陶瓷工業(yè)干燥技術和設備

1、第26卷第1期2003年2月綜述山東陶瓷SHANDONGCERAMICSVol126No11Feb12003文章編號:100520639(2003)0120013205陶瓷工業(yè)干燥技術和設備曾令可,王慧,程小蘇,張明,羅民華,陳創(chuàng)亮(華南理工大學材料學院,廣州510640)摘要:本文分析了陶瓷干燥過程的基本原理、干燥的種類、各瓷種所用干燥器分類以及微波干燥技術的先進性。關鍵詞:陶瓷坯體;干燥技術;遠紅外干燥;微波干燥中圖分類號:TQ17416+4文獻標識碼:A1前言序之一,燥不當而引起的。燥、,燥器、術。干燥雖然是一個技術相對簡單,應用卻十分廣泛的工業(yè)過程,不但關系著陶瓷的產品質量及成品率,而

2、且影響陶瓷企業(yè)的整體能耗。據統(tǒng)計,干燥過程中的能耗占工業(yè)總燃料消耗的15%,而在陶瓷行業(yè)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(jié)能是關系到企業(yè)節(jié)能的大事。陶瓷的干燥速度快、節(jié)能、優(yōu)質、無污染等是新世紀對干燥技術的基本要求。,干燥過程只涉及物理水,物理水又分為結合水與非結合水。非結合水存在于坯體的大毛細管內,與坯體結合松弛。坯體中非結合水的蒸發(fā)就像自由液面上水的蒸發(fā)一樣,壞體表面水蒸氣的分壓力,等于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(fā)生體積收縮,故非結合水又稱為收縮水。結合水是存在于坯體微毛細管(直徑小于0.1m)內及膠體顆粒表面

3、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于坯體表面溫度下的飽和水蒸汽分壓力。在干燥過程中當坯體表面水蒸汽分壓力等于周圍干燥介質的水蒸汽分壓力時,干燥過程即停止,水分不能繼續(xù)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,它的多少取決于干燥介質的溫度和相對濕度。在排出結合水時,坯體體積不發(fā)生收縮,比較安全。2.2坯體的干燥過程2陶瓷干燥過程機理2.1坯體中的水分陶瓷坯體的含水率一般在5%25%之間,壞體與水分的結合形式,物料在干燥過程中的變化以及影響干燥速率的因素是分析和改進干燥器的理論依據。當坯體與一定溫度及濕度的靜止空氣相接觸,勢

4、必釋放出或吸收水分,使壞體含水率達到某一平衡數值。只要空氣的狀態(tài)不變,坯體中所達到的含水率就不再因接觸時間增加而發(fā)生變化,此值就是坯體在該空氣狀態(tài)下的平穩(wěn)水分。而到達平衡水分時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收稿日期:200221029以對流干燥過程為例,坯體的干燥過程可以分為: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?zhèn)飨蚺黧w內部的過程。坯體表面的水分得到熱量而汽化,由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。第1期曾令可等:陶瓷工業(yè)干燥技術和設備15外擴散過程:坯體表面產生的水蒸汽,通過層流底層,在

5、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(fā),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(wěn)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、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(fā)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,到動態(tài)平衡,溫度不變。,燥速率增加。等速干燥階段排出。,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(fā)速度,亦等于外擴散

6、速度,所以表面維持潮濕狀態(tài)。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度下飽和水蒸汽分壓,干燥速率穩(wěn)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(fā)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(fā)所需熱量減少,物料溫度

7、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,不會產生干燥廢品。當物料水分下降等于平衡水分時,干燥速率變?yōu)榱?干燥過程終止,即使延長干燥時間,物料水分也不再發(fā)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。21311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

8、坯體表面溫度升高太快,避免開裂;增加傳熱面積;,分層碼坯或減少碼坯層數,;提2131,外擴散阻力成,因此降低外擴散阻力,提高外擴散速率,對縮短整個干燥周期影響最大。外擴散阻力主要發(fā)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。21313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

9、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,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燥過程,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16山東陶瓷第26卷燥。輻射干燥,其特點是利用紅外線

10、、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(tǒng)需要密閉,難以連續(xù)生產。聯合干燥,其特點是綜合利用2種以上干燥方法發(fā)揮它們各自的特長,優(yōu)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(xù)分為間歇式干燥器和連續(xù)式干燥器。連續(xù)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。6部分組成。41113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

11、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。它的最大的優(yōu)點是干燥快,正品率高。41114工頻電干燥就是將工頻電(50Hz),由于坯體的,達到了既2墻地磚的坯體從壓機出來后一般都是由窯爐的余熱來進行干燥,但隨著產品的規(guī)格尺寸越來越大,最大達1.2×2m2甚至更大,厚度越來越厚,從8mm增大到60mm,靠窯爐的余熱已經不能滿足干燥的要求。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,用余熱來干燥坯體時,干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12噸燃料。于是便出現了立式干燥器、干燥窯、多層

12、干燥窯等。41211立式干燥窯44.14111118%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(tǒng),工人工作條件差。因此比較先進的“恒溫恒濕系統(tǒng)”被采用。這種系統(tǒng)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(tǒng)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

13、決這一問題上采用密封式干燥系統(tǒng),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(tǒng)。41112熱風快速干燥快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(jié)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(tǒng)由房體結構、熱風爐、布風系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)等它是應用比較廣泛的干燥設備,占地面積小,干燥小規(guī)格的墻地磚,具有較好的效果。41213干燥窯干燥窯是直接加在燒成窯之前,外觀上是窯爐的一

14、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干燥窯。坯體從壓機出來或施釉后出來直接進入干燥窯干燥,干燥完坯體直接進入預熱帶或經傳動進入燒成窯進行燒成。它由熱風爐、布風系統(tǒng)、窯體結構3個部分組成,干燥窯熱利用率好的一般只采用燒成窯的熱風基本上能滿足干燥要求,有的差一點或要求干燥水分低一點的,除了用燒成窯的熱風外,還需要另外燒熱風爐,每天消耗燃料23t。41213多層干燥窯隨著技術的進步,坯體中含水率越來越低,干燥過程需將含水率從8%降低到1%,使用一般干燥窯不能達到這個目的。多層干燥窯解決了這個第1期曾令可等:陶瓷工業(yè)干燥技術和設備17問題。它是由窯頭排隊器,窯尾收集器及若干干燥單元組

15、成,每個單元都是獨立的,它們的溫度、濕度、通風量單獨由熱風爐調節(jié)。它的優(yōu)點是:足夠的干燥時間;外表面積小,散熱損失小;出風口貼近磚面,干燥強度高;調節(jié)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范圍都不會因溫度的調整而變動,但是多層干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,引起干燥效果不一。4.3日用陶瓷干燥日用陶瓷干燥與衛(wèi)生陶瓷或墻地磚坯體的干燥不同,其特點是:坯體的種類繁多、數量大、尺寸小、形狀復雜,變形和開裂是最常見的兩種缺陷;生產工藝過程中一般有脫模、翻坯、修坯把、上釉等工序,多為流水作業(yè)。燥主要使用鏈式干燥器。分為:器、垂直(立式)6微波干燥技術微波

16、是指介于高頻與遠紅外線之間的電磁波,波長為0.0011m,頻率為300300000MHz。微波干燥是用微波照射濕坯體,電磁場方向和大小隨時間作周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(fā)生摩擦轉化為熱能,達到坯體整體均勻升溫、干燥的目的2,3,4。微波的穿透能力比遠紅外線大得多,而且頻率越小,。微波干燥的特點:(1)。,加熱時可使介質。不管坯體的形狀如何復雜,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,水由于其介質損耗比其它干物料大,故水分比其它物料的吸熱量大得多;同時由于微波加熱是表里

17、同時進行,內部水分可以很快地被加熱并直接蒸發(fā)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,由于熱量直接來自于干燥物料內部,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(fā)射作用于坯體,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(tǒng)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微波干燥在日用陶瓷中應用湖南國光瓷業(yè)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干燥線用于生產中,實踐證明,與傳統(tǒng)鏈式干燥線相比,

18、成坯率提高10%以上,脫模時間從3545min縮短到58min,使用模具數量由400500件下降致100120件,微波干燥線所占地面積小,生產無污染,其效率是鏈式干燥的6.5倍,除了可大量節(jié)約石膏模具外,與二次快速干燥線配合使用,對于10.5 平盤總干燥成本可下降350元/萬件5。6.2微波干燥在電瓷中的應用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(yè)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(fā)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(qū),水和陶瓷坯體在遠紅外區(qū)也有強的吸收峰,能夠強烈地吸收遠紅外線,產生

19、激烈的共振現象,使坯體迅速變熱而使之干燥。且遠紅外對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(jié)約能源、節(jié)省時間、使用方便、干燥均勻、占地面積小等優(yōu)點,從而達到了高產、優(yōu)質、低消耗的優(yōu)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(jié)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(wèi)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

20、,在各行各業(yè)也有很多成功應用的例子,為什么在建筑衛(wèi)生陶瓷的干燥線上卻少有人問津呢?18山東陶瓷第26卷遼寧撫順石油化工公司李春原對電瓷干燥工藝采用微波加熱干燥技術、重量鑒讀控制技術、紅外測溫鑒讀控制技術,對復雜形狀的電瓷進行干燥,與常規(guī)蒸汽干燥方法相比較,可提高生產率2430倍,提高成品率1535%,相同產量占地面積僅是現有工藝的二十分之一左右,可大幅度提高經濟效益。這對建筑衛(wèi)生陶瓷、墻地磚等一些異型產品的干燥可提供借鑒。6.3多孔陶瓷的干燥多孔陶瓷由于具有機械強度高、易于再生、化學穩(wěn)定性好、耐熱性好、孔道分布均勻等優(yōu)點,具有廣闊的應用前景,并被廣泛應用于化工、環(huán)保、能源、冶金、電子、石油、冶

21、煉、紡織、制藥、食品機械、水泥等領域骨、,壁特別薄,極難干燥,其干燥過程要求特別嚴格,陶瓷,干燥過程控制不好,易變形,影響孔隙率及比表面積。微波干燥技術已成功地應用于多孔陶瓷的干燥,能很容易地把坯體的水分從1825%降低到3%以下,降水率達到0.71.5kg,大大縮短干燥時間、提高成品率。我們亦把微波干燥應用于劈開磚的濕坯干燥,效果亦非常明顯。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。因此單獨采用微波干燥或對流干燥都有它們的優(yōu)劣之處。如果綜合兩者將會使兩種方法的優(yōu)點得到充分的發(fā)揮。即在快速干燥室內,增加微波發(fā)生器。在坯體的升溫階段,微波發(fā)生器以最大功率運行,這樣總的加熱時間將減少50%,總能耗并沒有增加,而且坯體合格率高。我們應,防輻射措施得當,響6,除,加強完善陶,加強陶瓷、介質消耗與微波頻率及溫度關系的基礎數據試驗,完善微波干燥的工藝及設備,使