陶瓷工藝學(xué) 6 坯體的干燥-09.10.ppt

1、第6章 坯體的干燥,概述 干燥原理 干燥制度的制訂 常用的干燥方法 干燥技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)備廠的管理,本部分講授內(nèi)容,干燥定義,使含水物料（如濕坯、原料、泥漿等）中的液體水汽化而排除的過程，稱為干燥。 完成干燥過程的機械設(shè)備，稱干燥器。 一般：人們把采用熱物理方法去濕的過程稱為“干燥”，其特征是采用加熱、降溫、減壓或其它能量傳遞的方式使物料中的濕分產(chǎn)生揮發(fā)、冷凝、升華等相變過程與物體分離以達到去濕目的。,干燥技術(shù),傳統(tǒng)工業(yè)的干燥技術(shù)有：廂式干燥、隧道干燥、轉(zhuǎn)筒干燥、轉(zhuǎn)鼓干燥、帶式干燥、盤式干燥、漿葉式干燥、流化床干燥、噴動床干燥、噴霧干燥、氣流干燥、真空冷凍干燥、太陽能干燥、微波干燥和高頻干燥、紅

2、外熱輻射干燥等。 近年來的新型干燥技術(shù)：脈沖干燥、對撞干燥、沖擊穿透干燥、聲波場干燥、超臨界流體干燥、過熱蒸汽干燥、接觸吸附干燥等。,干燥方法,自然干燥法：將濕坯置于露天或室內(nèi)的場地上，借助風(fēng)吹和日曬的自然條件使物料得以干燥的辦法。成本低，但干燥速度慢，產(chǎn)量低，勞動強度大，受氣候影響大，難以適應(yīng)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。 人工干燥法：也稱機械干燥，將濕物料放在專門的設(shè)備中進行加熱，使物料的水分蒸發(fā)而得以干燥。特征：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)生產(chǎn)。,為什么要干燥？,對于陶瓷坯體而言，干燥的主要目的在于： 提高生坯強度，便于后續(xù)工藝的進行； 提高釉漿的吸附能力； 使

3、坯體具有較小的入窯水分，提高燒成速度，減少能耗； 提高產(chǎn)品的質(zhì)量,知識延伸：干燥的地位與作用,干燥利于產(chǎn)品的儲藏、運輸和使用； 干燥利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和價值、減輕勞動強度、降低成本和能源消耗； 發(fā)達國家的干燥的能耗占工業(yè)能耗的14%，有些行業(yè)的干燥能耗甚至占到生產(chǎn)總耗能的35%； 我國2001年干燥設(shè)備制造業(yè)創(chuàng)17億元的產(chǎn)值（相當(dāng)于1986年的24倍），出口總值達2000萬元人民幣。,坯體中的水的類型,自由水（機械水游離水）：分布在顆粒之間和毛細管中，結(jié)合松馳，較易排除。 物理化學(xué)結(jié)合水（吸附水）：附著于顆粒表面，其數(shù)量與環(huán)境溫度和濕度相關(guān)，并有一定的平衡關(guān)系，即隨周圍介質(zhì)條件可逆性地變化。

4、化學(xué)結(jié)合水：包含在礦物的分子結(jié)構(gòu)中，結(jié)合牢固，排除時需要較大能量。,干燥技術(shù)坯體中水的類型,一定干燥條件下，物料中的水分按能否除，可分為自由水分和平衡水分。 干燥過程中可除去部分稱為自由水分。 物料中的水分是自由水與平衡水之和。,傳質(zhì)傳熱過程,干燥過程既是傳熱過程，又是傳質(zhì)過程。 傳熱過程：通過物料表面將熱傳給物料，再以傳導(dǎo)的方式向內(nèi)部傳送，物料表面水分獲得熱量后汽化。 傳質(zhì)過程：物料表面的水蒸氣向干燥介質(zhì)中移動的氣相傳質(zhì)（外擴散過程）；內(nèi)部水向表面擴散的內(nèi)部傳質(zhì)（內(nèi)擴散過程）。,干燥方法與應(yīng)用,人工干燥方式的熱源類型： 外熱源法：在物料的外部對物料表面加熱，使物料受熱，水分蒸發(fā)，而得以干燥。

5、 內(nèi)熱源法：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)生劇烈的熱運動而發(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)，物料本身得以干燥。,干燥過程的四個階段,加熱階段：物料表面被加熱，溫度升高，水分開始蒸發(fā)，干燥速度不斷增加； 等速干燥階段：物料中非結(jié)合水排出，產(chǎn)生收縮。該階段終了時，物料中所含平均水分量稱為臨界水分，它是該階段進入降速干燥階段的轉(zhuǎn)折點。,干燥過程的四個階段,降速干燥階段：主要排除吸附水，物料不再產(chǎn)生收縮，故只增加氣孔。該階段結(jié)束時，物料所含水分稱為最終水分。 平衡狀態(tài)：當(dāng)坯體水分達到最終含水量時，坯體水分與環(huán)境的交換呈平衡狀態(tài)，此時，干燥速度為零，延長

6、干燥時間僅僅是增加熱能的消耗。,干燥過程曲線圖,升速干燥 坯體表面被加熱，水分不斷蒸發(fā)； 等速干燥 水分由坯體內(nèi)部遷移到表面的內(nèi)擴散速度與表面水分蒸發(fā)擴散到周圍介質(zhì)中去的外擴散速度相等； 降速干燥,最終含水率的影響因素,最終含水率與周圍介質(zhì)的溫度、相對濕度和坯料組成有關(guān)。 最終含水率過高，則坯體強度不夠，降低窯爐效率，過低則在干燥后坯體會在大氣中吸濕，或在施釉過程中急劇吸水，造成坯體表面膨脹，是施釉后開裂的主要原因之一。,影響干燥速率的因素,外擴散速率：這常決定于干燥介質(zhì)的溫度、濕度和流態(tài)（流速的大小和方向）以及物料的性質(zhì)。干燥介質(zhì)的溫度越高（相對濕度就越小），流速越快（邊界層應(yīng)越?。?，外擴散

7、速度越大。 內(nèi)擴散速率：濕擴散（由濃差決定）與熱擴散（由溫差控制）。,影響內(nèi)擴散速率的因素,干燥方法：若水分梯度與溫度梯度和熱擴散方向相同，水分移動速度將是濕擴散速度加上熱擴散速度。 坯料性質(zhì)：瘠性料越多，顆粒越粗，毛細管也愈大，水分的擴散速度也愈大。 坯體溫度：坯體溫度高，水的粘度小。 坯體表面的致密度：外擴散過快時，往往造成表面收縮過大，使坯體表面致密，增加了濕擴散的阻力，降低了干燥速度。,影響外擴散速率的因素,氣體介質(zhì)及坯體表面的蒸汽分壓； 氣體介質(zhì)及坯體表面粘滯氣膜的厚度、能量的供給方式等； 通常以增加氣體介質(zhì)的流速，改變氣體介質(zhì)的流動方向和坯體表面的角度，降低周圍環(huán)境介質(zhì)的分壓，增加

8、能量的輸入來提高外擴散速度。,干燥過程中坯體的收縮與開裂,干燥速度的增加應(yīng)以保證坯體不變形、不開裂為前提。 坯體在干燥過程中，隨著自由水的排出，被水膜隔離開的顆粒逐慚相互靠近，坯體不斷產(chǎn)生收縮，當(dāng)坯體中顆粒之間直接接觸，產(chǎn)生摩擦，且顆粒之間的摩擦力大于毛細管中水的表面張力時，收縮就停止了。,干燥過程中坯體的收縮與開裂,若坯體干燥過快或不均勻，內(nèi)外層或各部位由于收縮不一致而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力收縮應(yīng)力； 當(dāng)收縮應(yīng)力超過塑性狀態(tài)坯體的屈服值時，坯體發(fā)生變形； 當(dāng)收縮應(yīng)力超過塑性狀態(tài)坯體的破裂點或超過彈性狀態(tài)坯體的強度值時，坯體就會開裂。,干燥過程中坯體的收縮與開裂,為了防止變形或開裂，既要調(diào)整坯料，降低收縮

9、率，更要特別注意坯體在收縮階段（等速干燥階段）的干燥制度。,干燥過程中坯體的收縮與開裂,除了干燥速度外，引起不一致收縮的原因： 坯體不同部位，由于厚薄不勻，受熱先后不同等因素，水分排出的速度不同； 干燥前坯體的水分分布不均勻或含水量太大； 成型中顆粒的定向排列，或坯料混合不均勻造成粘性物質(zhì)分布不均勻，顆粒分布不均勻； 坯件與托板接觸部位，坯體收縮受到托板的機械抑制作用；,干燥過程中坯體的收縮與開裂,坯體形式設(shè)計不合理，在厚薄變換處，孔洞部位，形狀改變部位，凹凸不平部位等產(chǎn)生應(yīng)力集中； 成型、修坯過程中各部位受力不均勻，存在密度差或殘留應(yīng)力； 陽離子的種類影響收縮率的大小。 因此，在選擇干燥方法

10、和制訂干燥制度時，須根據(jù)坯料特性、成型工藝、制品大小、形狀厚度、干燥設(shè)備等因素，給予綜合考慮。,干燥技術(shù)干燥制度,干燥制度是指坯體在各個干燥階段中所規(guī)定的干燥速度（干燥時間）。 熱空氣干燥法，通過介質(zhì)的溫度和濕度、空氣流速和流量等參數(shù)來控制干燥制度。 對于工頻電熱干燥法，則通過調(diào)節(jié)電流密度來控制干燥速度。,干燥制度,干燥條件總和，包括干燥時間、干燥溫度和相對濕度、磚坯干燥前后的殘余水分要求等，一般根據(jù)實驗數(shù)據(jù)來確定。 可塑法成型的坯體，干燥前的機械強度很低，不超過0.05MPa，體積收縮達10左右，因此干燥速度不能太快。,干燥技術(shù)-干燥制度確定原則,獲得無缺陷的干燥坯體。應(yīng)控制坯體各部分的含水

11、率在干燥過程中差別不大，使應(yīng)變均勻以避免應(yīng)力集中，必須使坯體在干燥過程中具有適當(dāng)?shù)母稍锼俣取?加快干燥，節(jié)約能源。即生產(chǎn)周期短，單位制品熱耗低。 干燥過程中尋優(yōu)問題。,干燥技術(shù)-干燥制度的建立,預(yù)熱階段： 應(yīng)使干燥器的溫度適當(dāng)高些，但溫度也不能過高，否則，水分子的熱運動使粘土的結(jié)合強度下降，特別是坯體含水率較高或存在凝聚水時，強度下降更顯著。通常預(yù)熱階段的溫度一般4045。,干燥技術(shù)-干燥制度的建立,等速干燥階段： 此時坯體易發(fā)生干燥收縮，易引起變形或開裂。應(yīng)根據(jù)坯料的干燥敏感性（坯料的收縮大小，可塑性，分散性，被吸附的陽離子的種類和數(shù)量等因素）、坯體的形狀、大小和厚度，坯體的原始含水率和臨界

12、水分等因素來確定最大干燥速度。 當(dāng)然最大干燥速度的確定還取決于干燥方法、干燥器的類型和結(jié)構(gòu)以及干燥的均勻程度。,降速干燥階段： 由于坯體收縮很小，不會產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，故可適當(dāng)提高干燥速度以加速干燥。 降速干燥階段的時間取決于干燥的最終水分和整個干燥器內(nèi)坯體干燥的均勻程度。 坯體干燥終了時的平衡水分，不僅取決于粘土的結(jié)構(gòu)和吸附能力，同時還取決于周圍介質(zhì)的溫度和濕度。 坯體干燥的最終水分過低（比平衡水分小得多時），坯體在存放過程中還會由空氣中吸收水分（返潮），甚至還可能膨脹開裂。,干燥技術(shù)-干燥制度的建立,干燥方法蒸氣干燥,蒸氣干燥,隧道干燥,隧道干燥器示意圖 1濕坯進口，2干燥小車，3干燥介

13、質(zhì)進口，4干坯出口 5拉開式門。6回車道， 7干燥介質(zhì)出口，8轉(zhuǎn)向拖車,鏈式干燥,樓式鏈式干燥器示意圖 1批件入口，2批件出口,電熱干燥 將工頻交變電流直接通過被干燥坯體內(nèi)部進行內(nèi)熱式的干燥方法。由于對坯體端面間的整個厚度同時進行加熱，干燥速度較快。 輻射干燥 輻射干燥是指由熱源直接將電磁波輻射到濕坯上，并轉(zhuǎn)化為熱能，將坯體干燥的干燥方法。 一般可將輻射干燥分為高頻、微波和紅外干燥幾種方式。,1、高頻干燥 采用高頻電場或相應(yīng)頻率的電磁波（107Hz ）輻射于坯體上，使坯體內(nèi)的分子、電子及離子發(fā)生振動產(chǎn)生弛張式極化，轉(zhuǎn)化為熱能進行干燥。 2、微波干燥 微波是介于紅外線和無線電波之間的一種電磁波，

14、波長在11000mm范圍內(nèi)，頻率為300300000MHz，微波加熱原理基于微波與物質(zhì)相互作用吸收而產(chǎn)生的熱效應(yīng)。,工業(yè)微波爐,3、紅外干燥 紅外線的波長范圍為0.751000um，因此，它是一種介于可見光和微波之間的電磁波，坯體能夠吸收紅外線并將之轉(zhuǎn)化為熱能。因此，利用紅外線能對坯體進行干燥。 采用紅外干燥有如下特點： 干燥速度快，生產(chǎn)效率高。采用遠紅外干燥時，輻射與干燥幾乎同時開始，無明顯的預(yù)熱階段，因此效率很高。 節(jié)約能源。由于遠紅外干燥速度快，所需時間段，雖然單位時間能耗較大，但單位坯體所需能耗仍然較小。 設(shè)備小巧，造價低，占地面積小，費用低。 干燥效果好。坯體受熱均勻，不易產(chǎn)生干燥缺

15、陷。,綜合干燥 綜合干燥是一種強化干燥方法，由于幾種方法同時采用，往往能使生坯快速干燥而不致出現(xiàn)干燥缺陷。常采用的綜合干燥方法有如下幾類： 1、輻射干燥和熱空氣對流干燥相結(jié)合 目前采用熱風(fēng)-紅外線干燥，坯體在開始干燥時所必須的熱量由紅外線供給，保證坯體熱擴散和濕擴散方向一致。紅外線照射加熱一段時間后，內(nèi)擴散被加快，接著噴射熱風(fēng)，使外擴散加快，如此反復(fù)進行，水分可迅速排出。 2、電熱干燥與紅外干燥、熱風(fēng)干燥相結(jié)合 干燥含水率高的大型復(fù)雜坯件如注漿坯時，可以先用電熱干燥以除去大部分水，然后再施釉后采用紅外干燥、熱風(fēng)干燥交替進行，以除去剩余水分，可以大大縮短干燥時間同時又節(jié)約能源。,干燥技術(shù)的應(yīng)用及

16、設(shè)備廠的管理,中國干燥技術(shù)現(xiàn)狀 干燥設(shè)備的應(yīng)用已有幾十年的歷史，但干燥設(shè)備的制造是近20年的事。 現(xiàn)約有干燥設(shè)備廠400余家，數(shù)量上是世界第一大國。 不論在干燥技術(shù)還是設(shè)備制造水平上，至今尚未在世界上有一定影響。 國產(chǎn)的干燥設(shè)備主供國內(nèi)市場，很少出口，即使偶爾出口，售價也不可觀。,干燥技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)備廠的管理,中國干燥技術(shù)與先進國家的差距 1）基礎(chǔ)研究的差距 自1975年在南京舉行了第一次全國干燥技術(shù)會議以來，已開了8次會。但投入的力量不夠，理論研究方面，與丹麥、加拿大、日本等國仍有距離。 僅靠幾種干燥設(shè)備，并不能滿足生產(chǎn)的需要，因為被干燥的物體是多種多樣的。,干燥技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)備廠的管理,中

17、國干燥技術(shù)與先進國家的差距 2）實驗條件不足 至今，國內(nèi)都沒有一個完善的實驗基地； 有些設(shè)備廠甚至沒有一套實驗裝置； 設(shè)備設(shè)計中有很大的盲目性。,干燥技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)備廠的管理,中國干燥技術(shù)與先進國家的差距 3）加工技術(shù)的差距：干燥設(shè)備涉及到物料的輸送、傳熱、流體運動、甚至粉碎等多種過程，對設(shè)備的要求較高。 加工手段、加工設(shè)備還采取傳統(tǒng)的手工制造，在設(shè)備的使用功能、外觀上都受到很大的影響。 手工制造的部件互換性差，不便于對設(shè)備的維修、易損件的互換； 象離心霧化器、高壓泵、閃蒸干燥機的傳動部件等機械零部件的加質(zhì)精度、加工質(zhì)量也較差。,干燥技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)備廠的管理,中國干燥技術(shù)與先進國家的差距 4）

18、控制水平的差距 需要控制的參數(shù)：熱量、風(fēng)量、進料量、設(shè)備運行參數(shù)、在線測量儀器之間的聯(lián)鎖關(guān)系等。 國產(chǎn)干燥設(shè)備主要以手動或半自動控制為，各參數(shù)間的不能相互關(guān)聯(lián)，操作中人為因素較多，客觀上也影響產(chǎn)品質(zhì)量。 如處在降速干燥階段時，需要時 間而不是熱量，但由于控制不嚴，卻仍處于加熱狀態(tài)，造成產(chǎn)品過程或水分過低，造成不必要的浪費。,干燥技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)備廠的管理,中國干燥技術(shù)與先進國家的差距 5）無特色產(chǎn)品 眾多的干燥設(shè)備廠，主要集中在幾個地域中仿制，幾十家甚至近百家生產(chǎn)同一個機型。說明書、宣傳資料如出一轍，以價格占市場； 專利產(chǎn)品少，產(chǎn)品的價格中，幾乎沒有技術(shù)這一項； 技術(shù)開發(fā)費用低。,干燥技術(shù)的應(yīng)用

19、及設(shè)備廠的管理,中國干燥技術(shù)與先進國家的差距 6）大型化技術(shù)落后 在石油化工、無機化工中使用的大型干燥設(shè)備，有相當(dāng)部分現(xiàn)尚不能生產(chǎn)； 原因：過去各行業(yè)的產(chǎn)品產(chǎn)量都很小，沒能上規(guī)模；大型設(shè)備都要進口。,干燥技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)備廠的管理,中國干燥技術(shù)與先進國家的差距 7）特殊物料干燥技術(shù)落后，如： 劇毒物料（農(nóng)藥、醫(yī)藥），主要難度在：系統(tǒng)設(shè)置 、尾氣處理，有害成分在線監(jiān)測以及意外情況的處理方法。 高溫物料：如溫度高達1000以上； 粘稠物料的干燥 易燃易爆物料的干燥：防爆與氧化 低熔點物料的干燥 干燥過程有特殊現(xiàn)象的物料,干燥技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)備廠的管理,中國干燥技術(shù)與先進國家的差距 8）裝備水平落后 完

20、整干燥系統(tǒng)由多種設(shè)備、多種技術(shù)組成，如加熱系統(tǒng)涉及到換或燃燒技術(shù)；電器涉及到自動控制技術(shù)；除塵系統(tǒng)涉及到非均相分離技術(shù)，有時還要涉及到環(huán)境保護方面的知識。 各配套設(shè)備間的組合不甚合理； 設(shè)備的標準化、系列化水平較落后，互換性差； 說明書中給出的參數(shù)可靠性不高，設(shè)備規(guī)格過于粗糙且不全； 控制水平、機電一體水平不高。,干燥技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)備廠的管理,中國干燥技術(shù)與先進國家的差距 9）設(shè)計理念的差距 中國設(shè)計時只考慮完成處理量這一個指標，缺少人性化設(shè)計思想。 人性化設(shè)計以人為本，為使用者負責(zé)，站在使用都的角度設(shè)計設(shè)備。 操作位置、觀察孔、清洗孔、清洗方法、檢修方式、專用工具等都要經(jīng)過深思熟慮。,干燥技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)備廠的管理,提高中國干燥技術(shù)與設(shè)備水平的建議 加強基礎(chǔ)研究工作 加強基