遠紅外干燥和微波干燥在陶瓷烘干技術的分析

遠紅外干燥和微波干燥在陶瓷烘干技術的分析

遠紅外輻射和微波都屬于電磁波。紅外線是自然界普遍存在的物質(zhì)運動形式之一，其熱效應很強，實際上是一種輻射熱，系因為組成物質(zhì)的分子的熱運動而引起的化學鍵的振動（包括化學鍵的彎曲 振動和伸縮振動）而產(chǎn)生的能量移動。由于這種轉(zhuǎn)移的原因是化學鍵的振動和轉(zhuǎn)動的能量躍遷，也就是分子中組成化學鍵的原子（也稱鍵合原子）的振動和轉(zhuǎn)動的能量躍遷所產(chǎn)生的，所以稱為紅外吸收。

躍遷的含義：組成物質(zhì)的分子和組成分子的原子、電子都是不斷運動的，存在各種不同能量值的運動狀態(tài)，也就是說各種運動狀態(tài)各有一定的能級，有電子能級、振動和轉(zhuǎn)動能級、原子核自旋能級等。紅外線的能量子即相當于鍵合原子的振動和轉(zhuǎn)動能級。

微波是波長遠比紅外線更大的電磁波，因此它的能量子在數(shù)值上遠比紅外線小，物質(zhì)吸收微波后，只能引起分子的振動或轉(zhuǎn)動，而不是像紅外線那樣引起鍵合原子 的振動或轉(zhuǎn)動，更不像紫外線和可見光那樣引起電子能級的躍遷。

因此利用微波加熱，就是指被加熱的物體吸收微波能量后并使之轉(zhuǎn)化成熱能的過程。微波的能級也 是量子化的，也就是說，不同的分子所能吸收的微波的波長或頻率是一定的。例如水分子（H2O）只能吸收2450MHZ的微波，所以只要是含水的物質(zhì)，水分子便產(chǎn)生振動和轉(zhuǎn)動能級的運動，使周圍的其他分子快速摩擦，從而使被加熱物體的溫度迅速升高全面發(fā)熱，達到成熟的目的。

遠紅外與微波加熱的區(qū)別：

1、遠紅外和微波技術都是以電磁波直接照射的餓輻射傳熱方式，其中遠紅外加熱伴隨著熱空氣對流，而微波是單純的輻射。

2、兩者的產(chǎn)熱機理不同，遠紅外加熱中的熱量有射線本身所攜帶；而微波加熱則是因分子吸收微波與其他分子摩擦而產(chǎn)生熱量。

紅外線干燥在陶瓷中的研究

采用紅外線照射到坯體的表面上，坯體由于吸收這些光線的輻射而發(fā)熱來進行干燥。因此，該方法僅對紅外線敏感的物質(zhì)在其強烈吸收的波長區(qū)域內(nèi)有效。分子吸收紅外線的程度與該原子振動所產(chǎn)生的偶極矩變化的平方成正比。

水對紅外線的吸收特性參見下圖。lμm以上的紅外線，特別是2.5μm以上的紅外線幾乎完全被水所吸收，而不能被氧、氮等空氣主要成分所吸收。干燥過程中濕坯體中水分子大量吸收輻射能，輻射與干燥幾乎同時發(fā)生，干燥均勻、迅速、節(jié)能。列別捷夫研究表明，在濕空氣中，紅外輻射干燥方法對于那些在干燥時容易變形和開裂的難干燥材料是很適宜的。

輻射干燥時傳熱不受坯體表面的氣膜阻力的影響，其傳熱速率比對流傳熱速率可提高幾倍，因此，輻射時坯體表面加熱很快，其干燥時間也大為縮短。由于紅外線具有一定的穿透能力，因些對于薄的日用瓷來說是特別適宜的。

日用瓷坯僅需幾分鐘到十幾分鐘就可完成脫模到上釉的坯體干燥。有時為了提高坯體的吸收能力，也可以在坯體中加人一些深色的有機色劑在輻射干燥中，有時為了提高熱效率，節(jié)約能量，可以采用間歇輻射，即輻射一段時間后，停止照射段時間。

由于空氣不吸收輻射能，空氣的溫度總是低于坯體表面的溫度。在停止照射一段時間由于坯體表面有熱量傳給空氣，另一方面表面有水分汽化，表面進行冷卻，因此，其溫度低于內(nèi)部溫度，使溫度梯度與水分濃度梯度的方向相同，干燥速度增大。實踐主明采用這種方法，干燥時間雖比連續(xù)輻射干燥法長20%～30%，但能量消耗可減少一半。

輻射干燥器不需要特殊的結(jié)構(gòu)，可采用輸送帶式（類似鏈式干燥器），可與成型及精修設備聯(lián)成一體，可以不采用絕熱措施，干燥時間短，干燥效率高，便于連續(xù)自動化。

從下圖可以發(fā)現(xiàn)，水分子在遠紅外線區(qū)域（波長在2～15μm直至50μm）有很寬的吸收帶，能強烈地吸收遠紅外線，容易發(fā)熱。因此，陶瓷坯體的干燥采用波長在2μm以上的遠紅外線干燥是極為有效的。

遠紅線干燥對于壁薄體小的日用陶瓷來說是很適合的，它具有下述優(yōu)點。

①干燥速度快、生產(chǎn)效率高。就干燥時間而言，遠紅外干燥比近紅外干燥短，一般為近紅外干燥時的1/2熱風干燥時的1/10。

②節(jié)約能量消耗。采用電力為熱源的遠紅外干燥的耗電僅為近紅外干燥時的一半左右，若與熱風干燥相比較，效果更加明顯。

③設備規(guī)模小，建設費用低。由于快速、高效率干燥，可減小設備的尺寸，而且裝置較簡單（與介電干燥相比）。在某些自動生產(chǎn)線上可部分地采用遠紅外線輻射干燥。

④由于遠紅外線具有一定的穿透能力，被干燥坯體的表面及內(nèi)部均能同時吸收遠紅外線

輻射，因而加熱均勻，不易產(chǎn)生廢品。

微波干燥在陶瓷中的應用

微波干燥利用介質(zhì)損耗原理，通過空間或媒質(zhì)以電磁波的形式來傳遞能量，將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。這種加熱過程與物質(zhì)內(nèi)部分子的極化有著密切的關系，水分子是極性分子，當它處于電磁場中時，水分子將有序地排列成與電場一致的方向，如果外加電場不斷變換方向，水分子也將隨之不斷改變其排列方向而產(chǎn)生類似于摩擦生熱的效應。

微波加熱就是利用這一效應使微波能轉(zhuǎn)化成為熱能，達到加熱脫水干燥的目的。常規(guī)干燥過程一般從物料表面開始，依賴于傳導、對流與輻射方式，把熱量從外部逐漸傳至內(nèi)部，是一種面加熱過程，使用微波干燥坯體內(nèi)部和表面同時吸收微波能，是一種體加熱過程。

Tings等于1968年最早將微波技術引入陶瓷領域。在20世紀70年代，Sutton'將其用于A12 O3澆注料的干燥和燒成。Suhm對微波干燥陶瓷等材料進行了研究，他得出了確定微波干燥所需功率的一條經(jīng)驗規(guī)律：只要坯體開始的水分含量充分，微波輸入功率每增加1kW可在1H內(nèi)多蒸發(fā)掉lkg的水分。

微波干燥的主要特點：

1）干燥快速均勻  微波的頻率較高，其穿透深度大于紅外線輻射，能夠深入到坯體內(nèi)

部，被水分子或者其他物質(zhì)吸收而就地轉(zhuǎn)變成熱能，不管坯體形狀如何復雜，加熱也是均勻

快速的，這使得坯體脫水快，脫模均勻，變形小，不易產(chǎn)生裂紋。

另一方面，在干燥時。水分子從表面蒸發(fā)消耗能量，致使坯體表面溫度略低于內(nèi)部溫度（蒸發(fā)冷卻的緣故），坯體內(nèi)部因吸收微波而產(chǎn)生熱量，以至于內(nèi)部蒸汽迅速產(chǎn)生，形成壓力梯度，這樣熱傳遞與濕傳遞方向一致，有利于內(nèi)擴散，加快了干燥速度。

微波干燥與對流干燥相比，可提高干燥速度，縮短干燥時間2～2.5倍。另外，微波干燥是由內(nèi)向外，就坯體整體而言，內(nèi)層首先被干燥，這樣就不會在表層形成硬殼，阻礙內(nèi)部水分外移。

2）具有選擇性在一定頻率的微波場中，只有吸收微波的物質(zhì)才能被微波加熱，水由于

其介質(zhì)損耗比其他物質(zhì)大，故水分吸熱量大，內(nèi)部水分可以很快地被加熱并直接蒸發(fā)出來，這樣，陶瓷坯體可以在很短的時間內(nèi)被加熱而脫模。對于那些不宜過熱的物料來說，采用微波干燥更具有優(yōu)越性。只要控制適當整個坯體不會過熱。

3）熱效率高，節(jié)能  熱量在周圍介質(zhì)中的損失極少，加上微波加熱腔本身不吸收微波，全部用于坯體，微波能幾乎完全被坯體中的水吸收，熱量散失很少，熱效率高，這樣就能節(jié)約能量。

4）反應靈敏，易控制通過調(diào)整微波的輸出功率，可以瞬時改變加熱情況，這樣易于實現(xiàn)自動化控制微波干燥加熱無惰性，停止微波傳輸，加熱立即停止。

5）干燥制品質(zhì)量高由于微波加熱內(nèi)、外均勻，這樣可以避免產(chǎn)品因局部過熱而損壞。同時，由于微波對水的選擇性加熱可以使干燥在較低溫度下進行，這也能避免制品過熱。由于微波的這些特點，微波干燥陶瓷得到了較為廣泛的研究，涉及日用陶瓷、電瓷、多孔陶瓷、保溫材料等材料的干燥。

湖南某集團公司，設計了一條日用陶瓷微波快速干燥成型生產(chǎn)線，用于實際生產(chǎn)，實踐證明，與傳統(tǒng)鏈式干燥線相比，成坯率提高10%以上，脫模時間從35～45min縮短到5～8min，使用模具數(shù)量由400～500件下降至100～120件，節(jié)約了大量石膏模具。對于10.5in（1in=2.54cm）平盤總干燥成本可下降350元/萬件。

采用微波干燥技術，對復雜形狀的電瓷進行干燥，與常規(guī)蒸汽干燥方法相比較，可提高生產(chǎn)率24～30倍，提高成品率15%～35%，相同產(chǎn)量占地面積僅是原工藝的1/20左右，可大幅度提高經(jīng)濟效益。這也對建筑衛(wèi)生陶瓷、墻地磚等一些異型產(chǎn)品的干燥。

多孔陶瓷成型時含水分較多，孔隙多，且坯體內(nèi)孔壁薄，用傳統(tǒng)的方法因加熱不均勻，極難干燥，而且多孔材料導熱性差，若干燥過程控制不好，容易變形，影響孔隙率及比表面積。微波干燥多孔陶瓷，能夠很容易地把坯體的水分從18～25%降低至3%以下，縮短了干燥時間，并且提高了成品率。

唐竹新實驗研究發(fā)現(xiàn)，蜂窩陶瓷坯體在干燥過程中，有機黏合劑在微波作用下凝固、收縮，并且在蜂窩陶瓷體內(nèi)形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使蜂窩陶瓷坯體內(nèi)部存在的應力和缺陷得到分散和固定，而且蜂窩陶瓷坯體自身吸收微波能產(chǎn)生熱量，能夠快速穩(wěn)定干燥。

俞康泰等研究表明，微波干燥能均勻、快速、穩(wěn)定地干燥衛(wèi)生陶瓷，干燥時間比常規(guī)法縮短7倍多，微波干燥洗面具時，80%的水分在加熱階段被排除，而且含水率較高的棱狀部位在干燥過程中優(yōu)先被干燥。

李玉書采用塑性的膠質(zhì)黏土和可塑性較差的砂質(zhì)黏土為原料，進行了微波干燥實驗研究。為了防止坯體中機械水的沸騰，試樣表面的溫度控制在60～70℃范圍內(nèi)，微波功率設定2.5kW每10min間歇地加熱一次，每次加熱時間為5～10s（實驗確定的最佳范圍）。

實驗結(jié)果表明，微波干燥方法可以安全地干燥性質(zhì)相異的膠質(zhì)黏土試樣和砂質(zhì)黏土試樣。微波干燥與對流干燥對陶瓷性質(zhì)的影響參見表。

                               干燥方法對陶瓷性質(zhì)的影響

陶瓷坯體使用微波干燥時應該注意的幾個技術問題。

物料溫度的設定。物料的介電常數(shù)和損耗因子與溫度有關，在50～100度之間它們處于上升趨勢，所以采用微波干燥物料溫度廟宇為50～100度之間是極有利的，但對于陶瓷坯體的干燥來說，為了防止坯體在干燥時水分 產(chǎn)生的蒸汽壓過高而造成坯體炸裂，坯體溫度應控制在70度以下。

微波在干燥適用的坯體含水率范圍，坯體的含水率高（70%~90%），對微波源來說是重載，既不能體現(xiàn)微波的節(jié)能優(yōu)勢，有可能導致微波功率源因重載而嚴重失配。

實踐證明，微波對含水25%左右的物料干燥，效率最高，經(jīng)濟效益最好。坯體的含水率介于5%時用于傳統(tǒng)干燥方式比較經(jīng)濟。所以對含水率高于5%的物料應該采用微波干燥。對于坯體較大，含水率較低（小于5%）的坯體，如果采用傳統(tǒng)干燥方式一方面能量利用率低。另一方面可能會導致坯體過熱而破裂，此時采用微波干燥則能達到極佳的效果，最能體現(xiàn)微波的穿透深度大和均勻加熱的特點。