微波干燥過程中功率密度對多孔陶瓷干燥品質的影響及應用研究

李世慧，王安英，陳傳蒙，孫傳兵，孟姍姍，于修水

（山東硅元新型材料股份有限公司，淄博25508）

1 引言

隨著工業化的發展及干燥理論的研究，現在的工業制備過程中越來越多的廠家開始意識到干燥對于產品性能的重要性，并對不同的干燥方式（主要有熱風干燥、燃氣干燥、紅外干燥、微波干燥等）進行了很多探討。其中微波干燥是一種新興的干燥方式，具有干燥速率大、節能、均勻等優點，我國微波干燥技術起步較晚，現較多應用在食品、醫藥化工等行業。微波技術最早由美國的W.R.Tings［1］等于1968年引入陶瓷領域，隨著微波干燥在其它領域的應用成熟，不少專家均認為微波干燥也能很好的應用于陶瓷生產過程。經查詢，目前國內研究微波干燥在陶瓷生產上的具體應用的文章仍然較少，多集中在蜂窩陶瓷、日用陶瓷領域，其它以綜述為主。微波干燥在大大提高了干燥速率、縮短干燥時間的同時，如操作不當，容易出現干燥過程中的開裂問題，因此本文作為微波干燥在工業陶瓷領域的實際應用，具有重要意義。

2 微波干燥理論及坯體干燥機理

2.1 微波干燥理論

微波是一種波長極短，頻率非常高的電磁波，波長在1mm到1m之間，頻率在300MHz至300GHz之間。微波作用于材料是通過空間高頻電場在空間不斷變換方向，使物料中的極性分子隨著電場作高頻振動，溫度升高，從而達到干燥的目的。微波干燥具有以下特點：［2，3］

（1）加熱快速，均勻。微波對吸收介質有較強的穿透能力，物料選擇性好，響應速度快，加熱時間短。

（2）加熱有選擇性。微波加熱利用的是介質損耗原理，由于水的介質損耗很大，所以陶瓷坯體在微波干燥中，主要是水分子被迅速加熱蒸發。

（3）熱效率高，節約能源，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備器壁，只能被物料吸收。

（4）微波干燥時，表面對流換熱，溫度低于中心，傳質和傳熱同向，有利于水分蒸發和加熱均勻，物料表面很少出現過熱或者結殼現象，且能量輸入大小可以通過電源開關控制來實現。

2.2 坯體干燥機理

微波干燥過程中水分的變化過程及干燥速率曲線與傳統干燥的干燥過程曲線基本一致。陶瓷坯體干燥過程一般分為三個階段，如圖1所示［4］。

圖1 干燥過程曲線

（1）升溫加熱階段：熱量升高，水分蒸發上升，到A點時，傳給介質的熱量等于水分蒸發所需熱量，溫度達到恒定，此后進入等溫蒸發階段。

（2）等速干燥階段：坯體內部水分在濃度梯度推動下，擴散到表面，此階段內擴散速度等于外擴散速度，隨著自由水的排除，體積收縮并產生應力。

（3）降速干燥階段：主要排除吸附水，物料不再產生收縮，因坯體表面水分逐漸減少，蒸發所需熱量也逐漸減少，坯體表面溫度不斷升高，干燥速率下降，直到干燥過程結束。

3 實驗設備與方法

3.1 實驗設備

實驗微波干燥設備為工業化連續微波干燥設備（如圖2所示），有效長度7m，分為6個微波干燥箱，每個箱內微波發生器可獨立控制，單個微波發生器功率為2kW，微波頻率2450MHz±25MHz，傳送帶0～5m速度可調。

圖2 干燥設備示意圖

本文采用電子天平（精度±0.01g）進行重量測定；干燥后產品用電子數顯顯微鏡觀察裂紋情況；干燥后產品經1700℃高溫電爐按照燒成制度燒結；產品燒成后的抗壓強度，采用萬能試驗機，按照GBT25139-2010測試。

3.2 實驗方法

本文中成型掛漿料含水率是一定的，含水率為20%。根據經驗，干燥含水率低于1%即能滿足生產需求，最終產品的抗壓強度需大于1.2MPa。實驗中通過改變進入微波干燥設備的坯體數量，確定每個微波干燥箱體中的微波功率為2kw，通過微波功率除以進入設備的總水量，計算得到微波功率密度（W/g），并計算不同功率密度下干燥后含水率及對產品性能影響的情況。實驗方案如表1。

表1 實驗方案

4 分析與結論

（1）如圖3所示，功率密度越高，干燥效率越高，即完成干燥所需時間越短，干燥后產品的含水率越低。這是因為功率密度越高，作用在單位體積水上的微波密度越大，水分子吸收微波后溫度升高越快，水分蒸發速率也越快。

圖3 功率密度對干燥時間、含水率、抗壓強度的影響

（2）功率密度高的時候，雖然干燥速度較快，但是干燥后坯體容易產生裂紋。這是因為功率密度越高，單位時間內蒸發水分越多，水分氣化導致內部壓力增加，當壓力超過坯體表面所能承受的強度時就會導致坯體表面爆裂。從理論上來講，微波干燥過程中，坯體內部水分移動速度和表面水分蒸發速度及表面強度要適應，就必須適當降低微波功率密度和延長干燥時間來提高干燥品質。在本文的實際生產中，當功率密度降到26W/g及以下時，顯微鏡下觀察不到裂紋，多孔陶瓷最終的強度也達到使用標準。

（3）實驗中隨著功率密度降低，干燥時間延長，干燥品質及燒后抗壓強度都得到提高。對比自然干燥，在一定范圍內，有強度衰減現象，隨著功率密度降低，強度趨于一致，分析認為功率密度越低，產生的缺陷越少，干燥品質越高。綜合考慮生產效率與使用要求，本項目選定功率密度為18W/g比較經濟合理。

（4）本文主要探討了微波功率密度及時間等因素對干燥效果的影響，但是根據實際經驗，影響干燥品質的因素還有顆粒級配、粘結劑的種類和數量等，在本文中不做探討。需要注意的是當粘結劑種類等選擇不當時，一味的降低功率密度會導致干燥時間成倍增加，降低效益。