日用陶瓷干燥发展现状及展望
作者：许 爱 民
来源：中国陶瓷 发布时间：2013-7-20
【摘 要】：对日用陶瓷工业的干燥设备发展及陶瓷坯体干燥技术的发展进行论述，认为随着干燥设备的进一步优化和改进，坯体的干燥将向快速、高效、节能及环保的方面发展。
【关键词】：日用陶瓷，坯体，干燥
引 言
陶瓷的干燥是陶瓷的生产工艺中非常重要的工序之一，陶瓷产品的质量缺陷有很大部分是因干燥不当而引起的。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，达到 20% 左右，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。
日用陶瓷干燥与卫生陶瓷或墙地砖坯体的干燥不同，其具有的特点是：1)坯体的种类繁多、数量大、尺寸小、形状复杂。变形和开裂是最常见的两种缺陷。2)生产工艺过程中常常要与脱模、翻坯、修坯、接把、上釉等工序一起形成流水作业。为了能够更好的适应日用陶瓷的生产制备特点，日用陶瓷坯体的干燥技术的发展经历了一个逐步完善的发展历程。陶瓷工业的干燥先后经历了自然干燥、室式烘房干燥，到现在的各种热源的干燥器，如连续式干燥器、远红外干燥器、太阳能干燥器以及微波干燥技术。在陶瓷坯体的干燥技术的发展过程中逐步经历了干燥方式多样化；干燥设备现代化；干燥制度科学化等一系列发展过程。与此同时坯体干燥过程中的缺陷分析已由普通干燥领域扩展到先进的微波干燥领域，这为坯体干燥质量的提高提供了理论依据，是干燥领域的一大进步。这不仅体现了坯体干燥技术的发展和进步，更是陶瓷行业发展和进步的标志。
1 、日用陶瓷干燥设备的发展历程
20世纪60 年代以前,“靠天吃饭”其干燥设备称作“晒场”。
60年代末,开始用烘房干燥。
1958年后设计出隧道式干燥器,烘房干燥被逐渐淘汰。
1961年轻工部设计院设计出了链式干燥器。使日用陶瓷生产的机械化、连续化步入新阶段。
上世纪90年代佛山石湾引进墙地砖生产流水线后,重新设计出单层或两层辊道干燥器。
日用陶瓷工业干燥设备的变化:从晒场、烘房、室内干燥器,进化到隧道干燥器、链式干燥器直至辊道式干燥器,充分体现了陶瓷工业从手工业作坊生产到半机械化、全机械化直至连续化生产的发展历程。
2、 坯体干燥过程的发展趋势及现状
2.1 干燥方式的多样化
(1)干燥场所从传统的车间“原位”干燥,逐步向专用干燥室“移位”干燥发展传统的干燥工艺大都在成型车间“原位”进行,现在工厂逐步采用专门的坯体干燥设备,坯体“移位”到专门的干燥室内,按照特定干燥制度烘干。
(2)干燥速度逐步由“慢速”向“快速干燥”发展日用陶瓷的坯体干燥从自然干燥时代发展到现代的各种热源干燥，乃至远红外及微波干燥。干燥速度提高，同时成坯率提高。
(3)干燥的作业方式由间歇式干燥室逐步向轮换式、
连续式发展干燥室采用通道轮换式,甚至采用连续转动的干燥器。
(4)干燥介质和热源从原来的热气流(烟气、热风) 干燥逐步向多能源(例如红外线、微波) 发展。
2.2 干燥设备的现代化
(1)在成形车间“原位”干燥,安装车间温、湿度自动调节设备
表 1 对不同产品无空气干燥与传统干燥的干燥时间的比较
(2)无空气干燥箱
无空气干燥是一种新的干燥技术，可以使干燥时间减少35%～80%，它是在蒸汽下完成的，蒸汽作为干燥介质与空气相比有以下优点：1)蒸汽的热容量(2020J/Kg·K）是空气（热容量993J/Kg·K）的2倍，因此蒸汽能把2倍的热传输到所需干燥的产品；2)蒸汽的粘度（8.7Ns/m2）是空气粘度（18.3Ns/m2）的1/2，因此比空气流动性好。
无空气干燥箱运行成本比传统型的要省，占地面积小，维护费用低，运行高效。
(3)少空气干燥器
少空气快速干燥器主要适用于卫生陶瓷、电瓷和日用陶瓷等可塑性和注浆成形产品坯体的干燥。该设备不受单件产品尺寸大小的限制,对于坯体厚度在10～40mm,水分含量在20%以下的产品都适用,干燥后坯体水分可降至0.4%～1%。最大的特点是能耗低,干燥周期短,坯体干燥十分均匀,不会因干燥不均而造成坯体开裂等现象。干燥器主要技术参数与指标
1) 干燥器容积:257.1m3;
2) 体积:10.35m*10.35m*2.4m;
3) 室内容车数(卫生陶瓷):45辆;
4) 每次干燥数量(卫生陶瓷自然件) :2500件;
5) 坯体进干燥室含水率:12%～18%;
6) 坯体出干燥室含水率:0.4%～1%;
7) 干燥周期(卫生陶瓷):5～7h;
8) 热耗:400～500Kcal/kg水
9) 干燥合格率: ≥98%;
10) 适用燃料:柴油、石油液化气、天然气和煤气等燃料;
11) 设备装机容量:32kW。
(4)温、湿度能完全自动控制的通道式干燥器该干燥室是上面所述的干燥器的进一步发展,主要特点是温、湿度均能自动控制。该干燥器的主要技术规格:
1) 总长为19.25 米总宽为5.12 米总高为2.55 米
2) 通道内的有效长为19.01 米(放9个架子) ;有效宽为3.810 米(放2个干燥架);有效高为2.310 米,最大装坯高2.20 米
3) 干燥架尺寸2*0.4*1.3,最大装坯重650kg
4) 每条通道内可容坯架2排18架
5) 进干燥室坯体水分 12-18%
6) 出干燥室坯体水分 1-2%
7) 干燥周期 12小时
8) 平均热耗 14kW/h
9) 安装热功率300kw,2个燃烧器每个30-150kw
10) 耗天燃气量 30nm3/h
11) 耗压缩空气量(压力6bar) 50l/min
12) 耗水量(压力5-6bar) 0.03m3/h
(5)温湿度分段自控的连续式快速干燥器适应压力注浆24小时注浆出坯的需要,能够连续、快速,湿、温度完全自控。该干燥器的结构为多条类似于辊道窑的保温通道,每个通道由五个干燥区组成,由一个温度控制器和湿度控制器分别调节各个干燥区的温度、湿度和热风流速。各区的温湿度均可按坯体干燥工艺的要求进行预先设定,干燥热风与制品形成对流,且充分搅动,确保了每个制品的表面能与气流充分接触,进行热交换。
该干燥器的主要特点是:
1)干燥过程全部连续且自动控制。
2)干燥周期短。20%左右的水分干燥到1%的水分,干燥时间仅需4-8 小时。
3)干燥制度合理,干燥合格率高,特别适用于干燥结构复杂的卫生陶瓷的坯体。
4)干燥热耗低。每干燥1公斤的水只需要1000*4.18千焦的热量。
2.3 干燥制度的科学化
干燥制度指根据产品的质量要求确定干燥方法及其干燥过程中各阶段的干燥速度和影响干燥速度的参数。其中包括:干燥介质的温度、湿度、种类、流量与流速等。要确保好的干燥质量,必须选择适宜的干燥速度,做到干燥制度科学化
(1)对干燥介质的温度、湿度进行分阶段有效控制根据坯体干燥不同阶段的特性,最初采用低温、高湿,逐渐升温减湿,最后进入高温低湿阶段。
(2)对干燥介质的流速和流量进行科学控制坯体的水分外扩散速度除了受介质的温、湿度影响外,在很大程度取决于干燥介质的流速与流量。在干燥的开始阶段,为了控制干燥速度,仅要低温高湿,而且应该控制热风的流速和流量,否则也会影响坯体开裂。相反,有些产品不宜在介质温度太高的场合下干燥,而可以采用加大介质流速和流量来提高干燥的速度。
(3)在设计干燥曲线时,重视对坯体临界水份的研究临界水份是坯体从等速干燥阶段向降速干燥阶段转变的转折点,即坯体干燥过程中,干燥收缩基本结束的水份临界状态点。在这一点之前,如果干燥速度过快,坯体容易开裂和变形;但如果过了临界水分点由于坯体不再收缩,也就不会产生破坏应力,可以加快干燥速度。
(4)根据不同的产品对干燥方式进行选择,从而决定不同产品的不同干燥制度
3 、干燥过程坯体干燥缺陷的研究进展
陶瓷坯体在干燥过程中，随着水分的排除要发生收缩，而收缩过程若处理不当会导致坯体变形和开裂。一般对普通干燥技术产生的干燥缺陷已经有比较系统的归纳，并提出了相应的解决办法。较先进的干燥方式－微波干燥技术是解决干燥缺陷造成成品率低的一个方法，但是同样存在干燥缺陷的问题。为此曾令可等人对微波干燥陶瓷产品缺陷产生的原因及解决办法进行了较为详细的论述。影响微波干燥质量的因素很多。从材料内部来看有混料不均导致极性分子分布不均、含水率太高、材料密度太大、比热太大、混入了金属颗粒杂质以及材料的介电特性的复杂性使其不易掌握等原因。从外部来分析有微波频率选择不当、微波干燥器产生的电磁场不均匀性、微波功率控制不当、外界气流过快等原因。针对以上原因，可得出以下解决方法。
(1)对于陶瓷原料要尽量粉碎，混合均匀，尤其是对于介电性能相差较大的原料，不能使原料中有较大的颗粒。
(2)对于含水率较高的陶瓷材料可以先采用传统的干燥方法干燥，当材料降至一个临界湿度时再用微波干燥，此临界湿度标志着自由水与束缚水的边界。
(3)避免混入金属杂质。
(4)选择合适的微波频率。微波干燥器的频率选择要考虑以下几个因素：
（a）加工物料的体积及厚度。由于微波穿透物料的深度以与加工所用的频率有直接的关系，所以体积大，厚度大的坯体应选择低频率的微波。
（b）物料的含水量及损耗因子。一般来说如果坯体的含水率较大，其损耗因子也较大，当物料的损耗因子大于5时，就很可能会出现渗透密度问题，这时由于材料对微波的强烈吸收，入射能量的大部分被吸收在数毫米厚的表层里，而其内部则影响较小，这就造成了加热不均，此时选用频率低的微波可以减缓影响。
（c）投资成本。频率、功率越高，微波设备就越昂贵，然而提高微波频率对改善微波加热的均匀性有一定的作用。
(5)正确进行微波设备的选型。微波干燥腔体有三种形式：行波加热器、多模炉式加热器、单模谐振腔式加热器。行波加热器应用很少，而多模炉式加热器应用最为广泛，用于陶瓷研究的微波加热器大都采用这种方式。特点是结构简单，适用多种加热负载，但由于腔内存在着多种谐振模式，加热均匀性差。单模谐振腔加热器具有易控制和调整，场分布简单、稳定，在相同功率下比另外两钟加热器具有更高的电场强度等优点，所以适于加热低介质损耗的材料。但其加热区较小，比较适用于实验室小型试件样品的微波干燥或微波源不大的情况。
(6)改善微波电磁场的不均匀性。主要有两种方法：一种是在干燥过程中不断移动试样，使试样各部分所受到的平均电场强度均匀等；二是采用模式搅拌器，周期的改变腔体工作模式，改善均匀性，但这种作用也较为有限。最近，有人提出另一种方法即提高工作频率，如美国的Oka Ridge 实验室采用28GHz微波源，并扩大腔体，使腔体尺寸与微波波长之比大于100，形成非谐振腔（实际上是谐振模数个数趋于无限多）来实现整个腔体内场分布的均匀性。这种方法的缺点是设备造价高，运行费用大。
(7)适当延长干燥时间，降低干燥速率。因为过快的加热速度会在材料内部形成很大的温度梯度，因热应力过大而导致材料开裂。然而这将会导致生产效率的降低和能耗的增高，因此选择合适的干燥制度是取得满意干燥效果的必要条件。
(8)严格控制微波功率。由于微波加热具有响应快的特点，所以其加热的时滞极短，加热与升温几乎是同时的，功率的增大立即就会导致材料升温速度的增大，所以要严格控制微波功率，尤其是要防止微波功率的突然增大。这一点对于损耗因子会在最高干燥温度以下突变的材料显得尤为重要。损耗因子的突然增高将导致吸收热量忽然增大，极易产生“热过冲”现象。
(9)适当控制外界气流的速度。当气流速度过快时，物料表面的水蒸汽迅速带走，表面收缩过快产品易产生变形或开裂。
4 、日用陶瓷坯体干燥展望
纵观日用陶瓷干燥技术的发展现状，日用陶瓷坯体的发展将朝着自动化、连续化发展。与此同时，陶瓷行业的节能任务也较为紧迫，所以坯体的干燥作为陶瓷生产中耗能较大的一个工序，朝着节能方向的发展也是发展趋势的必然归宿。随着微波干燥技术的日益发展和成熟，微波干燥技术也将更为广泛的应用于陶瓷行业，特别是一些精细日用陶瓷的干燥上。总之，随着干燥设备的进一步优化和改进，坯体的干燥将向快速、高效、节能的方向发展。
参 考 文 献
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