微波干燥衛(wèi)生陶瓷的研究與設(shè)備開發(fā)

李聰 高啟蔚 彭虎 夏廣斌 劉忠

摘 要：本文利用微波干燥法進(jìn)行衛(wèi)生陶瓷坯體干燥試驗，探究微波可以實現(xiàn)對衛(wèi)生陶瓷快速干燥的原因。在此基礎(chǔ)上，對圍繞著微波設(shè)備大型化、連續(xù)化中面臨的關(guān)鍵技術(shù)及微波干燥電耗相對較高等技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，開發(fā)了衛(wèi)生陶瓷微波干燥輥道窯，并在實際工廠使用。結(jié)果表明：微波干燥過程實現(xiàn)了沿坯體縱向與沿坯體局部區(qū)域橫向的均勻干燥及微波干燥能顯著提高干燥的內(nèi)擴(kuò)散速率，最終實現(xiàn)對衛(wèi)生陶瓷的快速干燥;采用微波、熱風(fēng)耦合加熱技術(shù)能顯著降低微波干燥電耗;開發(fā)的衛(wèi)生陶瓷微波干燥輥道窯，可極大縮短干燥周期，降低場地占地面積，提高干燥合格率。

關(guān)鍵詞：微波干燥;衛(wèi)生陶瓷;設(shè)備開發(fā)

1 前 言

衛(wèi)生陶瓷的生產(chǎn)過程主要涉及到原料處理、坯體成型、干燥、施釉、燒成5個環(huán)節(jié)，其中干燥過程對縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)占地面積以及實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用。

多年來，衛(wèi)生陶瓷的干燥經(jīng)歷了自然干燥、室式烘干房干燥、鏈?zhǔn)礁稍?、少空氣快速干燥、隧道窯干燥等各式的干燥方式[1]。這些干燥方法為外部加熱方式，均以熱空氣或窯爐煙氣作為干燥介質(zhì)，利用對流的原理使坯體表面的溫度升高，然后借助自身的熱傳導(dǎo)，熱量由表面向內(nèi)部傳遞，由于陶瓷坯體導(dǎo)熱性差，由表及里需要一定的時間，往往造成坯體內(nèi)外干燥程度差異較大，從而在坯體的表面形成干燥硬殼，進(jìn)而使得坯體內(nèi)層的后續(xù)干燥過程緩慢，延長了坯體整體的干燥時間，并且坯體內(nèi)外層不均勻的收縮易產(chǎn)生開裂[2]。因此，目前衛(wèi)生陶瓷的干燥具有干燥周期長、場地占用大、非連續(xù)化生產(chǎn)、成品率低等特點(diǎn)[3、4]。

如何改善衛(wèi)生陶瓷行業(yè)普遍存在的這些現(xiàn)象成為目前亟待解決的重要問題。隨著科技的發(fā)展，一種新型的干燥技術(shù)——微波加熱干燥引起了人們的關(guān)注。與傳統(tǒng)干燥方式不同的是，微波干燥是通過水分子與電磁場相互作用完成對坯體加熱干燥的，是電磁能轉(zhuǎn)換為熱能的過程，是能量的轉(zhuǎn)換而非熱量的轉(zhuǎn)移。由于微波能穿透到坯體的內(nèi)部，其加熱過程在整個坯體內(nèi)同時進(jìn)行，因此具有升溫迅速、溫度均勻等特點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)干燥方式存在的一些問題[5、6]。

從20世紀(jì)80年代開始，微波能逐漸應(yīng)用于陶瓷干燥領(lǐng)域[7-9]。俞康泰[10]采用微波干燥和常規(guī)干燥兩種方式干燥衛(wèi)生陶瓷，證明了微波干燥優(yōu)于常規(guī)干燥的特性。周其星[11]對比了微波加熱法與烘箱加熱法干燥陶瓷坯體，表明微波加熱法加熱更均勻，加熱速度更快，效率更高。D.Atong[2]采用帶式微波干燥器干燥注漿成型的盤子，縮短了干燥周期、降低了能耗。但目前微波干燥在陶瓷行業(yè)中的研究主要集中在蜂窩陶瓷、日用陶瓷等小件、壁薄的產(chǎn)品的研究，所使用的微波設(shè)備尺寸較小，并且大多僅處于實驗室研究階段。微波設(shè)備大型化、連續(xù)化中面臨的關(guān)鍵技術(shù)及微波干燥電耗成本相對較高的問題，已成為微波加熱工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

因此，本文通過理論分析，研究了衛(wèi)生陶瓷微波干燥工藝與微波、熱風(fēng)耦合加熱技術(shù)及制約微波設(shè)備大型化、連續(xù)化中面臨的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了國內(nèi)第一條衛(wèi)生陶瓷微波干燥輥道窯并產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2 理論分析

2.1 衛(wèi)生陶瓷干燥過程

衛(wèi)生陶瓷坯體中的水分按其結(jié)合狀態(tài)可分為化學(xué)結(jié)合水、吸附水及自由水，干燥工藝主要是排除坯體自由水和吸附水的過程。圖1為坯體干燥過程示意圖。在干燥的過程中，一方面是表面汽化過程，坯體從外界獲得能量，使表面濕分蒸發(fā);另一方面，物料的內(nèi)部也同時發(fā)生著熱量傳遞和水分向外部的擴(kuò)散和遷移，這種表面汽化和內(nèi)部擴(kuò)散的過程是同時進(jìn)行的。在干燥臨界狀態(tài)之前這一階段主要是排除自由水，隨著干燥的進(jìn)行，坯體含水率降低，顆粒在表面張力的作用下被拉緊，生坯開始逐漸收縮，在此階段需要控制干燥均勻和保持一定的濕度，直至達(dá)到臨界狀態(tài)，此時坯體內(nèi)固體顆粒最終完全靠攏。從臨界狀態(tài)到干燥終止?fàn)顟B(tài)這一階段主要是排除吸附水，在此期間，坯體不再發(fā)生體積收縮，這一階段主要以最快的速度排除水分。因此，在衛(wèi)生陶瓷坯體干燥的過程中，在干燥臨界狀態(tài)之前需控制好坯體的干燥均勻性，防止坯體由于不均勻的收縮而產(chǎn)生開裂;在臨界狀態(tài)之后應(yīng)以最快的干燥速度排除水分。

2.2 傳統(tǒng)干燥與微波干燥對比

圖2給出了衛(wèi)生陶瓷傳統(tǒng)干燥方式傳質(zhì)、傳熱模型。在干燥開始時，坯體通過對流傳熱的方式從外界獲得能量。隨著干燥的進(jìn)行，一方面，借助自身的熱傳導(dǎo)，熱量由表面向內(nèi)部傳遞，由于陶瓷濕坯導(dǎo)熱性差，使得坯體內(nèi)部的溫度遠(yuǎn)低于坯體表面的溫度;另一方面，由于坯體表面蒸發(fā)冷卻的緣故，使得坯體表面的水分低于內(nèi)部的水分。最后，在溫度梯度和壓力梯度的作用下，熱量由表面向內(nèi)部傳導(dǎo)，水分從內(nèi)部向表面遷移，熱量傳導(dǎo)和質(zhì)量遷移方向相反阻礙了坯體內(nèi)部水分向表面的擴(kuò)散速度，往往造成坯體內(nèi)外干燥程度差異較大，從而在坯體的表面形成干燥硬殼，進(jìn)而使得坯體內(nèi)層的后續(xù)干燥過程緩慢，延長了坯體整體的干燥時間，并且坯體內(nèi)外層不均勻的收縮易產(chǎn)生開裂。

與傳統(tǒng)加熱方式不同的是，微波加熱是通過水分子與電磁場相互作用完成對陶瓷坯體加熱。陶瓷坯體中的水分子是極性分子，在快速變化的微波高頻電磁場作用下，其極性取向?qū)㈦S著外電場的變化而變化，造成水分子的運(yùn)動和相互摩擦效應(yīng)。此時微波能轉(zhuǎn)化為坯體的內(nèi)能，使坯體的溫度升高，微波加熱造就坯體出現(xiàn)體熱源狀況，改變了常規(guī)加熱干燥過程中某些遷移勢和遷移勢梯度方向，形成了微波干燥的獨(dú)特機(jī)理[12-14]。

圖3為微波干燥的傳質(zhì)、傳熱模型。由于微波對吸收介質(zhì)有較強(qiáng)的穿透深度，熱量不必從坯體表面?zhèn)鬟f至坯體內(nèi)部，而是直接將能量作用于整個坯體，即當(dāng)微波干燥陶瓷坯體時，首先表現(xiàn)為整體同步加熱，實現(xiàn)均勻干燥。隨著干燥的進(jìn)行，在坯體的表面由于蒸發(fā)冷卻的緣故，使坯體表面的溫度略低于里層的溫度，同時由于坯體內(nèi)部產(chǎn)生熱量，以致內(nèi)部蒸汽迅速產(chǎn)生，形成壓力梯度，驅(qū)使水分向坯體表面排出，即溫度梯度和壓力梯度方向相同。最后，在溫度梯度和壓力梯度的作用下，熱量從內(nèi)部向表面?zhèn)鲗?dǎo)，水分從內(nèi)部向表面遷移，熱量傳導(dǎo)和質(zhì)量遷移方向相同加快了坯體內(nèi)部水分向表面的擴(kuò)散速度。同時通過調(diào)節(jié)環(huán)境的溫度、濕度及風(fēng)速使得坯體表面的水分快速擴(kuò)散到環(huán)境中去，達(dá)到對坯體快速加熱干燥的目的[15-16]。即采用微波干燥提高了坯體內(nèi)外層的干燥均勻性及內(nèi)擴(kuò)散速率。

2.3 微波、熱風(fēng)耦合加熱技術(shù)

微波、熱風(fēng)耦合干燥技術(shù)是指利用微波和熱風(fēng)這兩種干燥方式同時對物料進(jìn)行干燥。微波加熱獨(dú)特的“泵”效應(yīng)能顯著的將坯體的內(nèi)部的水分轉(zhuǎn)移至表面，熱風(fēng)能有效的將坯體表面的水分帶走，充分發(fā)揮各自的工藝優(yōu)勢，可加快干燥速度，降低干燥成本。

3 衛(wèi)生陶瓷微波干燥試驗研究

3.1 試驗過程

將含水率19.6%的長×寬×高為770mm×390mm×500mm的高壓分體坐便器放入微波試驗輥道窯中進(jìn)行干燥，在0～6h采用微波加熱干燥坯體，在6～8h向窯內(nèi)通入熱風(fēng)采用微波、熱風(fēng)耦合加熱技術(shù)干燥坯體。所用微波試驗輥道窯的型號為INNOV-D-R-012，微波頻率為2450MHz，試驗過程中采用熱電偶和濕度計測試窯內(nèi)的溫濕度，采用紅外測溫儀測試坯體的溫度，采用游標(biāo)卡尺測試坯體的收縮。

為了研究坯體內(nèi)外層干燥速率的差異，對坯體座圈處內(nèi)外層的坯體溫度及脫水情況進(jìn)行了比較;為了研究不同部位干燥速率的差異，對坯體座圈、底部、膽內(nèi)三個部位的坯體溫度及脫水情況進(jìn)行了比較;同時對底部這一局部區(qū)域沿高度方向間隔1cm由上到下選取三個位置A、B、C，對比研究A、B、C三個位置的坯體溫度及脫水情況;測試了不同溫度下的電耗。

3.2 結(jié)果與討論

圖4為坯體干燥曲線?？梢钥闯?，隨著干燥的進(jìn)行，坯體的脫水率與脫水速率均逐漸增加;坯體收縮在前6h內(nèi)完成;爐體的溫度與坯體的溫度均逐漸增加，在干燥的前期，兩者大小接近，隨著干燥的進(jìn)行，坯體的溫度逐漸高于爐體的溫度;爐體的濕度在前期保持較高，后期逐漸降低。根據(jù)坯體的收縮曲線將干燥過程劃分為2個階段，0～6h為第Ⅰ階段，6～8h為第Ⅱ階段。在第Ⅰ階段，坯體脫水的過程會造成收縮，有可能引起坯體開裂，在此期間，采用較低的微波功率密度，并保持低溫高濕的外界環(huán)境，防止表面過快干燥而產(chǎn)生裂紋，相應(yīng)地坯體的脫水率及脫水速率保持相對較低的水平;當(dāng)干燥進(jìn)入第Ⅱ階段，坯體不再收縮，不容易產(chǎn)生干燥裂紋，在此期間，采用較高的微波功率密度，加大水分向表面的遷移速率，同時，降低環(huán)境的濕度，并通入適量的熱風(fēng)，提高表面水分的蒸發(fā)速率，相應(yīng)地坯體的脫水率及脫水速率均保持較高的水平。

與傳統(tǒng)干燥方式干燥后期為降速干燥階段不同的是，圖4（a）給出的微波干燥整個干燥過程其干燥速率一直在增加。這是由于在傳統(tǒng)干燥方式下，在干燥的前期主要是排除自由水的過程，自由水與黏土結(jié)合松弛，容易排除，而在干燥的后期主要是排除吸附水，水分遷移需要更高的能量，并且，隨著水分的降低，水分遷移阻力越來越大，干燥速率受內(nèi)擴(kuò)散速率的影響而降低;而微波干燥獨(dú)特的“泵”效應(yīng)能顯著的增加坯體的內(nèi)擴(kuò)散速率，通過控制微波功率使得其整個干燥過程內(nèi)擴(kuò)散速率均在增加，并且在干燥的后期通入適量的熱風(fēng)提高坯體表面水分蒸發(fā)的能力，因此整個干燥過程中其干燥速率可以保持一直在增加。

為了探究微波干燥可以實現(xiàn)對衛(wèi)生陶瓷快速干燥的原因，對坯體干燥過程中坯體內(nèi)外層及坯體不同部位的干燥情況進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5 ～ 圖7所示。

從圖5可以看出，采用微波干燥過程中，除初始時刻外，整個干燥過程中，坯體內(nèi)部的溫度高于表面的溫度;整個干燥過程中，坯體外部的脫水率略高于坯體內(nèi)部的脫水率，但差值較小，實現(xiàn)了內(nèi)外層的均勻干燥。這是由于微波的穿透性極強(qiáng)，能與坯體直接作用，使表面和內(nèi)部同時加熱，同時由于表面蒸發(fā)冷卻的緣故，使得表面的溫度略低于內(nèi)部的溫度。相應(yīng)的微波干燥過程實現(xiàn)了對坯體的均勻同步加熱，因此，坯體內(nèi)外的脫水速率比較接近，外部脫水速率僅略高于內(nèi)部脫水速率，即采用微波干燥可實現(xiàn)沿坯體縱向的均勻干燥。

從圖6可以看出，在干燥的過程中，座圈及底部的溫度及脫水率比較接近，而膽內(nèi)的溫度及脫水率與上述兩者相差相對較大。這是由于衛(wèi)生陶瓷坯體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時存在單面吃漿和雙面吃漿的部位，因此造成坯體不同部位干燥存在差異。從圖7給出的底部區(qū)域從上至下間隔1cm的A、B、C三個區(qū)域的坯體溫度及干燥脫水率對比結(jié)果可以看出，A、B、C三個區(qū)域的坯體溫度及脫水率差別較小。因此，盡管微波干燥過程中，各部位干燥速率存在相對較大的差異，但在較小的區(qū)域范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)沿坯體橫向的均勻干燥。

采用微波干燥衛(wèi)生陶瓷，可以實現(xiàn)沿坯體縱向與坯體局部區(qū)域內(nèi)沿橫向的均勻干燥及微波能顯著提高干燥的內(nèi)擴(kuò)散速率，這是微波干燥衛(wèi)生陶瓷可以實現(xiàn)快速干燥的根本原因。

為了探究微波、熱風(fēng)耦合干燥條件下熱風(fēng)的通入對降低干燥電耗的有益效果，測試了不同熱風(fēng)溫度下的電耗，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，當(dāng)通入的熱風(fēng)溫度從54℃升至103℃時，單件分體坐便器的電耗從9.45kWh降低至6.9kWh，效果非常明顯。

4 衛(wèi)生陶瓷微波干燥輥道窯的開發(fā)

4.1 微波設(shè)備大型化、連續(xù)化面臨的關(guān)鍵技術(shù)

本文解決的微波設(shè)備大型化、連續(xù)化中面臨的關(guān)鍵技術(shù)如下：

①超低反射裂縫天線：自主設(shè)計開發(fā)了具有超低反射、微波輻射均勻性好的超低反射裂縫天線，提高了電磁能的利用率和均勻性;

②微波抑制裝置：開發(fā)的漏能抑制器能同時解決微波泄漏與輥棒水平度調(diào)整的問題;

③漏能抑制器：開發(fā)了一種用于續(xù)式微波干燥設(shè)備大尺寸進(jìn)出料口的漏能抑制器，該抑制器既能使加工產(chǎn)品順利進(jìn)出微波輥道窯，又能確保微波屏蔽材料不與輥棒纏繞，并且能確保微波不泄漏，使用便捷且安全性好。

4.2 衛(wèi)生陶瓷微波干燥輥道窯的組成

衛(wèi)生陶瓷微波干燥輥道窯主窯長98m，設(shè)備總長度160m，微波頻率為2450MHz，波長為122.4mm，微波最大輸出功率為427kW。

如圖9所示，設(shè)備由以下8個部分組成：（1）傳動系統(tǒng);（2）微波發(fā)生系統(tǒng);（3）循環(huán)風(fēng)系統(tǒng);（4）排濕系統(tǒng);（5）冷風(fēng)系統(tǒng);（6）熱風(fēng)系統(tǒng);（7）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);（8）智能控制系統(tǒng)。

微波由磁控管產(chǎn)生，由分布于頂部和側(cè)部的饋能裝置輸入微波干燥窯中。在窯內(nèi)，微波與坯體作用而加熱坯體，產(chǎn)生的水蒸氣由排濕系統(tǒng)帶走。在進(jìn)料抑制段和出料抑制段分別安裝了結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的漏能抑制器，可以有效阻止微波的泄漏。坯體由速度可調(diào)的傳動系統(tǒng)輸送到爐體內(nèi)進(jìn)行干燥，在整個干燥的過程中，有熱電偶、濕度計、光電開關(guān)等對爐體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)實時反饋給基于PLC的智能控制系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)快速做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，完成干燥過程的精準(zhǔn)控制，整個干燥過程實現(xiàn)智能化自動控制。

4.3 衛(wèi)生陶瓷微波干燥輥道窯的應(yīng)用

開發(fā)的衛(wèi)生陶瓷微波干燥輥道窯已在江西東鵬衛(wèi)浴有限公司投入使用，設(shè)備已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行32個月，主要干燥產(chǎn)品為分體坐便器，也有智能坐便器、洗面器等其它類型的衛(wèi)生陶瓷。

4.4 衛(wèi)生陶瓷微波干燥輥道窯主要技術(shù)參數(shù)、指標(biāo)及其優(yōu)越性

以干燥分體馬桶為例，其技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)如下：

1） 坯體入窯含水率≤16.8%;

2） 坯體出窯含水率<0.9%;

3） 干燥周期3小時40分;

4） 運(yùn)行產(chǎn)能48件/小時;

5） 微波泄漏值<500μw/cm2（國家標(biāo)準(zhǔn)GB5959.6-87為5000μw/cm2）;

6） 電耗0.215kWh/kg坯體;

7） 干燥合格率≥97%。

從上述指標(biāo)結(jié)合實際衛(wèi)生陶瓷行業(yè)現(xiàn)狀可以得出：（1）與目前衛(wèi)生陶瓷行業(yè)普遍采用的室式干燥房相比，衛(wèi)生陶瓷微波干燥輥道窯極大的縮短了干燥周期，降低了場地占用面積，提高了生產(chǎn)效率;（2）微波干燥獨(dú)特的干燥原理，使得坯體更能得到均勻的干燥，降低了干燥過程中缺陷出現(xiàn)的幾率;（3）整個干燥過程連續(xù)自動控制，可以節(jié)省大量的人力，特別適合三班制生產(chǎn)的高壓注漿工藝后的干燥工序，微波干燥輥道窯與高壓注漿、機(jī)器人噴釉、AGV小車輸運(yùn)、低溫快速燒成一起形成衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)的連續(xù)化生產(chǎn)模式;（4）盡管微波干燥的電耗成本略高于傳統(tǒng)干燥方式，但由于其場地占地面積小，可節(jié)省基建方面的費(fèi)用，從而降低了綜合成本，并且從提高坯體成品率方面增加了利潤。

5 結(jié) 論

（1）在干燥臨界點(diǎn)之前使用微波干燥衛(wèi)生陶瓷，在干燥臨界點(diǎn)之后使用微波、熱風(fēng)耦合加熱技術(shù)干燥衛(wèi)生陶瓷，干燥過程實現(xiàn)了沿坯體縱向與沿坯體局部區(qū)域橫向的均勻干燥及微波干燥能顯著提高干燥的內(nèi)擴(kuò)散速率，最終實現(xiàn)了對衛(wèi)生陶瓷的快速干燥;并且，在干燥的后期采用微波、熱風(fēng)耦合加熱技術(shù)顯著降低了干燥電耗。

（2）開發(fā)的衛(wèi)生陶瓷微波干燥輥道窯，極大的縮短了干燥周期，降低了場地占地面積，提高了干燥合格率，加快了衛(wèi)生陶瓷行業(yè)連續(xù)化、全自動機(jī)械化進(jìn)程，市場前景十分看好。

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Abstract： The sanitary ware bodies were dried by microwave drying. The reasons why microwaves can achieve rapid drying of sanitary wares were investigated. On this basis， sanitary ware microwave continuous roller dryer was developed by researching the key technologies surrounding the large-scale and continuous of microwave equipment， which was used in the actual factory. The results show that the microwave drying process realizes uniform drying along the longitudinal direction and along the horizontal direction of local area and microwave drying can significantly improve the internal diffusion rate of the drying process， and finally achieve rapid drying of the sanitary ceramics. The power consumption was reduced by microwave and hot air coupled heating technology significantly. The sanitary ware microwave continuous roller dryer greatly shortens the drying cycle， reduces the production site area， and improves the drying pass rate.

Keywords： Microwave drying; Sanitary ware; Equipment development