第3章 133 坯體干燥

1、材料科學與工程學院材料科學與工程學院1.3.3 1.3.3 生坯的干燥生坯的干燥定義：定義：目的：目的： 1. 提高生坯強度，便于修坯、搬運、施釉、提高生坯強度，便于修坯、搬運、施釉、燒成等后序加工；燒成等后序加工； 2. 提高吸釉能力；提高吸釉能力； 3. 縮短燒成周期，降低能耗縮短燒成周期，降低能耗材料科學與工程學院材料科學與工程學院一、坯體中水分類型和干燥關系一、坯體中水分類型和干燥關系 按生坯與水結合形式：化學結合水、吸附水、按生坯與水結合形式：化學結合水、吸附水、自由水；自由水； 1.1.化學結合水化學結合水 原料礦物分子結構內(nèi)的水分，如結晶水、結構原料礦物分子結構內(nèi)的水分，如結晶水

2、、結構水等。水等。 如高嶺土如高嶺土(Al(Al2 2O O3 32 2SiOSiO2 22H2H2 2O O）中的結晶水。結）中的結晶水。結合最為牢固，干燥工藝中一般不予考慮。合最為牢固，干燥工藝中一般不予考慮。第一節(jié)第一節(jié) 干燥原理干燥原理材料科學與工程學院材料科學與工程學院2.2.大氣吸附水大氣吸附水 又稱為物理化學結合水又稱為物理化學結合水 吸附水（通過物料表面吸附形成的水膜以及水與物料顆粒形吸附水（通過物料表面吸附形成的水膜以及水與物料顆粒形成的多分子和單分子吸附層水膜）、滲透水（依靠物料組織壁內(nèi)成的多分子和單分子吸附層水膜）、滲透水（依靠物料組織壁內(nèi)外間的水分濃度差滲透形成的水）、

3、微孔水（半徑小于外間的水分濃度差滲透形成的水）、微孔水（半徑小于1010-8-8m m）、）、毛細管水（半徑介于毛細管水（半徑介于1010-8-81010-6-6m m）以及結構水（存在于物料組織）以及結構水（存在于物料組織內(nèi)部的水分，如膠體中水或?qū)娱g水）。內(nèi)部的水分，如膠體中水或?qū)娱g水）。 吸附水與物料的結合為最強。吸附水與物料的結合為最強。 受組成和環(huán)境（溫度、濕度）影響，干燥時較難除去。受組成和環(huán)境（溫度、濕度）影響，干燥時較難除去。 材料科學與工程學院材料科學與工程學院3.3.自由水自由水 潤濕水、大孔隙水及粗毛細管水（半徑大于潤濕水、大孔隙水及粗毛細管水（半徑大于1010-5-5m

4、m）。）。與物料的結合最弱，干燥過程中被排除存在吸附水層之外，與物料的結合最弱，干燥過程中被排除存在吸附水層之外，顆粒之間，是成型所需的外加水分，干燥最易排除。由于干顆粒之間，是成型所需的外加水分，干燥最易排除。由于干燥中生坯體積的收縮量大約等于排除的自由水體積，固又稱燥中生坯體積的收縮量大約等于排除的自由水體積，固又稱收縮水收縮水。 注意收縮。注意收縮。 按干燥過程中水分排除的限度來分，可以將物料中的水按干燥過程中水分排除的限度來分，可以將物料中的水分為平衡水分和可排除水分。分為平衡水分和可排除水分。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 平衡水分平衡水分: : 濕物料在干燥過程中其表面水蒸氣

5、濕物料在干燥過程中其表面水蒸氣分壓與干燥介質(zhì)中水蒸氣分壓達到動態(tài)平穩(wěn)時，物分壓與干燥介質(zhì)中水蒸氣分壓達到動態(tài)平穩(wěn)時，物料中的水分就不會繼續(xù)減少，此時物料中的水分就料中的水分就不會繼續(xù)減少，此時物料中的水分就稱為平衡水分，稱為平衡水分， 可排除水分可排除水分: : 高于平衡水分的水分稱為可排除高于平衡水分的水分稱為可排除水分。溫度越高，濕度越低，物料中的平衡水分越水分。溫度越高，濕度越低，物料中的平衡水分越低。低。材料科學與工程學院材料科學與工程學院自由水與大氣吸附水平衡圖自由水與大氣吸附水平衡圖材料科學與工程學院材料科學與工程學院二、干燥過程二、干燥過程 既是傳熱過程，也是傳質(zhì)過程既是傳熱過程

6、，也是傳質(zhì)過程 ，由此可歸為三個，由此可歸為三個過程：過程： 1 1）傳熱過程）傳熱過程 - - 水獲得熱量而汽化；水獲得熱量而汽化； 2 2）外擴散過程）外擴散過程 - - 蒸發(fā)水分由生坯表面擴散到外蒸發(fā)水分由生坯表面擴散到外界去；界去； 3 3）內(nèi)擴散過程）內(nèi)擴散過程 - - 水分自生坯內(nèi)部向表面擴散；水分自生坯內(nèi)部向表面擴散； 三過程同時進行，既與干燥條件有關，也與生坯三過程同時進行，既與干燥條件有關，也與生坯結構、特性有關；結構、特性有關；材料科學與工程學院材料科學與工程學院 干燥過程可以分為四個階段干燥過程可以分為四個階段： （1 1）加熱階段；）加熱階段； （2 2）等速干燥階段；

7、）等速干燥階段； （3 3）降速干燥階段。）降速干燥階段。 （4）平衡階段平衡階段材料科學與工程學院材料科學與工程學院材料科學與工程學院材料科學與工程學院（一）加熱階段（一）加熱階段 在干燥的初期階段，干燥介質(zhì)傳給物料的熱量大于物料中水在干燥的初期階段，干燥介質(zhì)傳給物料的熱量大于物料中水分蒸發(fā)所需熱量，物料溫度升高，水分蒸發(fā)量升高，達到一種動分蒸發(fā)所需熱量，物料溫度升高，水分蒸發(fā)量升高，達到一種動態(tài)平衡。態(tài)平衡。（二）等速干燥階段（二）等速干燥階段 在等速干燥階段，干燥介質(zhì)傳給物料的熱量等于物料中水分在等速干燥階段，干燥介質(zhì)傳給物料的熱量等于物料中水分蒸發(fā)所需熱量，所以物料溫度保持不變。內(nèi)擴散

8、速率大于外擴散蒸發(fā)所需熱量，所以物料溫度保持不變。內(nèi)擴散速率大于外擴散速率，又稱為速率，又稱為外擴散控制階段外擴散控制階段。 特點：外擴散控制階段；自由水大量排除，坯體收縮量近似特點：外擴散控制階段；自由水大量排除，坯體收縮量近似等于排除自由水體積，如操作不當，坯體易變形開裂。等于排除自由水體積，如操作不當，坯體易變形開裂。材料科學與工程學院材料科學與工程學院（三）降速干燥階段（三）降速干燥階段 內(nèi)擴散速率小于外擴散速率，物料表面不再保持濕潤，內(nèi)擴散速率小于外擴散速率，物料表面不再保持濕潤，稱為稱為內(nèi)擴散控制階段內(nèi)擴散控制階段。 當物料的水分達到平衡水分時，干燥速率降到零，這時當物料的水分達到

9、平衡水分時，干燥速率降到零，這時干燥過程終止。干燥過程終止。 特點：特點：內(nèi)內(nèi)擴散控制階段；排除的是大氣吸附水，坯體擴散控制階段；排除的是大氣吸附水，坯體體積不收縮，不會造成廢品。體積不收縮，不會造成廢品。（四）平衡階段（四）平衡階段材料科學與工程學院材料科學與工程學院材料科學與工程學院材料科學與工程學院第二節(jié)第二節(jié) 干燥制度的確定干燥制度的確定干燥制度： 根據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量要求確定干燥方法及干燥過程中各階段應選用的干燥參數(shù)干燥參數(shù)： 干燥速度、干燥介質(zhì)種類、濕度、溫度、流量、流速等原則： 最短的時間內(nèi)獲得無干燥缺陷生坯材料科學與工程學院材料科學與工程學院一、干燥速度一、干燥速度 指單位時間內(nèi)，單

10、位面積上水分的排出量。指單位時間內(nèi)，單位面積上水分的排出量。材料科學與工程學院材料科學與工程學院影響因素：影響因素：（一）外擴散速度（一）外擴散速度 干燥介質(zhì)及生坯表面的蒸氣分壓、干燥介質(zhì)及生干燥介質(zhì)及生坯表面的蒸氣分壓、干燥介質(zhì)及生坯表面的溫度，干燥介質(zhì)的流速和方向，生坯表面粘坯表面的溫度，干燥介質(zhì)的流速和方向，生坯表面粘滯氣膜的厚度、熱量的供給方式、干燥方法滯氣膜的厚度、熱量的供給方式、干燥方法材料科學與工程學院材料科學與工程學院1 1、干燥介質(zhì)的溫度、干燥介質(zhì)的溫度 干燥介質(zhì)的溫度干燥介質(zhì)的溫度tt，物料與介質(zhì)的溫度差，物料與介質(zhì)的溫度差tt，傳熱速，傳熱速度度，傳熱量，傳熱量QQ，干燥

11、速度，干燥速度vv2 2、干燥介質(zhì)的濕度、干燥介質(zhì)的濕度 介質(zhì)的相對濕度介質(zhì)的相對濕度，水分汽化速度，水分汽化速度，干燥速度，干燥速度ww。3 3、干燥介質(zhì)的流速、干燥介質(zhì)的流速 介質(zhì)的流速介質(zhì)的流速ww，q q對流對流，干燥速度，干燥速度vv；流體與物料表；流體與物料表面的層流底層厚度面的層流底層厚度層層，對傳熱、傳質(zhì)都有利。，對傳熱、傳質(zhì)都有利。 ww，物料飛揚損失，物料飛揚損失，介質(zhì)熱利用率，介質(zhì)熱利用率，流體阻力，流體阻力，能耗能耗。 一般出口風速：一般出口風速：1.51.53.0m/s3.0m/s。材料科學與工程學院材料科學與工程學院4 4、干燥介質(zhì)與物料的接觸面、干燥介質(zhì)與物料的接

12、觸面 干燥介質(zhì)與物料的接觸面干燥介質(zhì)與物料的接觸面FF，干燥速度，干燥速度vv。 增加接觸面的方法：增加接觸面的方法：將固體物料破碎將固體物料破碎 使物料懸浮在干燥介質(zhì)中干燥使物料懸浮在干燥介質(zhì)中干燥 在回轉烘干機內(nèi)增加揚料板在回轉烘干機內(nèi)增加揚料板5 5、物料的性質(zhì)、結構、物料的性質(zhì)、結構 物料的性質(zhì)、結構不同，它的化學組成與水的結合方式不同，物料的性質(zhì)、結構不同，它的化學組成與水的結合方式不同，有的物料以非結合水為主，有的物料以結合水為主。有的物料以非結合水為主，有的物料以結合水為主。 物料中結合水物料中結合水，干燥時間，干燥時間，干燥速度，干燥速度。材料科學與工程學院材料科學與工程學院6

13、 6、物料的水分量、物料的水分量 物料的初水分、終水分、臨界水分決定著等速階段、降速階段物料的初水分、終水分、臨界水分決定著等速階段、降速階段的長短，影響干燥時間，即影響干燥速度。的長短，影響干燥時間，即影響干燥速度。7 7、干燥機的構造、干燥機的構造 合理的尺寸、結構型式，良好的密封和操作情況，以及適當?shù)睾侠淼某叽纭⒔Y構型式，良好的密封和操作情況，以及適當?shù)靥岣呋剞D烘干機的轉速，將有利于提高干燥速度速度，縮短干燥時提高回轉烘干機的轉速，將有利于提高干燥速度速度，縮短干燥時間。間。材料科學與工程學院材料科學與工程學院（二）內(nèi)擴散速率（二）內(nèi)擴散速率 內(nèi)因：含水率、生坯的組成與結構等。內(nèi)因：含水

14、率、生坯的組成與結構等。 外因：生坯溫度外因：生坯溫度 內(nèi)擴散：濕擴散、熱擴散。內(nèi)擴散：濕擴散、熱擴散。 濕擴散濕擴散是指在水分濃度差的作用下，水分從物料內(nèi)濃度高是指在水分濃度差的作用下，水分從物料內(nèi)濃度高的的地方向濃度低的地方的遷移過程。濕擴散速率與物料制品的的地方向濃度低的地方的遷移過程。濕擴散速率與物料制品的厚度有關，因此減薄制品的厚度可以提高干燥速率。的厚度有關，因此減薄制品的厚度可以提高干燥速率。 熱擴散熱擴散是指在溫度差的作用下，水分從物料內(nèi)溫度高的地是指在溫度差的作用下，水分從物料內(nèi)溫度高的地方向溫度低的地方的遷移過程。用方向溫度低的地方的遷移過程。用內(nèi)部內(nèi)部加熱方式，物料內(nèi)部溫

15、加熱方式，物料內(nèi)部溫度高于表面溫度，熱擴散成為干燥的動力。應盡可能采用內(nèi)部度高于表面溫度，熱擴散成為干燥的動力。應盡可能采用內(nèi)部加熱方式或其它使熱擴散能夠成為干燥動力的加熱方式。加熱方式或其它使熱擴散能夠成為干燥動力的加熱方式。材料科學與工程學院材料科學與工程學院第三節(jié)第三節(jié) 干燥方法干燥方法 分為：分為： 自然干燥和人工干燥（機械干燥）。自然干燥和人工干燥（機械干燥）。 自然干燥特點自然干燥特點：不消耗動力和燃料，操作簡便，但是干燥速：不消耗動力和燃料，操作簡便，但是干燥速度慢，產(chǎn)量低，勞動強度高，受氣候條件的影響大，不適合于工度慢，產(chǎn)量低，勞動強度高，受氣候條件的影響大，不適合于工業(yè)規(guī)模的

16、生產(chǎn)。業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。 人工干燥特點人工干燥特點：干燥速度快，產(chǎn)量大，不受氣候條件的限制，：干燥速度快，產(chǎn)量大，不受氣候條件的限制，便于實現(xiàn)自動化，適合于工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。便于實現(xiàn)自動化，適合于工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 人工干燥的加熱方式：人工干燥的加熱方式： （1 1）外熱源法；）外熱源法； （2 2）內(nèi)熱源法。）內(nèi)熱源法。 外熱源法：外熱源法：是指在物料的外部對物料表面加熱使物料受熱，是指在物料的外部對物料表面加熱使物料受熱，蒸發(fā)水分，而得以干燥。外熱源法的加熱方式：蒸發(fā)水分，而得以干燥。外熱源法的加熱方式： （a a）對流加熱）對流加熱; ; （b b）輻射加熱）

17、輻射加熱; ; （c c）對流）對流- -輻射加熱。輻射加熱。 材料科學與工程學院材料科學與工程學院 內(nèi)熱源法：內(nèi)熱源法：是將濕物料放在高頻交變的電磁場中或微波場中，是將濕物料放在高頻交變的電磁場中或微波場中，使物料本身的分子產(chǎn)生劇烈的熱運動發(fā)熱或使交變電流通過物料使物料本身的分子產(chǎn)生劇烈的熱運動發(fā)熱或使交變電流通過物料而產(chǎn)生熱量，物料中水分蒸發(fā)，得以干燥。而產(chǎn)生熱量，物料中水分蒸發(fā)，得以干燥。 微波干燥微波干燥 紅外干燥紅外干燥 電干燥電干燥 最為廣泛的還是外熱源法中的對流加熱，加熱物料的介質(zhì)為最為廣泛的還是外熱源法中的對流加熱，加熱物料的介質(zhì)為干燥介質(zhì)，干燥介質(zhì)通常是熱空氣或熱煙氣。干燥介

18、質(zhì)，干燥介質(zhì)通常是熱空氣或熱煙氣。 材料科學與工程學院材料科學與工程學院1. 1. 對流干燥對流干燥 原理：熱空氣或熱煙氣，對流傳熱 特點：熱擴散方向與濕度擴散方向相反 設備：室式、隧道式、立式、鏈式、輥道式干燥機 優(yōu)缺點：簡單、生產(chǎn)效率高、應用廣、速度慢、周期長材料科學與工程學院材料科學與工程學院材料科學與工程學院材料科學與工程學院材料科學與工程學院材料科學與工程學院材料科學與工程學院材料科學與工程學院 對流干燥，設備簡單，熱源易于獲得，溫度和流速易于對流干燥，設備簡單，熱源易于獲得，溫度和流速易于控制調(diào)節(jié)，但總的來說，熱擴散方向與濕擴散方向相反，不控制調(diào)節(jié)，但總的來說，熱擴散方向與濕擴散方

19、向相反，不利于干燥速度提高。利于干燥速度提高。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2. 2. 工頻干燥工頻干燥 加在生坯端面電極上的工頻交變電壓，在坯內(nèi)產(chǎn)生電流而發(fā)加在生坯端面電極上的工頻交變電壓，在坯內(nèi)產(chǎn)生電流而發(fā)熱，屬于內(nèi)熱式干燥。含水率高的部位電阻小、通過的電流大，熱，屬于內(nèi)熱式干燥。含水率高的部位電阻小、通過的電流大，產(chǎn)生的熱量也大。產(chǎn)生的熱量也大。 電熱干燥效率較高，如電瓷生坯一般電熱干燥效率較高，如電瓷生坯一般10-1510-15天陰干，電熱干天陰干，電熱干燥僅要燥僅要4 4小時；含水率小時；含水率1313的泥漿注漿成型的玻璃池窯大磚的泥漿注漿成型的玻璃池窯大磚( (單重單重300

20、kg300kg以上以上) )，脫模后若要把水分降到，脫模后若要把水分降到6 6，采取自然陰干需幾十，采取自然陰干需幾十天，采用電干約需天，采用電干約需1515天。天。特點：特點：（1 1）能實現(xiàn)均勻干燥）能實現(xiàn)均勻干燥（2 2）熱擴散、濕擴散方向一）熱擴散、濕擴散方向一致，干燥速度快，單位熱耗小。致，干燥速度快，單位熱耗小。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 原理：工頻交變電流，電能轉化為熱能；原理：工頻交變電流，電能轉化為熱能； 特點：同時加熱，熱擴散方向與濕度擴散方向一特點：同時加熱，熱擴散方向與濕度擴散方向一致；致； 設備：變壓器、電極；設備：變壓器、電極； 優(yōu)缺點：快、均勻、耗能少、

21、簡單、不安全、適優(yōu)缺點：快、均勻、耗能少、簡單、不安全、適于高含水量于高含水量材料科學與工程學院材料科學與工程學院 以高頻或相應頻率的電磁波輻射使生坯內(nèi)產(chǎn)生松弛極化，轉以高頻或相應頻率的電磁波輻射使生坯內(nèi)產(chǎn)生松弛極化，轉化為干燥的熱能。化為干燥的熱能。 這種方法干燥很快，生坯溫度這種方法干燥很快，生坯溫度6060時，汽化量可能超過蒸時，汽化量可能超過蒸汽逸出量使坯內(nèi)壓強增高，甚至鼓脹開裂，應控制生坯溫度。汽逸出量使坯內(nèi)壓強增高，甚至鼓脹開裂，應控制生坯溫度。當以含水率當以含水率6.96.9的的1521521521525mm5mm的面磚生坯單片通過這種的面磚生坯單片通過這種干燥器，由進到出僅干燥

22、器，由進到出僅5 5分鐘，含水率降到分鐘，含水率降到0.550.55。目前僅用來快。目前僅用來快速干燥電子陶瓷生坯。速干燥電子陶瓷生坯。電耗一般高達電耗一般高達2.5-3.0kWh2.5-3.0kWhkgkg水，不經(jīng)濟。水，不經(jīng)濟。3. 3. 高頻干燥高頻干燥 材料科學與工程學院材料科學與工程學院4. 4. 微波干燥微波干燥 是以微波（是以微波（0.001 1m, 300 300*103MHz) )輻射使生坯內(nèi)極性輻射使生坯內(nèi)極性強的分子，主要是水分子運動隨交變電場的變化而加劇，發(fā)生摩強的分子，主要是水分子運動隨交變電場的變化而加劇，發(fā)生摩擦而轉化為熱能使生坯干燥的方法。擦而轉化為熱能使生坯干

23、燥的方法。 坯體單位時間、單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量與頻率、電場強坯體單位時間、單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量與頻率、電場強度及坯體的介質(zhì)損耗有關。度及坯體的介質(zhì)損耗有關。材料科學與工程學院材料科學與工程學院材料科學與工程學院材料科學與工程學院2. 2. 主要特點：主要特點：（1 1）均勻快速。熱、濕傳導方向一致）均勻快速。熱、濕傳導方向一致（2 2）具有選擇性）具有選擇性（3 3）熱效率高）熱效率高（4 4）干燥設備體小、輕巧，便于自控）干燥設備體小、輕巧，便于自控（5 5）具有微波輻射，需進行特殊防護。）具有微波輻射，需進行特殊防護。（6 6）設備費用高，耗電量大。）設備費用高，耗電量大。材料科學與工程學

24、院材料科學與工程學院6. 6. 近紅外與遠紅外干燥近紅外與遠紅外干燥1. 1. 原理原理 是利用紅外輻射元件發(fā)出的紅外線為被加熱物體所吸收，是利用紅外輻射元件發(fā)出的紅外線為被加熱物體所吸收，直接轉變?yōu)闊崮芏_到加熱干燥的方法。直接轉變?yōu)闊崮芏_到加熱干燥的方法。 水是紅外敏感物質(zhì)，在紅外線的作用下水分子的鍵長和鍵角水是紅外敏感物質(zhì)，在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，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，因此效率很高。干燥過程主要是由水分子大量吸收輻射能，因此效率很高。材料科學與工

25、程學院材料科學與工程學院2 2 紅外輻射器紅外輻射器管狀、燈狀、板狀等。均由三部分組成：管狀、燈狀、板狀等。均由三部分組成：（1 1）基體）基體（2 2）基體表面能輻射紅外線的涂層）基體表面能輻射紅外線的涂層（3 3）熱源及保溫裝置）熱源及保溫裝置 金屬基體或陶瓷基體：耐火材料、金屬基體或陶瓷基體：耐火材料、SiCSiC、鋯英石、不銹鋼、鋯英石、不銹鋼、鋁合金等。鋁合金等。 金屬氧化物和碳化物等。金屬氧化物和碳化物等。熱源：電加熱、煤氣加熱或燃油加熱等。熱源：電加熱、煤氣加熱或燃油加熱等。材料科學與工程學院材料科學與工程學院3 3 、紅外干燥的優(yōu)點、紅外干燥的優(yōu)點（1 1）干燥速度快，生產(chǎn)效率高）干燥速度快，生產(chǎn)效率高 輻射與干燥幾乎同輻射與干燥幾乎同時開始，無明顯的預熱時開始，無明顯的預熱階段。階段。 實際的例子很多，如：原用實際的例子很多，如：原用8080熱風干燥要熱風干燥要2