微波干燥在陶瓷行業(yè)的應(yīng)用

肖建平 吳長(zhǎng)發(fā) 范偉峰

(佛山歐神諾陶瓷有限公司 廣東 佛山 528138)

微波是頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波，是無(wú)線電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱，即波長(zhǎng)1 mm～100 cm的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般無(wú)線電頻率高，也稱為超高頻電磁波。其波段位于電磁波譜的紅外輻射和無(wú)線電波之間。微波加熱是利用在微波電磁場(chǎng)中材料的介質(zhì)損耗使其整體升溫至一定溫度的快速加熱新技術(shù)，是微波技術(shù)與材料科學(xué)以及工程學(xué)科交叉結(jié)合而產(chǎn)生的一門(mén)新學(xué)科[1]。微波干燥起源于20世紀(jì)40年代。目前，微波加熱已廣泛應(yīng)用于干燥或加熱食品、木材、橡膠、皮革、紙張、煙草等領(lǐng)域[2～4]。陶瓷行業(yè)涉及的加熱干燥環(huán)節(jié)多，干燥能耗在整個(gè)工藝總能耗中占據(jù)較大的比重。因此，微波干燥在陶瓷領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。

1 微波干燥的原理及特點(diǎn)

微波干燥利用的是介質(zhì)損耗原理，由于水是強(qiáng)吸收微波的物質(zhì)，因而水的損耗因素比干物質(zhì)大得多，可以大量吸收微波能并轉(zhuǎn)化為熱能。物料中的水分子是極性分子，在微波的作用下，其極性取向隨著外加電場(chǎng)的變化而變化。微波場(chǎng)以每秒幾億次的高速，且周期地改變外加電場(chǎng)的方向，使極性的水分子急劇擺動(dòng)碰撞產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)。微波干燥的特點(diǎn)可歸納為以下四點(diǎn)[5～6]：

1)加熱快速、均勻。與普通加熱方法相比，由于微波對(duì)吸收介質(zhì)有較強(qiáng)的熱量穿透能力，不必從表面?zhèn)鬟f到物料內(nèi)部而是直接將能量作用于整個(gè)物料，在物料內(nèi)部瞬時(shí)轉(zhuǎn)化為熱量，大大縮短了加熱時(shí)間。

2)加熱的選擇性。微波加熱利用的是介質(zhì)損耗原理，在加熱過(guò)程中通過(guò)介質(zhì)損耗將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。只有吸收微波的物質(zhì)，才能被微波加熱。由于水的介質(zhì)損耗很大，所以水吸收的微波能遠(yuǎn)大于其它物質(zhì)。

3)微波直接與物料相互作用。不需要加熱空氣或加熱大面積的設(shè)備器壁等，且加熱室為金屬制造的密閉空腔，既可以提高熱利用率，又可以保證操作人員的安全。同時(shí)，空腔反射微波使之不向外泄露只能為物料吸收。因此，微波具有加熱效率高，且起到節(jié)約能源的作用。

4)反應(yīng)靈敏，易控制產(chǎn)品質(zhì)量。在微波干燥時(shí)由于表面的對(duì)流換熱，物料表面溫度低于中心溫度，物料的表面很少出現(xiàn)溫度過(guò)熱和結(jié)殼的現(xiàn)象，有利于水分的蒸發(fā)。利用風(fēng)熱或蒸汽進(jìn)行表面加熱，有利于坯體的均勻加熱，從而提高了產(chǎn)品的合格率。能量輸出大小可以通過(guò)電源開(kāi)關(guān)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，可提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 微波干燥設(shè)備簡(jiǎn)介

微波干燥器主要由微波發(fā)生器、連接導(dǎo)管和微波加熱器等部分組成。在微波管上加上高壓直流電壓，微波管將電能轉(zhuǎn)換成微波能，微波能以微波的形式通過(guò)波導(dǎo)管傳遞至微波加熱器加熱陶瓷坯體。通常在微波發(fā)生器上安裝冷卻系統(tǒng)，用于對(duì)微波管的腔體及陰極部分進(jìn)行冷卻。

圖1 微波干燥器結(jié)構(gòu)示意圖

微波發(fā)生器有許多種，但主要可以分為兩種[7]：電真空器件和半導(dǎo)體器件。其中電真空器件是利用電子在真空中的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)變的器件，在電真空器件中能產(chǎn)生大功率的有磁控管、多腔速調(diào)管、微波三、四級(jí)管、正交場(chǎng)器件及行波管等。半導(dǎo)體器件在獲得微波大功率方面與電真空器件相比至少相差三個(gè)數(shù)量級(jí)，所以目前使用最多的是磁控管和速調(diào)管。微波加熱器主要有：駐波場(chǎng)諧振腔加熱器、行波場(chǎng)波導(dǎo)加熱器、輻射型微波加熱器和慢波型微波加熱器。各種加熱器具有不同的特點(diǎn)，對(duì)于加熱器的選擇主要應(yīng)考慮以下兩方面：即頻率的選擇和加熱器型式的選擇。

3 微波干燥在陶瓷中應(yīng)用

3.1 建筑陶瓷

建筑陶瓷生坯干燥是陶瓷生產(chǎn)工藝中非常重要的工序之一，其不但關(guān)系到陶瓷磚的產(chǎn)品質(zhì)量及成品率，而且影響陶瓷企業(yè)的整體能耗和生產(chǎn)成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，干燥過(guò)程中的能耗占總?cè)剂舷牡?5%，而在陶瓷行業(yè)中，用于干燥的能耗占燃料總消耗的比例遠(yuǎn)不止此，因此干燥過(guò)程的節(jié)能是關(guān)系到企業(yè)生存的大事。朱慶霞等[8]采用普通熱風(fēng)遠(yuǎn)紅外和微波干燥方式對(duì)陶瓷坯體的干燥過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究不同干燥方法對(duì)磚坯干燥速度、坯體內(nèi)外溫差的影響，結(jié)果表明，熱空氣干燥主要靠水分濃度差實(shí)現(xiàn)，內(nèi)外溫差較大；遠(yuǎn)紅外線干燥的坯體內(nèi)外溫度均勻，恒速階段的干燥速度是熱風(fēng)干燥恒速階段速度的1.2倍；微波干燥主要靠溫度差實(shí)現(xiàn)水分?jǐn)U散，最大干燥速度可達(dá)4.26%/min干基，約為熱風(fēng)干燥速度的12倍。將含水量為22%的陶瓷坯體干燥至恒重，普通電熱干燥的運(yùn)行成本最高，約為遠(yuǎn)紅外干燥的1.5倍和微波干燥的4.2倍(見(jiàn)表1)。同時(shí)，分析了遠(yuǎn)紅外干燥和微波干燥在陶瓷工業(yè)應(yīng)用的可行性，并指出了需要解決的技術(shù)難題。

表1 不同干燥方式的比較

黃岷[9]研究了濕法成形薄型陶瓷磚的微波干燥。結(jié)果表明，濕法成形薄型陶瓷磚由于其具有含水率高、強(qiáng)度低、干燥敏感性強(qiáng)、干燥收縮大等特點(diǎn)，其干燥難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通半干法陶瓷磚。因此采用微波干燥、少空氣干燥技術(shù)有利于坯體受熱均勻，選擇水分傳遞合理的干燥方式及合適的坯體運(yùn)輸方式，可以有效地防止干燥缺陷的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的干燥質(zhì)量。

閻蛇民等[10]研究了微波干燥超薄磚開(kāi)裂及變形原因，結(jié)果表明，只有選用合理配方，優(yōu)化微波干燥工藝參數(shù)才能解決其在干燥過(guò)程中的開(kāi)裂和變形問(wèn)題，才能真正為超薄磚的生產(chǎn)服務(wù)。根據(jù)超薄瓷質(zhì)磚樣品在間隙式微波設(shè)備中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及干燥后的結(jié)果，認(rèn)為在烘干過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：需微波干燥的陶瓷坯體底部必須有相應(yīng)大小、帶孔且平整的托盤(pán)；對(duì)形狀復(fù)雜或幅面大的陶瓷坯體應(yīng)在微波強(qiáng)度設(shè)置時(shí)遵循由弱到強(qiáng)的原則；當(dāng)單件產(chǎn)品長(zhǎng)度大于1 m時(shí)，在微波干燥過(guò)程中的陶瓷坯體前后兩端濕度相差較大，建議在隧道式微波干燥設(shè)備運(yùn)行空間中的合適部位放置調(diào)節(jié)濕度的物體；微波干燥在超薄瓷質(zhì)磚初期快速脫水及坯體定型方面起到關(guān)鍵性作用。后期干燥建議結(jié)合傳統(tǒng)干燥方式，使超薄瓷磚干燥工藝更加合理，熱能利用更科學(xué)。

閻蛇民等[11]研究分析了超薄陶瓷磚濕坯含水率隨微波作用時(shí)間的變化規(guī)律，并繪制出濕法超薄陶瓷磚的微波干燥曲線，研究了不同工藝條件對(duì)坯體干燥曲線的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，薄型陶瓷磚微波干燥可分為3個(gè)階段，初始階段水分變化不大，只是坯體溫度上升迅速，這一階段可選用較大的微波功率；微波輸出功率越大，脫水速率越快，干燥時(shí)間越短，但成品率極低；最佳工藝參數(shù)為1～2 min時(shí)選用較高的輸出功率，隨著干燥時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，后期應(yīng)選用低輸出功率為宜。

此外，目前也有建筑陶瓷企業(yè)將微波干燥窯安裝在大膠水墨量的噴墨打印設(shè)備后端，主要實(shí)現(xiàn)大墨量膠水干粒工藝的快速干燥，效果較好。

3.2 日用陶瓷

針對(duì)日用陶瓷較適用于一次脫模干燥。根據(jù)微波加熱的特性，在水分含量高時(shí)，水分吸熱相對(duì)較大，坯體脫水速度快，微波利用率高；當(dāng)水分降低時(shí)，特別是低于5%以下，水分吸熱量不會(huì)象初始那樣大。相反，陶瓷坯體和石膏模具吸熱量相對(duì)增加，微波利用率大幅度降低。因此，微波干燥對(duì)于含水率在10%以上坯體的干燥脫模較經(jīng)濟(jì)。其次，電壓要平穩(wěn)，電壓不穩(wěn)，電磁能時(shí)大時(shí)小，造成微波輸出功率不穩(wěn)定，坯體受熱不均勻，容易產(chǎn)生裂紋。微波加熱時(shí)，不能空載運(yùn)行，同時(shí)不能混入金屬物質(zhì)，否則容易造成設(shè)備損壞。

鄒長(zhǎng)元等[12]研究了微波快速干燥對(duì)平盤(pán)、厚胎浮雕盤(pán)產(chǎn)品。從整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，通過(guò)控制微波功率及傳輸速度、合理安排脫模時(shí)間，脫模效果良好。與傳統(tǒng)鏈?zhǔn)礁稍锞€相比，成坯率提高10%以上，脫模時(shí)間從35～45 min縮短到5～8 min，使用模具數(shù)量由400～500件下降至100～120件。微波干燥效率是鏈?zhǔn)礁稍镄实?.5倍，一次干燥成本齊平，對(duì)于短線產(chǎn)品，可以大量節(jié)約石膏模具，而且脫模良好，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到日用陶瓷生產(chǎn)的要求(見(jiàn)表2和表3)。微波干燥線所占地面積小，無(wú)污染，是比較理想的日用陶瓷成形輔助干燥生產(chǎn)設(shè)備。

表2 微波干燥不同形狀產(chǎn)品的參數(shù)

表3 傳統(tǒng)鏈?zhǔn)礁稍锱c微波干燥方式的比較

3.3 衛(wèi)生陶瓷

由于石膏模具有原材料來(lái)源廣泛、成本低廉、吸水性能好、尺寸穩(wěn)定、不易污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，一直被衛(wèi)生陶瓷行業(yè)廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)衛(wèi)生陶瓷石膏模具的干燥是將熱干燥空氣送入干燥室，使其吸收被干燥物料的熱濕氣后，直接排入大氣。由于排放的熱濕空氣中含有大量的顯熱及潛熱，因此，傳統(tǒng)干燥設(shè)備的能量利用效率一般都很低，最高只有35%左右。采用微波干燥石膏模具，是一項(xiàng)新的干燥技術(shù)。它具有高效、快速的特點(diǎn)，同時(shí)它對(duì)石膏模具本身沒(méi)有任何副作用。使用微波干燥，能充分發(fā)揮微波快速加熱的特點(diǎn)，使制品干燥周期縮短，極大的提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，由于微波穿透力強(qiáng)，因此模型內(nèi)部排除水效果更好。

石膏模具在成形后，一般含水率為65%～70%，但由于其器型復(fù)雜，壁厚較厚等原因，傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥方法存在著干燥周期長(zhǎng)、模具內(nèi)外干燥程度不一致的問(wèn)題。杜偉建等[13]分別采用微波干燥法與傳統(tǒng)烘箱加熱法進(jìn)行衛(wèi)生陶瓷石膏模具干燥實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)試含水率來(lái)比較兩種方法的干燥效率，觀察并記錄了石膏模型的形貌變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定條件下，測(cè)定石膏模型含水率，微波干燥法具有加熱均勻、加熱速度快、能耗低等特點(diǎn)。由于陶瓷衛(wèi)浴的石膏模具等產(chǎn)品器型復(fù)雜、坯體厚薄不一致，因此傳統(tǒng)的干燥方式干燥效果較差。而采用微波干燥，測(cè)試結(jié)果顯示，模型制品可以達(dá)到規(guī)范要求，并能提高生產(chǎn)效率，節(jié)省作業(yè)場(chǎng)地，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

同時(shí)，石膏模具持續(xù)使用微波烘干會(huì)出現(xiàn)局部溫度升高過(guò)高的問(wèn)題，極易造成石膏內(nèi)部結(jié)晶水析出，影響模具的強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)干燥實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際制定了微波作為初期快速去除模具內(nèi)部水分，后期采用熱風(fēng)二次干燥的工藝路線。有針對(duì)性的選擇了幾種型號(hào)不同的石膏模具，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)也與單純微波烘干方式進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，微波加熱的干燥模式較傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥模式的模型，干燥能耗可降低30%以上，干燥效率是傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥的2倍左右。而且由于初期采用微波干燥制品內(nèi)部水分可有效排出，因此石膏模型干燥內(nèi)外一致性較好，且石膏模具制品的壽命得到了提升，模具的消耗量也會(huì)大幅減少，同時(shí)還降低了生產(chǎn)線更換模具的頻率。

3.4 蜂窩陶瓷

蜂窩陶瓷作為一種功能性多孔材料，具有幾何表面積大、擴(kuò)展距離短、有利于反應(yīng)物的進(jìn)入和生成物的排出，并可縮小反應(yīng)器體積等優(yōu)點(diǎn)。因此蜂窩陶瓷特別適用于汽車尾氣的處理，煙道氣凈化蓄熱體以及紅外輻射燃燒板等方面的應(yīng)用。蜂窩陶瓷由于成形時(shí)水分較多，孔隙多且坯體內(nèi)孔壁特別薄，因此采用傳統(tǒng)的方法會(huì)導(dǎo)致加熱不均勻，極難干燥。由于蜂窩陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)差，其干燥過(guò)程要求特別嚴(yán)格。如果干燥過(guò)程控制不好，易導(dǎo)致變形和影響孔隙率比表面積。

干燥工藝對(duì)蜂窩陶瓷的成品率影響很大。蜂窩陶瓷大多數(shù)采用濕法擠壓成形，其原料中一般加入10%～15%的水分。蜂窩陶瓷的內(nèi)部是由許多格子狀的間壁分割而成。擠出后不能搬運(yùn)和后續(xù)加工，如不進(jìn)行快速干燥，原有的形狀將產(chǎn)生變形。擠壓成形的蜂窩陶瓷生坯，其內(nèi)部顆粒主要是片狀的粘土顆粒呈定向排列。一般坯體中顆粒定向排列較為明顯時(shí)，在干燥過(guò)程中都會(huì)引起不同方向上的不均勻收縮。孫千等[14]研究了微波干燥工藝在蜂窩陶瓷上應(yīng)用，結(jié)果表明，微波干燥能降低成形后蜂窩陶瓷坯體約10%的水分，設(shè)備越新干燥效率越高。通過(guò)分析蜂窩陶瓷干燥的過(guò)程，提出微波干燥與對(duì)流干燥、高溫?zé)岜酶稍锵嘟Y(jié)合，可獲得最佳的干燥效果，達(dá)到高效節(jié)能的目的。

3.5 陶瓷粉體

電子陶瓷粉體材料通常為多組分配方體系，需要對(duì)原料進(jìn)行濕法分散、混勻和磨細(xì)處理，并通過(guò)干燥的方式把水脫離，經(jīng)預(yù)燒工序合成主晶相材料，得到半成品。隨后在半成品中加入改性劑、助熔劑，再經(jīng)過(guò)一次濕法分散、混勻、磨細(xì)處理和干燥脫水才能得到最終成品。電子陶瓷材料在生產(chǎn)過(guò)程中需要干燥和燒結(jié)這兩項(xiàng)重大工序，干燥和預(yù)燒占到制造成本的90%以上，兩次干燥的成本相當(dāng)于一次預(yù)燒的成本，因此，干燥占到其生產(chǎn)成本的45%以上。王孝國(guó)等[15]采用隧道式微波干燥爐對(duì)MLCC和LTCC用電子陶瓷粉體的干燥工藝進(jìn)行了研究。通過(guò)多次的容器實(shí)驗(yàn)，確定了用傳送帶直接載料進(jìn)行微波干燥的工藝和針對(duì)不同瓷粉適宜的鋪展厚度，設(shè)計(jì)了一種可以自動(dòng)上下料的裝置，節(jié)能效果顯著。結(jié)果表明：理論上每千瓦小時(shí)微波電能可使1.39 kg的水汽化，由于線路損耗及腔體效率等因素，實(shí)際效果為0.8～1.1 kg/kW·h，能效利用率為57.5%～79.1%。從表4可以看出，采用微波干燥方式，其單位能耗為0.31元/kg，不足循環(huán)烘箱單位能耗的十分之一，且微波干燥方式的產(chǎn)能是循環(huán)烘箱干燥方式的4～6倍。熱風(fēng)噴霧塔雖然單位能耗較低，但物料的回收率為98%左右，而微波干燥的物料回收率可達(dá)99.5%以上。遠(yuǎn)紅外電熱爐干燥產(chǎn)能極小，不適宜產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。綜上所述，微波干燥方式在節(jié)能效果和工作效率方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表4 微波干燥與傳統(tǒng)干燥方式能耗和產(chǎn)能比較

針對(duì)納米粉體制備過(guò)程中的團(tuán)聚現(xiàn)象，田玉明等[16]研究了微波干燥和烘箱干燥兩種不同方式對(duì)共沉淀法制備的納米ZrO2粉體粒徑、團(tuán)聚程度、干燥時(shí)間及燒結(jié)體密度等的影響。結(jié)果表明，采用微波干燥不僅可以大大縮短干燥時(shí)間，而且有利于減弱納米ZrO2粉體的團(tuán)聚，得到粒徑小、團(tuán)聚強(qiáng)度低和燒結(jié)活性高的納米ZrO2粉體，生坯經(jīng)過(guò)1 500 ℃燒結(jié)2 h，燒結(jié)密度可達(dá)到理論密度的97.3%(見(jiàn)表5)。在分析微波干燥原理的基礎(chǔ)上，提出了納米粉體微波干燥“爆裂”模型。由于水是一種強(qiáng)極性分子，在微波干燥過(guò)程中首先受熱汽化產(chǎn)生大量水蒸氣，水蒸氣受熱膨脹使ZrO2干凝膠“爆裂”成為極其微小的碎片，內(nèi)部水分直接以氣體形式排除，不僅縮短了生產(chǎn)周期，也有利于減弱納米ZrO2粉體的團(tuán)聚和團(tuán)聚強(qiáng)度。

表5 微波干燥與傳統(tǒng)干燥方式能耗和產(chǎn)能比較

YAG(化學(xué)式為Y3Al5O12)單晶是一種廣泛應(yīng)用的激光增益介質(zhì)，但是由于生長(zhǎng)大尺寸YAG單晶需要昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的工藝，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高，限制了其應(yīng)用。黎鋒等[17]采用共沉淀法合成YAG前軀體，利用微波干燥前軀體，然后在不同溫度下焙燒，得到Y(jié)AG納米粉體。利用XRD、TEM等測(cè)試手段對(duì)YAG納米粉體進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：微波干燥能抑制晶拉長(zhǎng)大，有效地減輕粉體顆拉的團(tuán)聚，得到分散性好、晶粒細(xì)小、分布窄的YAG超細(xì)納米粉體。

4 結(jié)語(yǔ)

微波干燥技術(shù)在加熱不同類型的陶瓷產(chǎn)品均表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和應(yīng)用前景，該技術(shù)的推廣應(yīng)用有利于提高陶瓷產(chǎn)品的干燥效率。目前，微波干燥技術(shù)尚未在陶瓷行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。從前期研究結(jié)果來(lái)看，針對(duì)尺寸較厚、不規(guī)整形狀、高含水率的產(chǎn)品具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)將微波干燥和常規(guī)干燥有機(jī)地結(jié)合效果更好。隨著人們對(duì)微波干燥技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷深化，這一技術(shù)一定會(huì)逐步完善起來(lái)，最終將在陶瓷工業(yè)顯露出其獨(dú)特的優(yōu)越性。