陶瓷的制作方法

【專家解說】：">　　1前言
　　陶瓷的干燥是陶瓷的生產(chǎn)工藝中非常重要的工序之一，陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷有很大部分是因干燥不當(dāng)而引起的。陶瓷工業(yè)的干燥經(jīng)歷了自然干燥、室式烘房干燥，到現(xiàn)在的各種熱源的連續(xù)式干燥器、遠紅外干燥器、太陽能干燥器和微波干燥技術(shù)。干燥雖然是一個技術(shù)相對簡單，應(yīng)用卻十分廣泛的工業(yè)過程，不但關(guān)系著陶瓷的產(chǎn)品質(zhì)量及成品率，而且影響陶瓷企業(yè)的整體能耗。據(jù)統(tǒng)計，干燥過程中的能耗占工業(yè)總?cè)剂舷牡?5％，而在陶瓷行業(yè)中，用于干燥的能耗占燃料總消耗的比例遠不止此數(shù)，故干燥過程的節(jié)能是關(guān)系到企業(yè)節(jié)能的大事。陶瓷的干燥速度快、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)，無污染等是新世紀(jì)對干燥技術(shù)的基本要求。
　　2陶瓷干燥過程機理
　　2.1坯體中的水分
　　陶瓷坯體的含水率一般在5％－25％之間，坯體與水分的結(jié)合形式，物料在干燥過程中的變化以及影響干燥速率的因素是分析和改進干燥器的理論依據(jù)。當(dāng)坯體與一定溫度及濕度的靜止空氣相接觸，勢必釋放出或吸收水分，使坯體含水率達到某一平衡數(shù)值。只要空氣的狀態(tài)不變，坯體中所達到的含水率就不再因接觸時間增加而發(fā)生變化，此值就是坯體在該空氣狀態(tài)下的平衡水分。而到達平衡水分的濕坯體失去的水分為自由水分。也就是說，坯體水分是平衡水分和自由水分組成，在一定的空氣狀態(tài)下，干燥的極限就是使坯體達到平衡水分。
　　坯體內(nèi)含有的水分可以分為物理水與化學(xué)水，干燥過程只涉及物理水，物理水又分為結(jié)合水與非結(jié)合水。非結(jié)合水存在于坯體的大毛細管內(nèi)，與坯體結(jié)合松弛。坯體中非結(jié)合水的蒸發(fā)就像自由液面上水的蒸發(fā)一樣，坯體表面水蒸汽的分壓力，等于其表面溫度下的飽和水蒸汽分壓力。坯體中非結(jié)合水排出時。物料的顆粒彼此靠攏，因此發(fā)生體積收縮，故非結(jié)合水又稱為收縮水。結(jié)合水是存在于坯體微毛細管（直徑小于o.1μm）內(nèi)及膠體顆粒表面的水，與坯體結(jié)合比較牢固（屬物理化學(xué)作用），因此當(dāng)結(jié)合水排出時，坯體表面水蒸汽的分壓將小于坯體表面溫度下的飽和水蒸汽分壓力。在干燥過程中當(dāng)坯體表面水蒸汽分壓力等于周圍干燥介質(zhì)的水蒸汽分壓力時，干燥過程即停止，水分不能繼續(xù)排出，此時坯體中所含的水分即為平衡水，平衡水是結(jié)合水的一部分，它的多少取決于干燥介質(zhì)的溫度和相對濕度。在排出結(jié)合水時，坯體體積不發(fā)生收縮，比較安全。
　　2.2坯體的干燥過程
　　以對流干燥過程為例，坯體的干燥過程可以分為：傳熱過程、外擴散過程、內(nèi)擴散過程三個同時進行又相互聯(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)飨蚺黧w內(nèi)部的過程。坯體表面的水分得到熱量而汽化，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。
　　外擴散過程：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，以擴散方式，由坯體表面向干燥介質(zhì)中移動。
　　內(nèi)擴散過程：由于濕坯體表面水分蒸發(fā)。使其內(nèi)部產(chǎn)生濕度梯度，促使水分由濃度高的內(nèi)層向濃度較低的外層擴散，稱濕傳導(dǎo)或濕擴散。
　　在干燥條件穩(wěn)定的情況下，坯體表面溫度、水分含量、干燥速率與時間有一定的關(guān)系，根據(jù)它們之間關(guān)系的變化特征，可以將干燥過程分為：加熱階段、等速干燥階段、降速干燥階段三個過程。
　　加熱階段，由于干燥介質(zhì)在單位時間內(nèi)傳給坯體表面的熱量大于表面水分蒸發(fā)所消耗的熱量，因此受熱表面溫度逐漸升高，直至等于干燥介質(zhì)的濕球溫度，此時表面獲得熱與蒸發(fā)消耗熱達到動態(tài)平衡，溫度不變。此階段坯體水分減少，干燥速率增加。
　　等速干燥階段，本階段仍繼續(xù)進行非結(jié)合水排出。由于坯體含水分較高，表面蒸發(fā)了多少水量，內(nèi)部就能補充多少水量，即坯體內(nèi)部水分移動速度（內(nèi)擴散速度）等于表面水分蒸發(fā)速度，亦等于外擴散速度，所以表面維持潮濕狀態(tài)。另外，介質(zhì)傳給坯體表面的熱量等干水分汽化所需的熱量，所以坯體表面溫度不變，等于介質(zhì)的濕球溫度。坯體表面的水蒸汽分壓等子表面溫度下飽和水蒸汽分壓，干燥速率穩(wěn)定，故稱等速干燥階段。本階段是排出非結(jié)合水，故坯體會產(chǎn)生體積收縮，收縮量與水分降低量成直線關(guān)系，若操作不當(dāng)，干燥過快，坯體極容易變形，開裂，造成干燥廢品。等速干燥階段結(jié)束時，物料水分降低到臨界值。此時盡管物料內(nèi)部仍是非結(jié)合水，但在表面一層內(nèi)開始出現(xiàn)結(jié)合水。
　　降速干燥階段，這一階段中，坯體含水量減少，內(nèi)擴散速度趕不上表面水分蒸發(fā)速度和外擴散速度，表面不再維持潮濕，干燥速率逐漸降低。由于表面水分蒸發(fā)所需熱量減少，物料溫度開始逐漸升高。物料表面水蒸汽分壓小于表面溫度下飽和水蒸汽分壓。此階段是排出結(jié)合水，坯體不產(chǎn)生體積收縮，不會產(chǎn)生干燥廢品。當(dāng)物料排水分下降等于平衡水分時，干燥速率變?yōu)榱?，干燥過程終止，即使延長干燥時間，物料水分也不再發(fā)生變化。此時物料表面溫度等于介質(zhì)的干球溫度，表面水蒸汽分壓等于介質(zhì)的水蒸汽分壓。降速干燥階段的干燥速度，取決于內(nèi)擴散速率，故又稱內(nèi)擴散控制階段，此時物料的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸等因素影響著干燥速率。
　　2.3影響干燥速率的因素
　　影響干燥速率的因素有，傳熱速率、外擴散速率、內(nèi)擴散速率。
　?。ㄒ唬┘涌靷鳠崴俾?br/>　　為加快傳熱速率，應(yīng)做到：①提高干燥介質(zhì)溫度，如提高干燥窯中的熱氣體溫度，增加熱風(fēng)爐等，但不能使坯體表面溫度升高太快，避免開裂，②增加傳熱面積：如改單面干燥為雙面干燥，分層碼坯或減少碼坯層數(shù)，增加于與熱氣體接觸面，③提高對流傳熱系數(shù)。
　?。ǘ┨岣咄鈹U散速率當(dāng)干燥處于等速干燥階段時，外擴散阻力成為左右整個干燥速率的主要矛盾，因此降低外擴散阻力，提高外擴散速率，對縮短整個干燥周期影響最大。外擴散阻力主要發(fā)生在邊界層里，因此應(yīng)做到：①增大介質(zhì)流速，減薄邊界層厚度等，提高對流傳熱系數(shù)。也可提高對流傳質(zhì)系數(shù)，利于提高干燥速度，②降低介質(zhì)的水蒸汽濃度，增加傳質(zhì)面積，亦可提高干燥速度。
　?。ㄈ┨岣咚值膬?nèi)擴散速率
　　水分的內(nèi)擴散速率是由濕擴散和熱擴散共同作用的。濕擴散是物料中由于濕度梯度引起的水分移動，熱擴散是物理中存在溫度梯度而引起的水分移動。要提高內(nèi)擴散速率應(yīng)做到：①使熱擴散與濕擴散方向一致，即設(shè)法使物料中心溫度高于表面溫度，如遠紅外加熱、微波加熱方式，②當(dāng)熱擴散與濕擴散方向一致時，強化傳熱，提高物料中的溫度梯度，當(dāng)兩者相反時，加強溫度梯度雖然擴大了熱擴散的阻力，但可以增強傳熱，物料溫度提高，濕擴散得以增加，故能加快干燥，③減薄坯體厚度，變單面干燥為雙面干燥，④降低介質(zhì)的總壓力，有利子提高濕擴散系數(shù)，從而提高濕擴散速率，⑤其他坯體性質(zhì)和形狀等方面的因素。
　　3干燥技術(shù)分類
　　按干燥制度是否進行控制可分為，自然干燥和人工干燥，由于人工干燥是人為控制干燥過程，所以又稱為強制干燥。
　　按干燥方法不同進行分類，可分為：
　?、賹α鞲稍?，其特點是利用氣體作為干燥介質(zhì)，以一定的速度吹拂坯體表面，使坯體得以干燥。
　　②輻射干燥，其特點是利用紅外線、微波等電磁波的輻射能，照射被干燥的坯體使其得以干燥。
　　③真空干燥，這是一種在真空（負壓）下干燥坯體的方法。坯體不需要升溫，但需利用抽氣設(shè)備產(chǎn)生一定的負壓，因此系統(tǒng)需要密閉，難以連續(xù)生產(chǎn)。
　?、苈?lián)合干燥，其特點是綜合利用兩種以上干燥方法發(fā)揮它們各自的特長，優(yōu)勢互補，往往可以得到更理想的干燥效果。
　　還有一些干燥方法，按干燥制度是否連續(xù)分為間歇式干燥器和連續(xù)式干燥器。連續(xù)式干燥器又可按干燥介質(zhì)與坯體的運動方向不同分為順流、逆流和混流：按干燥器的外形不同分為室式干燥器、隧道式干燥器等。
　　4 各瓷種所用干燥器特點
　　4.1 建筑衛(wèi)生陶瓷干燥器
　　1恒溫恒濕大空間干燥衛(wèi)生潔具的坯體在微壓之后水分為18％左右，此時強度低，不宜搬動，一般采取就地干燥的方法。一般廠家采用鍋爐蒸汽加熱的方法系統(tǒng)，它的特點是燃料成本低，可以形成一定的干燥氣氛。同時缺點很多，如無橫向空氣流動；排濕功能差，干燥時間長；無通風(fēng)系統(tǒng)，工人工作條件差。因此比較先進的“恒溫恒濕系統(tǒng)”被采用。這種系統(tǒng)不需要改變原來的生產(chǎn)流程、生產(chǎn)工藝，還可以加速干燥速度，它的另一大特點是具有強制通風(fēng)功能。這一系統(tǒng)也存在一系列的問題，如能源消耗大；參數(shù)滯后；干燥不同步等。尤其是近年來石膏模有變大趨勢，那么坯體的干燥時間和要求就不一樣，為了保證每一班的生產(chǎn)安排。石膏模的干燥成為生產(chǎn)安排的主要矛盾。在解決這一問題上采用密封式干燥系統(tǒng)，即石膏摸出坯后整個成型線密封，在這個小的空間內(nèi)使用小型的恒溫恒濕系統(tǒng)。
　　2熱風(fēng)快速干燥
　　快速干燥就是干燥氣氛按坯體的不同及坯體干燥程度而變化，時刻保持最佳干燥氣氛，提高干燥速度。溫濕度自動調(diào)節(jié)快速干燥室具有以下幾個特點，①空間小，參數(shù)調(diào)整時響應(yīng)快，精確度高；②可以根據(jù)坯體的情況，設(shè)定不同的干燥曲線；③工控機控制，自動化程度高，減少人為失誤的因素，坯體干燥合格率高。這一系統(tǒng)由房體結(jié)構(gòu)、熱風(fēng)爐、布風(fēng)系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、濕度系統(tǒng)等六部分組成。
　　3蒸汽快速干燥
　　這里討論的是蒸汽直接干燥，就是坯體出模后，沿軌道進入末端封閉的干燥室中，關(guān)閉干燥室后將蒸汽沿頂部的管道直接進入密封干燥室中，蒸汽在密室中膨脹降壓，濕蒸汽由密室底部的管道排出回收。它的最大的優(yōu)點是干燥快，正品率高。
　　4工頻電干燥
　　就是將工頻電（50Hz）通過坯體，由于坯體的電阻作用使得整個坯體均勻升溫干燥，使達到了既升溫又無溫度梯度的目的。工頻電干燥的缺點是干燥前的準(zhǔn)備工作很麻煩，而且它只適合單件產(chǎn)品干燥。
　　4.2墻地磚干燥
　　墻地磚的坯體從壓機出來后一般都是由窯爐的余熱來進行干燥，但隨著產(chǎn)品的規(guī)格尺寸越來越大，最大達1.2×2mm，甚至更大，厚度越來越厚，從8mm增大到60mm，靠窯爐的余熱已經(jīng)不能滿足干燥的要求。而且隨著產(chǎn)品的高檔化、色彩多樣化，對窯內(nèi)的氣氛的控制要求越來越精確和嚴格，用余熱來干燥坯體時，干燥段的調(diào)整會引起窯內(nèi)氣氛的變化，甚至增加窯爐燒成燃料的消耗，有的增加1－2噸燃料。于是便出現(xiàn)了立式干燥器、干燥窯、多層干燥窯等。
　　1立式干燥窯
　　它是應(yīng)用比較廣泛的干燥設(shè)備，它占地面積小，干操小規(guī)格的墻地磚，具有較好的效果。
　　2干燥窯
　　干燥窯是直接加在燒成窯之前，外觀上是窯爐的一部分（稱為預(yù)熱帶）或是在窯的旁邊獨立建造一條長寬相當(dāng)?shù)母稍锔G。坯體從壓機出來或施釉后出來直接進入干燥窯干燥，干燥完坯體直接進入預(yù)熱帶或經(jīng)傳動進入燒成密進行燒成。它由熱風(fēng)爐、布風(fēng)系統(tǒng)、窯體結(jié)構(gòu)三個部分組成，干燥窯熱利用率好的一般只采用燒成窯的熱風(fēng)基本上能滿足干燥要求，有的差一點或要求干燥水分低一點的，除了用燒成密的熱風(fēng)外，還需要另外燒熱風(fēng)爐，每天消耗燃料2～3噸。
　　3多層干燥窯
　　隨著技術(shù)的進步，坯體中含水率越來越低，干燥過程需將含水率從8％降低到1％，使用一般干燥窯不能達到這個目標(biāo)。多層干燥窯就能解決這個問題。它是由窯頭排隊器，窯尾收集器及若干干燥單元組成，每個單元都是獨立的，它們的溫度、濕度調(diào)節(jié)，通風(fēng)量調(diào)節(jié)，單獨由熱風(fēng)爐。它的優(yōu)點是：足夠的干燥時間；外表面積小，散熱損失?。怀鲲L(fēng)口貼近磚面。干燥強度高；調(diào)節(jié)溫度時通風(fēng)量不會受到影響，因此熱風(fēng)吹過磚坯表面的速度及范圍都不會因溫度的調(diào)整而變動，但是多層干燥窯的調(diào)控相對比較困難，特別是窯寬增加，無法保證窯內(nèi)溫度的均勻，引起干燥效果不一。
　　4.3日用陶瓷干燥
　　日用陶瓷干燥與衛(wèi)生陶瓷或墻地磚坯體的干燥不同，其具有的特點是：①坯體的種類繁多、數(shù)量大、尺寸小、形狀復(fù)雜。變形和開裂是最常見的兩種缺陷：②生產(chǎn)工藝過程中常常要拌入脫模、翻坯、修坯、接把、上釉等工序而成為流水作業(yè)完成。因此日用瓷的干燥主要使用鏈?zhǔn)礁稍锲鳌８鶕?jù)鏈條的布置方式可分為：水平多層布置干燥器、水平單層布置干燥器、垂直（立式）布置干燥器。
　　5遠紅外干燥技術(shù)
　　紅外輻射干燥技術(shù)越來越受到各行各業(yè)人們的重視，在食品干燥、煙草、木材、中草藥、紙板、汽車、自行車、金屬體烤漆等方面發(fā)揮很大作用。此外，遠紅外干燥也被應(yīng)用于陶瓷干燥中。大部分物體吸收紅外線的波長范圍都在遠紅外區(qū)，水和陶瓷坯體在遠紅外區(qū)也有強的吸收峰，能夠強烈地吸收遠紅外線，產(chǎn)主激烈的共振現(xiàn)象，使坯體迅速變熱而使之干燥。且遠紅外對被照物體的穿透深度比近、中紅外深。因此采用遠紅外干燥陶瓷更合理。遠紅外干燥比一般的熱風(fēng)、電熱等加熱方法具有高效快干、節(jié)約能源、節(jié)省時間、使用方便、干燥均勻、占地面積小等優(yōu)點，從而達到了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低消耗的優(yōu)良效果。
　　據(jù)陶瓷廠生產(chǎn)實踐證明，采用遠紅外干燥比近紅外線干燥時間可縮短一半，是熱風(fēng)干燥的1／10，成坯率達90％以上，比近紅外干燥節(jié)電20～60％[1]。鄭州瓷廠對10寸平盤進行遠紅外干燥技術(shù)實施，結(jié)果證明，生產(chǎn)周期提高一倍，通常干燥時間為2.5～3小時，縮短為1小時，成本低、投資小、見效快、衛(wèi)生條件好、占地面積小。遠紅外材料的研究近年來很活躍，而且取得了很大進展，在各行各業(yè)也有很多成功應(yīng)用的例子，為什么在建筑衛(wèi)生陶瓷的干燥線上卻少有人問津呢？
　　6微波干燥技術(shù)
　　微波是指介于高頻與遠紅外線之間的電磁波，波長為O.001—1m，頻率為300-300000MHz。微波干燥是用微波照射濕坯體，電磁場方向和大小隨時間作周期性變化使坯體內(nèi)極性水分子隨著交變的高頻電場變化，使分子產(chǎn)生劇烈的轉(zhuǎn)動，發(fā)生摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，達到坯體整體均勻升溫、干燥的目的[2、3、4]。微波的穿透能力比遠紅外線大得多，而且頻率越小，微波的半功率深度越大。微波干燥的特點：
　?。?）均勻快速，這是微波干燥的主要特點。由于微波具有較大的穿透能力，加熱時可使介質(zhì)內(nèi)部直接產(chǎn)生熱量。不管坯體的形狀如何復(fù)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。
　?。?）具有選擇性，微波加熱與物質(zhì)的本身性質(zhì)有關(guān)、在一定頻率的微波場中，水由于其介質(zhì)損耗比其它物料大，故水分比其它干物料的吸熱量大得多；同時由于微波加熱是表里同時進行，內(nèi)部水份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)經(jīng)加熱而脫模。
　?。?）熱效率高、反應(yīng)靈敏，由于熱量直接來自于干燥物料內(nèi)部，熱量在周圍介質(zhì)中的損耗極少，加上微波加熱腔本身不吸熱，不吸收微波，全部發(fā)射作用于坯體，熱效率高。
　　微波加熱設(shè)備主要由直流電源、微波管、連接波導(dǎo)、加熱器及冷卻系統(tǒng)等幾個部分組成微波加熱器按照加熱物和微波場作用的形式可分為駐波場諧振加熱器、行波場波導(dǎo)加熱器、輻射型加熱器、慢波型加熱器等幾大類。
　　6.1微波干燥在日用陶瓷中應(yīng)用
　　湖南國光瓷業(yè)集團股份有限公司，根據(jù)日用陶瓷的工藝特點，設(shè)計了一條日用陶瓷快速脫水干燥線用于生產(chǎn)中，實踐證明，與傳統(tǒng)鏈?zhǔn)礁稍锞€相比，成坯率提高10％以上，脫石膏模時間從35～45分鐘縮短到5～8分鐘，使用模具數(shù)量由400～500件下降致100～120件，微波干燥線所占地面積小，生產(chǎn)無污染．其效率式鏈?zhǔn)礁稍锏?.5倍，除了可大量節(jié)約石膏模具外，與二次快速干燥線配合使用，對于10.5寸平盤總干燥成本可下降350元／萬件[5]。
　　6.2微波干燥在電瓷中的應(yīng)用
　　遼寧撫順石油化工公司，李春原對電瓷干燥工藝采用微波加熱干燥技術(shù)、重量鑒讀控制技術(shù)、紅外測溫鑒讀控制技術(shù)，對復(fù)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)量占地面積僅是現(xiàn)有工藝的二十分之一左右，可大幅度地提高經(jīng)濟效益。這對建筑衛(wèi)生陶瓷、墻地磚等一些異型產(chǎn)品的干燥可提供借鑒。
　　6.3多孔陶瓷的干燥多孔陶瓷由于具有機械強度高、易于再生、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐熱性好、孔道分布均勻等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景，并被廣泛應(yīng)用于化工。環(huán)保、能源、冶金、電子、石油、冶煉、紡織、制藥、食品機械、水泥等領(lǐng)域。作為吸聲材料敏感元件和人工骨、齒根等材料也越來越受到人們的重視。由于多孔材料成型時含水分較多，孔隙多，且坯體內(nèi)孔壁特別薄，用傳統(tǒng)的方法因加熱不均勻，極難干燥，加之這些多孔材料導(dǎo)熱系數(shù)差，其干燥過程要求特別嚴格，特別是用于環(huán)保汽車等方面的蜂窩陶瓷，干燥過程控制不好，易變形，影響孔隙率及比表面積。微波干燥技術(shù)已成功地應(yīng)用于多孔陶瓷的干燥，其能很容易地把坯體的水分從18％～25％降低到3％一下，降水率達到0.7～1.5kg，大大縮短干燥時間、提高成品率。我們亦把微波干燥應(yīng)用于劈開磚的溫坯干燥，效果亦非常明顯。
　　7展望
　　微波加熱雖然有許多優(yōu)點，但其固定投資和純生產(chǎn)費用較其它加熱方法為高，特別是耗電較多，使生產(chǎn)成本增加；微波在大能量長時間的照射下，對人體健康帶來不利影響，微波加熱是有選擇性的。因此單獨采用微波干燥或?qū)α鞲稍锒加兴鼈兊膬?yōu)劣之處。如果綜合兩者將會使兩種方法的優(yōu)點得到充分的發(fā)揮。即在快速干燥室內(nèi)，增加微波發(fā)生器。在坯體的升溫階段，微波發(fā)生器以最大功率運行，在很短的時間內(nèi)使坯體溫度升高。然后逐漸減少微波功率，而熱風(fēng)干燥以最大強度運行，這樣總的加熱時間將減少50％，總能耗并沒有增加，而且坯體合格率高。而且，我們應(yīng)該盡可能使微波爐結(jié)構(gòu)設(shè)什合理，防輻射措施得當(dāng)，可使微波輻射減至最小，對人體完全沒有影響[6]。所以為了更好地發(fā)揮微波技術(shù)的優(yōu)點，除了采用混和加熱或混合干燥技術(shù)外，加強完善陶瓷材料與微波之間的作用機理的研究，加強陶瓷材料的介電性能、介質(zhì)消耗與微波頻率及溫度關(guān)系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)試驗，及完善微波干燥的工藝及設(shè)備，使這一技術(shù)委陶瓷行業(yè)服務(wù)。