2陶瓷幹燥過程的機理
2.1坯體中的水分
陶瓷生坯的含水率壹般在5%-25%之間。坯體與水分的結合形式、幹燥過程中物料的變化以及影響幹燥速率的因素是分析和改進烘幹機的理論依據。當坯體接觸到壹定溫度和濕度的靜止空氣時，必然會釋放或吸收水分，使坯體的水分含量達到壹定的平衡值。只要空氣狀態不變，坯體中的含水量不會隨著接觸時間的增加而變化，這就是坯體在這種空氣狀態下的平衡含水量。然而，達到平衡水分的濕坯體損失的水分是遊離水分。也就是說，坯體的水分由平衡水分和自由水分組成。在壹定的空氣狀態下，幹燥的極限是使坯體達到平衡水分。
坯體中所含的水可分為物理水和化學水，幹燥過程只涉及物理水，物理水又分為結合水和未結合水。未結合水存在於坯體的大毛細管中，它與坯體松散結合。坯體中未結合水的蒸發就像自由表面水的蒸發壹樣。生坯表面的水蒸氣分壓等於其表面溫度下的飽和水蒸氣分壓。當坯體中未結合水排出時。物質的顆粒相互靠近，所以體積收縮，所以未結合水也叫收縮水。結合水是存在於坯體微毛細管(直徑小於0.1μ m)和膠體顆粒表面的水，它與坯體結合牢固(物理化學作用)，所以當結合水排出時，坯體表面的水蒸氣分壓會小於坯體表面溫度下的飽和水蒸氣分壓。在幹燥過程中，當坯體表面的水蒸氣分壓等於周圍幹燥介質的水蒸氣分壓時，幹燥過程停止，坯體中所含的水不再排出。此時，坯體中含有的水是平衡水，是結合水的壹部分，其量取決於幹燥介質的溫度和相對濕度。結合水排出時，坯體體積不收縮，更安全。
2.2生坯的幹燥過程
以對流幹燥過程為例，坯體幹燥過程可分為三個同時發生又相互關聯的過程:傳熱過程、外部擴散過程和內部擴散過程。
傳熱過程，幹燥介質的熱量通過對流傳遞到坯體表面，再通過傳導從表面傳遞到坯體內部的過程。坯體表面的水分受熱蒸發，從液態變為氣態。
外擴散過程:生坯表面產生的水蒸氣在濃度差的作用下，通過層流底層，由生坯表面向幹燥介質擴散移動。
內部擴散過程:由於濕坯體表面水分的蒸發。它在內部產生濕度梯度，促進水從高濃度的內層向低濃度的外層擴散，稱為濕傳導或濕擴散。
在幹燥條件穩定的情況下，坯體的表面溫度、含水率和幹燥速率與時間有壹定的關系。根據它們之間關系的變化特征，幹燥過程可分為三個階段:加熱階段、恒速幹燥階段和慢速幹燥階段。
在加熱階段，由於單位時間內幹燥介質傳遞給坯體表面的熱量大於表面水分蒸發消耗的熱量，受熱面的溫度逐漸升高，直至與幹燥介質的濕球溫度相等，此時，表面獲得的熱量與蒸發消耗的熱量達到動態平衡，溫度保持不變。在這個階段，生坯的水分含量降低，幹燥速率增加。
在等速幹燥階段，未結合水的排放在該階段繼續進行。由於坯體含水量高，表面蒸發的水量可以在內部得到補充，即水在坯體內部的移動速度(內部擴散速度)等於表面水分的蒸發速度和外部擴散速度，因此表面保持濕潤。另外，從介質傳遞到坯體表面的熱量是幹水汽化所需的熱量，所以坯體表面溫度保持不變，等於介質的濕球溫度。坯體表面水蒸氣分壓等於次表面溫度下飽和水蒸氣分壓，幹燥速率穩定，故稱為等速幹燥階段。在這個階段，未結合水被排出，因此坯體體積會收縮，收縮量與水分減少量成線性關系。如果操作不當，幹燥過快，坯體容易變形開裂，造成幹廢。在等速幹燥階段結束時，材料的水分含量降低到臨界值。此時，雖然材料內部仍是未結合水，但表層開始出現結合水。
慢速幹燥階段，坯體含水量降低，內部擴散速率趕不上表面水分的蒸發速率和外部擴散速率，表面不再濕潤，幹燥速率逐漸降低。由於表面水分蒸發所需熱量的減少，材料溫度開始逐漸升高。材料表面的水蒸氣分壓小於表面溫度下的飽和水蒸氣分壓。在這個階段，結合水排出，生坯體積不收縮，不產生幹廢品。當物料排水減少量等於平衡水分時，幹燥速率變為零，幹燥過程終止。即使幹燥時間延長，物料水分也不會發生變化。此時，材料的表面溫度等於介質的幹球溫度，表面水蒸氣分壓等於介質的水蒸氣分壓。減速幹燥階段的幹燥速度取決於內擴散速率，故又稱為內擴散控制階段。此時，物料的結構、形狀、大小等因素影響幹燥速度。
2.3影響幹燥速度的因素
影響幹燥速率的因素有傳熱速率、外擴散速率和內擴散速率。
(壹)加快傳熱速度
為了加快傳熱速度，應做到以下幾點:①提高幹燥介質的溫度，如提高幹燥窯熱氣溫度，增加熱風爐，但不能過快提高坯體表面溫度，以免開裂；②增加傳熱面積:如變單面幹燥為雙面幹燥，分層或減少坯體層數，增加與熱氣的接觸面；③增加對流換熱系數。
(2)提高外擴散速率當幹燥處於恒速幹燥階段時，外擴散阻力成為關於整個幹燥速率的主要矛盾，所以降低外擴散阻力，提高外擴散速率對縮短整個幹燥周期的影響最大。外擴散阻力主要發生在邊界層，要做到以下幾點:①增大介質流速，減小邊界層厚度等。，並提高對流傳熱系數。還能提高對流傳質系數，有利於提高幹燥速度。②還可以通過降低介質的水蒸氣濃度，增加傳質面積來提高幹燥速度。
(3)提高水的內部擴散速度
水的內部擴散速率受濕擴散和熱擴散的影響。濕擴散是濕度梯度引起的水在材料中的運動，熱擴散是物理學中溫度梯度引起的水的運動。要提高內擴散速率，應做到以下幾點:①使熱擴散和濕擴散方向壹致，即盡量使材料中心溫度高於表面溫度，如遠紅外加熱、微波加熱；②當熱擴散和濕擴散方向壹致時，強化傳熱，增大材料內部的溫度梯度；當二者相反時，加強溫度梯度可以增加熱擴散的阻力，但可以強化傳熱，提高物料溫度，增加濕擴散，因此可以加快幹燥速度。(3)降低坯體厚度，變單面幹燥為雙面幹燥，(4)降低介質總壓，有利於提高濕擴散系數，從而提高濕擴散速率，(5)坯體的性質、形狀等其他因素。
3幹燥技術的分類
根據幹燥系統是否受控，可分為自然幹燥和人工幹燥。因為人工幹燥是人為控制幹燥過程，所以也叫強制幹燥。
根據幹燥方法的不同，可分為:
①對流幹燥，其特點是以氣體為幹燥介質，以壹定的速度吹向坯體表面，使坯體幹燥。
(2)輻射幹燥，其特征是利用紅外線、微波等電磁波的輻射能照射幹燥後的坯料使其幹燥。
(3)真空幹燥，是在真空(負壓)下幹燥坯料的壹種方法。生坯不需要加熱，但需要用抽氣設備產生壹定的負壓，因此系統需要封閉，難以連續生產。
(4)組合幹燥，其特點是綜合利用兩種或兩種以上的幹燥方法，充分發揮各自的長處，優勢互補，往往能得到較為理想的幹燥效果。
還有壹些幹燥方式，根據幹燥系統是否連續分為間歇式幹燥機和連續式幹燥機。連續幹燥器根據幹燥介質和坯體的運動方向可分為順流、逆流和混流，根據幹燥器形狀的不同可分為室式幹燥器和隧道式幹燥器。
4各種瓷型使用的幹燥器的特點
4.1建築衛生陶瓷幹燥器
1恒溫恒濕大空間烘幹衛生潔具坯體微壓後含水率約為18%，此時強度較低，不適合移動。壹般采用原位幹燥的方法。壹般廠家采用鍋爐蒸汽加熱系統的方式，特點是燃料成本低，能形成壹定的幹燥氛圍。同時也有很多缺點，比如沒有橫向氣流；除濕功能差，幹燥時間長；沒有通風系統，工人的工作條件很差。所以采用了更先進的“恒溫恒濕系統”。該系統不需要改變原有的生產工藝和技術，還可以加快幹燥速度。該系統的另壹個主要特征是其強制通風功能。這種系統也存在壹系列問題，如能耗高；參數滯後；烘幹不同步等。特別是近幾年石膏模具成為大趨勢，所以坯料的幹燥時間和要求都不壹樣，為了保證每班的生產安排。石膏模具的幹燥已成為生產安排中的主要矛盾。為了解決這個問題，采用了密封幹燥系統，即石膏拉出後整個造型線都是密封的，在這個狹小的空間裏使用小型恒溫恒濕系統。
2熱風快速幹燥
快速幹燥是指幹燥氣氛根據坯體的不同和坯體的幹燥程度而變化，從而始終保持最佳的幹燥氣氛，提高幹燥速度。自動調節溫濕度的快速幹燥室具有以下特點:①調節參數時空間小、響應快、精度高；②可根據坯體情況設置不同的幹燥曲線；(3)工業電腦控制，自動化程度高，減少人為誤差因素，坯體烘幹合格率高。該系統由六部分組成:房間結構、熱風爐、配風系統、混合系統、控制系統和濕度系統。
3蒸汽快速幹燥
這裏討論的是蒸汽直接幹燥，即坯料從模具中取出後，沿軌道進入壹端封閉的幹燥室，幹燥室關閉後，蒸汽沿頂部的管道直接進入密封的幹燥室，蒸汽在封閉室內膨脹降壓，濕蒸汽由封閉室底部的管道排出回收。它最大的優點是幹燥快，正品率高。
4工頻電幹燥
即在坯體中通入工頻電(50Hz)，由於坯體的電阻，整個坯體被均勻加熱幹燥，從而達到無溫度梯度加熱的目的。工頻電烘幹的缺點是烘幹前的準備工作很麻煩，只適合烘幹單品。
4.2墻地磚幹燥
從壓機中出來後，墻地磚的坯體通常是用窯爐的余熱烘幹的。但隨著產品尺寸越來越大，最大尺寸達到1.2×2mm，甚至更大，厚度也越來越厚，從8mm到60mm，窯爐余熱已經不能滿足幹燥要求。而且隨著產品的高檔化和色彩的多樣化，對窯內氣氛的控制要求也越來越精密和嚴格。利用余熱幹燥坯體時，幹燥段的調整會引起窯內氣氛的變化，甚至增加窯內燃燒燃料的消耗，有的增加燃料1-2噸。於是出現了立式幹燥機、幹燥窯、多層幹燥窯等。
1立式幹燥窯
它是壹種廣泛使用的幹燥設備，占地面積小，幹燥小型墻地磚效果好。
2幹燥窯
幹燥窯直接加在燒成窯之前，外觀上是窯的壹部分(稱為預熱帶)或者在窯旁邊獨立建造壹個長寬相同的幹燥窯。坯體從壓機出來或上釉後，直接進入幹燥窯進行幹燥，幹燥後坯體直接進入預熱帶或通過傳輸進入燒結壓坯進行燒結。它由熱風爐、配風系統和窯體結構三部分組成。壹般幹燥窯的熱量利用率好的，只有窯燒出來的熱風才能滿足幹燥要求，有的幾乎很低或者要求更低的幹燥水分。除了密集的熱風，還要燒熱風爐，每天要消耗2 ~ 3噸燃料。
3多層幹燥窯
隨著技術的進步，坯體的含水量越來越低，幹燥過程中需要將含水量從8%降到1%，這是普通幹燥窯無法實現的。多層幹燥窯可以解決這個問題。它由窯頭排隊器、窯尾收集器和幾個幹燥單元組成，每個單元都是獨立的，它們的溫度和濕度是可調的，通風量也是可調的，由熱風爐獨立控制。其優點是:幹燥時間充足；表面積小，熱損失小；出風口靠近磚面。幹燥強度高；調節溫度時，通風量不受影響，因此熱風吹過磚表面的速度和範圍不會因溫度調節而改變。但多層幹燥窯的調節相對困難，尤其是窯寬的增加，不能保證窯內溫度的均勻性，導致幹燥效果不壹。
4.3日常陶瓷幹燥
日用陶瓷的幹燥不同於衛生陶瓷或墻地磚的幹燥，有以下特點:①坯體種類多、數量大、尺寸小、形狀復雜。變形和開裂是最常見的兩種缺陷:(2)在制作過程中，脫模、翻坯、切邊坯、連接手柄、上釉等工序往往混在壹起，成為流水作業。因此，日用瓷的幹燥主要采用鏈式幹燥機。根據鏈條的排列方式，可分為:臥式多層排列幹燥機、臥式單層排列幹燥機和立式(立式)排列幹燥機。
5遠紅外幹燥技術
紅外輻射幹燥技術越來越受到各行各業的重視，在食品幹燥、煙草、木材、中草藥、紙板、汽車、自行車、金屬車身塗裝等方面發揮著巨大的作用。此外，遠紅外幹燥也用於陶瓷幹燥。大多數物體的紅外吸收波長範圍在遠紅外區，水和陶瓷坯體在遠紅外區也有很強的吸收峰，能強烈吸收遠紅外線，產生強烈的振動現象，使坯體迅速升溫幹燥。遠紅外對被照物體的穿透深度大於近紅外和中紅外。因此，采用遠紅外幹燥陶瓷更為合理。遠紅外幹燥具有高效、快速幹燥、節能、省時、使用方便、幹燥均勻、占地面積小等優點，從而達到高產、優質、低耗的優異效果。
根據陶瓷廠生產實踐，遠紅外幹燥比近紅外幹燥可縮短幹燥時間壹半，為熱風幹燥的1/10，綠率90%以上，比近紅外幹燥[1]節電20 ~ 60%。鄭州瓷廠對10英寸平板進行了遠紅外幹燥技術。結果表明，生產周期提高壹倍，幹燥時間由通常的2.5 ~ 3小時縮短到1小時，成本低、投資小、見效快、衛生條件好、占地面積小。遠紅外材料的研究近年來非常活躍，並取得了很大進展。在各行各業也有很多成功的應用。為什麽很少有人對建築衛生陶瓷的烘幹線感興趣？
6微波幹燥技術
微波是指介於高頻和遠紅外之間的電磁波，波長為0.001-1m，頻率為300-300000MHz。微波幹燥是用微波照射濕坯體，電磁場的方向和大小隨時周期性變化，使坯體中的極性水分子隨交變的高頻電場而變化，使分子劇烈旋轉，產生摩擦並轉化為熱能，從而達到坯體整體均勻加熱幹燥的目的[2，3，4]。微波的穿透能力遠大於遠紅外，頻率越低，微波的半功率深度越大。微波幹燥的特點:
(1)均勻快速，這是微波幹燥的主要特點。因為微波的穿透能力很強，加熱時可以直接在介質中產生熱量。無論坯體形狀多復雜，加熱均勻迅速，使坯體脫水快，脫模均勻，變形小，不易出現裂紋。
(2)具有選擇性，微波加熱與材料本身的性質有關。在壹定頻率的微波場中，由於水的介電損耗大於其他物質，所以水的吸熱遠大於其他幹物質；同時，由於同時進行微波加熱，可以快速加熱內部水分，直接蒸發，使陶瓷坯體在短時間內加熱脫模。
(3)熱效率高，響應靈敏。因為熱量直接來自幹燥物質內部，所以熱量在周圍介質中的損失很小。另外，微波加熱腔本身不吸收熱量和微波，全部向坯料發射，所以熱效率高。
微波加熱設備主要由DC電源、微波管、連接波導、加熱器和冷卻系統組成。微波加熱器按加熱對象和微波場的形式可分為駐波場共振加熱器、行波場波導加熱器、輻射加熱器、慢波加熱器等。
6.1微波幹燥在日用陶瓷中應用
湖南國光瓷業集團有限公司根據日用陶瓷的工藝特點，設計了壹條快速脫水幹燥生產線。實踐證明，與傳統鏈式烘幹線相比，生坯率提高了10%以上，石膏模具拆除時間從35-45分鐘縮短到5-8分鐘，模具使用數量從400-500個減少到100個。微波幹燥線占地面積小，無汙染。比鏈式幹燥效率高6.5倍，不僅可以節省大量石膏模具，還可以降低10.5寸平板總幹燥成本350元/萬片[5]。
6.2微波幹燥在電瓷中的應用
在遼寧撫順石化公司，李春元利用微波加熱幹燥技術、重量讀數控制技術、紅外溫度讀數控制技術對形狀復雜的電瓷進行幹燥。與常規蒸汽幹燥法相比，生產率可提高24-30倍，產量可提高65，438+05%-35%。同樣的產量只占用現有技術的二十分之壹左右，可以大大提高經濟效益。這可以為建築衛生陶瓷、墻地磚等壹些異形制品的幹燥提供參考。
6.3多孔陶瓷幹法多孔陶瓷具有機械強度高、易再生、化學穩定性好、耐熱性好、孔隙分布均勻等優點，具有廣闊的應用前景，廣泛應用於化學工業。環保、能源、冶金、電子、石油、冶煉、紡織、制藥、食品機械、水泥等領域。作為吸聲材料，敏感元件、人工骨、牙根等材料受到越來越多的關註。由於多孔材料含有大量水分，孔隙較多，坯體內壁特別薄，受熱不均勻，用傳統方法幹燥極其困難，而且這些多孔材料導熱性能差，對幹燥工藝要求特別嚴格，尤其是環保汽車用蜂窩陶瓷，幹燥工藝控制不好，容易變形，影響孔隙率和比表面積。微波幹燥技術已成功應用於多孔陶瓷的幹燥，可輕松將坯體水分從18% ~ 25%降至3%以下，析出率達到0.7 ~ 1.5 kg，大大縮短了幹燥時間，提高了成品率。我們還將微波幹燥應用於劈開磚的坯體幹燥，效果也很明顯。
7展望
微波加熱雖然有很多優點，但其固定投資和純生產成本都比其他加熱方式高，特別是耗電多，增加了生產成本。在大能量長時間照射下，微波對人體健康有不良影響，微波加熱是有選擇性的。因此，單獨使用微波幹燥或對流幹燥各有利弊。如果將兩種方法結合起來，將會充分發揮兩種方法的優勢。即在快速幹燥室內增加壹個微波發生器。在坯料加熱階段，微波發生器以最大功率運行，在短時間內使坯料溫度升高。然後逐漸降低微波功率，熱風幹燥以最大強度運行，這樣總加熱時間會減少50%，總能耗不會增加，坯體合格率高。而且要盡量使微波爐結構合理，采取適當的防輻射措施，可以最大限度減少微波輻射，對人體完全沒有影響[6]。因此，要充分發揮微波技術的優勢，除了采用混合加熱或混合幹燥技術外，還應加強陶瓷材料與微波相互作用機理的研究，加強陶瓷材料介電性能、介電損耗與微波頻率和溫度關系的基礎數據試驗，改進微波幹燥技術和設備，使該技術為陶瓷工業服務。