坯体中水分的类型按照坯体颗粒与水分的结合特性，坯体中的水分基本上可以分为三类，即自由水、吸附2水、和化学水。2.1.1自由水自由水分布在固体颗粒之间，是物料直接与水接触而吸收的水分。自由水一般在坯体中存在直径大于10-7的大的毛细管中。自由水与物料结合松弛，容易排出。陶瓷干燥工艺主要是陪去自由水，而在其被出去的过程中会发生收缩，若收缩不均匀很容易发生干燥缺陷。2.1.2吸附水粘土表面的原子有剩余的键（及不饱和键），分子在粘土胶粒子周围受到分子引力的作用，从而出现湿润表面的吸附层。吸附水处于分子力场所控制的范围内，因为它的物理性质与普通水不一样，压得密度大，冰点下降。但不是所有的吸附水的性质都一样，离粘土胶粒最近的单分子层的水分结合得最牢固，多分子城中的水分结合得较弱。吸附水数量，岁外界环境的温度和相对湿度的变化而变化。在相同的大气条件下，坯体所吸附的水量，对含粘土的数量和总类有关。而一些非粘土类原料的颗粒，也具有一定的吸附水的能力，但是吸附力弱很多，容易被排除。2.1.3化学结合水这种水分是指包含在原料矿物分子结构内的水分，如结晶水、结构水等等。例如高岭土中有两个分子的结构水。这种水的结合形势最牢固，排出时必须要有较高的能量，如高岭土的结构水，要在450-650oC下才能被排出。根据水分的结合形式，又可以对材料进行分类。当水在材料中基本上是出于毛细管理结合的时候，那么该物料就成为毛细管多空型才来哦，如沙子和某些建筑材料。这种材料脱水时体积发生变化。当水和材料的结合以渗透和结构结合占优势的时候，这类材料称为胶体，在吸湿是体积会显著增大，在脱水时收缩。如果材料中渗透结合和毛细管力作用都相当强时，那就称为毛细管胶体，属于这种类型的粘土、某些陶瓷坯体等，这些物体在吸湿和干燥时，体积都会发生变化。2.2坯体的干燥过程以对流干燥过程为例,坯体的干燥过程可以分为:传热过程、外扩散过程、内扩散过程,3个过程同时进行又相互联系。传热过程:干燥介质的热量以对流方式传给坯体表面,又以传导方式从表面传向坯体内部的过程。坯体表面的水分得到热量而汽化,由液态变为气态。外扩散过程:坯体表面产生的水蒸汽,通过层流底层,在浓度差的作用下,由坯体表面向干燥介质中移动。内扩散过程:由于湿坯体表面水分蒸发,使其内部产生湿度梯度,促使水分由浓度高的内层向浓度较低的外层扩散,称湿传导或湿扩散。在干燥条件稳定的情况下,坯体表面温度、水分含量、干燥速率与时间有一定的关系,根据它们之间关系的变化特征,可以将干燥过程分为:加热阶段、等速干燥阶段、降速干燥阶段3个过程。加热阶段,由于干燥介质在单位时间内传给坯体表面的热量大于表面水分蒸发所消耗的热量,因此受热表面温度逐渐升高,直至等于干燥介质的湿球温度,此时表面获得热与蒸发消耗热达到动态平衡,温度不变。此阶段坯体水分减少,干燥速率增加。3等速干燥阶段,本阶段仍继续进行非结合水排出。由于坏体含水分较高,表面蒸发了多少水量,内部就能补充多少水量,即坯体内部水分移动速度(内扩散速度)等于表面水分蒸发速度,亦等于外扩散速度,所以表面维持潮湿状态。另外,介质传给坯体表面的热量等于水分汽化所需的热量,所以坯体表面温度不变,等于介质的湿球温度。坯体表面的水蒸汽分压等于表面温度下饱和水蒸汽分压,干燥速率稳定,故称等速干燥阶段。本阶段是排出非结合水,故坯体会产生体积收缩,收缩量与水分降低量成直线关系,若操作不当,干燥过快,坏体极容易变形、开裂、造成干燥废品。等速干燥阶段结束时,物料水分降低到临界值。此时尽管物料内部仍是非结合水,但在表面一层内开始出现结合水。降速干燥阶段,这一阶段中,坯体含水量减少,内扩散速度赶不上表面水分蒸发速度和外扩散速度,表面不再维持潮湿,干燥速率逐渐降低。由于表面水分蒸发所需热量减少,物料温度开始逐渐升高。物料表面水蒸汽分压小于表面温度下饱和水蒸汽分压。此阶段是排出结合水,坏体不产生体积收缩,不会产生干燥废品。当物料水分下降等于平衡水分时,干燥速率变为零,干燥过程终止,即使延长干燥时间,物料水分也不再发生变化。此时物料表面温度等于介质的干球温度,表面水蒸汽分压等于介质的水蒸汽分压。降速干燥阶段的干燥速度,取决于内扩散速率,故又称内扩散控制阶段,此时物料的结构、形状、尺寸等因素影响着干燥速率。2.3干燥收缩及缺陷未经干燥的湿坯体内固体颗粒被水膜所分隔。在干燥过程中，随着自由水的排除，颗粒逐渐靠拢，从而坯体发生收缩，收缩量大约等于排出的自由水的体积。坯体收缩率的大小与所用的粘土性能、坯料组成、含水率以及加工工艺等因素有关。粘土的颗粒越细，所吸附的水膜越厚，收缩率也就是越大。高岭土、塑性粘土、交替颗粒蒙脱石在在干燥时发生的线性收缩率分别为3%-8%、6%-10%、10&-25%。在满足成型性能的前提下，增加瘠性原料或部分采用预烧脱水粘土，均能减少干燥收缩。另外，粘土的阳离子交换力，粘土片状颗粒的定向排列等坯体的收缩也有影响。通常，阳离子交换能力大的粘土其收缩率也较大。用Na+离子做稀释剂时可以促使粘土颗粒做平行的排列，因此含Na+离子的粘土矿物的收缩率大于含Ca+离子的粘土矿物。坯体的干燥收缩，往往不是各项同性的，因为泥料的颗粒有一定的取向性，颗粒取向，也就是空隙（活水分）取向，当干燥脱水产生收缩时，导致干燥收缩各向异性。颗粒排列的短轴方向上空隙数要比长轴方向上的空隙数多，所以短轴方向的收缩相应的比长轴方向上的收缩要大。坯体在干杂过程中，随着自由水的排除，坯体不断地发生收缩。若坯体干燥过快或不均匀，则导致厚度方向上的水分分布不均匀，各层产生不均匀收缩。先干燥的外层力图收缩，而内层仍然保持开始的尺寸，阻碍表层的收缩。表层的强制收缩导致表层上产生张应力，内4层受到压应力，从而造成制品的危险变形、开裂等等。为了防止干燥过程中出现变形或开裂，可以才去调整坯料降低坯体收缩的方法，同时在干燥过程中，必须特别注意坯体在收缩阶段的干燥制度。通常在恒速干燥阶段要特别小心，尽量不要是坯体各部分或内外层收缩不一致，也就是坯体各部分要求均匀干燥，控制外扩山速度尽量不要高于内扩散速度。一次，在恒速干燥阶段，坯体的干燥速度是数到一定限制的，而在江苏干燥阶段，则由于坯体基本不产生收缩，外扩散速度就可加快。2.4影响干燥速率的因素影响干燥速率的因素有:传热速率、外扩散速率、内扩散速率。2.4.1加快传热速率为加快传热速率,应做到:①提高干燥介质温度,如提高干燥窑中的热气体温度,增加热风炉等,但不能使坯体表面温度升高太快,避免开裂;②增加传热面积;如改单面干燥为双面干燥,分层码坯或减少码坯层数,增加与热气体接触面;③提高对流传热系数。2.4.2提高外扩散速率当干燥处于等速干燥阶段时,外扩散阻力成为左右整个干燥速率的主要矛盾,因此降低外扩散阻力,提高外扩散速率,对缩短整个干燥周期影响最大。外扩散阻力主要发生在边界层里,因此应做到:①增大介质流速,减薄边界层厚度等,提高对流传热系数,也可提高对流传质系数,利于提高干燥速度;②降低介质的水蒸汽浓度,增加传质面积,亦可提高干燥速度。2.4.3提高水分的内扩散速率水分的内扩散速率是由湿扩散和热扩散共同作用的。湿扩散是物料中由于湿度梯度引起的水分移动,热扩散是物理中存在温度梯度而引起的水分移动。要提高内扩散速率应做到:①使热扩散与湿扩散方向一致,即设法使物料中心温度高于表面温度,如远红外加热、微波加热方式;②当热扩散与湿扩散方向一致时,强化传热,提高物料中的温度梯度,当两者相反时,加强温度梯度虽然扩大了热扩散的阻力,但可以增强传热,物料温度提高,湿扩散得以增加,故能加快干燥;③减薄坯体厚度,变单面干燥为双面干燥;④降低介质的总压力,有利于提高湿扩散系数,从而提高湿扩散速率;⑤其他坯体性质和形状等方面的因素。3干燥技术分类按干燥制度是否进行控制可分为:自然干燥和人工干燥,由于人工干燥是人为控制干过程,所以又称为强制干燥。按干燥方法不同进行分类,可分为:①对流干燥,其特点是利用气体作为干燥介质,以一定的速度吹拂坯体表面,使坯体得以干燥。②辐射干燥,其特点是利用红外线、微波炉等电磁波的辐射能,照射被干燥的坯体使其得以干燥。③真空干燥,这是一种在真空(负压)下干燥坯体的方法。坯体不需要升温,但需利用抽气设备产生一定的负压,因此系统需要密闭,难以连续生产。④联合干燥,其特点是综合利用2种以上干燥方法发挥它们各自的特长,优势互补,往往可以得到更理想的干燥效果。还有一些干燥方法,按干燥制度是否连续分为间歇式干燥器和连续式干燥器。连续式干燥器又可按干燥介质与坯体的运动方向不同分为顺流、逆流和混流;按干燥器的外形不同分为室式干燥器、隧道式干燥器等。3.1恒温恒湿大空间干燥卫生洁具的坯体在微压之后水分为18%左右,此时强度低,不宜搬动,一般采取就地干5燥的方法。一般厂家采用锅炉蒸汽加热的方法,它的特点是燃料成本低,可以形成一定的干燥气氛。同时缺点很多,如无横向空气流动;排湿功能差,干燥时间长;无通风系统,工人工作条件差。因此比较先进的“恒温恒湿系统”被采用。这种系统不需要改变原来的生产流程、生产工艺,还可以加速干燥速度,它的另一