卫生陶瓷快速干燥工艺技术研究
作者：刘明福 ,贾书雄, 翟富勤, 黄 岷
来源：陶瓷 发布日期：2013-7-23
对于注浆成形和可塑挤压成形的卫生陶瓷与电瓷产品来说,坯体的干燥显得非常重要,干燥效果的好坏直接影响着产品的合格率和产品质量。因此对不同产品的坯体干燥特点和干燥机理进行充分研究,只有掌握不同产品的基本干燥原理和特点,才能合理有效地选择适应其所干燥坯体的干燥制度和设备,以达到高效、理想的干燥效果。
1 坯体所含水分与干燥的关系
陶瓷坯体是多孔性的,其坯体内所含的水分按结构分为化学结合水、自由水和吸附水,后两者又叫物理水。坯体干燥时,化学水(结晶水)是无法排出去的,只有在坯体进行煅烧时达到400度以上才能排出。而自由水则是渗透于毛细管中的水分,与粘土结合松弛,在干燥中很容易排出。坯体在排出这部分自由水后,颗粒互相靠拢产生收缩,其收缩体积大小等于失去自由水的体积,故自由水也称收缩水。吸附水是牢固的存在于粘土微毛细管中及粘土胶体粒子表面的水,吸附水的吸附量取决于坯体周围空气的温度和相对湿度。在一定条件下,坯体所含水分与该温度下饱和空气达到动态平衡时的含水量有密切关系。
坯体所含水分与周围空气达到平衡状态时,坯体表面上的水蒸汽分压与周围空气中水蒸汽的分压相等,此时坯体中所含水分称为平衡水分。显然平衡水分属于大气吸附水分,此水不能再被原干燥介质所排出。吸附水排出阶段,坯体不发生收缩,不产生应力,可采取快速升温的方式,因为,此时加快干燥速度不会引起坯体开裂。
2 坯体干燥过程
坯体水分移动是热湿传导过程,坯体中水分的排出要经过以下几个过程:
1)坯体加热,增加水的饱和蒸汽压。
2)坯体中的水分发生相变,由液态水变成水蒸汽。
3)水蒸汽通过坯体表面上的一层气膜向周围干燥介质扩散(外扩散)。
4)由于坯体表面水分的降低,坯体内部水分向坯体表面扩散(内扩散),外扩散的动力是坯体表面水蒸汽压力(P表面水蒸汽)与周围空气的水蒸汽分压(P水蒸汽)之差。
坯体表面蒸发水量可用下式表示:g=B(P表面水蒸汽-P水蒸汽)/时,式中:B—空气运动速度的经验系数,也称蒸发系数。内扩散的动力主要是靠渗透力和毛细管力的作用进行的,坯体内存在湿度梯度和温度梯度,坯体内水分转移受湿度梯度和温度梯度双重影响,坯体中水分移动速度与湿度梯度成正比。温度梯度引起的水分移动(热湿传导)方向与热流方向相同,水分由毛细管较高一端流向温度较低一端,这是因为由于存在于毛细管中的水分热端表面张力小、冷端表面张力大,液体因而被拉向冷端。
5)坯体干燥过程示意图如图1所示。
图1 坯体干燥示意图
3 干燥制度与坯体水分蒸发的关系
干燥过程中的有关参数取决于坯体本身的性质,其包括所用原料的特性,坯体形状的大小,厚度和致密度,孔隙度以及含水率等。因此不同产品采用的干燥制度不同,一般注浆成形的卫生陶瓷干燥曲线与水分蒸发的关系如图2所示。
图2 卫生陶瓷干燥与水分蒸发的关系
4 影响干燥速度的因素
干燥过程是由水分蒸发和扩散所构成,要实现快速干燥必须做到传热和蒸发快、扩散快,保证水分均匀蒸发,才能使坯体均匀收缩而不变形和开裂。影响干燥速度的因素很多,其主要有以下几个方面:
1)坯体本身特性,包括所用原料的性质,造型的复杂程度和大小,坯体的厚度和含水率。
2)干燥介质温度、湿度与介质流动速度,干燥介质与坯体接触面的大小。
3)干燥方式的选择。
当干燥较薄的坯体如卫生洁具和日用瓷时,内部水分容易扩散到坯体表面,该类坯体干燥速度主要取决于坯体表面周围介质的蒸发速度。对于这样的坯体在不破坏内扩散平衡的情况下,适当提高干燥介质的温度、流速来加速干燥。
对于高压电瓷产品这样较厚的坯体,其蒸发面积小,坯体厚度和致密度大,含水率高,若采用传统式干燥器干燥,如果干燥速度过快,形成坯体内外含水率相差较大,将会造成坯体收缩不一致而开裂。主要是坯体较厚,内扩散较慢,同时与湿度梯度相反的温度梯度也阻碍了内扩散速度。为提高电瓷坯体的干燥效率和速度,必须使坯体受热均匀,防止表面蒸发水分过快,在干燥初期要保持较高的湿度,当坯体充分受热均匀时,使坯体水分汽化后加速干燥介质的流速,这样,才能达到快速干燥的目的。
5 干燥制度及装备选择
根据陶瓷坯体的干燥特点,干燥过程可分为:预热阶段、等速恒温干燥阶段和降速3个干燥阶段。
在干燥开始时,生坯的温度约等于环境温度,当吸收的热量大于汽化所需的热量时,生坯温度开始上升,当吸收的热量与汽化时所需热量相等时,坯体体积基本上没有变化,升温速度可以加快。当坯体吸收的热量与汽化热量相平衡时进入等速干燥阶段,此时,生坯水分不断从坯体表面的连续水膜蒸发,内部水分不断补充。内扩散与外扩散速度相等,吸收的热量均供蒸发,干燥速度不变。等速干燥一段时间,随着坯体含水率的降低,颗粒在表面张力作用下被拉紧,生坯开始逐渐收缩,在此阶段需控制干燥均匀和保持一定的湿度。随着干燥坯体含水率的降低,坯体失去外表面的水膜,毛细管直径变小,内扩散阻力增大,而外扩散因此受到制约,蒸发面主要转移到坯体内部。此时等速干燥转向降速干燥阶段,也是最易造成坯体干燥开裂的阶段,所以必须严格控制干燥速度。
卫生陶瓷坯体并不算太厚,密度比挤出成形的产品低,但是卫生陶瓷造型复杂,对干燥制度要求比较高,因此对卫生陶瓷实现快速干燥,必须做到干燥室温度均匀,要有严格的温湿度控制措施,才能提高干燥室内干燥介质的循环速度,达到快速干燥的目的。目前我国绝大部分卫生陶瓷生产企业所使用的仍是传统室式和隧道式干燥器,由于该类干燥器受结构形式所限,不能按干燥制度有效的控制湿度、温度和干燥介质的循环速度,无法达到快速干燥目的,同时干燥能耗也比较高。随着我国能源政策的调整,国家发改委已把生产中的节能降耗提到一个重要日程,建设节型社会势在必行。欲实现卫生陶瓷5~8 h快速干燥,可节能30%以上,只有采用少空气快速干燥器,才可以达到该目标,所以少空气快速干燥器是今后卫生陶瓷生产企业首选的节能降耗设备。
