陶瓷坯體不同干燥方式的對比研究

朱慶霞 梁華銀 邵 川 程思

(景德鎮陶瓷學院，江西景德鎮333001)

0 引言

陶瓷產品的干燥是陶瓷生產工藝中非常重要的工序之一。干燥是一個技術相對簡單，應用卻十分廣泛的工業過程，其不但關系著陶瓷的產品質量及成品率，而且影響陶瓷企業的整體能耗和生產成本。據統計，干燥過程中的能耗占工業總燃料消耗的15%，而在陶瓷行業中，用于干燥的能耗占燃料總消耗的比例遠不止此數，因此干燥過程的節能是關系到企業生存的大事。陶瓷產品的干燥速度快、節能、優質、無污染等是新世紀對干燥技術的基本要求[1]。

在陶瓷行業中，熱風干燥由于熱風來源豐富，價格便宜，成為最常使用的一種傳統干燥方法，然而直接加熱烘干的方法容易導致表面水分蒸發過快，與坯體內部水分擴散不相適應，造成坯體表里含水不均，容易引起坯體開裂和變形。所以，具有熱濕傳導方向一致的遠紅外干燥和微波干燥技術近幾年也得到了推廣和應用。根據相關研究，遠紅外線干燥比微波等現代干燥技術具有設備簡單、維修方便、裝置緊湊、投資少、效益高、收效快等優點，且安全可靠，對人體不存在任何危害[2]。微波干燥以干燥速度快、選擇性加熱、均勻加熱等優點而見長，在相同的功率下，傳統干燥時間是微波干燥的30～32倍，能耗為2.5倍，而生產能力則約為一半[3]。但紅外干燥和微波干燥在陶瓷工業中并沒有普及使用，除了紅外輻射器和微波設備的設計和選型問題外，紅外、微波與水分的作用機理仍需進一步研究，并且紅外干燥和微波干燥也有一次性投資費用較高的弊端。

在本研究中，利用常規熱風干燥、遠紅外干燥和微波干燥對陶瓷坯體的干燥過程進行實驗研究，研究不同干燥方法對干燥速率、坯體內外溫差的影響。分析各種干燥方式的可行性及經濟性，探討遠紅外干燥、微波干燥在生產實用中的前提條件及需要解決的關鍵技術問題。

1 實驗

本研究將含水率約為34wt%的Ф3cm×2cm的圓餅狀陶瓷塑性泥段分別放在熱風干燥器、紅外干燥器以及微波干燥器中進行干燥。通過測量干燥過程中塑性濕坯的重量變化和通過FLUKE51/52II型測溫儀測定干燥過程中濕坯內外的溫度分布，可對比不同干燥方式的干燥特性和干燥效率。通過功率表測定不同干燥方式下將含水率為22wt%的Ф6.8cm×0.6cm注漿濕坯干燥至恒重時所需的功率，以測算干燥運行成本。

2 不同干燥方式下陶瓷坯體的干燥特性

試驗時，將點針溫度探頭嵌在濕坯表面層和插入坯體中間層，測得的溫度分別稱為“表面溫度(external temperature)”和“內部溫度(internal temperature)”。而干燥速率是通過在單位時間內失水量與坯體干重的比值來進行表征。熱風干燥、紅外干燥和微波干燥的干燥特性見圖1～3。

陶瓷坯體的干燥過程可概括為兩個基本過程：物料內部的水分以液態或氣態的形式沿毛細管擴散到物料表面，再由表面蒸發到干燥周圍介質中[4]。從圖1～3可以看出，不同干燥方式下陶瓷濕坯經歷的干燥過程大致相同，均可分為三個階段：加熱階段、等速干燥階段和降速干燥階段。在加熱階段內，因介質在單位時間內傳給物料的熱量大于物料表面水分蒸發所消耗的熱量，所以物料表面溫度不斷升高，水分蒸發量也隨之增加。當水分由坯體內部遷移到表面的內擴散速度與表面水分蒸發擴散到周圍介質中去的外擴散速度相等時，干燥進入等速階段。此時，水分源源不斷地由內部向表面移動，表面維持潤濕狀態，自由水不斷地蒸發排出。因為干燥介質條件不變，坯體表面溫度也維持不變。在干燥過程中，當坯體中的自由水大部分排除時，干燥速度即開始降低，從等速階段進入到降速階段，同時因物料表面水分逐漸減少，水分蒸發所需的熱量亦逐漸減少，以致物料表面溫度逐漸升高，干燥速率逐漸下降直至為零，干燥過程終止。

然而，不同的干燥方式如熱風、遠紅外和微波干燥，其干燥介質分別為熱風、遠紅外線和微波，內部擴散速度不一致，各種方式的干燥機理和干燥特性仍然有所不同。

熱空氣干燥是利用熱空氣對流傳熱作用，干燥介質將熱量傳給坯體，使坯體中的水分蒸發而干燥的方法。因此，干燥時溫度由外向內傳遞，始終有t表＞t內。在降速干燥階段，內外溫差達3℃左右（見圖1）；在熱風干燥方式下，濕坯加熱15min才進入恒速干燥階段，且持續45min再進入降速干燥階段，干燥時間較長，與其它方式相比干燥速度最低，恒速階段的干燥速度約為0.36%/min(干基)。在熱風干燥時，表面水分被帶走，導致表面水分繼續蒸發，內外水分產生濃度差，內部水分大于表面水分，傳熱方向與傳質方面不一致，不利于干燥，易產生干燥缺陷，其干燥主要靠水分濃度差實現。

表1 干燥相關參數Tab.1 Related drying parameters

遠紅外線加熱干燥，就是利用遠紅外線輻射源發出的遠紅外線被加熱物體所吸收，使物體溫度升高而達到加熱干燥的目的。紅外線一經輻射出來，就象無線電波一樣，以近于每秒30萬公里的速度向四周傳播，所以輻射到吸收，升溫速度極快。濕坯加熱10min就進入恒速干燥階段，并僅持續了30min；同時不但被加熱物體表面的分子能吸收紅外線而發熱，而且內層分子也同時吸收到紅外線，從而達到里層和表面同時均勻受熱干燥的優良效果，在整個干燥過程中，內外溫差小于2℃（見圖2）；水是紅外敏感物質，在遠紅外線的作用下，水分子的鍵長和鍵角振動，偶極矩反復改變，吸收的能量與偶極矩變化的平方成正比，干燥過程主要是由水分子大量吸收輻射能，因此效率較高。恒速階段的干燥速度是熱風干燥恒速階段速度的1.2倍，為0.43%/min(干基)。

水分子是極性分子，屬于介質材料，在微波作用下會產生偶極子轉向極化，吸收大量的微波，在陶瓷濕坯中，主要的吸波物質是坯體中的水分。因此，微波干燥時，水分子以及其它被加熱物質因偶極子的交換擺動產生摩擦作用使分子從微波場中獲得能量轉化為熱運動，運動急劇，干燥速度急劇上升并達最大。從圖3可以看出，在微波干燥方式下，濕坯2min內進入恒速干燥期，并僅持續2min就進入了降速干燥階段。坯體干燥至恒重僅花了15min，最大干燥速度可達4.26%/min(干基)，約為熱風干燥速度的12倍。微波的穿透性極強，能與物料直接作用，使表面和內部同時加熱，并且在干燥過程，始終有t內＞t表。傳熱與傳質方向一致，在干燥中較快地進入相對穩定干燥期。微波干燥主要靠溫度差實現水分擴散。

3 成本分析

將含水量為22wt%的Ф6.8cm×0.6cm注漿濕坯放在不同的干燥器（電熱干燥器，紅外干燥器以及微波干燥器）中干燥至恒重。干燥相關參數見表1。

在不同干燥方式下，每干燥單位體積m3的坯體所需的能耗（J）計算如下：

所用坯體密度為1.41g/cm3，按商業用電價1元/度計算，則不同干燥方式干燥每噸陶瓷坯體的電費為

在此僅算出的是三種不同干燥方式的運行費用。但在實際的陶瓷生產過程中，微波干燥其固定投資較其它加熱方法為高，特別是微波管的使用損耗，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[5]。對于紅外干燥而言，除了紅外輻射器的制造成本，物體吸收紅外線的程度與物體的種類、特性、表面狀態及紅外線波長有關，而目前并沒有紅外干燥應用于陶瓷工業的系統研究。但是對于傳統的陶瓷工業化生產中的干燥過程而言，干燥窯所采用的熱風源來自于燒成窯的窯頭段和急冷段抽出的余熱風，熱源成本較低。故對于熱風干燥而言，雖然其干燥時間長，容易產生干燥缺陷，但仍然是目前最為廣泛采用的一種干燥方法。

4 陶瓷坯體的干燥研究展望

4.1 傳統熱風干燥方法的改進[6]

生產中為了提高干燥效率，節約能源，總是希望干燥速度要大一些，實質上，坯體的干燥速度受到坯體內水分內擴散和外擴散速度等因素支配，并且往往是通過調節干燥介質的溫度和濕度、干燥介質的流速和流量來控制。因此，要建立合理的干燥制度。

(1)對干燥介質的溫度、濕度進行分階段有效控制。采用多點分散鼓入的形式，根據坯體干燥不同階段的特性，干燥窯窯頭段采用抽自燒成窯窯頭段的低溫高濕氣體，逐漸升溫減濕，最后在干燥窯窯尾段鼓入抽自燒成窯急冷段的低濕高溫余熱風。

（2）對干燥介質的流速和流量進行科學控制。在干燥的開始階段，為了控制干燥速度，不僅要低溫高濕，而且應該控制熱風的流速和流量，否則也會影響坯體開裂。相反，有些產品不宜在介質溫度太高的場合下干燥，而可以采用加大介質流速和流量來提高干燥的速度。

（3）重視對坯體臨界水份的研究，制定適宜的干燥曲線。在臨界水分點之前，干燥速度減慢，以免坯體容易開裂和變形；但如果過了臨界水分點，由于坯體不再收縮，也就不會產生破壞應力，故可以加快干燥速度。

4.2 微波干燥在陶瓷工業中的應用前景

微波干燥若要在陶瓷工業中普及使用，首先需攻克微波干燥未完全解決的技術難題：（1）微波泄露的問題，因此需要合理設計微波爐，采用得當的防輻射措施，可使微波輻射減至最小，對人體完全沒有影響。（2）完善陶瓷材料與微波之間的作用機理的研究，研究陶瓷材料的介電性能、介質消耗與微波頻率及溫度的關系。（3）正確進行微波設備的選型，改善微波電磁場的不均勻性。

單獨采用微波干燥或對流干燥都有它們的優劣之處。如果綜合兩者將會使兩種方法的優點得到充分的發揮。微波與熱風對流組合干燥有3種形式：（1）脫水的初始階段施加微波能;（2）在干燥速率開始下降時施加微波能;（3）在降速干燥階段或在干燥過程即將結束階段施加微波能[7]。至于哪種組合形式干燥效果最佳，目前并沒有一致的結論。這主要是由于適用于微波干燥和熱風干燥的含水率范圍不同。實踐證明，微波對含水25%左右的物料進行干燥，效率最高，經濟效益最好，而坯體的含水率介于5%～10%之間，則用傳統干燥方式比較經濟[8]。因此，采用哪種組合形式具有最佳的經濟效益和干燥質量取決于坯體的初始含水量以及坯體尺寸等因素。

4.3 遠紅外干燥在陶瓷工業中的應用前景

遠紅外線加熱干燥具有高效快干、節約能源、節省時間、使用方便、干燥均勻、占地面積小等很多優點，但真正實際應用之前也需要進行系統的研究。（1）首先并不是所有的物質都能吸收遠紅外線，由于遠紅外線是電磁波，只有對那些顯示出電的極性的分子才能起作用。而且，物質分子都有它固有的振動頻率，需選擇適當的紅外線輻射元件和輻射溫度，使陶瓷坯體在遠紅外線區域有最大的吸收帶，且加熱器的遠紅外線輻射波長與加熱對象的吸收波長盡可能在同一波段上[9]，則熱效率最高。（2）紅外輻射能具有隨距離的平方而衰減的特性，在輻射加熱的實際應用中是很不利的。因此要適當選擇坯體與輻射器之間的距離，這是產品能否高產優質、保質保量的關鍵。（3）紅外線在通過空氣時，會被各種氣體分子，水蒸氣及固體顆粒所吸收和散射而引起紅外線的衰減。因此，如何采取必要的措施去減少空氣中的顆粒含量或去除氣體分子從而提高紅外輻射的效率，也是另一個研究熱點。

5 結語

熱空氣干燥主要靠水分濃度差實現，內外溫差較大；遠紅外線干燥的坯體內外溫度均勻，恒速階段的干燥速度是熱風干燥恒速階段速度的1.2倍；微波干燥主要靠溫度差實現水分擴散，最大干燥速度可達4.26%/min(干基)，約為熱風干燥速度的12倍。將含水量為22wt%的陶瓷坯體干燥至恒重，普通電熱干燥的運行成本最高，約為遠紅外干燥的1.5倍和微波干燥的4.2倍。分析了遠紅外干燥和微波干燥在陶瓷工業應用的可行性，相信隨著對遠紅外線和微波干燥理論研究的深入和大量生產實踐經驗的積累，完善遠紅外和微波干燥的工藝及設備，必將推動新型干燥方法在陶瓷工業中的推廣和應用。

1許愛民.日用陶瓷干燥發展現狀及展望.中國陶瓷,2007,43(1): 4～6

2金逢錫.基于遠紅外輻射特性陶瓷坯體的干燥機理.中國陶瓷,2009,45(1):4～7

3稅安澤,王書媚,劉平安等.微波輔助干燥技術的應用進展.陶瓷,2007,3:5～8

4王俊,熱風、遠紅外和微波干燥特點的比較.農牧與食品機械, 1993,16:17～19

5何京.陶瓷工業干燥技術與設備。陶瓷,2005,4:42～43

6曾令可,羅民華,黃浪歡.微波干燥陶瓷產品產生變形開裂原因和解決方法及其與傳統干燥的比較.陶瓷學報,2001,22(4): 254～258

7 ANDR?S A,BILBAO C,FITO P.Drying kinetics of apple cylinders under combined hot air-microwave dehydration. Journal of Food Engineering,2004,63:71～78

8張柏清,黃志誠.微波干燥技術及其在陶瓷坯體干燥中的應用研究,中國陶瓷,2004,40(3):17～20

9 ARONSON J R.Modeling the infrared reflectance and emittance of paints and coatings.AD-A110824