第3章干燥與排塑工藝

3.1干燥工藝第三章干燥與排塑工藝3.2排塑工藝內(nèi)容水與坯的結(jié)合形式、干燥過程。干燥制度、缺陷分析等。排塑目的、原理、方法等。要求重點掌握坯體干燥過程及產(chǎn)生缺陷的分析。要求掌握排塑目的、原理和方法。3.1干燥工藝第三章干燥與排塑工藝3.2排塑工藝定義借助熱能使坯料中的水分汽化，并由干燥介質(zhì)將水分帶走的過程。目的坯體經(jīng)干燥后強度得到提高，有利于搬運、裝窯和燒成；加速有機(jī)物的揮發(fā)，避免燒成過程中產(chǎn)生的不利（還原）氣氛；防止燒成初期因坯體水分大量的排出而造成廢品率過高。坯體經(jīng)干燥后留有2％左右的殘余水分即可。過分干燥的坯體邊角會有松脆現(xiàn)象，搬運時容易產(chǎn)生廢品，同時也不經(jīng)濟(jì)。但對燒成大型磚坯有時要求殘余水分達(dá)到0.2％以下。3.1.1概述化學(xué)結(jié)合水包括結(jié)構(gòu)水和結(jié)晶水。參與物質(zhì)結(jié)構(gòu)，與物料的結(jié)合有準(zhǔn)確的數(shù)量關(guān)系。結(jié)合形式最牢固，排除時必須有較高能量，不屬干燥內(nèi)容。如：Al2O3?2SiO2?2H2O吸附水物質(zhì)表面的原子有不飽和鍵，它與水分子間產(chǎn)生引力，從而出現(xiàn)潤濕于表面的吸附水層。排除吸附水無意義，因為坯體很快又從空氣中吸收水分達(dá)到平衡。3.1.2水與坯料的結(jié)合形式機(jī)械結(jié)合水又稱自由水，分布在物質(zhì)固體顆粒之間。包括潤濕水、空隙水及毛細(xì)管水。它與物料呈機(jī)械混合狀態(tài)，結(jié)合的牢固性最弱，在干燥過程中首先被排除。干燥過程只須排除自由水。機(jī)械結(jié)合水排除后，物料顆粒相互靠攏，體積收縮，因此這部分水又稱為收縮水。干燥初期干燥速率不宜過大，否則會產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力而導(dǎo)致變形開裂。干燥過程干燥過程中既有熱交換，又有質(zhì)交換，可以將其分為三個既同時進(jìn)行又相互聯(lián)系的過程。傳熱過程：干燥介質(zhì)的熱量以對流方式傳給坯體表面，又以傳導(dǎo)方式從表面?zhèn)飨蚺餍輧?nèi)部。坯體表面的水分得到熱量而汽化，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。3.1.3干燥過程&作用內(nèi)擴(kuò)散水膜溫度梯度濕度梯度外擴(kuò)散傳熱內(nèi)擴(kuò)散過程：由于濕坯體表面水分蒸發(fā)，使其內(nèi)部產(chǎn)生濕度梯度，促使水分由濃度較高的內(nèi)層向濃度較低的外層擴(kuò)散，稱濕傳導(dǎo)。外擴(kuò)散過程：坯體表面產(chǎn)生的水蒸汽，通過層流底層，在濃度差的作用下，以擴(kuò)散方式由坯體表面向干燥介質(zhì)中移動。內(nèi)擴(kuò)散水膜溫度梯度濕度梯度外擴(kuò)散傳熱當(dāng)坯體中存在溫度梯度時，也會引起水分的擴(kuò)散移動。移動方向指向溫度降低的方向，即與溫度梯度的指向相反。這種單由溫度梯度引起的水分移動稱熱濕傳導(dǎo)。實際干燥過程中，水分的內(nèi)擴(kuò)散過程一般包括濕傳導(dǎo)和熱濕傳導(dǎo)的共同作用。干燥階段：物料的干燥過程是由內(nèi)擴(kuò)散和外擴(kuò)散組成并伴隨有傳熱的傳質(zhì)過程，可分為四個階段：加熱階段：由于干燥介質(zhì)傳給坯體的熱量大于水分蒸發(fā)所需要的熱量，坯體表面溫度不斷升高，水分蒸發(fā)量隨之增大。到Ａ點時，傳給坯體的熱量等于水分蒸發(fā)所需要的熱量，坯體表面溫度停止升高，并等于干燥介質(zhì)的濕球溫度。在這一階段總的時間很短，排除的水分量不多。等速階段：該階段主要是排除物料中的非結(jié)合水，并產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，必須嚴(yán)格控制此階段的干燥速度；坯體內(nèi)部的水分在濃度梯度推動下，擴(kuò)散到表面，使坯體表面始終存在自由水。此階段的干燥速率取決于水蒸汽的外擴(kuò)散速率，故這一階段又稱為外擴(kuò)散控制階段。到達(dá)Ｋ點坯體表面不再有連續(xù)的自由水膜，此時坯體表面的水為吸附水，而內(nèi)部仍為自由水。降速階段：由等速干燥階段轉(zhuǎn)入降速干燥階段的轉(zhuǎn)折點K，稱為臨界點。此后坯體表面開始產(chǎn)生干涸現(xiàn)象，干燥速度開始下降。隨著坯體表面水分的逐漸減少，蒸發(fā)所需的熱量也逐漸減少，坯體表面溫度不斷升高，干燥速率下降直到為零，干燥過程結(jié)束。此階段內(nèi)擴(kuò)散速率小于外擴(kuò)散速率，表面水蒸發(fā)速率受內(nèi)擴(kuò)散速率限制，因此稱為內(nèi)擴(kuò)散控制階段。該階段為吸附水排除階段，干燥過程不再產(chǎn)生收縮，僅增加制品的孔隙。含水量多的坯體，具有完整的干燥過程曲線，而含水量少的坯體，等速干燥階段不明顯。影響干燥速度的因素影響內(nèi)擴(kuò)散的因素?zé)釢駛鲗?dǎo)方向與濕傳導(dǎo)方向一致性。微波干燥、遠(yuǎn)紅外干燥。坯料的顆粒組成和礦物組成：粗顆粒、瘠性料、毛細(xì)管粗、擴(kuò)散阻力小，有利于水分的擴(kuò)散。生坯的溫度以及內(nèi)外濕度差：溫度高，水分粘度小、表面張力小有利于擴(kuò)散。濕度差大，濕擴(kuò)散速度快。3.1.4干燥制度的確定內(nèi)擴(kuò)散形式熱濕傳導(dǎo)：溫度差引起的水分沿溫度梯度方向擴(kuò)散。熱端→冷端

濕傳導(dǎo)：濕度差引起的水分沿濕度方向的擴(kuò)散。濕端→干端影響外擴(kuò)散的因素表面水分汽化，向介質(zhì)擴(kuò)散。（表面水蒸氣分壓與介質(zhì)分壓差）相關(guān)因素：干燥介質(zhì)、生坯的溫度、干燥介質(zhì)的流速、方向。其它因素干燥方式坯體厚度和形狀干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及坯體放置位置是否合理。干燥介質(zhì)參數(shù)的確定介質(zhì)溫度坯體的大小、形狀、厚度、組成、含水率大件、復(fù)雜坯體低溫高濕高溫低濕（臨界點）；小件、簡單坯體高溫低濕干燥。帶石膏模干燥時溫度不大于70℃，否則模型強度降低。熱能的充分利用和設(shè)備的因素介質(zhì)溫度太高，熱效率低，傳熱設(shè)備使用壽命降低。介質(zhì)濕度濕度太低，干燥太快，容易產(chǎn)生變形和開裂。例如：大件的衛(wèi)生瓷坯體，通常采用分段干燥方法。介質(zhì)流速和流量提高介質(zhì)的流速和流量可以提高干燥速度。注意防止變形、開裂。通常可分為常溫干澡和加熱干燥兩種。常溫干燥：又稱為陰干或風(fēng)干。干燥效率低。加熱干燥：通過通電的方式使坯體干燥。干燥效率高。熱空氣干燥：對流干燥氣體。電熱干燥：坯體通電的內(nèi)熱式干燥。輻射干燥：不需干燥介質(zhì)，通過輻射電磁波進(jìn)行干燥?？煞譃椋焊哳l干燥、紅外干燥、微波干燥等。3.1.5干燥方法熱空氣干燥：包括室式干燥、隧道式干燥、噴霧干燥、鏈?zhǔn)礁稍锛盁岜酶稍?。室式干燥（室式烘房）分類：固定坯架式、活動坯車式；或暖氣式、熱風(fēng)式、溫度濕度可調(diào)式。特點：設(shè)備簡單，造價低廉，熱效率低，干燥周期長。隧道式干燥：工廠通常采用窯爐尾氣對坯體進(jìn)行干燥。鏈?zhǔn)礁稍锍＠盟淼栏G余熱與成形機(jī)、自動脫模機(jī)、修坯機(jī)配套形成自動流水線。適應(yīng)中、小件產(chǎn)品，熱效率高。國產(chǎn)鏈?zhǔn)礁稍餀C(jī)比較落后。輥道傳送式干燥近年來發(fā)展起來的一種與輥道窯一體（下層）的干燥方式。熱源：輥道窯余熱或熱風(fēng)機(jī)供熱。特點：熱效率高，干燥質(zhì)量好，干燥后可直接入窯燒成。噴霧干燥泥漿含水率：30％～50％造霧方式：壓力式、氣流式熱空氣溫度：400～600℃流體流動方式：逆流、順流式特點：工藝簡單，生產(chǎn)效率高、產(chǎn)量大，顆粒流動性好，坯體、強度高，致密度高。電熱干燥原理&特點將濕坯體作為電阻并聯(lián)于電路中，用焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱量使其水分蒸發(fā)而干燥。通常以錫箔或銅絲布作為引電極，用泥漿或樹脂粘貼在坯體的兩端，然后通以電流。隨著坯體的干燥，需隨逐漸增大電壓。一般干燥初期電壓為30~40V即可，到干燥后期增至220V。干燥時坯體整個斷面同時加熱，但表面由于水分蒸發(fā)及熱量散失，使表面的水分濃度和溫度均低于坯體中心，因而使熱、濕傳導(dǎo)具有一致的方向，從而提高了最大安全干燥速度。干燥形狀復(fù)雜的大型坯體時，安裝電極較困難，且后期當(dāng)坯體含水量低于6%時，能耗增大。輻射干燥原理&特點坯體中的水分選擇性吸收特定波長的電磁波，產(chǎn)生熱效應(yīng)，排除水分。設(shè)備簡單，易于實現(xiàn)自動化，干燥速度快，質(zhì)量好。包括：高頻干燥、微波干燥、紅外干燥。紅外干燥原理：利用坯體吸收紅外線產(chǎn)生熱量進(jìn)行干燥。因此該方法僅對紅外線敏感的物質(zhì)有效。根據(jù)水分子對紅外線的吸收特性，通常選擇的干燥波長為2.5～15um的遠(yuǎn)紅外線。特點：干燥速度快，效率高。節(jié)約能源，單位坯體能耗是近紅外的1/2，熱空氣干燥的1/3。高頻干燥原理：將待干燥的濕坯體置于高頻電場中，因電磁場的高頻振蕩，使坯體中的分子、電子等發(fā)生非同步的振蕩，產(chǎn)生熱效應(yīng)，使水分蒸發(fā)而干燥。坯體含水分越多或電場頻率越高，介電損耗越大，熱效應(yīng)亦越大，干燥速度相對也越快。特點：高頻電干燥使坯體內(nèi)部與表面的熱、濕傳導(dǎo)方向一致，提高了最大安全干燥速度。它不需要電極，可用于干燥形狀復(fù)雜的大型制品；但設(shè)備復(fù)雜，電能消耗大，且制品最終水分不夠均勻。微波干燥原理：微波輻射坯體內(nèi)強極性水分子，使其運動加劇而轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到干燥坯體的目的。為避免對雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等微波設(shè)備的干擾，對微波加熱干燥，各國都有規(guī)定的專用頻率。目前，主要采用了915MHz和2450MHz兩個頻率。特點：相比高頻加熱，微波干燥的頻率高、熱量大、加熱效果好。而且穿透深度比紅外干燥深，有利于熱濕傳導(dǎo)，使干燥過程快速均勻。但微波干燥設(shè)備費用高，耗電大，對人體也有輻射的傷害。

干燥過程主要依靠干燥介質(zhì)的傳熱和水分子的擴(kuò)散兩個過程來實現(xiàn)。因此，干燥速度與傳熱速度和擴(kuò)散速度有關(guān)。介質(zhì)溫度：溫度越高，介質(zhì)與坯體的溫差越大，干燥速度就越大。工廠通常使用高溫尾氣直接干燥，可獲得良好的傳熱效果。3.1.6干燥速度介質(zhì)相對濕度：相對濕度越低，水分汽化也就越快，干燥速度就越大。如采用高溫尾氣干燥，則應(yīng)增大排風(fēng)量以及時排除由于干燥后濕度增大的干燥介質(zhì)。介質(zhì)流速：流速越高，一方面對流傳熱量越大；另一方面，則可減薄坯體表面層流底層厚度（它是傳熱和蒸汽擴(kuò)散的主要阻力），對傳熱和傳質(zhì)都有好處，增加干燥速度。但是流速過大，流體阻力會增加，從而加大能量消耗。介質(zhì)與坯體的接觸面：接觸面越大，則干燥速度越高。坯體性質(zhì)與結(jié)構(gòu)：坯體結(jié)合水越多，干燥時間越長。結(jié)構(gòu)疏松的坯體易干燥。坯體含水率：坯體臨界水分太高或最終水分（干燥要求）過低，都會延長降速階段的時間，使總的干燥時間增長。干燥設(shè)備構(gòu)造：合理的尺寸、結(jié)構(gòu)，良好的密封和操作情況，以及適當(dāng)提高回轉(zhuǎn)烘干機(jī)的轉(zhuǎn)速，有利于提高干燥速度、短干燥時間。

坯體干燥過程常出現(xiàn)變形和開裂缺陷。產(chǎn)生的原因是多方面的，但就其本質(zhì)來講，都是來自不均勻收縮所引起的應(yīng)力作用。配方設(shè)計和坯料制備的原因坯料配方中塑性粘土太多、太少。坯料細(xì)度太粗、太細(xì)。坯料含水率太高，組分分布不均勻。練泥和成形過程造成顆粒的定向排列從而導(dǎo)致不均勻應(yīng)力。3.1.7干燥缺陷分析成形過程的原因成形時泥料受力不均勻，造成致密度不一致，收縮不均勻。模型吸水能力不均勻，造成不均勻收縮。干燥過程的原因干燥制度不合理。溫度、濕度、流速和方向控制不當(dāng)。干燥太快；介質(zhì)濕度太大引起水分冷凝于坯體上。坯體放置不平衡或放置方法不當(dāng)局部收縮阻力太大。器型設(shè)計不合理結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄厚不均勻。3.1干燥工藝第三章干燥與排塑工藝3.2排塑工藝特種陶瓷成型時，多采用有機(jī)塑化劑或粘結(jié)劑，如：熱壓鑄成型中的石蠟、軋膜成型中的聚乙烯醇等。排塑目的排除坯體中上述的有機(jī)物，為下一步燒成創(chuàng)造條件。使坯體獲得一定機(jī)械強度。避免有機(jī)物在燒成時的還原作用。排塑過程通常還需要借助吸附劑（埋粉）。作用在于：一方面可以支撐坯體；另一方面可以吸附塑化劑。3.2.1目的&作用熱壓鑄坯體的排塑過程80-100°C，石蠟開始軟化，并向埋粉滲透；100-300°C，坯體內(nèi)部石蠟向外部遷移，滲透至埋粉中。埋粉中的石蠟氣化，揮發(fā)至窯體中。該階段最為關(guān)鍵。300-600°C，坯體中石蠟已被排除99%左右，該階段主要作用是埋粉中殘余石蠟繼續(xù)揮發(fā)。600-1100°C，坯體中出現(xiàn)液相，具有一定強度。3.2.2物理&化學(xué)變化升溫速率&保溫時間坯體外形&尺寸形狀越復(fù)雜，器壁越厚，排塑越困難。塑化劑成分和用量用量越多，排塑越困難。埋粉性質(zhì)不同埋粉，其排塑難易