第五章 陶瓷坯体干燥

第五章生坯的干燥定义：依靠蒸发而使成型后的坯体脱水的过程。目的：1.提高生坯强度，便于修坯、搬运、施釉、烧成等后序加工；2.提高吸釉能力；3.缩短烧成周期，降低能耗一、坯体中水分类型和干燥关系按生坯与水结合形式：化学结合水、吸附水、自由水；1.化学结合水原料矿物分子结构内的水分，如结晶水、结构水等。如高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O）中的结晶水。结合最为牢固，干燥工艺中一般不予考虑。第一节干燥原理2.大气吸附水又称为物理化学结合水吸附水（通过物料表面吸附形成的水膜以及水与物料颗粒形成的多分子和单分子吸附层水膜）、渗透水（依靠物料组织壁内外间的水分浓度差渗透形成的水）、微孔水（半径小于10-8m）、毛细管水（半径介于10-8～10-6m）以及结构水（存在于物料组织内部的水分，如胶体中水或层间水）。吸附水与物料的结合为最强。受组成和环境（温度、湿度）影响，干燥时较难除去。3.自由水润湿水、大孔隙水及粗毛细管水（半径大于10-5m）。与物料的结合最弱，干燥过程中被排除，存在吸附水层之外、颗粒之间，是成型所需的外加水分，干燥最易排除。由于干燥中生坯体积的收缩量大约等于排除的自由水体积，固又称收缩水。注意收缩。按干燥过程中水分排除的限度来分，可以将物料中的水分为平衡水分和可排除水分。平衡水分:湿物料在干燥过程中其表面水蒸气分压与干燥介质中水蒸气分压达到动态平稳时，物料中的水分就不会继续减少，此时物料中的水分就称为平衡水分，可排除水分:高于平衡水分的水分称为可排除水分。温度越高，湿度越低，物料中的平衡水分越低。自由水与大气吸附水平衡图二、干燥过程既是传热过程，也是传质过程，由此可归为三个过程：1）传热过程--水获得热量而汽化；2）外扩散过程--蒸发水分由生坯表面扩散到外界去；3）内扩散过程--水分自生坯内部向表面扩散；三过程同时进行，既与干燥条件有关，也与生坯结构、特性有关；干燥过程可以分为四个阶段：（1）加热阶段；（2）等速干燥阶段；（3）降速干燥阶段。（4）平衡阶段（一）加热阶段在干燥的初期阶段，干燥介质传给物料的热量大于物料中水分蒸发所需热量，物料温度升高，水分蒸发量升高，达到一种动态平衡。（二）等速干燥阶段在等速干燥阶段，干燥介质传给物料的热量等于物料中水分蒸发所需热量，所以物料温度保持不变。内扩散速率大于外扩散速率，又称为外扩散控制阶段。特点：内扩散控制阶段；自由水大量排除，坯体收缩量近似等于排除自由水体积，如操作不当，坯体易变形开裂。（三）降速干燥阶段内扩散速率小于外扩散速率，物料表面不再保持湿润，称为内扩散控制阶段。当物料的水分达到平衡水分时，干燥速率降到零，这时干燥过程终止。特点：内扩散控制阶段；排除的是大气吸附水，坯体体积不收缩，不会造成废品。（四）平衡阶段平衡水分（温度、湿度）第二节干燥制度的确定干燥制度：根据产品的质量要求确定干燥方法及干燥过程中各阶段应选用的干燥参数（保证质量）干燥参数：干燥速度（kg/(h.m2)、干燥介质种类、湿度、温度、流量、流速等原则：最短的时间内获得无干燥缺陷生坯一、干燥速度指单位时间内，单位面积上水分的排出量。影响因素：（一）外扩散速度干燥介质及生坯表面的蒸气分压、干燥介质及生坯表面的温度，干燥介质的流速和方向，生坯表面粘滞气膜的厚度、热量的供给方式、干燥方法1、干燥介质的温度干燥介质的温度t↑，物料与介质的温度差△t↑，传热速度↑，传热量Q↑，干燥速度v↑2、干燥介质的湿度介质的相对湿度Ψ↓，水分汽化速度↑，干燥速度w↑。3、干燥介质的流速介质的流速w↑，q对流↑，干燥速度v↑；流体与物料表面的层流底层厚度δ层↓，对传热、传质都有利。w↑↑，物料飞扬损失↑，介质热利用率↓，流体阻力↑，能耗↑。一般出口风速：1.5～3.0m/s。4、干燥介质与物料的接触面干燥介质与物料的接触面F↑，干燥速度v↑。增加接触面的方法：①将固体物料破碎②使物料悬浮在干燥介质中干燥③在回转烘干机内增加扬料板5、物料的性质、结构物料的性质、结构不同，它的化学组成与水的结合方式不同，有的物料以非结合水为主，有的物料以结合水为主。物料中结合水↑，干燥时间↑，干燥速度↓。6、物料的水分量物料的初水分、终水分、临界水分决定着等速阶段、降速阶段的长短，影响干燥时间，即影响干燥速度。7、干燥机的构造合理的尺寸、结构型式，良好的密封和操作情况，以及适当地提高回转烘干机的转速，将有利于提高干燥速度速度，缩短干燥时间。（二）内扩散速率内因：含水率、生坯的组成与结构等。外因：生坯温度内扩散：湿扩散、热扩散。湿扩散是指在水分浓度差的作用下，水分从物料内浓度高的的地方向浓度低的地方的迁移过程。湿扩散速率与物料制品的厚度有关，因此减薄制品的厚度可以提高干燥速率。热扩散是指在温度差的作用下，水分从物料内温度高的地方向温度低的地方的迁移过程。用内部加热方式，物料内部温度高于表面温度，热扩散成为干燥的动力。应尽可能采用内部加热方式或其它使热扩散能够成为干燥动力的加热方式。第三节干燥方法分为：自然干燥和人工干燥（机械干燥）。自然干燥特点：不消耗动力和燃料，操作简便，但是干燥速度慢，产量低，劳动强度高，受气候条件的影响大，不适合于工业规模的生产。人工干燥特点：干燥速度快，产量大，不受气候条件的限制，便于实现自动化，适合于工业规模的生产。人工干燥的加热方式：（1）外热源法；（2）内热源法。外热源法：是指在物料的外部对物料表面加热使物料受热，蒸发水分，而得以干燥。外热源法的加热方式：（a）对流加热;（b）辐射加热;（c）对流-辐射加热。内热源法：是将湿物料放在高频交变的电磁场中或微波场中，使物料本身的分子产生剧烈的热运动发热或使交变电流通过物料而产生热量，物料中水分蒸发，得以干燥。微波干燥红外干燥电干燥最为广泛的还是外热源法中的对流加热，加热物料的介质为干燥介质，干燥介质通常是热空气或热烟气。1.对流干燥原理：热空气或热烟气，对流传热特点：热扩散方向与湿度扩散方向相反设备：室式、隧道式、立式、链式、辊道式干燥机优缺点：简单、生产效率高、应用广、速度慢、周期长对流干燥，设备简单，热源易于获得，温度和流速易于控制调节，但总的来说，热扩散方向与湿扩散方向相反，不利于干燥速度提高。2.工频干燥加在生坯端面电极上的工频交变电压，在坯内产生电流而发热，属于内热式干燥。含水率高的部位电阻小、通过的电流大，产生的热量也大。电热干燥效率较高，如电瓷生坯一般10-15天阴干，电热干燥仅要4小时；含水率13％的泥浆注浆成型的玻璃池窑大砖(单重300kg以上)，脱模后若要把水分降到6％，采取自然阴干需几十天，采用电干约需15天。特点：（1）能实现均匀干燥（2）热扩散、湿扩散方向一致，干燥速度快，单位热耗小。原理：工频交变电流，电能转化为热能；特点：同时加热，热扩散方向与湿度扩散方向一致；设备：变压器、电极；优缺点：快、均匀、耗能少、简单、不安全、适于高含水量以高频或相应频率的电磁波辐射使生坯内产生松弛极化，转化为干燥的热能。这种方法干燥很快，生坯温度>60℃时，汽化量可能超过蒸汽逸出量使坯内压强增高，甚至鼓胀开裂，应控制生坯温度。当以含水率6.9％的152×152×5mm的面砖生坯单片通过这种干燥器，由进到出仅5分钟，含水率降到0.55％。目前仅用来快速干燥电子陶瓷生坯。电耗一般高达2.5-3.0kW·h／kg水，不经济。3.高频干燥4.微波干燥是以微波（0.001~1m,300~300*103MHz)辐射使生坯内极性强的分子，主要是水分子运动随交变电场的变化而加剧，发生摩擦而转化为热能使生坯干燥的方法。坯体单位时间、单位体积内产生的热量与频率、电场强度及坯体的介质损耗有关。2.主要特点：（1）均匀快速。热、湿传导方向一致（2）具有选择性（3）热效率高（4）干燥设备体小、轻巧，便于自控（5）具有微波辐射，需进行特殊防护。（6）设备费用高，耗电量大。6.近红外与远红外干燥1.原理是利用红外辐射元件发出的红外线为被加热物体所吸收，直接转变为热能而达到加热干燥的方法。水是红外敏感物质，在红外线的作用下水分子的键长和键角振动，偶极矩反复改变，吸收的能量与偶极矩变化的平方成正比，干燥过程主要是由水分子大量吸收辐射能，因此效率很高。2红外辐射器管状、灯状、板状等。均由三部分组成：（1）基体（2）基体表面能涂覆辐射红外线的涂层（3）热源及保温装置金属基体或陶瓷基体：耐火材料、SiC、锆英石、不锈钢、铝合金等。金属氧化物和碳化物等。热源：电加热、煤气加热或燃油加热等。辐射面温度：400~500℃3、红外干燥的优点（1）干燥速度快，生产效率高辐射与干燥几乎同时开始，无明显的预热阶段。实际的例子很多，如：原用80℃热风干燥要2h时的生坯，改用远红外干燥，生坯温度约80℃，仅需10min。又如卫生器生坯在通风的厂房里要干燥18天，改用近红外干燥仅用1天，再改用远红外干燥，时间和能量消耗又都减少1/2左右。（2）节约能源消耗（3）设备规模小，建设费用低（4）干燥质量好红外线具有一定的穿透能力，表面、内部同时吸收能量，热扩散、湿扩散方向一致，加热均匀。综合干燥生产中根据生坯不同干燥阶段特点，将几种方法综合起来以达到快速干燥的目的的方法。例如大型注浆坯先在原地用电热干燥，达到降速阶段移入干燥器，施釉之后再用红外辐射干燥，并准备烧成。又如英国带式快速干燥器也属于联合干燥器的类型。生坯用带式运输、红外与热风交替干燥。当用红外线辐射生坯时显著提高水分温度，加速内扩散；然后移动位置改用热风喷吹，加速外扩散。当生坯湿度梯度偏大时又转入下一次红外辐射，达到临界水分全以热风喷吹，也不会产生缺陷了。