1、陶瓷工業干燥技術及其應用廖小輝（景德鎮陶瓷學院 材料科學與工程學院 08熱工一班 200810610116） 摘要:本文分析了陶瓷干燥過程的基本原理，干燥中容易出現的問題， 干燥的各種方式。關鍵詞:陶瓷坯體;干燥技術;遠紅外干燥;微波干燥Industrial drying technology and application of ceramicLiao Xiaohui(Jingdezhen Ceramic Institute of Materials Science and Engineering of Thermal class 200 810 610 116 08) Abstract:

2、This paper analyzes the basic principles of ceramic drying process, problems can easily arise in drying, drying in various ways.Key words: ceramic green body; drying technology; far infrared drying; microwave drying朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音1、前言陶瓷生產過程中，坯料與坯體的干燥是一個重要的一個工藝過程，是影響陶瓷成品率的一個重要的環節之一。坯體含有一定量的水分，其強度較低，在運

3、輸和加工的過程中（如粘結、修坯），很容易變形或者因強度不夠而破損，因而為了提高成型后坯體的強度，要進行干燥。通過干燥處理，坯體失去可塑性，具有一定的彈性和強度。另一方面坯體中含水率高，其吸附釉漿的能力差，所以為了提高坯體的吸釉能力，其含水率達到一定的程度（比如對陶瓷，施釉是坯體需要干燥至含水率為2%-4%。此外，經干燥除去坯體中絕大多數的自由水后，坯體很少發生收縮，從而是坯體在燒成階段可以快速升溫，而不發生制品變形或開裂，既保證了燒成質量又可以縮短燒成周期，最總提高窯爐利用率，降低能耗。通常坯體入窯前得含水率應該在2%以下。但過分干燥也是不必要的因為當坯體放置在大氣中時會再吸附大氣中的水分而膨

4、脹，也可能放聲開裂。不過，日用陶瓷的坯體干燥是與整個成型過程相關聯的，應根據各工序操作來確定排出多少水分。例如許多陶瓷制品在成型后要警醒濕修、鑲接或者干修，他們都有自己合適的坯體水分，因此成型后的坯體的水分不能一次干燥到1%-3%，而要根據成型中個加工工序的需要，分階段的進行干燥，最后干找到適合進窯的最總含水率。陶瓷工業的干燥經歷了自然干燥、 室式烘房干燥 ,到現在的各種熱源的連續式干燥器、 遠紅外干燥器、 太陽能干燥器和微波干燥技術。干燥雖然是一個技術相對簡單 ,應用卻十分廣泛的工業過程 ,不但關系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 ,干燥過程中的能耗占工業總燃料

5、消耗的 15 % ,而在陶瓷行業中 ,用于干燥的能耗占燃料總消耗的比例遠不止此數 ,故干燥過程的節能是關系到企業節能的大事。陶瓷的干燥速度快、 節能、 優質、無污染等是新世紀對干燥技術的基本要求。2、陶瓷坯體干燥機理21坯體中水分的類型按照坯體顆粒與水分的結合特性，坯體中的水分基本上可以分為三類，即自由水、吸附水、和化學水。2.1.1自由水 自由水分布在固體顆粒之間，是物料直接與水接觸而吸收的水分。自由水一般在坯體中存在直徑大于10-7的大的毛細管中。自由水與物料結合松弛，容易排出。陶瓷干燥工藝主要是陪去自由水，而在其被出去的過程中會發生收縮，若收縮不均勻很容易發生干燥缺陷。2.1.2吸附水

6、粘土表面的原子有剩余的鍵（及不飽和鍵），分子在粘土膠粒子周圍受到分子引力的作用，從而出現濕潤表面的吸附層。吸附水處于分子力場所控制的范圍內，因為它的物理性質與普通水不一樣，壓得密度大，冰點下降。但不是所有的吸附水的性質都一樣，離粘土膠粒最近的單分子層的水分結合得最牢固，多分子城中的水分結合得較弱。吸附水數量，歲外界環境的溫度和相對濕度的變化而變化。在相同的大氣條件下，坯體所吸附的水量，對含粘土的數量和總類有關。而一些非粘土類原料的顆粒，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化學結合水 這種水分是指包含在原料礦物分子結構內的水分，如結晶水、結構水等等。例如高嶺土中有兩

7、個分子的結構水。這種水的結合形勢最牢固，排出時必須要有較高的能量，如高嶺土的結構水，要在450-650oC下才能被排出。 根據水分的結合形式，又可以對材料進行分類。當水在材料中基本上是出于毛細管理結合的時候，那么該物料就成為毛細管多空型才來哦，如沙子和某些建筑材料。這種材料脫水時體積發生變化。當水和材料的結合以滲透和結構結合占優勢的時候，這類材料稱為膠體，在吸濕是體積會顯著增大，在脫水時收縮。如果材料中滲透結合和毛細管力作用都相當強時，那就稱為毛細管膠體，屬于這種類型的粘土、某些陶瓷坯體等，這些物體在吸濕和干燥時，體積都會發生變化。2. 2 坯體的干燥過程以對流干燥過程為例,坯體的干燥過程可以

8、分為:傳熱過程、 外擴散過程、 內擴散過程 ,3 個過程同時進行又相互聯系。傳熱過程:干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 ,由坯體表面向干燥介質中移動。內擴散過程:由于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。在干燥條件穩定的情況下 ,坯體表面溫度、 水分含量、 干燥速率與時間有一定的關系 ,根據它們之間關系的變化特征 ,可以將干燥過程分為:加熱階段、 等速干燥階段、

9、降速干燥階段3個過程。加熱階段 ,由于干燥介質在單位時間內傳給坯體表面的熱量大于表面水分蒸發所消耗的熱量 ,因此受熱表面溫度逐漸升高 ,直至等于干燥介質的濕球溫度 ,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 ,干燥速率增加。等速干燥階段 ,本階段仍繼續進行非結合水排出。由于壞體含水分較高 ,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)等于表面水分蒸發速度 ,亦等于外擴散速度 ,所以表面維持潮濕狀態。另外 ,介質傳給坯體表面的熱量等于水分汽化所需的熱量 ,所以坯體表面溫度不變 ,等于介質的濕球溫度。坯體表面的水蒸汽分壓等于表面溫

10、度下飽和水蒸汽分壓 ,干燥速率穩定 ,故稱等速干燥階段。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系 ,若操作不當 ,干燥過快 ,壞體極容易變形、 開裂、 造成干燥廢品。等速干燥階段結束時 ,物料水分降低到臨界值。此時盡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。降速干燥階段 ,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 ,干燥速率逐漸降低。由于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于表面溫度下飽和水蒸汽分壓。此階段是排出結合水 ,壞體不產生體積收縮 ,不會產生干燥

11、廢品。當物料水分下降等于平衡水分時 ,干燥速率變為零 ,干燥過程終止 ,即使延長干燥時間 ,物料水分也不再發生變化。此時物料表面溫度等于介質的干球溫度 ,表面水蒸汽分壓等于介質的水蒸汽分壓。降速干燥階段的干燥速度 ,取決于內擴散速率 ,故又稱內擴散控制階段 ,此時物料的結構、 形狀、 尺寸等因素影響著干燥速率。2.3 干燥收縮及缺陷未經干燥的濕坯體內固體顆粒被水膜所分隔。在干燥過程中，隨著自由水的排除，顆粒逐漸靠攏，從而坯體發生收縮，收縮量大約等于排出的自由水的體積。坯體收縮率的大小與所用的粘土性能、坯料組成、含水率以及加工工藝等因素有關。粘土的顆粒越細，所吸附的水膜越厚，收縮率也就是越大。高

12、嶺土、塑性粘土、交替顆粒蒙脫石在在干燥時發生的線性收縮率分別為3%-8%、6%-10%、10&-25%。在滿足成型性能的前提下，增加瘠性原料或部分采用預燒脫水粘土，均能減少干燥收縮。另外，粘土的陽離子交換力，粘土片狀顆粒的定向排列等坯體的收縮也有影響。通常，陽離子交換能力大的粘土其收縮率也較大。用Na+離子做稀釋劑時可以促使粘土顆粒做平行的排列，因此含Na+離子的粘土礦物的收縮率大于含Ca+離子的粘土礦物。坯體的干燥收縮，往往不是各項同性的，因為泥料的顆粒有一定的取向性，顆粒取向，也就是空隙（活水分）取向，當干燥脫水產生收縮時，導致干燥收縮各向異性。顆粒排列的短軸方向上空隙數要比長軸方向上的空

13、隙數多，所以短軸方向的收縮相應的比長軸方向上的收縮要大。坯體在干雜過程中，隨著自由水的排除，坯體不斷地發生收縮。若坯體干燥過快或不均勻，則導致厚度方向上的水分分布不均勻，各層產生不均勻收縮。先干燥的外層力圖收縮，而內層仍然保持開始的尺寸，阻礙表層的收縮。表層的強制收縮導致表層上產生張應力，內層受到壓應力，從而造成制品的危險變形、開裂等等。為了防止干燥過程中出現變形或開裂，可以才去調整坯料降低坯體收縮的方法，同時在干燥過程中，必須特別注意坯體在收縮階段的干燥制度。通常在恒速干燥階段要特別小心，盡量不要是坯體各部分或內外層收縮不一致，也就是坯體各部分要求均勻干燥，控制外擴山速度盡量不要高于內擴散速

14、度。一次，在恒速干燥階段，坯體的干燥速度是數到一定限制的，而在江蘇干燥階段，則由于坯體基本不產生收縮，外擴散速度就可加快。2. 4 影響干燥速率的因素影響干燥速率的因素有:傳熱速率、 外擴散速率、 內擴散速率。2.4.1 加快傳熱速率為加快傳熱速率 ,應做到: 提高干燥介質溫度 ,如提高干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; 增加傳熱面積;如改單面干燥為雙面干燥 ,分層碼坯或減少碼坯層數 ,增加與熱氣體接觸面; 提高對流傳熱系數。2.4.2提高外擴散速率當干燥處于等速干燥階段時 ,外擴散阻力成為左右整個干燥速率的主要矛盾 ,因此降低外擴散阻力 ,提高

15、外擴散速率 ,對縮短整個干燥周期影響最大。外擴散阻力主要發生在邊界層里 ,因此應做到: 增大介質流速 ,減薄邊界層厚度等 ,提高對流傳熱系數 ,也可提高對流傳質系數 ,利于提高干燥速度; 降低介質的水蒸汽濃度 ,增加傳質面積 ,亦可提高干燥速度。2.4.3 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。濕擴散是物料中由于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: 使熱擴散與濕擴散方向一致 ,即設法使物料中心溫度高于表面溫度 ,如遠紅外加熱、 微波加熱方式; 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 ,

16、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 ,故能加快干燥; 減薄坯體厚度 ,變單面干燥為雙面干燥; 降低介質的總壓力 ,有利于提高濕擴散系數 ,從而提高濕擴散速率; 其他坯體性質和形狀等方面的因素。3 干燥技術分類按干燥制度是否進行控制可分為:自然干燥和人工干燥 ,由于人工干燥是人為控制干過程 ,所以又稱為強制干燥。按干燥方法不同進行分類 ,可分為: 對流干燥 ,其特點是利用氣體作為干燥介質 ,以一定的速度吹拂坯體表面 ,使坯體得以干燥。 輻射干燥,其特點是利用紅外線、 微波爐等電磁波的輻射能,照射被干燥的坯體使其得以干燥。 真空干

17、燥,這是一種在真空(負壓)下干燥坯體的方法。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。 聯合干燥 ,其特點是綜合利用 2 種以上干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干燥效果。還有一些干燥方法 ,按干燥制度是否連續分為間歇式干燥器和連續式干燥器。連續式干燥器又可按干燥介質與坯體的運動方向不同分為順流、 逆流和混流;按干燥器的外形不同分為室式干燥器、 隧道式干燥器等。3.1 恒溫恒濕大空間干燥衛生潔具的坯體在微壓之后水分為 18%左右 ,此時強度低 ,不宜搬動 ,一般采取就地干燥的方法。一般廠家采用鍋爐蒸汽加熱的方法 ,它的特點是燃料

18、成本低 ,可以形成一定的干燥氣氛。同時缺點很多 ,如無橫向空氣流動;排濕功能差 ,干燥時間長;無通風系統 ,工人工作條件差。因此比較先進的 “恒溫恒濕系統” 被采用。這種系統不需要改變原來的生產流程、 生產工藝 ,還可以加速干燥速度 ,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;參數滯后;干燥不同步等。尤其是近年來石膏模有變大趨勢 ,那么坯體的干燥時間和要求就不一樣 ,為了保證每一班的生產計劃 ,石膏模的干燥成為生產計劃的主要矛盾。在解決這一問題上采用密封式干燥系統 ,即石膏模出坯后整個成形線密封 ,在這個小的空間內使用小型的恒溫恒濕系統。3.2熱風快速干燥快

19、速干燥就是干燥氣氛按坯體的不同及坯體干燥程度而變化 ,時刻保持最佳干燥氣氛 ,提高干燥速度。溫濕度自動調節快速干燥室具有以下幾個特點: 空間小 ,參數調整時響應快 ,精確度高; 可以根據坯體的情況 ,設定不同的干燥曲線; 工控機控制 ,自動化程度高 ,減少人為失誤的因素 ,坯體干燥合格率高。這一系統由房體結構、 熱風爐、 布風系統、 攪拌系統、 控制系統、 溫度系統等6部分組成。3.3 蒸汽快速干燥這里討論的是蒸汽直接干燥 ,就是坯體出模后 ,沿軌道進入末端封閉的干燥室中 ,關閉干燥室后將蒸汽沿頂部的管道直接進入密封干燥室中 ,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

20、優點是干燥快 ,正品率高。3.4 工頻電干燥就是將工頻電(50Hz)通過坯體 ,由于坯體的電阻作用使得整個坯體均勻升溫干燥 ,達到了既升溫又無溫度梯度的目的。工頻電干燥的缺點是干燥前的準備工作很麻煩 ,而且它只適合單件產品干燥。3.5遠紅外干燥技術紅外輻射干燥技術越來越受到各行各業人們的重視 ,在食品干燥、 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 ,遠紅外干燥也被應用于陶瓷干燥中。大部分物體吸收紅外的波長范圍都在遠紅外區 ,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 ,產生激烈的共振現象 ,使坯體迅速變熱而使之干燥。且遠紅外對

21、被照物體的穿透深度比近、 中紅外深。因此采用遠紅外干燥陶瓷更合理。遠紅外干燥比一般的熱風、 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、干燥均勻、 占地面積小等優點 ,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 ,采用遠紅外干燥比近紅外線干燥時間可縮短一半 ,是熱風干燥的1/ 10 ,成坯率達 90 %以上 ,比近紅外干燥節電2060 %1 。鄭州瓷廠對 10 平盤進行遠紅外干燥 ,結果證明 ,生產周期提高一倍 ,由通常干燥時間2. 53h ,縮短為 1h ,成本低、 投資小、 見效快、 衛生條件好、 占地面積小。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 ,為什么在建筑衛生陶瓷的干燥線上卻少有人問津呢 ?3.6微波干燥技術微波是指介于高頻與遠紅外線之間的