遠紅外干燥和微波干燥在陶瓷烘干技術(shù)的分析

遠紅外干燥和微波干燥在陶瓷烘干技術(shù)的分析

遠紅外輻射和微波都屬于電磁波。紅外線(xiàn)是自然界普遍存在的物質(zhì)運動(dòng)形式之一，其熱效應很強，實(shí)際上是一種輻射熱，系因為組成物質(zhì)的分子的熱運動(dòng)而引起的化學(xué)鍵的振動(dòng)（包括化學(xué)鍵的彎曲 振動(dòng)和伸縮振動(dòng)）而產(chǎn)生的能量移動(dòng)。由于這種轉移的原因是化學(xué)鍵的振動(dòng)和轉動(dòng)的能量躍遷，也就是分子中組成化學(xué)鍵的原子（也稱(chēng)鍵合原子）的振動(dòng)和轉動(dòng)的能量躍遷所產(chǎn)生的，所以稱(chēng)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(dòng)的，存在各種不同能量值的運動(dòng)狀態(tài)，也就是說(shuō)各種運動(dòng)狀態(tài)各有一定的能級，有電子能級、振動(dòng)和轉動(dòng)能級、原子核自旋能級等。紅外線(xiàn)的能量子即相當于鍵合原子的振動(dòng)和轉動(dòng)能級。

微波是波長(cháng)遠比紅外線(xiàn)更大的電磁波，因此它的能量子在數值上遠比紅外線(xiàn)小，物質(zhì)吸收微波后，只能引起分子的振動(dòng)或轉動(dòng)，而不是像紅外線(xiàn)那樣引起鍵合原子 的振動(dòng)或轉動(dòng)，更不像紫外線(xiàn)和可見(jiàn)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化成熱能的過(guò)程。微波的能級也 是量子化的，也就是說(shuō)，不同的分子所能吸收的微波的波長(cháng)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(dòng)和轉動(dòng)能級的運動(dòng)，使周?chē)钠渌肿涌焖倌Σ?，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別：

1、遠紅外和微波技術(shù)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(zhù)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(xiàn)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(xiàn)干燥在陶瓷中的研究

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

水對紅外線(xiàn)的吸收特性參見(jiàn)下圖。lμm以上的紅外線(xiàn)，特別是2.5μm以上的紅外線(xiàn)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(guò)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(shí)發(fā)生，干燥均勻、迅速、節能。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(shí)容易變形和開(kāi)裂的難干燥材料是很適宜的。

輻射干燥時(shí)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(shí)坯體表面加熱很快，其干燥時(shí)間也大為縮短。由于紅外線(xiàn)具有一定的穿透能力，因些對于薄的日用瓷來(lái)說(shuō)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(shí)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(shí)為了提高熱效率，節約能量，可以采用間歇輻射，即輻射一段時(shí)間后，停止照射段時(shí)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(shí)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(jìn)行冷卻，因此，其溫度低于內部溫度，使溫度梯度與水分濃度梯度的方向相同，干燥速度增大。實(shí)踐主明采用這種方法，干燥時(shí)間雖比連續輻射干燥法長(cháng)20%～30%，但能量消耗可減少一半。

輻射干燥器不需要特殊的結構，可采用輸送帶式（類(lèi)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(shí)間短，干燥效率高，便于連續自動(dòng)化。

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

遠紅線(xiàn)干燥對于壁薄體小的日用陶瓷來(lái)說(shuō)是很適合的，它具有下述優(yōu)點(diǎn)。

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

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

③設備規模小，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(jiǎn)單（與介電干燥相比）。在某些自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上可部分地采用遠紅外線(xiàn)輻射干燥。

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

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(guò)空間或媒質(zhì)以電磁波的形式來(lái)傳遞能量，將電磁能轉化為熱能。這種加熱過(guò)程與物質(zhì)內部分子的極化有著(zhù)密切的關(guān)系，水分子是極性分子，當它處于電磁場(chǎng)中時(shí)，水分子將有序地排列成與電場(chǎng)一致的方向，如果外加電場(chǎng)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(lèi)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化成為熱能，達到加熱脫水干燥的目的。常規干燥過(guò)程一般從物料表面開(kāi)始，依賴(lài)于傳導、對流與輻射方式，把熱量從外部逐漸傳至內部，是一種面加熱過(guò)程，使用微波干燥坯體內部和表面同時(shí)吸收微波能，是一種體加熱過(guò)程。

Tings等于1968年最早將微波技術(shù)引入陶瓷領(lǐng)域。在20世紀70年代，Sutton'將其用于A(yíng)12 O3澆注料的干燥和燒成。Suhm對微波干燥陶瓷等材料進(jìn)行了研究，他得出了確定微波干燥所需功率的一條經(jīng)驗規律：只要坯體開(kāi)始的水分含量充分，微波輸入功率每增加1kW可在1H內多蒸發(fā)掉lkg的水分。

微波干燥的主要特點(diǎn)：

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

部，被水分子或者其他物質(zhì)吸收而就地轉變成熱能，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(shí)。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部溫度（蒸發(fā)冷卻的緣故），坯體內部因吸收微波而產(chǎn)生熱量，以至于內部蒸汽迅速產(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(shí)間2～2.5倍。另外，微波干燥是由內向外，就坯體整體而言，內層首先被干燥，這樣就不會(huì )在表層形成硬殼，阻礙內部水分外移。

2）具有選擇性在一定頻率的微波場(chǎng)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，內部水分可以很快地被加熱并直接蒸發(fā)出來(lái)，這樣，陶瓷坯體可以在很短的時(shí)間內被加熱而脫模。對于那些不宜過(guò)熱的物料來(lái)說(shuō)，采用微波干燥更具有優(yōu)越性。只要控制適當整個(gè)坯體不會(huì )過(guò)熱。

3）熱效率高，節能  熱量在周?chē)橘|(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，這樣就能節約能量。

4）反應靈敏，易控制通過(guò)調整微波的輸出功率，可以瞬時(shí)改變加熱情況，這樣易于實(shí)現自動(dòng)化控制微波干燥加熱無(wú)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、外均勻，這樣可以避免產(chǎn)品因局部過(guò)熱而損壞。同時(shí)，由于微波對水的選擇性加熱可以使干燥在較低溫度下進(jìn)行，這也能避免制品過(guò)熱。由于微波的這些特點(diǎn)，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(xiàn)，用于實(shí)際生產(chǎn)，實(shí)踐證明，與傳統鏈式干燥線(xiàn)相比，成坯率提高10%以上，脫模時(shí)間從35～45min縮短到5～8min，使用模具數量由400～500件下降至100～120件，節約了大量石膏模具。對于10.5in（1in=2.54cm）平盤(pán)總干燥成本可下降350元/萬(wàn)件。

采用微波干燥技術(shù)，對復雜形狀的電瓷進(jìn)行干燥，與常規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。這也對建筑衛生陶瓷、墻地磚等一些異型產(chǎn)品的干燥。

多孔陶瓷成型時(shí)含水分較多，孔隙多，且坯體內孔壁薄，用傳統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(guò)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(shí)間，并且提高了成品率。

唐竹新實(shí)驗研究發(fā)現，蜂窩陶瓷坯體在干燥過(guò)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形成網(wǎng)絡(luò )結構，使蜂窩陶瓷坯體內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，能夠快速穩定干燥。

俞康泰等研究表明，微波干燥能均勻、快速、穩定地干燥衛生陶瓷，干燥時(shí)間比常規法縮短7倍多，微波干燥洗面具時(shí)，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(guò)程中優(yōu)先被干燥。

李玉書(shū)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(jìn)行了微波干燥實(shí)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，微波功率設定2.5kW每10min間歇地加熱一次，每次加熱時(shí)間為5～10s（實(shí)驗確定的最佳范圍）。

實(shí)驗結果表明，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(jiàn)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(shí)應該注意的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題。

物料溫度的設定。物料的介電常數和損耗因子與溫度有關(guān)，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(lái)說(shuō)，為了防止坯體在干燥時(shí)水分 產(chǎn)生的蒸汽壓過(guò)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(lái)說(shuō)是重載，既不能體現微波的節能優(yōu)勢，有可能導致微波功率源因重載而嚴重失配。

實(shí)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(shí)用于傳統干燥方式比較經(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，如果采用傳統干燥方式一方面能量利用率低。另一方面可能會(huì )導致坯體過(guò)熱而破裂，此時(shí)采用微波干燥則能達到極佳的效果，最能體現微波的穿透深度大和均勻加熱的特點(diǎn)。