陶瓷工艺学-6坯体的干燥

第6章 坯体的干燥n 概述n 干燥原理n 干燥制度的制订n 常用的干燥方法n 干燥技术的应用及设备厂的管理本部分讲授内容 干燥定义 使含水物料（如湿坯、原料、泥浆等）中的液体水汽化而排除的过程，称为干燥。完成干燥过程的机械设备，称干燥器。一般：人们把采用热物理方法去湿的过程称为“干燥”，其特征是采用加热、降温、减压或其它能量传递的方式使物料中的湿分产生挥发、冷凝、升华等相变过程与物体分离以达到去湿目的。 干燥技术 传统工业的干燥技术有：厢式干燥、隧道干燥、转筒干燥、转鼓干燥、带式干燥、盘式干燥、浆叶式干燥、流化床干燥、喷动床干燥、喷雾干燥、气流干燥、真空冷冻干燥、太阳能干燥、微波干燥和高频干燥、红外热辐射干燥等。近年来的新型干燥技术：脉冲干燥、对撞干燥、冲击穿透干燥、声波场干燥、超临界流体干燥、过热蒸汽干燥、接触吸附干燥等。 干燥方法自然干燥法：将湿坯置于露天或室内的场地上，借助风吹和日晒的自然条件使物料得以干燥的办法。成本低，但干燥速度慢，产量低，劳动强度大，受气候影响大，难以适应大规模的工业生产。人工干燥法：也称机械干燥，将湿物料放在专门的设备中进行加热，使物料的水分蒸发而得以干燥。特征：干燥速度快，产量大，不受气候条件的限制，便于实现自动化，适合于工业生产。 为什么要干燥？ 对于陶瓷坯体而言，干燥的主要目的在于：n提高生坯强度，便于后续工艺的进行；n提高釉浆的吸附能力；n使坯体具有较小的入窑水分，提高烧成速度，减少能耗； 提高产品的质量 知识延伸：干燥的地位与作用n干燥利于产品的储藏、运输和使用；n干燥利于提高产品的质量和价值、减轻劳动强度、降低成本和能源消耗；n发达国家的干燥的能耗占工业能耗的14%，有些行业的干燥能耗甚至占到生产总耗能的35%；n我国2001年干燥设备制造业创17亿元的产值（相当于1986年的24倍），出口总值达2000万元人民币。 坯体中的水的类型 n自由水（机械水游离水）：分布在颗粒之间和毛细管中，结合松驰，较易排除。n物理化学结合水（吸附水）：附着于颗粒表面，其数量与环境温度和湿度相关，并有一定的平衡关系，即随周围介质条件可逆性地变化。 n化学结合水：包含在矿物的分子结构中，结合牢固，排除时需要较大能量。 干燥技术坯体中水的类型 一定干燥条件下，物料中的水分按能否除，可分为自由水分和平衡水分。干燥过程中可除去部分称为自由水分。物料中的水分是自由水与平衡水之和。 传质传热过程 干燥过程既是传热过程，又是传质过程。传热过程：通过物料表面将热传给物料，再以传导的方式向内部传送，物料表面水分获得热量后汽化。传质过程：物料表面的水蒸气向干燥介质中移动的气相传质（外扩散过程）；内部水向表面扩散的内部传质（内扩散过程）。 干燥方法与应用 人工干燥方式的热源类型：n外热源法：在物料的外部对物料表面加热，使物料受热，水分蒸发，而得以干燥。n内热源法：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而发热，或使交变电流通过物料而产生热量，物料中水分蒸发，物料本身得以干燥。 干燥过程的四个阶段 加热阶段：物料表面被加热，温度升高，水分开始蒸发，干燥速度不断增加；等速干燥阶段：物料中非结合水排出，产生收缩。该阶段终了时，物料中所含平均水分量称为临界水分，它是该阶段进入降速干燥阶段的转折点。 干燥过程的四个阶段 降速干燥阶段：主要排除吸附水，物料不再产生收缩，故只增加气孔。该阶段结束时，物料所含水分称为最终水分。平衡状态：当坯体水分达到最终含水量时，坯体水分与环境的交换呈平衡状态，此时，干燥速度为零，延长干燥时间仅仅是增加热能的消耗。 干燥过程曲线图n升速干燥 坯体表面被加热，水分不断蒸发；n等速干燥 水分由坯体内部迁移到表面的内扩散速度与表面水分蒸发扩散到周围介质中去的外扩散速度相等； n降速干燥 最终含水率的影响因素最终含水率与周围介质的温度、相对湿度和坯料组成有关。最终含水率过高，则坯体强度不够，降低窑炉效率，过低则在干燥后坯体会在大气中吸湿，或在施釉过程中急剧吸水，造成坯体表面膨胀，是施釉后开裂的主要原因之一。 影响干燥速率的因素u外扩散速率：这常决定于干燥介质的温度、湿度和流态（流速的大小和方向）以及物料的性质。干燥介质的温度越高（相对湿度就越小），流速越快（边界层应越薄），外扩散速度越大。u内扩散速率：湿扩散（由浓差决定）与热扩散（由温差控制）。 影响内扩散速率的因素u干燥方法：若水分梯度与温度梯度和热扩散方向相同，水分移动速度将是湿扩散速度加上热扩散速度。u坯料性质：瘠性料越多，颗粒越粗，毛细管也愈大，水分的扩散速度也愈大。u坯体温度：坯体温度高，水的粘度小。u坯体表面的致密度：外扩散过快时，往往造成表面收缩过大，使坯体表面致密，增加了湿扩散的阻力，降低了干燥速度。 影响外扩散速率的因素u气体介质及坯体表面的蒸汽分压；u气体介质及坯体表面粘滞气膜的厚度、能量的供给方式等；u通常以增加气体介质的流速，改变气体介质的流动方向和坯体表面的角度，降低周围环境介质的分压，增加能量的输入来提高外扩散速度。 干燥过程中坯体的收缩与开裂n干燥速度的增加应以保证坯体不变形、不开裂为前提。n坯体在干燥过程中，随着自由水的排出，被水膜隔离开的颗粒逐惭相互靠近，坯体不断产生收缩，当坯体中颗粒之间直接接触，产生摩擦，且颗粒之间的摩擦力大于毛细管中水的表面张力时，收缩就停止了。 干燥过程中坯体的收缩与开裂n若坯体干燥过快或不均匀，内外层或各部位由于收缩不一致而产生内应力收缩应力；n当收缩应力超过塑性状态坯体的屈服值时，坯体发生变形；n当收缩应力超过塑性状态坯体的破裂点或超过弹性状态坯体的强度值时，坯体就会开裂。 干燥过程中坯体的收缩与开裂n为了防止变形或开裂，既要调整坯料，降低收缩率，更要特别注意坯体在收缩阶段（等速干燥阶段）的干燥制度。 干燥过程中坯体的收缩与开裂n除了干燥速度外，引起不一致收缩的原因：u坯体不同部位，由于厚薄不匀，受热先后不同等因素，水分排出的速度不同；u干燥前坯体的水分分布不均匀或含水量太大；u成型中颗粒的定向排列，或坯料混合不均匀造成粘性物质分布不均匀，颗粒分布不均匀； u坯件与托板接触部位，坯体收缩受到托板的机械抑制作用； 干燥过程中坯体的收缩与开裂u坯体形式设计不合理，在厚薄变换处，孔洞部位，形状改变部位，凹凸不平部位等产生应力集中；u成型、修坯过程中各部位受力不均匀，存在密度差或残留应力；u阳离子的种类影响收缩率的大小。v因此，在选择干燥方法和制订干燥制度时，须根据坯料特性、成型工艺、制品大小、形状厚度、干燥设备等因素，给予综合考虑。 干燥技术干燥制度 干燥制度是指坯体在各个干燥阶段中所规定的干燥速度（干燥时间）。热空气干燥法，通过介质的温度和湿度、空气流速和流量等参数来控制干燥制度。对于工频电热干燥法，则通过调节电流密度来控制干燥速度。 干燥制度 干燥条件总和，包括干燥时间、干燥温度和相对湿度、砖坯干燥前后的残余水分要求等，一般根据实验数据来确定。可塑法成型的坯体，干燥前的机械强度很低，不超过0.05MPa，体积收缩达10左右，因此干燥速度不能太快。 干燥技术-干燥制度确定原则n获得无缺陷的干燥坯体。应控制坯体各部分的含水率在干燥过程中差别不大，使应变均匀以避免应力集中，必须使坯体在干燥过程中具有适当的干燥速度。n加快干燥，节约能源。即生产周期短，单位制品热耗低。干燥过程中寻优问题。 干燥技术-干燥制度的建立 预热阶段：应使干燥器的温度适当高些，但温度也不能过高，否则，水分子的热运动使粘土的结合强度下降，特别是坯体含水率较高或存在凝聚水时，强度下降更显著。通常预热阶段的温度一般4045。 干燥技术-干燥制度的建立 等速干燥阶段：此时坯体易发生干燥收缩，易引起变形或开裂。应根据坯料的干燥敏感性（坯料的收缩大小，可塑性，分散性，被吸附的阳离子的种类和数量等因素）、坯体的形状、大小和厚度，坯体的原始含水率和临界水分等因素来确定最大干燥速度。当然最大干燥速度的确定还取决于干燥方法、干燥器的类型和结构以及干燥的均匀程度。 降速干燥阶段：由于坯体收缩很小，不会产生较大的收缩应力，故可适当提高干燥速度以加速干燥。降速干燥阶段的时间取决于干燥的最终水分和整个干燥器内坯体干燥的均匀程度。坯体干燥终了时的平衡水分，不仅取决于粘土的结构和吸附能力，同时还取决于周围介质的温度和湿度。坯体干燥的最终水分过低（比平衡水分小得多时），坯体在存放过程中还会由空气中吸收水分（返潮），甚至还可能膨胀开裂。 干燥技术-干燥制度的建立 干燥方法蒸气干燥蒸气干燥 隧道干燥 隧道干燥器示意图1湿坯进口，2干燥小车，3干燥介质进口，4干坯出口5拉开式门。6回车道， 7干燥介质出口，8转向拖车 链式干燥楼式链式干燥器示意图1批件入口，2批件出口 电热干燥 将工频交变电流直接通过被干燥坯体内部进行内热式的干燥方法。由于对坯体端面间的整个厚度同时进行加热，干燥速度较快。辐射干燥v辐射干燥是指由热源直接将电磁波辐射到湿坯上，并转化为热能，将坯体干燥的干燥方法。v一般可将辐射干燥分为高频、微波和红外干燥几种方式。 1、高频干燥 采用高频电场或相应频率的电磁波（107Hz ）辐射于坯体上，使坯体内的分子、电子及离子发生振动产生弛张式极化，转化为热能进行干燥。2、微波干燥 微波是介于红外线和无线电波之间的一种电磁波，波长在11000mm范围内，频率为300300000MHz，微波加热原理基于微波与物质相互作用吸收而产生的热效应。 工业微波炉 3、红外干燥v红外线的波长范围为0.751000um，因此，它是一种介于可见光和微波之间的电磁波，坯体能够吸收红外线并将之转化为热能。因此，利用红外线能对坯体进行干燥。v采用红外干燥有如下特点：干燥速度快，生产效率高。采用远红外干燥时，辐射与干燥几乎同时开始，无明显的预热阶段，因此效率很高。节约能源。由于远红外干燥速度快，所需时间段，虽然单位时间能耗较大，但单位坯体所需能耗仍然较小。设备小巧，造价低，占地面积小，费用低。干燥效果好。坯体受热均匀，不易产生干燥缺陷。 综合干燥 综合干燥是一种强化干燥方法，由于几种方法同时采用，往往能使生坯快速干燥而不致出现干燥缺陷。常采用的综合干燥方法有如下几类：1、辐射干燥和热空气对流干燥相结合 目前采用热风-红外线干燥，坯体在开始干燥时所必须的热量由红外线供给，保证坯体热扩散和湿扩散方向一致。红外线照射加热一段时间后，内扩散被加快，接着喷射热风，使外扩散加快，如此反复进行，水分可迅速排出。2、电热干燥与红外干燥、热风干燥相结合 干燥含水率高的大型复杂坯件如注浆坯时，可以先用电热干燥以除去大部分水，然后再施釉后采用红外干燥、热风干燥交替进行，以除去剩余水分，可以大大缩短干燥时间同时又节约能源。 干燥技术的应用及设备厂的管理中国干燥技术现状n干燥设备的应用已有几十年的历史，但干燥设备的制造是近20年的事。n现约有干燥设备厂400余家，数量上是世界第一大国。n不论在干燥技术还是设备制造水平上，至今尚未在世界上有一定影响。 n国产的干燥设备主供国内市场，很少出口，即使偶尔出口，售价也不可观。 干燥技术的应用及设备厂的管理中国干燥技术与先进国家的差距n 1）基础研究的差距u自1975年在南京举行了第一次全国干燥技术会议以来，已开了8次会。但投入的力量不够，理论研究方面，与丹麦、加拿大、日本等国仍有距离。u仅靠几种干燥设备，并不能满足生产的需要，因为被干燥的物体是多种多样的。 干燥技术的应用及设备厂的管理中国干燥技术与先进国家的差距n 2）实验条件不足u至今，国内都没有一个完善的实验基地；u有些设备厂甚至没有一套实验装置；u设备设计中有很大的盲目性。 干燥技术的应用及设备厂的管理中国干燥技术与先进国家的差距n 3）加工技术的差距：干燥设备涉及到物料的输送、传热、流体运动、甚至粉碎等多种过程，对设备的要求较高。u加工手段、加工设备还采取传统的手工制造，在设备的使用功能、外观上都受到很大的影响。u手工制造的部件互换性差，不便于对设备的维修、易损件的互换； u象离心雾化器、高压泵、闪蒸干燥机的传动部件等机械零部件的加质精度、加工质量也较差。 干燥技术的应用及设备厂的管理中国干燥技术与先进国家的差距n 4）控制水平的差距n需要控制的参数：热量、风量、进料量、设备运行参数、在线测量仪器之间的联锁关系等。u国产干燥设备主要以手动或半自动控制为，各参数间的不能相互关联，操作中人为因素较多，客观上也影响产品质量。 u如处在降速干燥阶段时，需要时 间而不是热量，但由于控制不严，却仍处于加热状态，造成产品过程或水分过低，造成不必要的浪费。 干燥技术的应用及设备厂的管理中国干燥技术与先进国家的差距n 5）无特色产品u众多的干燥设备厂，主要集中在几个地域中仿制，几十家甚至近百家生产同一个机型。说明书、宣传资料如出一辙，以价格占市场；u专利产品少，产品的价格中，几乎没有技术这一项； u技术开发费用低。 干燥技术的应用及设备厂的管理中国干燥技术与先进国家的差距n 6）大型化技术落后u在石油化工、无机化工中使用的大型干燥设备，有相当部分现尚不能生产；u原因：过去各行业的产品产量都很小，没能上规模；大型设备都要进口。 干燥技术的应用及设备厂的管理中国干燥技术与先进国家的差距n 7）特殊物料干燥技术落后，如：u剧毒物料（农药、医药），主要难度在：系统设置 、尾气处理，有害成分在线监测以及意外情况的处理方法。u高温物料：如温度高达1000以上；u粘稠物料的干燥u易燃易爆物料的干燥：防爆与氧化 u低熔点物料的干燥u干燥过程有特殊现象的物料 干燥技术的应用及设备厂的管理中国干燥技术与先进国家的差距n 8）装备水平落后n完整干燥系统由多种设备、多种技术组成，如加热系统涉及到换或燃烧技术；电器涉及到自动控制技术；除尘系统涉及到非均相分离技术，有时还要涉及到环境保护方面的知识。u各配套设备间的组合不甚合理；u设备的标准化、系列化水平较落后，互换性差； u说明书中给出的参数可靠性不高，设备规格过于粗糙且不全；u控制水平、机电一体水平不高。 干燥技术的应用及设备厂的管理中国干燥技术与先进国家的差距n 9）设计理念的差距u中国设计时只考虑完成处理量这一个指标，缺少人性化设计思想。u人性化设计以人为本，为使用者负责，站在使用都的角度设计设备。u操作位置、观察孔、清洗孔、清洗方法、检修方式、专用工具等都要经过深思熟虑。 干燥技术的应用及设备厂的管理提高中国干燥技术与设备水平的建议n加强基础研究工作1.加强基础理论研究2.物料物性的研究3.自动化控制的研究4.高附加值特殊物料干燥的研究 5.放大效应的研究 干燥技术的应用及设备厂的管理提高中国干燥技术与设备水平的建议n提高用户对干燥设备的鉴别能力1.考察工厂：查是否有实验设备2.工作业绩：近段时间的生意3.工厂信誉：4.考察相同机型的工作状况； 5.考察相同或相似物料的干燥效果 干燥技术的应用及设备厂的管理提高中国干燥技术与设备水平的建议n现有设备改型u我国干燥设备在自动水平、加工质量、部件结构、人性化设计思想等与国外相比还有一定的差距。 u缺少物料实验过程，设备结构的针对性不强。 干燥技术的应用及设备厂的管理提高中国干燥技术与设备水平的建议n干燥技术保护n加强开发者的技术保护意识，n用法律手段依法保护技术开发者的合法权益。 干燥技术的应用及设备厂的管理提高中国干燥技术与设备水平的建议n培养综合性人才1.懂专业：既要有扎实的干燥专业知识和对干燥技术的理解能力，也要对机械、化工、自动控制、材料、机加工等有一定的了解；2.懂物料性质：物料的物性与产品的标准；3.懂管理：以销定产、单件生产，多是非标设备；学会协调设计者与制造者间的关系。 4.懂经济核算：准确地提出设备的配置情况报价单，价格应包括外购设备和外购材料、厂内设备制造费用、安装调试费用、生产费用、工厂管理费用和技术开发费用等。 干燥技术的应用及设备厂的管理提高中国干燥技术与设备水平的建议n加强与其它行业的技术渗透物料的处理：相应的行业规定、物料的物性及行业标准设备的制造：要用到很多行业的技术成果。设备的设计开发过程：与其它专业的技术渗透。