微波干燥過程中功率密度對多孔陶瓷干燥品質(zhì)的影響及應(yīng)用研究

李世慧，王安英，陳傳蒙，孫傳兵，孟姍姍，于修水

（山東硅元新型材料股份有限公司，淄博25508）

1 引言

隨著工業(yè)化的發(fā)展及干燥理論的研究，現(xiàn)在的工業(yè)制備過程中越來越多的廠家開始意識到干燥對于產(chǎn)品性能的重要性，并對不同的干燥方式（主要有熱風(fēng)干燥、燃?xì)飧稍铩⒓t外干燥、微波干燥等）進(jìn)行了很多探討。其中微波干燥是一種新興的干燥方式，具有干燥速率大、節(jié)能、均勻等優(yōu)點(diǎn)，我國微波干燥技術(shù)起步較晚，現(xiàn)較多應(yīng)用在食品、醫(yī)藥化工等行業(yè)。微波技術(shù)最早由美國的W.R.Tings［1］等于1968年引入陶瓷領(lǐng)域，隨著微波干燥在其它領(lǐng)域的應(yīng)用成熟，不少專家均認(rèn)為微波干燥也能很好的應(yīng)用于陶瓷生產(chǎn)過程。經(jīng)查詢，目前國內(nèi)研究微波干燥在陶瓷生產(chǎn)上的具體應(yīng)用的文章仍然較少，多集中在蜂窩陶瓷、日用陶瓷領(lǐng)域，其它以綜述為主。微波干燥在大大提高了干燥速率、縮短干燥時間的同時，如操作不當(dāng)，容易出現(xiàn)干燥過程中的開裂問題，因此本文作為微波干燥在工業(yè)陶瓷領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，具有重要意義。

2 微波干燥理論及坯體干燥機(jī)理

2.1 微波干燥理論

微波是一種波長極短，頻率非常高的電磁波，波長在1mm到1m之間，頻率在300MHz至300GHz之間。微波作用于材料是通過空間高頻電場在空間不斷變換方向，使物料中的極性分子隨著電場作高頻振動，溫度升高，從而達(dá)到干燥的目的。微波干燥具有以下特點(diǎn)：［2，3］

（1）加熱快速，均勻。微波對吸收介質(zhì)有較強(qiáng)的穿透能力，物料選擇性好，響應(yīng)速度快，加熱時間短。

（2）加熱有選擇性。微波加熱利用的是介質(zhì)損耗原理，由于水的介質(zhì)損耗很大，所以陶瓷坯體在微波干燥中，主要是水分子被迅速加熱蒸發(fā)。

（3）熱效率高，節(jié)約能源，微波直接與物料相互作用，不需要加熱空氣或加熱大面積的設(shè)備器壁，只能被物料吸收。

（4）微波干燥時，表面對流換熱，溫度低于中心，傳質(zhì)和傳熱同向，有利于水分蒸發(fā)和加熱均勻，物料表面很少出現(xiàn)過熱或者結(jié)殼現(xiàn)象，且能量輸入大小可以通過電源開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)。

2.2 坯體干燥機(jī)理

微波干燥過程中水分的變化過程及干燥速率曲線與傳統(tǒng)干燥的干燥過程曲線基本一致。陶瓷坯體干燥過程一般分為三個階段，如圖1所示［4］。

圖1 干燥過程曲線

（1）升溫加熱階段：熱量升高，水分蒸發(fā)上升，到A點(diǎn)時，傳給介質(zhì)的熱量等于水分蒸發(fā)所需熱量，溫度達(dá)到恒定，此后進(jìn)入等溫蒸發(fā)階段。

（2）等速干燥階段：坯體內(nèi)部水分在濃度梯度推動下，擴(kuò)散到表面，此階段內(nèi)擴(kuò)散速度等于外擴(kuò)散速度，隨著自由水的排除，體積收縮并產(chǎn)生應(yīng)力。

（3）降速干燥階段：主要排除吸附水，物料不再產(chǎn)生收縮，因坯體表面水分逐漸減少，蒸發(fā)所需熱量也逐漸減少，坯體表面溫度不斷升高，干燥速率下降，直到干燥過程結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)微波干燥設(shè)備為工業(yè)化連續(xù)微波干燥設(shè)備（如圖2所示），有效長度7m，分為6個微波干燥箱，每個箱內(nèi)微波發(fā)生器可獨(dú)立控制，單個微波發(fā)生器功率為2kW，微波頻率2450MHz±25MHz，傳送帶0～5m速度可調(diào)。

圖2 干燥設(shè)備示意圖

本文采用電子天平（精度±0.01g）進(jìn)行重量測定；干燥后產(chǎn)品用電子數(shù)顯顯微鏡觀察裂紋情況；干燥后產(chǎn)品經(jīng)1700℃高溫電爐按照燒成制度燒結(jié)；產(chǎn)品燒成后的抗壓強(qiáng)度，采用萬能試驗(yàn)機(jī)，按照GBT25139-2010測試。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文中成型掛漿料含水率是一定的，含水率為20%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，干燥含水率低于1%即能滿足生產(chǎn)需求，最終產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度需大于1.2MPa。實(shí)驗(yàn)中通過改變進(jìn)入微波干燥設(shè)備的坯體數(shù)量，確定每個微波干燥箱體中的微波功率為2kw，通過微波功率除以進(jìn)入設(shè)備的總水量，計(jì)算得到微波功率密度（W/g），并計(jì)算不同功率密度下干燥后含水率及對產(chǎn)品性能影響的情況。實(shí)驗(yàn)方案如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

4 分析與結(jié)論

（1）如圖3所示，功率密度越高，干燥效率越高，即完成干燥所需時間越短，干燥后產(chǎn)品的含水率越低。這是因?yàn)楣β拭芏仍礁?，作用在單位體積水上的微波密度越大，水分子吸收微波后溫度升高越快，水分蒸發(fā)速率也越快。

圖3 功率密度對干燥時間、含水率、抗壓強(qiáng)度的影響

（2）功率密度高的時候，雖然干燥速度較快，但是干燥后坯體容易產(chǎn)生裂紋。這是因?yàn)楣β拭芏仍礁?，單位時間內(nèi)蒸發(fā)水分越多，水分氣化導(dǎo)致內(nèi)部壓力增加，當(dāng)壓力超過坯體表面所能承受的強(qiáng)度時就會導(dǎo)致坯體表面爆裂。從理論上來講，微波干燥過程中，坯體內(nèi)部水分移動速度和表面水分蒸發(fā)速度及表面強(qiáng)度要適應(yīng)，就必須適當(dāng)降低微波功率密度和延長干燥時間來提高干燥品質(zhì)。在本文的實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)功率密度降到26W/g及以下時，顯微鏡下觀察不到裂紋，多孔陶瓷最終的強(qiáng)度也達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

（3）實(shí)驗(yàn)中隨著功率密度降低，干燥時間延長，干燥品質(zhì)及燒后抗壓強(qiáng)度都得到提高。對比自然干燥，在一定范圍內(nèi)，有強(qiáng)度衰減現(xiàn)象，隨著功率密度降低，強(qiáng)度趨于一致，分析認(rèn)為功率密度越低，產(chǎn)生的缺陷越少，干燥品質(zhì)越高。綜合考慮生產(chǎn)效率與使用要求，本項(xiàng)目選定功率密度為18W/g比較經(jīng)濟(jì)合理。

（4）本文主要探討了微波功率密度及時間等因素對干燥效果的影響，但是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，影響干燥品質(zhì)的因素還有顆粒級配、粘結(jié)劑的種類和數(shù)量等，在本文中不做探討。需要注意的是當(dāng)粘結(jié)劑種類等選擇不當(dāng)時，一味的降低功率密度會導(dǎo)致干燥時間成倍增加，降低效益。