第3章干燥与排塑工艺.

@供材料化学专业使用目录页ContentsPage3.1干燥工艺第三章干燥与排塑工艺3.2排塑工艺3内容水与坯的结合形式、干燥过程。干燥制度、缺陷分析等。排塑目的、原理、方法等。要求重点掌握坯体干燥过程及产生缺陷的分析。要求掌握排塑目的、原理和方法。过渡页ContentsPage3.1干燥工艺第三章干燥与排塑工艺3.2排塑工艺5配料量计算坯料的制备定义借助热能使坯料中的水分汽化，并由干燥介质将水分带走的过程。目的坯体经干燥后强度得到提高，有利于搬运、装窑和烧成；加速有机物的挥发，避免烧成过程中产生的不利（还原）气氛；防止烧成初期因坯体水分大量的排出而造成废品率过高。坯体经干燥后留有2％左右的残余水分即可。过分干燥的坯体边角会有松脆现象，搬运时容易产生废品，同时也不经济。但对烧成大型砖坯有时要求残余水分达到0.2％以下。3.1.1概述6配料量计算坯料的制备化学结合水包括结构水和结晶水。参与物质结构，与物料的结合有准确的数量关系。结合形式最牢固，排除时必须有较高能量，不属干燥内容。如：Al2O3∙2SiO2∙2H2O吸附水物质表面的原子有不饱和键，它与水分子间产生引力，从而出现润湿于表面的吸附水层。排除吸附水无意义，因为坯体很快又从空气中吸收水分达到平衡。3.1.2水与坯料的结合形式7机械结合水又称自由水，分布在物质固体颗粒之间。包括润湿水、空隙水及毛细管水。它与物料呈机械混合状态，结合的牢固性最弱，在干燥过程中首先被排除。干燥过程只须排除自由水。机械结合水排除后，物料颗粒相互靠拢，体积收缩，因此这部分水又称为收缩水。干燥初期干燥速率不宜过大，否则会产生较大的收缩应力而导致变形开裂。8配料量计算坯料的制备干燥过程干燥过程中既有热交换，又有质交换，可以将其分为三个既同时进行又相互联系的过程。―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休内部。坯体表面的水分得到热量而汽化，由液态变为气态。3.1.3干燥过程&作用内扩散水膜温度梯度湿度梯度外扩散传热9―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，促使水分由浓度较高的内层向浓度较低的外层扩散，称湿传导。―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，以扩散方式由坯体表面向干燥介质中移动。内扩散水膜温度梯度湿度梯度外扩散传热当坯体中存在温度梯度时，也会引起水分的扩散移动。移动方向指向温度降低的方向，即与温度梯度的指向相反。这种单由温度梯度引起的水分移动称热湿传导。实际干燥过程中，水分的内扩散过程一般包括湿传导和热湿传导的共同作用。10干燥阶段：物料的干燥过程是由内扩散和外扩散组成并伴随有传热的传质过程，可分为四个阶段：加热阶段：由于干燥介质传给坯体的热量大于水分蒸发所需要的热量，坯体表面温度不断升高，水分蒸发量随之增大。到Ａ点时，传给坯体的热量等于水分蒸发所需要的热量，坯体表面温度停止升高，并等于干燥介质的湿球温度。在这一阶段总的时间很短，排除的水分量不多。11等速阶段：该阶段主要是排除物料中的非结合水，并产生收缩现象，必须严格控制此阶段的干燥速度；坯体内部的水分在浓度梯度推动下，扩散到表面，使坯体表面始终存在自由水。此阶段的干燥速率取决于水蒸汽的外扩散速率，故这一阶段又称为外扩散控制阶段。到达Ｋ点坯体表面不再有连续的自由水膜，此时坯体表面的水为吸附水，而内部仍为自由水。12降速阶段：由等速干燥阶段转入降速干燥阶段的转折点K，称为临界点。此后坯体表面开始产生干涸现象，干燥速度开始下降。随着坯体表面水分的逐渐减少，蒸发所需的热量也逐渐减少，坯体表面温度不断升高，干燥速率下降直到为零，干燥过程结束。此阶段内扩散速率小于外扩散速率，表面水蒸发速率受内扩散速率限制，因此称为内扩散控制阶段。该阶段为吸附水排除阶段，干燥过程不再产生收缩，仅增加制品的孔隙。含水量多的坯体，具有完整的干燥过程曲线，而含水量少的坯体，等速干燥阶段不明显。13配料量计算坯料的制备影响干燥速度的因素影响内扩散的因素―热湿传导方向与湿传导方向一致性。微波干燥、远红外干燥。―坯料的颗粒组成和矿物组成：粗颗粒、瘠性料、毛细管粗、扩散阻力小，有利于水分的扩散。―生坯的温度以及内外湿度差：温度高，水分粘度小、表面张力小有利于扩散。湿度差大，湿扩散速度快。3.1.4干燥制度的确定内扩散形式热湿传导：温度差引起的水分沿温度梯度方向扩散。热端→冷端湿传导：湿度差引起的水分沿湿度方向的扩散。湿端→干端14影响外扩散的因素―表面水分汽化，向介质扩散。（表面水蒸气分压与介质分压差）―相关因素：干燥介质、生坯的温度、干燥介质的流速、方向。其它因素―干燥方式―坯体厚度和形状―干燥设备的结构以及坯体放置位置是否合理。15干燥介质参数的确定介质温度―坯体的大小、形状、厚度、组成、含水率大件、复杂坯体低温高湿高温低湿（临界点）；小件、简单坯体高温低湿干燥。带石膏模干燥时温度不大于70℃，否则模型强度降低。―热能的充分利用和设备的因素介质温度太高，热效率低，传热设备使用寿命降低。16介质湿度―湿度太低，干燥太快，容易产生变形和开裂。―例如：大件的卫生瓷坯体，通常采用分段干燥方法。介质流速和流量―提高介质的流速和流量可以提高干燥速度。注意防止变形、开裂。17配料量计算坯料的制备通常可分为常温干澡和加热干燥两种。常温干燥：又称为阴干或风干。干燥效率低。加热干燥：通过通电的方式使坯体干燥。干燥效率高。热空气干燥：对流干燥气体。电热干燥：坯体通电的内热式干燥。辐射干燥：不需干燥介质，通过辐射电磁波进行干燥。可分为：高频干燥、红外干燥、微波干燥等。3.1.5干燥方法18热空气干燥：包括室式干燥、隧道式干燥、喷雾干燥、链式干燥及热泵干燥。―室式干燥（室式烘房）分类：固定坯架式、活动坯车式；或暖气式、热风式、温度湿度可调式。特点：设备简单，造价低廉，热效率低，干燥周期长。19―隧道式干燥：工厂通常采用窑炉尾气对坯体进行干燥。20―链式干燥常利用隧道窑余热与成形机、自动脱模机、修坯机配套形成自动流水线。适应中、小件产品，热效率高。国产链式干燥机比较落后。21―辊道传送式干燥近年来发展起来的一种与辊道窑一体（下层）的干燥方式。热源：辊道窑余热或热风机供热。特点：热效率高，干燥质量好，干燥后可直接入窑烧成。―喷雾干燥泥浆含水率：30％～50％造雾方式：压力式、气流式热空气温度：400～600℃流体流动方式：逆流、顺流式特点：工艺简单，生产效率高、产量大，颗粒流动性好，坯体、强度高，致密度高。22电热干燥―原理&特点将湿坯体作为电阻并联于电路中，用焦耳效应产生的热量使其水分蒸发而干燥。通常以锡箔或铜丝布作为引电极，用泥浆或树脂粘贴在坯体的两端，然后通以电流。随着坯体的干燥，需随逐渐增大电压。一般干燥初期电压为30~40V即可，到干燥后期增至220V。干燥时坯体整个断面同时加热，但表面由于水分蒸发及热量散失，使表面的水分浓度和温度均低于坯体中心，因而使热、湿传导具有一致的方向，从而提高了最大安全干燥速度。干燥形状复杂的大型坯体时，安装电极较困难，且后期当坯体含水量低于6%时，能耗增大。23辐射干燥―原理&特点坯体中的水分选择性吸收特定波长的电磁波，产生热效应，排除水分。设备简单，易于实现自动化，干燥速度快，质量好。包括：高频干燥、微波干燥、红外干燥。―红外干燥原理：利用坯体吸收红外线产生热量进行干燥。因此该方法仅对红外线敏感的物质有效。根据水分子对红外线的吸收特性，通常选择的干燥波长为2.5～15um的远红外线。特点：干燥速度快，效率高。节约能源，单位坯体能耗是近红外的1/2，热空气干燥的1/3。24―高频干燥原理：将待干燥的湿坯体置于高频电场中，因电磁场的高频振荡，使坯体中的分子、电子等发生非同步的振荡，产生热效应，使水分蒸发而干燥。坯体含水分越多或电场频率越高，介电损耗越大，热效应亦越大，干燥速度相对也越快。特点：高频电干燥使坯体内部与表面的热、湿传导方向一致，提高了最大安全干燥速度。它不需要电极，可用于干燥形状复杂的大型制品；但设备复杂，电能消耗大，且制品最终水分不够均匀。25―微波干燥原理：微波辐射坯体内强极性水分子，使其运动加剧而转化为热能，从而达到干燥坯体的目的。为避免对雷达、通信、导航等微波设备的干扰，对微波加热干燥，各国都有规定的专用频率。目前，主要采用了915MHz和2450MHz两个频率。特点：相比高频加热，微波干燥的频率高、热量大、加热效果好。而且穿透深度比红外干燥深，有利于热湿传导，使干燥过程快速均匀。但微波干燥设备费用高，耗电大，对人体也有辐射的伤害。26配料量计算坯料的制备干燥过程主要依靠干燥介质的传热和水分子的扩散两个过程来实现。因此，干燥速度与传热速度和扩散速度有关。介质温度：温度越高，介质与坯体的温差越大，干燥速度就越大。工厂通常使用高温尾气直接干燥，可获得良好的传热效果。3.1.6干燥速度介质相对湿度：相对湿度越低，水分汽化也就越快，干燥速度就越大。如采用高温尾气干燥，则应增大排风量以及时排除由于干燥后湿度增大的干燥介质。27介质流速：流速越高，一方面对流传热量越大；另一方面，则可减薄坯体表面层流底层厚度（它是传热和蒸汽扩散的主要阻力），对传热和传质都有好处，增加干燥速度。但是流速过大，流体阻力会增加，从而加大能量消耗。介质与坯体的接触面：接触面越大，则干燥速度越高。坯体性质与结构：坯体结合水越多，干燥时间越长。结构疏松的坯体易干燥。坯体含水率：坯体临界水分太高或最终水分（干燥要求）过低，都会延长降速阶段的时间，使总的干燥时间增长。干燥设备构造：合理的尺寸、结构，良好的密封和操作情况，以及适当提高回转烘干机的转速，有利于提高干燥速度、短干燥时间。28配料量计算坯料的制备坯体干燥过程常出现变形和开裂缺陷。产生的原因是多方面的，但就其本质来讲，都是来自不均匀收缩所引起的应力作用。配方设计和坯料制备的原因―坯料配方中塑性粘土太多、太少。―坯料细度太粗、太细。―坯料含水率太高，组分分布不均匀。―练泥和成形过程造成颗粒的定向排列从而导致不均匀应力。3.1.7干燥缺陷分析29成形过程的原因―成形时泥料受力不均匀，造成致密度不一致，收缩不均匀。―模型吸水能力不均匀，造成不均匀收缩。干燥过程的原因―干燥制度不合理。温度、湿度、流速和方向控制不当。干燥太快；介质湿度太大引起水分冷凝于坯体上。―坯体放置不平衡或放置方法不当局部收缩阻力太大。器型设计不合理―结构复杂、薄厚不均匀。过渡页ContentsPage3.1干燥工艺第三章干燥与排塑工艺3.2排塑工艺31配料量计算坯料的制备特种陶瓷成型时，多采用有机塑化剂或粘结剂，如：热压铸成型中的石蜡、轧膜成型中的聚乙烯醇等。排塑目的排除坯体中上述的有机物，为下一步烧成创造条件。使坯体获得一定机械强度。避免有机物在烧成时的还原作用。排塑过程通常还需要借助吸附剂（埋粉）。作用在于：一方面可以支撑坯体；另一方面可以吸附塑化剂。3.2.1目的&作用32配料量计算坯料的制备热压铸坯体的排塑过程80-100°C，石蜡开始软化，并向埋粉渗透；100-300°C，坯体内部石蜡向外部迁移，渗透至埋粉中。埋粉中的石蜡气化，挥发至窑体中。该阶段最为关键。300-600°C，坯体中石蜡已被排除99%左右，该阶段主要作用是埋粉中残余石蜡继续挥发。600-1100°C，坯体中出现液相，具有一定强度。3.2.2物理&化学变化33配料量计算坯料的制备升温速率&保温时间坯体外形&尺寸形状越复杂，器壁越厚，排塑越困难。塑化剂成分和用量用量越多，排塑越困难。埋粉性质不同埋粉，其排塑难易不同。坯体组成与性质3.2.3影响因素34配料量计算坯料的制备工业生产中，需根据塑化剂总类和数量、制品大小及形状、坯料性质、埋粉性质等因素综合确定排塑的温度制度。热压铸成型坯体的排蜡升温制