卫生陶瓷坯体干燥技术的发展

作者：汪良贤

来源:中国陶瓷工业   时间：2013-7-23

摘 要：本文从干燥的方式、设备、制度、操作以及特异型产品的干燥等方面介绍了国内卫生陶瓷坯体干燥技术的发展情况,并分析了影响干燥质量的因素。
关键词：卫生陶瓷,干燥,发展
  卫生陶瓷坯体通过干燥才能有一定的强度,才能适应修坯、粘接、施釉等后续工序的需要。因此,干燥是卫生陶瓷生产中必不可少的重要工序。卫生陶瓷坯体干燥除了与其他陶瓷产品一样具有普遍性外,还有其特殊性。由于件大、器型复杂,一般工厂在采用石膏模注浆工艺时,同一坯体往往同时存在空心注浆(单面吃浆)和实心注浆(双面吃浆)两种方式,坯体各部位的厚度、致密性受模具、泥浆性能、石膏性能等诸因素的影响,很难达到一致,且相差较大。因此在干燥过程中各阶段的受热,水分的内部迁移和外部扩散以达到平衡的速度往往不能一致,容易产生各部份收缩率差异,这是卫生陶瓷坯体干燥难度大,容易产生开裂、变形等缺陷的主要原因。

  多少年来,国内卫生陶瓷坯体的干燥工艺一直处于十分落后的状态,大多数卫生陶瓷工厂没有专门的干燥设备,而在成形车间注浆工位上“原位”干燥,不仅占地面积大,而且干燥速度慢;由于白天要考虑操作工人的劳动条件,晚上要考虑石膏模的干燥,因此温度不宜太高;同时,由于车间内部空间大,保温性能差,门窗散热面积大,要做到整体升温难度很大。因此,一般“原位”干燥都处于温度低(一般为30-45度)、湿度无法控制的状态,很难实现既能合理干燥坯体又能合理干燥模具的目的;而且“原位”干燥要求成形车间在工人上班时也保持一定的温度和湿度,因此现场劳动条件差。曾有专家描述以前落后、野蛮的墙地砖工业的地炕烘干压滤泥饼是“人与物料一起烘干”,我看“原位”干燥也有“模具、坯体与人同在一处干燥”之嫌。改革开放以来,我国的卫生陶瓷工业相继从国外引进了二十多条先进生产线,加上合资、独资企业带来的先进生产设备,我们的卫生陶瓷坯体干燥这一工序的工艺技术和设备都有了新的发展和根本性的变化。
1 干燥方式多样化

1.1 干燥场所从传统的车间"原位"干燥,逐步向专用干燥室"移位"干燥发展为了减少刚脱模坯体的开裂和变形,传统的干燥工艺大都在成型车间"原位"进行,现在卫生陶瓷工厂一般对该工艺进行了完善和改进,在成形车间装有温、湿度调节和自控设备,特别在工人上班之时,既要照顾到刚脱模的坯体对温度和湿度的要求,同时也尽可能的适合于工人劳动的需要。随着干燥工艺进一步的发展,为了使坯体和模具分开干燥,逐步采用专门的青坯干燥设备,将当天刚脱模的或第二、三天经过"原位"干燥的坯体"移位"到专门的干燥室内,按照特定的干燥制度烘干,最后达到合格青坯的水份要求。
1.2 干燥速度逐步由"慢速"向"快速干燥"发展

  如前所述,由于受成形车间条件的限制,车间温度低,排湿和升温有矛盾,因此,干燥速度总是在缓慢的进行,有些大件甚至还需在工位上存放3-4天。由于采用了专门的青坯干燥室,湿度和温度都能根据干燥工艺的要求,进行予先设定,使干燥速度大大加快,有些工厂的干燥室的干燥周期已能缩短到12小时以内。
1.3 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

  间歇式干燥室比较典型的为带旋转风机的通道式,该设备的工作完全适应于手工注浆和组合注浆的要求,白天装坯,一般傍晚开始工作,到第二天白班上班时出坯,运输一般都采用人工手推干燥车。由于低压快排水和高压注浆工艺的出现,成形一天多次出坯甚至二十四小时连续出坯。这就要求干燥室采用通道轮换式,甚至采用连续转动的干燥器(以下将专门介绍这种干燥器)。
1.4 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

  在产生热气流的方式上,也逐步的由高压蒸汽、过热水、电热等发展到充分地利用窑炉的余热。例如,德国的许多工厂就在大件产品注浆线的存坯架上装有远红外的干燥灯,以加速原坯体内部的水分向外迁移。
2 干燥设备的现代化

  现在国内卫生陶瓷工厂的坯体干燥常用设备主要有以下几种类型:
2.1 在成形车间“原位”干燥,安装车间温、湿度自动调节设备

  该设备主要包括:
(1)自动供热风和增湿系统:主要作用是车间在温度、湿度达不到设定要求时,能自动向车间内部供热和增湿,以达到干燥坯体和模具的要求。当白天室内温度已达到工艺要求时,供热风系统会自动关闭,当湿度已达到要求时,增湿系统也会自动关闭。该设备主要包括热风炉、风机、增湿器及车间温度、湿度自动检测及自控系统等。
(2)带有一定湿度的热风散开和搅拌系统:该系统的作用是让热风均匀散开,并不停地搅拌,使车间内的各部位的温、湿度基本一致。该设备主要包括散热片、搅拌风扇(一般为数百台的吊扇)等。
(3)车间排湿降温系统:主要作用是在一定的条件下,能把温、湿度太高的热风排出车间外,降低温度和湿度,以适应于白天工人操作的需要。设备包括屋顶进排风机及自控系统等。上述设备已在南方的几家工厂安装使用,效果较为理想。
2.2 带有锥形不锈钢罩旋转风机的通道式干燥器

  该干燥室一般有2-4个钢筋混凝土结构保温通道,每条通道内截面长*宽*高为23.17*2.5*2.18米,前后各有一扇液压升降推拉门,每条通道内存干燥车27台,并装有供热热风炉或窑炉余热风机。由旋转风机向坯车均匀送风,温度可通过程序控制器自动控制,湿度则由坯体蒸发中的水分调节,不能自控;通过烟囱和闸板可以向外排除部分湿气。该干燥室只能控制温度,湿度目前不能自控。例如,某厂四通道干燥室的主要技术规格及性能如下:内截面 总高2.810米、总宽15.065米、总长23.650米、干燥车尺寸2000*800*1800、总的容车数4*27=108部、入干燥室水分 15%、出干燥室水分 <2%、工作温度 120-150度、干燥周期 20-22小时、单位热耗 1200*4.18千焦/公斤水、小时蒸发水量 162公斤水/小时、锥形风机台数 8台。该设备已在国内的数家工厂投产使用,干燥合格率达97%以上。可以间歇式使用,也可以四条通道两条两条轮换使用。
2.3 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。该设备结构采用固定的镀锌框架结构,每边都由隔热材料制作,以保证室内的温度能达到80度以上,前后配有2台卷帘门,在干燥通道的两侧各设有一条空气分配通道,中间有多孔的镀锌隔板,有2个气体加热室及2个气体燃烧器(功率30-150kW),2台离心风机;在前面装有压缩空气雾化水的增湿喷嘴及2个自动换向装置,使热风能自动换向并穿过整个干燥器的横断面,另有1台排风机及配套的电气设备,温度、湿度自控设备等。燃烧器采用二级工作,在开始燃气时,用120kW的第二级喷嘴使室内的空气温度从原始值经过一定时间达到希望值,然后大的燃烧器停止。当温度降至低于希望值约3e时,开始用30kW的第一级烧嘴,重新达到希望值,再停止,如此反复温度始终稳定在设定值。该干燥器的主要技术规格:
(1)总长 19.25米总宽 5.12米总高 2.55米
(2)通道内的有效长 19.01米(放9个架子);有效宽 3.810米(放2个干燥架);有效高 2.310米,最大装坯高2.2米
(3)干燥架尺寸2000*400*1300,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
该设备可以几条通道并列,间歇使用,也可以几条通道轮换使用。
2.4 温湿度分段自控的连续式快速干燥器

  为了适应压力注浆二十四小时注浆出坯的需要,要求后续的干燥工序能够连续、快速,湿、温度完全自控。该干燥器主要用于与高压注浆相配套。据介绍,该干燥器的结构为多条类似于辊道窑的保温通道,通道的下部装有自动循环传送的链板式传送带,链板上面铺有托板,高压注浆后的坯体经过修坯后可用人工或机械手放在托板上,然后通过自动分配系统送入各条通道。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。基本上做到从第一区的高湿、低温、低流速逐步向第五区的低湿、高温、高流速状态过渡。各区的温湿度均可按坯体干燥工艺的要求进行予先设定,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。特别适用于与能三班连续运行的高压注浆工艺相配套。
(2)干燥周期短。从最初出高压注浆机的20%左右的水分干燥到1%的水分,整个干燥时间仅需4-8小时。
(3)干燥制度合理,干燥合格率高,特别适用于干燥卫生陶瓷的坯体。
(4)干燥热耗低。由于干燥用过的空气被抽入空气加热器再加热循环使用,排风机只从系统内抽取一定量的湿空气,目的是排出一定水分,因此,热量得到充分利用,干燥能耗低,每干燥1公斤的水只需要1000*4.18千焦的热量。
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。卫生陶瓷由于下面原因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。首先,卫生陶瓷属于大件,厚壁且不均匀,形状复杂,同在一个坯体中存在单、双面吸浆,因此各部位的收缩率往往不一致,所以各段干燥速度的选择十分重要,否则十分容易产生破坏应力。其次,卫生陶瓷的坯体由于用的粘土量较高,而粘土的收缩较大,也就是干燥敏感性)))即干燥过程中的收缩阶段产生裂缝的倾向较大。再次,由于卫生陶瓷器型复杂,大小不一致,因此卫生陶瓷不仅同一坯体各部份的干燥均匀程度不同,而且在同一干燥器内的各个不同品种的坯体之间的干燥均衡程度也存在较大差异,因此影响干燥速度的因素十分错综复杂。综合上述原因,随着人们对干燥机理的进一步理解和干燥设备的现代化,卫生陶瓷干燥制度更趋向于合理、完善和科学化。
3.1 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。
3.2 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。
3.3 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,故可以加快干燥速度。许多工厂都对本厂坯体的干燥收缩时的临界含水量进行实验测定,测出临界水份状态点,从而可以大胆地加快这一点后的干燥速度。
3.4 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例如对一些壁特别厚的坯体和器型特别复杂内有空腔的坯体,为了使坯体内的热扩散与湿扩散的方向一致,受热均匀,干燥速度快,一般在采用热风介质的同时,采用微波干燥及远红外干燥等。
4 影响干燥质量的因素的分析和控制

  干燥过程中造成的常见缺陷主要是坯体的变形和开裂,引起干燥变形和开裂的原因主要是由于坯体的收缩不均匀引起的,而引起干燥收缩不均匀的因素很多,可以归结为两大类。
4.1 引起坯体干燥不均匀的内因

(1)坯体中塑性粘土的比例不当、过高和不足都会造成干燥变形和开裂。
(2)注浆泥料的加工工艺不合理,泥料太细或太粗,颗粒级配不合理,混合不均匀都可以影响注浆后坯体的干燥质量。
(3)坯体的器型设计不合理,结构过于复杂,坯体的厚薄不均匀,某些交接处不够圆滑等等,都是产生干燥收缩引起坯体变形和开裂的原因。对上述原因,目前国内的工厂分别从原料的选择,坯体的配方及调整,泥浆的加工工艺或者产品器型设计引进等几个方面进行控制,改变了以前单纯从干燥制度的方面解决问题的办法。
4.2 引起坯体干燥不匀的外部原因

(1)干燥制度设计得不合理,或者虽然设计是合理的但控制不当。造成干燥初期干燥速度过快,收缩过大引起应力集中而开裂。在这方面虽然有先进的现代化干燥设备,但还必须有合理的适用于本厂坯体的干燥制度,才能控制坯体的干燥变形和开裂,达到提高干燥质量的目的。
(2)坯体的各部位干燥不均匀,例如气流只向一个方向流动,干燥器内部温度不均匀,石膏的垫板在一个部位吸水等因素,都有可能造成各部位干燥不均。因此当干燥设备选定后,要控制干燥质量还有一个干燥操作的问题。
(3)坯体的放置不平或放置方法不妥,在干燥过程中出自自身的重力作用引起变形;还有由于坯体与托板之间的摩擦阻力过大,阻碍了坯体的自由收缩,当摩擦阻力大于坯体本身的抗张强度时产生坯裂。综合上述外部原因,为了控制影响质量的因素,各工厂采取的主要措施有:
(1)设计和控制好干燥制度;
(2)改进干燥作业的操作以达到提高干燥质量的目的。
5、 干燥作业操作技术水平的提高

  主要表现在以下方面:
(1)配合现代化的干燥设备,改进运坯设备和干燥车,加强运坯过程的管理,从而达到减少个干燥过程中坯体的机械和人为破损。例如,目前有许多工厂都在干燥车上垫上足够厚的海绵和软橡胶,手推干燥车的车轮由原实心胎改用打气胎,以减轻坯体运输过程中的震动,运输的道路一般都采用磨光地面,有的工厂采用全液压升降和驱动的AGV车运输,以提高坯架升降和起动车子时的平稳性,减少破损。
(2)设置适当的坯体局部支撑及垫板,减少前文中提到的因坯体在自身重力作用下引起的变形以及使坯体和垫板之间能同步收缩以减少产品的变形和开裂。这些支撑的垫片可以用木板和发泡材料,也有用同原料的坯体做成的,其目的是为了干燥以及烧成过程中能做到同步收缩。
6 、特异产品坯体干燥技术的发展

  这里所指的特异产品,一是指大件,例如淋浴盆、带台板的洗涤槽、立式小便器等,器型不复杂,但规格尺寸较大,干燥收缩时,容易因底板的摩擦阻力太大而开裂;其二是指器型复杂,件又大的产品,如连体座便器。特异型产品干燥是一门涉及到结构力学、干燥动力学和陶瓷工艺学的多学科的问题,各厂都进行了深入研究并取得了较大的进展。目前各厂解决异型产品坯体干燥的主要途径有:
(1)为了让壁厚的坯体达到内、外干湿一致,在干燥阶段加长高湿、低温阶段,让坯体内外水分尽可能一致。
(2)对平板状坯体(如淋浴盆类产品),在坯体的临界水分点之前,尽可能降低坯体干燥速度,因此不仅通过较长时间的低温、高湿阶段,有时对干燥介质限定在低流速和低流量的情况下进行干燥,接近于“阴干”。
(3)设计特殊的辊道和采用在托板上铺石英砂的办法,降低坯体与托板之间的摩擦阻力,让坯体能自由收缩。
(4)在条件允许的情况下,采用综合干燥法,特别对壁厚坯体,采用热风干燥和红外线辐射交替进行,让红外线迅速提高坯体内部水份的温度,加快内扩散速度;然后移动坯体位置,让热风喷吹,加速坯体外扩散的速度,这样交替进行,直到临界水分点。