山理工硅酸盐工艺学课件02陶瓷工艺学-6干燥

据统计，干燥过程中的能耗占燃料总消耗的15%，故干燥过程的节能是关系到企业节能的大事。一条日产万平方米地砖线，日干燥水分达10吨左右；一条年产1000万件的日用瓷线，每日干燥水分达2吨；年产50万件卫生洁具规模的各种生产线，每日干燥水分达16吨。这些水分蒸发需要耗用热能、通风能；干燥过程还要讲究稳定、均匀和速度，不然会出现开裂、色差、变形等缺陷；含有很多水汽和有害物的干燥气体的排放需要考虑不对环境造成损害。干燥速度快、节能、优质、无污染等是新世纪对干燥技术的基本要求。陶瓷工业的干燥经历了自然干燥、室式烘房干燥，到现在的各种热源的连续式干燥器、远红外干燥器、太阳能干燥器和微波干燥技术。这些年来干燥工艺的最大进步就是由不可控的自然干燥走向可控的强制干燥（人工干燥）。借助热能使物料脱水的过程称为干燥。坯体干燥的目的：降低坯体的含水率，使坯体具有足够的吸附釉浆的能力；提高坯体的机械强度，减少在搬运和加工过程中的破损；使坯体具有最低的入窑水分，缩短烧成周期，降低燃料消耗。第六章干燥一、坯体中水的结合形式物理水：结合水与非结合水分为化学水：包括结构水和结晶水

干燥过程只涉及物理水第一节干燥原理和干燥过程存在于坯体的大毛细管内，与坯体结合松弛。坯体中非结合水的蒸发就像自由液面上水的蒸发一样，坯体表面水蒸气的分压力等于其表面温度下的饱和水蒸汽分压力。坯体中非结合水排出时，物料的颗粒彼此靠拢，因此发生体积收缩，故非结合水又称为收缩水。1.非结合水（机械结合水、自由水）存在于坯体微毛细管(直径小于0.1μｍ)内及胶体颗粒表面的水，与坯体结合比较牢固，结合水排出时，坯体表面水蒸汽的分压小于坯体表面温度下的饱和水蒸汽分压力。

2.物理化学结合水（大气吸附水）干燥过程中当坯体表面水蒸汽分压力等于周围干燥介质的水蒸汽分压力时，干燥过程即停止，水分不能继续排出，此时坯体中所含的水分即为平衡水。平衡水是结合水的一部分，它的多少取决于干燥介质的温度和相对湿度。基本概念：平衡水：以对流干燥过程为例，坯体的干燥过程可以分为：传热过程、外扩散过程、内扩散过程，3个过程同时进行又相互联系。二、干燥过程传热过程：干燥介质的热量以对流方式传给坯体表面，又以传导方式从表面传向坯体内部的过程。坯体表面的水分得到热量而汽化，由液态变为气态。二、干燥过程外扩散过程：坯体表面产生的水蒸汽，通过层流底层，在浓度差的作用下，由坯体表面向干燥介质中移动。基本概念：外扩散内扩散过程：由于湿坯体表面水分蒸发，使其内部产生湿度梯度，促使水分由浓度高的内层向浓度较低的外层扩散，称湿传导或湿扩散。基本概念：内扩散

在干燥条件稳定的情况下，假定干燥过程中坯体不发生化学反应，干燥介质恒温恒湿，则坯体表面温度、水分含量、干燥速率与时间有一定的关系，根据它们之间关系的变化特征，可以将干燥过程分为:加热阶段、等速干燥阶段、降速干燥阶段3个过程（见下图）。干燥过程ⅠⅡⅢ坯体的表面温度/℃坯体含水量/%干燥速度/Kg/m2·h时间kAz干燥速度坯体含水量坯体表面温度由于干燥介质在单位时间内传给坯体表面的热量大于表面水分蒸发所消耗的热量，因此受热表面温度逐渐升高，直至等于干燥介质的湿球温度（此时表面获得热与蒸发消耗热达到动态平衡，温度不变）。此阶段坯体水分减少，干燥速率增加。

Ⅰ加热阶段：由于坏体含水分较高，表面蒸发了多少水量，内部就能补充多少水量，即坯体内部水分移动速度（内扩散速度）等于表面水分蒸发速度（外扩散速度），所以表面维持潮湿状态。介质传给坯体表面的热量等于水分汽化所需的热量，所以坯体表面温度不变，等于介质的湿球温度。坯体表面的水蒸汽分压等于表面温度下饱和水蒸汽分压，干燥速率稳定，故称等速干燥阶段。

Ⅱ等速干燥阶段：本阶段排出非结合水，故坯体产生体积收缩，收缩量与水分降低量成直线关系，若操作不当，干燥过快，坏体极易变形、开裂、造成干燥废品。等速干燥阶段结束时，物料水分降低到临界值。

Ⅱ等速干燥阶段：等速干燥阶段的干燥速度，取决于外扩散速率，此时干燥介质的条件影响干燥速率。

由于坯体含水量减少，内扩散速度赶不上外扩散速度，表面不再维持潮湿，干燥速率逐渐降低。由于表面水分蒸发所需热量减少，物料温度开始逐渐升高。物料表面水蒸汽分压小于表面温度下饱和水蒸汽分压。

Ⅲ降速干燥阶段：排出结合水，坏体不产生体积收缩，不会产生干燥废品。

降速干燥阶段的干燥速度，取决于内扩散速率，故又称内扩散控制阶段，此时物料的结构、形状、尺寸等因素影响着干燥速率。

Ⅲ降速干燥阶段：干燥过程：传热过程、外扩散过程、内扩散过程影响干燥速率的因素有：传热速率、外扩散速率、内扩散速率。

三、影响干燥速度的因素提高干燥介质温度，如提高干燥窑中的热气体温度，增加热风炉等，但不能使坯体表面温度升高太快，避免开裂；增加传热面积；如改单面干燥为双面干燥，分层码坯或减少码坯层数，增加与热气体接触面；提高对流传热系数。（一）加快传热速率水分的内扩散速率是由湿扩散和热扩散共同作用的。湿传导（湿扩散）：由于水分浓度差（湿度差）而引起的水分传导，水分子从高湿处向低湿处移动。热湿传导（热扩散）：由于温度差而引起的水分传导，水分子如何移动？（二）影响内扩散的因素T1T2水在毛细管内，温度梯度T1＞T2，热湿传导方向？解释原因。问题：＞热湿传导与湿传导两者方向一致时，则热湿传导起加速的作用，则内扩散速度加快：反之热湿传导起阻碍作用，降低内扩散速度。组成坯体物料的性质；颗粒粗、瘠性物料多。坯体表面与内部的湿度差；生坯温度。①温度升高，水的粘度、表面张力降低，内扩散阻力降低，提高内扩散速度；②采取措施使坯体温度梯度与湿度梯度一致，加快内扩散速度。可采用内热式干燥法如电热干燥、辐射干燥等方法。影响生坯内扩散速度的主要因素：当干燥处于等速干燥阶段时，外扩散阻力成为左右整个干燥速率的主要矛盾。V=Βc(C表-C介)=Βp(P表-P介)=α(T介-T表)/ηΒc----扩散速度系数α——从空气给蒸发表面上的给热系数Βp——蒸发系数η——在T表时蒸发1Kg水分所需的热量（三）影响外扩散的因素提高外扩散速度的措施：增大介质流速，减薄边界层厚度等，提高对流传热系数，也可提高对流传质系数；降低介质的水蒸汽浓度；增加传质面积。1.干燥方式：热分—红外线干燥；微波—真空干燥等2.坯体的厚度和形状3.干燥器的结构及坯体在干燥器中的放置方式与位置（四）其它影响因素第二节干燥方法按干燥方法不同进行分类，可分为：对流干燥，其特点是利用气体作为干燥介质，以一定的速度吹拂坯体表面，使坯体得以干燥。辐射干燥，其特点是利用红外线、微波炉等电磁波的辐射能，照射被干燥的坯体使其得以干燥。联合干燥，其特点是综合利用2种以上干燥方法发挥它们各自的特长，优势互补，往往可以得到更理想的干燥效果。按干燥制度是否连续分为：间歇式干燥器和连续式干燥器。连续式干燥器按干燥介质与坯体的运动方向不同又分为：顺流、逆流和混流；按干燥器的外形不同分为室式干燥器、隧道式干燥器等。

一、热空气干燥（对流干燥）利用热气体（烟气或热空气）的对流传热作用，将热传给坯体，使坯体内水分蒸发而干燥。热空气主要来源于窑炉冷却带的余热、烟气换热后的热空气、蒸气换热后的热空气以及燃料加热炉生成的热空气等。热空气干燥制度1．低湿高温干燥法在整个干燥过程中，干燥室内采用低湿度的热空气作介质，使坯体始终处于湿度低、温度高的状态。这种方法使坯体表面的水分蒸发很快，而传导到坯体内部的热量较少。因而，低湿高温干燥一方面造成内外温差增，另一方面由于毛细管缩小导致表面产生收缩，阻碍了水分的内扩散，极易造成坯体变形、开裂等缺陷。此法仅适用于壁薄、小件制品，而不宜用来干燥大件、胎厚的制品。热空气干燥制度2．低湿升温干燥法在整个干燥过程中，使热空气始终保持低的湿度，并使介质温度逐渐升高。目的是使坯体的干燥速度由小到大逐渐增加，从而减小坯体的内外温差和内扩散阻力，以保证坯体内外扩散速度的相互适应，避免坯体因内外扩散不平衡所产生的各种缺陷。此法多用于干燥大而厚的制品，但其干燥时间长，干燥效率也低。热空气干燥制度3．调节湿度—温度干燥法在整个干燥过程中，按照干燥的规律和特点，合理调节干燥介质的温度和湿度，从而控制坯体的干燥速度。干燥初期用水蒸气饱和的热空气来加热坯体，以抑制坯体表面水分的蒸发速度。待坯体内外被均匀加热后，再降低干燥介质的湿度，使水分较均匀地扩散。这样可避免因热应力所引起的变形和开裂，同时也可缩短干燥时间。适用于大型、厚壁、形状较复杂的制品。快速对流干燥一般对流干燥器中，干燥介质流速较小，2～4m/s，对流传热系数小，对流传热阻力大，干燥速度受限；快速对流干燥（强风干燥技术）：利用喷嘴将热空气（80～300℃）对准坯体高速喷射（10～30m/s）

就是将工频电(50Ｈｚ)通过坯体，由于坯体的电阻作用使得整个坯体均匀升温干燥，达到了既升温又无温度梯度的目的。缺点是干燥前的准备工作很麻烦，而且它只适合单件产品干燥。二、工频电干燥vA工频电干燥示意图电极坯体三、远红外干燥技术大部分物体吸收红外的波长范围都在远红外区，水和陶瓷坯体在远红外区也有强的吸收峰，能够强烈地吸收远红外线，产生激烈的共振现象，使坯体迅速变热而使之干燥。且远红外对被照物体的穿透深度比近、中红外深。因此采用远红外干燥陶瓷更合理。远红外干燥比一般的热风、电热等加热方法具有高效快干、节约能源、节省时间、使用方便、干燥均匀、占地面积小等优点，从而达到了高产、优质、低消耗的优良效果。微波是指介于高频与远红外线之间的电磁波，波长为0.001～1ｍ，频率为300～300000ＭＨｚ。微波干燥是用微波照射湿坯体，电磁场方向和大小随时间作周期性变化使坯体内极性水分子随着交变的高频电场变化，使分子产生剧烈的转动，发生摩擦转化为热能，达到坯体整体均匀升温、干燥的目的。四、微波干燥技术微波的发射功率与频率成正比;而穿透率与频率成反比。小件薄壁坯体微波频率2450MHz;大而厚的坯体频率为915MHz四、微波干燥技术微波干燥的特点：均匀快速。微波具有较大的穿透能力，加热表里同时进行，不管坯体的形状如何复杂，内部水分可以很快地被加热并直接蒸发出来，这使得坯体脱水快，脱模均匀，变形小，不易产生裂纹；具有选择性，微波加热与物质的本身性质有关。在一定频率的微波场中，水由于其介质损耗比其它干物料大，故水分比其它物料的吸热量大得多；热效率高、反应灵敏，由于热量直接来自于干燥物料内部，热量在周围介质中的损耗极少，加上微波加热腔本身不吸热，不吸收微波，全部发射作用于坯体，热效率高。第三节干燥缺陷分析干燥过程中坯体常见的缺陷是变形和开裂。与干燥制度和加工工艺密切相关。总的来讲是由于干燥不均匀，坯体内部产生应力作用的结果。其原因可以归纳为下列几个方面：(1)坯料配方中，塑性粘土太多或不足，原料颗粒过粗或过细，或坯料混合不均匀。(2)坯料含水率太多，或水分分布不均匀。(3)练泥或成形时泥料组织中所形成的颗粒定向排列，及由此引起的收缩应力未能完全排除。(4)成形时受压不匀，坏体各部位致密程度不同，以至收缩也不同。第三节干燥缺陷分析(5)干燥制度控制不当，坯体内部产生应力，若应力大于可塑状态坯体屈服值时，坯体变形。若应力超过坯体弹性状态强度时，就会造成开裂。(6)干燥不匀。在干燥器中气流仅向一个方向流动，或干燥器内温度不匀，或石育模各部位的吸水率不同，在干燥时都会引起收缩不