作品相關 陶瓷

　前言

　陶瓷的乾燥是陶瓷的生產工藝中非常重要的工序之一，陶瓷產品的質量缺陷有很大部分是因乾燥不當而引起的。陶瓷工業的乾燥經歷了自然乾燥、室式烘房乾燥，到現在的各種熱源的連續式乾燥器、遠紅外乾燥器、太陽能幹燥器和微波乾燥技術。乾燥雖然是一個技術相對簡單，應用卻十分廣泛的工業過程，不但關係著陶瓷的產品質量及成品率，而且影響陶瓷企業的整體能耗。據統計，乾燥過程中的能耗占工業總燃料消耗的15％，而在陶瓷行業中，用於乾燥的能耗占燃料總消耗的比例遠不止此數，故乾燥過程的節能是關係到企業節能的大事。陶瓷的乾燥速度快、節能、優質，無污染等是新世紀對乾燥技術的基本要求。

　2陶瓷乾燥過程機理

　2.1坯體中的水分

　陶瓷坯體的含水率一般在5％－25％之間，坯體與水分的結合形式，物料在乾燥過程中的變化以及影響乾燥速率的因素是分析和改進乾燥器的理論依據。當坯體與一定溫度及濕度的靜止空氣相接觸，勢必釋放出或吸收水分，使坯體含水率達到某一平衡數值。只要空氣的狀態不變，坯體中所達到的含水率就不再因接觸時間增加而發生變化，此值就是坯體在該空氣狀態下的平衡水分。而到達平衡水分的濕坯體失去的水分為自由水分。也就是說，坯體水分是平衡水分和自由水分組成，在一定的空氣狀態下，乾燥的極限就是使坯體達到平衡水分。

　坯體內含有的水分可以分為物理水與化學水，乾燥過程只涉及物理水，物理水又分為結合水與非結合水。非結合水存在於坯體的大毛細管內，與坯體結合鬆弛。坯體中非結合水的蒸發就像自由液面上水的蒸發一樣，坯體表面水蒸汽的分壓力，等於其表面溫度下的飽和水蒸汽分壓力。坯體中非結合水排出時。物料的顆粒彼此靠攏，因此發生體積收縮，故非結合水又稱為收縮水。結合水是存在於坯體微毛細管（直徑小於o.1μm）內及膠體顆粒表面的水，與坯體結合比較牢固（屬物理化學作用），因此當結合水排出時，坯體表面水蒸汽的分壓將小於坯體表面溫度下的飽和水蒸汽分壓力。在乾燥過程中當坯體表面水蒸汽分壓力等於周圍乾燥介質的水蒸汽分壓力時，乾燥過程即停止，水分不能繼續排出，此時坯體中所含的水分即為平衡水，平衡水是結合水的一部分，它的多少取決於乾燥介質的溫度和相對濕度。在排出結合水時，坯體體積不發生收縮，比較安全。

　2.2坯體的乾燥過程

　以對流乾燥過程為例，坯體的乾燥過程可以分為：傳熱過程、外擴散過程、內擴散過程三個同時進行又相互聯繫的過程。

　傳熱過程，乾燥介質的熱量以對流方式傳給坯體表面，又以傳導方式從表面傳向坯體內部的過程。坯體表面的水分得到熱量而汽化，由液態變為氣態。

　外擴散過程：坯體表面產生的水蒸汽，通過層流底層，在濃度差的作用下，以擴散方式，由坯體表面向乾燥介質中移動。

　內擴散過程：由於濕坯體表面水分蒸發。使其內部產生濕度梯度，促使水分由濃度高的內層向濃度較低的外層擴散，稱濕傳導或濕擴散。

　在乾燥條件穩定的情況下，坯體表面溫度、水分含量、乾燥速率與時間有一定的關係，根據它們之間關係的變化特徵，可以將乾燥過程分為：加熱階段、等速乾燥階段、降速乾燥階段三個過程。

　加熱階段，由於乾燥介質在單位時間內傳給坯體表面的熱量大於表面水分蒸發所消耗的熱量，因此受熱表面溫度逐漸升高，直至等於乾燥介質的濕球溫度，此時表面獲得熱與蒸發消耗熱達到動態平衡，溫度不變。此階段坯體水分減少，乾燥速率增加。

　等速乾燥階段，本階段仍繼續進行非結合水排出。由於坯體含水分較高，表面蒸發了多少水量，內部就能補充多少水量，即坯體內部水分移動速度（內擴散速度）等於表面水分蒸發速度，亦等於外擴散速度，所以表面維持潮濕狀態。另外，介質傳給坯體表面的熱量等干水分汽化所需的熱量，所以坯體表面溫度不變，等於介質的濕球溫度。坯體表面的水蒸汽分壓等子表面溫度下飽和水蒸汽分壓，乾燥速率穩定，故稱等速乾燥階段。本階段是排出非結合水，故坯體會產生體積收縮，收縮量與水分降低量成直線關係，若操作不當，乾燥過快，坯體極容易變形，開裂，造成乾燥廢品。等速乾燥階段結束時，物料水分降低到臨界值。此時儘管物料內部仍是非結合水，但在表面一層內開始出現結合水。

　降速乾燥階段，這一階段中，坯體含水量減少，內擴散速度趕不上表面水分蒸發速度和外擴散速度，表面不再維持潮濕，乾燥速率逐漸降低。由於表面水分蒸發所需熱量減少，物料溫度開始逐漸升高。物料表面水蒸汽分壓小於表面溫度下飽和水蒸汽分壓。此階段是排出結合水，坯體不產生體積收縮，不會產生乾燥廢品。當物料排水分下降等於平衡水分時，乾燥速率變為零，乾燥過程終止，即使延長乾燥時間，物料水分也不再發生變化。此時物料表面溫度等於介質的干球溫度，表面水蒸汽分壓等於介質的水蒸汽分壓。降速乾燥階段的乾燥速度，取決於內擴散速率，故又稱內擴散控制階段，此時物料的結構、形狀、尺寸等因素影響著乾燥速率。

　2.3影響乾燥速率的因素

　影響乾燥速率的因素有，傳熱速率、外擴散速率、內擴散速率。

　（一）加快傳熱速率

　為加快傳熱速率，應做到：①提高乾燥介質溫度，如提高乾燥窯中的熱氣體溫度，增加熱風爐等，但不能使坯體表面溫度升高太快，避免開裂，②增加傳熱面積：如改單面乾燥為雙面乾燥，分層碼坯或減少碼坯層數，增加於與熱氣體接觸面，③提高對流傳熱係數。

　（二）提高外擴散速率當乾燥處於等速乾燥階段時，外擴散阻力成為左右整個乾燥速率的主要矛盾，因此降低外擴散阻力，提高外擴散速率，對縮短整個乾燥週期影響最大。外擴散阻力主要發生在邊界層裡，因此應做到：①增大介質流速，減薄邊界層厚度等，提高對流傳熱係數。也可提高對流傳質係數，利於提高乾燥速度，②降低介質的水蒸汽濃度，增加傳質面積，亦可提高乾燥速度。

　（三）提高水分的內擴散速率

　水分的內擴散速率是由濕擴散和熱擴散共同作用的。濕擴散是物料中由於濕度梯度引起的水分移動，熱擴散是物理中存在溫度梯度而引起的水分移動。要提高內擴散速率應做到：①使熱擴散與濕擴散方向一致，即設法使物料中心溫度高於表面溫度，如遠紅外加熱、微波加熱方式，②當熱擴散與濕擴散方向一致時，強化傳熱，提高物料中的溫度梯度，當兩者相反時，加強溫度梯度雖然擴大了熱擴散的阻力，但可以增強傳熱，物料溫度提高，濕擴散得以增加，故能加快乾燥，③減薄坯體厚度，變單面乾燥為雙面乾燥，④降低介質的總壓力，有利子提高濕擴散係數，從而提高濕擴散速率，⑤其他坯體性質和形狀等方面的因素。

　3乾燥技術分類

　按乾燥制度是否進行控制可分為，自然乾燥和人工乾燥，由於人工乾燥是人為控制乾燥過程，所以又稱為強制乾燥。

　按乾燥方法不同進行分類，可分為：

　①對流乾燥，其特點是利用氣體作為乾燥介質，以一定的速度吹拂坯體表面，使坯體得以乾燥。

　②輻射乾燥，其特點是利用紅外線、微波等電磁波的輻射能，照射被乾燥的坯體使其得以乾燥。

　③真空乾燥，這是一種在真空（負壓）下乾燥坯體的方法。坯體不需要升溫，但需利用抽氣設備產生一定的負壓，因此系統需要密閉，難以連續生產。

　④聯合乾燥，其特點是綜合利用兩種以上乾燥方法發揮它們各自的特長，優勢互補，往往可以得到更理想的乾燥效果。

　還有一些乾燥方法，按乾燥制度是否連續分為間歇式乾燥器和連續式乾燥器。連續式乾燥器又可按乾燥介質與坯體的運動方向不同分為順流、逆流和混流：按乾燥器的外形不同分為室式乾燥器、隧道式乾燥器等。

　4各瓷種所用乾燥器特點

　4.1建築衛生陶瓷乾燥器

　1恆溫恆濕大空間乾燥衛生潔具的坯體在微壓之後水分為18％左右，此時強度低，不宜搬動，一般採取就地乾燥的方法。一般廠家採用鍋爐蒸汽加熱的方法系統，它的特點是燃料成本低，可以形成一定的乾燥氣氛。同時缺點很多，如無橫向空氣流動；排濕功能差，乾燥時間長；無通風系統，工人工作條件差。因此比較先進的「恆溫恆濕系統」被採用。這種系統不需要改變原來的生產流程、生產工藝，還可以加速乾燥速度，它的另一大特點是具有強制通風功能。這一系統也存在一系列的問題，如能源消耗大；參數滯後；乾燥不同步等。尤其是近年來石膏模有變大趨勢，那麼坯體的乾燥時間和要求就不一樣，為了保證每一班的生產安排。石膏模的乾燥成為生產安排的主要矛盾。在解決這一問題上採用密封式乾燥系統，即石膏摸出坯後整個成型線密封，在這個小的空間內使用小型的恆溫恆濕系統。

　2熱風快速乾燥

　快速乾燥就是乾燥氣氛按坯體的不同及坯體乾燥程度而變化，時刻保持最佳乾燥氣氛，提高乾燥速度。溫濕度自動調節快速乾燥室具有以下幾個特點，①空間小，參數調整時響應快，精確度高；②可以根據坯體的情況，設定不同的乾燥曲線；③工控機控制，自動化程度高，減少人為失誤的因素，坯體乾燥合格率高。這一系統由房體結構、熱風爐、布風系統、攪拌系統、控制系統、濕度系統等六部分組成。

　3蒸汽快速乾燥

　這裡討論的是蒸汽直接乾燥，就是坯體出模後，沿軌道進入末端封閉的乾燥室中，關閉乾燥室後將蒸汽沿頂部的管道直接進入密封乾燥室中，蒸汽在密室中膨脹降壓，濕蒸汽由密室底部的管道排出回收。它的最大的優點是乾燥快，正品率高。

　4工頻電乾燥

　就是將工頻電（50Hz）通過坯體，由於坯體的電阻作用使得整個坯體均勻升溫乾燥，使達到了既升溫又無溫度梯度的目的。工頻電乾燥的缺點是乾燥前的準備工作很麻煩，而且它只適合單件產品乾燥。

　4.2牆地磚乾燥

　牆地磚的坯體從壓機出來後一般都是由窯爐的餘熱來進行乾燥，但隨著產品的規格尺寸越來越大，最大達1.2×2mm，甚至更大，厚度越來越厚，從8mm增大到60mm，靠窯爐的餘熱已經不能滿足乾燥的要求。而且隨著產品的高檔化、色彩多樣化，對窯內的氣氛的控制要求越來越精確和嚴格，用餘熱來乾燥坯體時，乾燥段的調整會引起窯內氣氛的變化，甚至增加窯爐燒成燃料的消耗，有的增加1－2噸燃料。於是便出現了立式乾燥器、乾燥窯、多層乾燥窯等。

　1立式乾燥窯

　它是應用比較廣泛的乾燥設備，它佔地面積小，干操小規格的牆地磚，具有較好的效果。

　2乾燥窯

　乾燥窯是直接加在燒成窯之前，外觀上是窯爐的一部分（稱為預熱帶）或是在窯的旁邊獨立建造一條長寬相當的乾燥窯。坯體從壓機出來或施釉後出來直接進入乾燥窯乾燥，乾燥完坯體直接進入預熱帶或經傳動進入燒成密進行燒成。它由熱風爐、布風系統、窯體結構三個部分組成，乾燥窯熱利用率好的一般只採用燒成窯的熱風基本上能滿足乾燥要求，有的差一點或要求乾燥水分低一點的，除了用燒成密的熱風外，還需要另外燒熱風爐，每天消耗燃料2～3噸。

　3多層乾燥窯

　隨著技術的進步，坯體中含水率越來越低，乾燥過程需將含水率從8％降低到1％，使用一般乾燥窯不能達到這個目標。多層乾燥窯就能解決這個問題。它是由窯頭排隊器，窯尾收集器及若幹幹燥單元組成，每個單元都是獨立的，它們的溫度、濕度調節，通風量調節，單獨由熱風爐。它的優點是：足夠的乾燥時間；外表面積小，散熱損失小；出風口貼近磚面。乾燥強度高；調節溫度時通風量不會受到影響，因此熱風吹過磚坯表面的速度及範圍都不會因溫度的調整而變動，但是多層乾燥窯的調控相對比較困難，特別是窯寬增加，無法保證窯內溫度的均勻，引起乾燥效果不一。

　4.3日用陶瓷乾燥

　日用陶瓷乾燥與衛生陶瓷或牆地磚坯體的乾燥不同，其具有的特點是：①坯體的種類繁多、數量大、尺寸小、形狀複雜。變形和開裂是最常見的兩種缺陷：②生產工藝過程中常常要拌入脫模、翻坯、修坯、接把、上釉等工序而成為流水作業完成。因此日用瓷的乾燥主要使用鏈式乾燥器。根據鏈條的佈置方式可分為：水平多層佈置乾燥器、水平單層佈置乾燥器、垂直（立式）佈置乾燥器。

　5遠紅外乾燥技術

　紅外輻射乾燥技術越來越受到各行各業人們的重視，在食品乾燥、煙草、木材、中草藥、紙板、汽車、自行車、金屬體烤漆等方面發揮很大作用。此外，遠紅外乾燥也被應用於陶瓷乾燥中。大部分物體吸收紅外線的波長範圍都在遠紅外區，水和陶瓷坯體在遠紅外區也有強的吸收峰，能夠強烈地吸收遠紅外線，產主激烈的共振現象，使坯體迅速變熱而使之乾燥。且遠紅外對被照物體的穿透深度比近、中紅外深。因此採用遠紅外乾燥陶瓷更合理。遠紅外乾燥比一般的熱風、電熱等加熱方法具有高效快干、節約能源、節省時間、使用方便、乾燥均勻、佔地面積小等優點，從而達到了高產、優質、低消耗的優良效果。

　據陶瓷廠生產實踐證明，採用遠紅外乾燥比近紅外線乾燥時間可縮短一半，是熱風乾燥的1／10，成坯率達90％以上，比近紅外乾燥節電20～60％[1]。鄭州瓷廠對10寸平盤進行遠紅外乾燥技術實施，結果證明，生產週期提高一倍，通常乾燥時間為2.5～3小時，縮短為1小時，成本低、投資小、見效快、衛生條件好、佔地面積小。遠紅外材料的研究近年來很活躍，而且取得了很大進展，在各行各業也有很多成功應用的例子，為什麼在建築衛生陶瓷的乾燥線上卻少有人問津呢？

　6微波乾燥技術

　微波是指介於高頻與遠紅外線之間的電磁波，波長為O.001—1m，頻率為300－300000MHz。微波乾燥是用微波照射濕坯體，電磁場方向和大小隨時間作週期性變化使坯體內極性水分子隨著交變的高頻電場變化，使分子產生劇烈的轉動，發生摩擦轉化為熱能，達到坯體整體均勻升溫、乾燥的目的[2、3、4]。微波的穿透能力比遠紅外線大得多，而且頻率越小，微波的半功率深度越大。微波乾燥的特點：

　（1）均勻快速，這是微波乾燥的主要特點。由於微波具有較大的穿透能力，加熱時可使介質內部直接產生熱量。不管坯體的形狀如何複雜，加熱也是均勻快速的，這使得坯體脫水快，脫模均勻，變形小，不易產生裂紋。

　（2）具有選擇性，微波加熱與物質的本身性質有關、在一定頻率的微波場中，水由於其介質損耗比其它物料大，故水分比其它干物料的吸熱量大得多；同時由於微波加熱是表裡同時進行，內部水份可以很快地被加熱並直接蒸發出來，這樣陶瓷坯體可以在很短的時間內經加熱而脫模。

　（3）熱效率高、反應靈敏，由於熱量直接來自於乾燥物料內部，熱量在周圍介質中的損耗極少，加上微波加熱腔本身不吸熱，不吸收微波，全部發射作用於坯體，熱效率高。

　微波加熱設備主要由直流電源、微波管、連接波導、加熱器及冷卻系統等幾個部分組成微波加熱器按照加熱物和微波場作用的形式可分為駐波場諧振加熱器、行波場波導加熱器、輻射型加熱器、慢波型加熱器等幾大類。

　6.1微波乾燥在日用陶瓷中應用

　湖南國光瓷業集團股份有限公司，根據日用陶瓷的工藝特點，設計了一條日用陶瓷快速脫水乾燥線用於生產中，實踐證明，與傳統鏈式乾燥線相比，成坯率提高10％以上，脫石膏模時間從35～45分鐘縮短到5～8分鐘，使用模具數量由400～500件下降致100～120件，微波乾燥線所佔地面積小，生產無污染．其效率式鏈式乾燥的6.5倍，除了可大量節約石膏模具外，與二次快速乾燥線配合使用，對於10.5寸平盤總乾燥成本可下降350元／萬件[5]。

　6.2微波乾燥在電瓷中的應用

　遼寧撫順石油化工公司，李春原對電瓷乾燥工藝採用微波加熱乾燥技術、重量鑒讀控制技術、紅外測溫鑒讀控制技術，對複雜形狀的電瓷進行乾燥，與常規蒸汽乾燥方法相比較，可提高生產率24～30倍，提高成品率15％～35％，相同產量佔地面積僅是現有工藝的二十分之一左右，可大幅度地提高經濟效益。這對建築衛生陶瓷、牆地磚等一些異型產品的乾燥可提供借鑒。

　6.3多孔陶瓷的乾燥多孔陶瓷由於具有機械強度高、易於再生、化學穩定性好、耐熱性好、孔道分佈均勻等優點，具有廣闊的應用前景，並被廣泛應用於化工。環保、能源、冶金、電子、石油、冶煉、紡織、製藥、食品機械、水泥等領域。作為吸聲材料敏感元件和人工骨、齒根等材料也越來越受到人們的重視。由於多孔材料成型時含水分較多，孔隙多，且坯體內孔壁特別薄，用傳統的方法因加熱不均勻，極難乾燥，加之這些多孔材料導熱係數差，其乾燥過程要求特別嚴格，特別是用於環保汽車等方面的蜂窩陶瓷，乾燥過程控制不好，易變形，影響孔隙率及比表面積。微波乾燥技術已成功地應用於多孔陶瓷的乾燥，其能很容易地把坯體的水分從18％～25％降低到3％一下，降水率達到0.7～1.5kg，大大縮短乾燥時間、提高成品率。我們亦把微波乾燥應用於劈開磚的溫坯乾燥，效果亦非常明顯。

　7展望

　微波加熱雖然有許多優點，但其固定投資和純生產費用較其它加熱方法為高，特別是耗電較多，使生產成本增加；微波在大能量長時間的照射下，對人體健康帶來不利影響，微波加熱是有選擇性的。因此單獨採用微波乾燥或對流乾燥都有它們的優劣之處。如果綜合兩者將會使兩種方法的優點得到充分的發揮。即在快速乾燥室內，增加微波發生器。在坯體的升溫階段，微波發生器以最大功率運行，在很短的時間內使坯體溫度升高。然後逐漸減少微波功率，而熱風乾燥以最大強度運行，這樣總的加熱時間將減少50％，總能耗並沒有增加，而且坯體合格率高。而且，我們應該盡可能使微波爐結構設什合理，防輻射措施得當，可使微波輻射減至最小，對人體完全沒有影響[6]。所以為了更好地發揮微波技術的優點，除了採用混和加熱或混合乾燥技術外，加強完善陶瓷材料與微波之間的作用機理的研究，加強陶瓷材料的介電性能、介質消耗與微波頻率及溫度關係的基礎數據試驗，及完善微波乾燥的工藝及設備，使這一技術委陶瓷行業服務