微波干燥卫生陶瓷的研究与设备开发

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　　摘 要：本文利用微波干燥法进行卫生陶瓷坯体干燥试验，探究微波可以实现对卫生陶瓷快速干燥的原因。在此基础上，对围绕着微波设备大型化、连续化中面临的关键技术及微波干燥电耗相对较高等技术进行攻关，开发了卫生陶瓷微波干燥辊道窑，并在实际工厂使用。结果表明：微波干燥过程实现了沿坯体纵向与沿坯体局部区域横向的均匀干燥及微波干燥能显著提高干燥的内扩散速率，最终实现对卫生陶瓷的快速干燥;采用微波、热风耦合加热技术能显著降低微波干燥电耗;开发的卫生陶瓷微波干燥辊道窑，可极大缩短干燥周期，降低场地占地面积，提高干燥合格率。
　　关键词：微波干燥;卫生陶瓷;设备开发
　　1 前 言
　　卫生陶瓷的生产过程主要涉及到原料处理、坯体成型、干燥、施釉、烧成5个环节，其中干燥过程对缩短生产周期、降低生产占地面积以及实现连续化生产起到至关重要的作用。
　　多年来，卫生陶瓷的干燥经历了自然干燥、室式烘干房干燥、链式干燥、少空气快速干燥、隧道窑干燥等各式的干燥方式[1]。这些干燥方法为外部加热方式，均以热空气或窑炉烟气作为干燥介质，利用对流的原理使坯体表面的温度升高，然后借助自身的热传导，热量由表面向内部传递，由于陶瓷坯体导热性差，由表及里需要一定的时间，往往造成坯体内外干燥程度差异较大，从而在坯体的表面形成干燥硬壳，进而使得坯体内层的后续干燥过程缓慢，延长了坯体整体的干燥时间，并且坯体内外层不均匀的收缩易产生开裂[2]。因此，目前卫生陶瓷的干燥具有干燥周期长、场地占用大、非连续化生产、成品率低等特点[3、4]。
　　如何改善卫生陶瓷行业普遍存在的这些现象成为目前亟待解决的重要问题。随着科技的发展，一种新型的干燥技术——微波加热干燥引起了人们的关注。与传统干燥方式不同的是，微波干燥是通过水分子与电磁场相互作用完成对坯体加热干燥的，是电磁能转换为热能的过程，是能量的转换而非热量的转移。由于微波能穿透到坯体的内部，其加热过程在整个坯体内同时进行，因此具有升温迅速、温度均匀等特点，避免了传统干燥方式存在的一些问题[5、6]。
　　从20世纪80年代开始，微波能逐渐应用于陶瓷干燥领域[7-9]。俞康泰[10]采用微波干燥和常规干燥两种方式干燥卫生陶瓷，证明了微波干燥优于常规干燥的特性。周其星[11]对比了微波加热法与烘箱加热法干燥陶瓷坯体，表明微波加热法加热更均匀，加热速度更快，效率更高。D.Atong[2]采用带式微波干燥器干燥注浆成型的盘子，缩短了干燥周期、降低了能耗。但目前微波干燥在陶瓷行业中的研究主要集中在蜂窝陶瓷、日用陶瓷等小件、壁薄的产品的研究，所使用的微波设备尺寸较小，并且大多仅处于实验室研究阶段。微波设备大型化、连续化中面临的关键技术及微波干燥电耗成本相对较高的问题，已成为微波加热工业化应用的技术瓶颈。
　　因此，本文通过理论分析，研究了卫生陶瓷微波干燥工艺与微波、热风耦合加热技术及制约微波设备大型化、连续化中面临的关键技术，开发了国内第一条卫生陶瓷微波干燥辊道窑并产业化应用。
　　2 理论分析
　　2.1 卫生陶瓷干燥过程
　　卫生陶瓷坯体中的水分按其结合状态可分为化学结合水、吸附水及自由水，干燥工艺主要是排除坯体自由水和吸附水的过程。图1为坯体干燥过程示意图。在干燥的过程中，一方面是表面汽化过程，坯体从外界获得能量，使表面湿分蒸发;另一方面，物料的内部也同时发生着热量传递和水分向外部的扩散和迁移，这种表面汽化和内部扩散的过程是同时进行的。在干燥临界状态之前这一阶段主要是排除自由水，随着干燥的进行，坯体含水率降低，颗粒在表面张力的作用下被拉紧，生坯开始逐渐收缩，在此阶段需要控制干燥均匀和保持一定的湿度，直至达到临界状态，此时坯体内固体颗粒最终完全靠拢。从临界状态到干燥终止状态这一阶段主要是排除吸附水，在此期间，坯体不再发生体积收缩，这一阶段主要以最快的速度排除水分。因此，在卫生陶瓷坯体干燥的过程中，在干燥临界状态之前需控制好坯体的干燥均匀性，防止坯体由于不均匀的收缩而产生开裂;在临界状态之后应以最快的干燥速度排除水分。
　　2.2 传统干燥与微波干燥对比
　　图2给出了卫生陶瓷传统干燥方式传质、传热模型。在干燥開始时，坯体通过对流传热的方式从外界获得能量。随着干燥的进行，一方面，借助自身的热传导，热量由表面向内部传递，由于陶瓷湿坯导热性差，使得坯体内部的温度远低于坯体表面的温度;另一方面，由于坯体表面蒸发冷却的缘故，使得坯体表面的水分低于内部的水分。最后，在温度梯度和压力梯度的作用下，热量由表面向内部传导，水分从内部向表面迁移，热量传导和质量迁移方向相反阻碍了坯体内部水分向表面的扩散速度，往往造成坯体内外干燥程度差异较大，从而在坯体的表面形成干燥硬壳，进而使得坯体内层的后续干燥过程缓慢，延长了坯体整体的干燥时间，并且坯体内外层不均匀的收缩易产生开裂。
　　与传统加热方式不同的是，微波加热是通过水分子与电磁场相互作用完成对陶瓷坯体加热。陶瓷坯体中的水分子是极性分子，在快速变化的微波高频电磁场作用下，其极性取向将随着外电场的变化而变化，造成水分子的运动和相互摩擦效应。此时微波能转化为坯体的内能，使坯体的温度升高，微波加热造就坯体出现体热源状况，改变了常规加热干燥过程中某些迁移势和迁移势梯度方向，形成了微波干燥的独特机理[12-14]。
　　图3为微波干燥的传质、传热模型。由于微波对吸收介质有较强的穿透深度，热量不必从坯体表面传递至坯体内部，而是直接将能量作用于整个坯体，即当微波干燥陶瓷坯体时，首先表现为整体同步加热，实现均匀干燥。随着干燥的进行，在坯体的表面由于蒸发冷却的缘故，使坯体表面的温度略低于里层的温度，同时由于坯体内部产生热量，以致内部蒸汽迅速产生，形成压力梯度，驱使水分向坯体表面排出，即温度梯度和压力梯度方向相同。最后，在温度梯度和压力梯度的作用下，热量从内部向表面传导，水分从内部向表面迁移，热量传导和质量迁移方向相同加快了坯体内部水分向表面的扩散速度。同时通过调节环境的温度、湿度及风速使得坯体表面的水分快速扩散到环境中去，达到对坯体快速加热干燥的目的[15-16]。即采用微波干燥提高了坯体内外层的干燥均匀性及内扩散速率。 　　2.3 微波、热风耦合加热技术
　　微波、热风耦合干燥技术是指利用微波和热风这两种干燥方式同时对物料进行干燥。微波加热独特的“泵”效应能显著的将坯体的内部的水分转移至表面，热风能有效的将坯体表面的水分带走，充分发挥各自的工艺优势，可加快干燥速度，降低干燥成本。
　　3 卫生陶瓷微波干燥试验研究
　　3.1 试验过程
　　将含水率19.6%的长×宽×高为770mm×390mm×500mm的高压分体坐便器放入微波试验辊道窑中进行干燥，在0～6h采用微波加热干燥坯体，在6～8h向窑内通入热风采用微波、热风耦合加热技术干燥坯体。所用微波试验辊道窑的型号为INNOV-D-R-012，微波频率为2450MHz，试验过程中采用热电偶和湿度计测试窑内的温湿度，采用红外测温仪测试坯体的温度，采用游标卡尺测试坯体的收缩。
　　为了研究坯体内外层干燥速率的差异，对坯体座圈处内外层的坯体温度及脱水情况进行了比较;为了研究不同部位干燥速率的差异，对坯体座圈、底部、胆内三个部位的坯体温度及脱水情况进行了比较;同时对底部这一局部区域沿高度方向间隔1cm由上到下选取三个位置A、B、C，对比研究A、B、C三个位置的坯体温度及脱水情况;测试了不同温度下的电耗。
　　3.2 结果与讨论
　　图4为坯体干燥曲线。可以看出，随着干燥的进行，坯体的脱水率与脱水速率均逐渐增加;坯体收缩在前6h内完成;炉体的温度与坯体的温度均逐渐增加，在干燥的前期，两者大小接近，随着干燥的进行，坯体的温度逐渐高于炉体的温度;炉体的湿度在前期保持较高，后期逐渐降低。根据坯体的收缩曲线将干燥过程划分为2个阶段，0～6h为第Ⅰ阶段，6～8h为第Ⅱ阶段。在第Ⅰ阶段，坯体脱水的过程会造成收缩，有可能引起坯体开裂，在此期间，采用较低的微波功率密度，并保持低温高湿的外界环境，防止表面过快干燥而产生裂纹，相应地坯体的脱水率及脱水速率保持相对较低的水平;当干燥进入第Ⅱ阶段，坯体不再收缩，不容易产生干燥裂纹，在此期间，采用较高的微波功率密度，加大水分向表面的迁移速率，同时，降低环境的湿度，并通入适量的热风，提高表面水分的蒸发速率，相应地坯体的脱水率及脱水速率均保持较高的水平。
　　与传统干燥方式干燥后期为降速干燥阶段不同的是，图4（a）给出的微波干燥整个干燥过程其干燥速率一直在增加。这是由于在传统干燥方式下，在干燥的前期主要是排除自由水的过程，自由水与黏土结合松弛，容易排除，而在干燥的后期主要是排除吸附水，水分迁移需要更高的能量，并且，随着水分的降低，水分迁移阻力越来越大，干燥速率受内扩散速率的影响而降低;而微波干燥独特的“泵”效应能显著的增加坯体的内扩散速率，通过控制微波功率使得其整个干燥过程内扩散速率均在增加，并且在干燥的后期通入适量的热风提高坯体表面水分蒸发的能力，因此整个干燥过程中其干燥速率可以保持一直在增加。
　　为了探究微波干燥可以实现对卫生陶瓷快速干燥的原因，对坯体干燥过程中坯体内外层及坯体不同部位的干燥情况进行比较，结果如图5 ～ 图7所示。
　　从图5可以看出，采用微波干燥过程中，除初始时刻外，整个干燥过程中，坯体内部的温度高于表面的温度;整个干燥过程中，坯体外部的脱水率略高于坯体内部的脱水率，但差值较小，实现了内外层的均匀干燥。这是由于微波的穿透性极强，能与坯体直接作用，使表面和内部同时加热，同时由于表面蒸发冷却的缘故，使得表面的温度略低于内部的温度。相应的微波干燥过程实现了对坯体的均匀同步加热，因此，坯体内外的脱水速率比较接近，外部脱水速率仅略高于内部脱水速率，即采用微波干燥可实现沿坯体纵向的均匀干燥。
　　从图6可以看出，在干燥的过程中，座圈及底部的温度及脱水率比较接近，而胆内的温度及脱水率与上述两者相差相对较大。这是由于卫生陶瓷坯体结构复杂，同时存在单面吃浆和双面吃浆的部位，因此造成坯体不同部位干燥存在差异。从图7给出的底部区域从上至下间隔1cm的A、B、C三个区域的坯体温度及干燥脱水率对比结果可以看出，A、B、C三个区域的坯体温度及脱水率差别较小。因此，尽管微波干燥过程中，各部位干燥速率存在相对较大的差异，但在较小的区域范围内，可以实现沿坯体横向的均匀干燥。
　　采用微波干燥卫生陶瓷，可以实现沿坯体纵向与坯体局部区域内沿横向的均匀干燥及微波能显著提高干燥的内扩散速率，这是微波干燥卫生陶瓷可以实现快速干燥的根本原因。
　　为了探究微波、热风耦合干燥条件下热风的通入对降低干燥电耗的有益效果，测试了不同热风温度下的电耗，结果如图8所示。可以看出，当通入的热风温度从54℃升至103℃时，单件分体坐便器的电耗从9.45kWh降低至6.9kWh，效果非常明显。
　　4 卫生陶瓷微波干燥辊道窑的开发
　　4.1 微波设备大型化、连续化面临的关键技术
　　本文解决的微波设备大型化、连续化中面临的关键技术如下：
　　①超低反射裂缝天线：自主设计开发了具有超低反射、微波輻射均匀性好的超低反射裂缝天线，提高了电磁能的利用率和均匀性;
　　②微波抑制装置：开发的漏能抑制器能同时解决微波泄漏与辊棒水平度调整的问题;
　　③漏能抑制器：开发了一种用于续式微波干燥设备大尺寸进出料口的漏能抑制器，该抑制器既能使加工产品顺利进出微波辊道窑，又能确保微波屏蔽材料不与辊棒缠绕，并且能确保微波不泄漏，使用便捷且安全性好。
　　4.2 卫生陶瓷微波干燥辊道窑的组成
　　卫生陶瓷微波干燥辊道窑主窑长98m，设备总长度160m，微波频率为2450MHz，波长为122.4mm，微波最大输出功率为427kW。
　　如图9所示，设备由以下8个部分组成：（1）传动系统;（2）微波发生系统;（3）循环风系统;（4）排湿系统;（5）冷风系统;（6）热风系统;（7）数据采集系统;（8）智能控制系统。 　　微波由磁控管產生，由分布于顶部和侧部的馈能装置输入微波干燥窑中。在窑内，微波与坯体作用而加热坯体，产生的水蒸气由排湿系统带走。在进料抑制段和出料抑制段分别安装了结构简单、价格低廉的漏能抑制器，可以有效阻止微波的泄漏。坯体由速度可调的传动系统输送到炉体内进行干燥，在整个干燥的过程中，有热电偶、湿度计、光电开关等对炉体进行数据采集，并将数据实时反馈给基于PLC的智能控制系统，智能控制系统根据设定的参数快速做出相应的调节，完成干燥过程的精准控制，整个干燥过程实现智能化自动控制。
　　4.3 卫生陶瓷微波干燥辊道窑的应用
　　开发的卫生陶瓷微波干燥辊道窑已在江西东鹏卫浴有限公司投入使用，设备已连续稳定运行32个月，主要干燥产品为分体坐便器，也有智能坐便器、洗面器等其它类型的卫生陶瓷。
　　4.4 卫生陶瓷微波干燥辊道窑主要技术参数、指标及其优越性
　　以干燥分体马桶为例，其技术参数及指标如下：
　　1） 坯体入窑含水率≤16.8%;
　　2） 坯体出窑含水率<0.9%;
　　3） 干燥周期3小时40分;
　　4） 运行产能48件/小时;
　　5） 微波泄漏值<500μw/cm2（国家标准GB5959.6-87为5000μw/cm2）;
　　6） 电耗0.215kWh/kg坯体;
　　7） 干燥合格率≥97%。
　　从上述指标结合实际卫生陶瓷行业现状可以得出：（1）与目前卫生陶瓷行业普遍采用的室式干燥房相比，卫生陶瓷微波干燥辊道窑极大的缩短了干燥周期，降低了场地占用面积，提高了生产效率;（2）微波干燥独特的干燥原理，使得坯体更能得到均匀的干燥，降低了干燥过程中缺陷出现的几率;（3）整个干燥过程连续自动控制，可以节省大量的人力，特别适合三班制生产的高压注浆工艺后的干燥工序，微波干燥辊道窑与高压注浆、机器人喷釉、AGV小车输运、低温快速烧成一起形成卫生陶瓷生产的连续化生产模式;（4）尽管微波干燥的电耗成本略高于传统干燥方式，但由于其场地占地面积小，可节省基建方面的费用，从而降低了综合成本，并且从提高坯体成品率方面增加了利润。
　　5 结 论
　　（1）在干燥临界点之前使用微波干燥卫生陶瓷，在干燥临界点之后使用微波、热风耦合加热技术干燥卫生陶瓷，干燥过程实现了沿坯体纵向与沿坯体局部区域横向的均匀干燥及微波干燥能显著提高干燥的内扩散速率，最终实现了对卫生陶瓷的快速干燥;并且，在干燥的后期采用微波、热风耦合加热技术显著降低了干燥电耗。
　　（2）开发的卫生陶瓷微波干燥辊道窑，极大的缩短了干燥周期，降低了场地占地面积，提高了干燥合格率，加快了卫生陶瓷行业连续化、全自动机械化进程，市场前景十分看好。
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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
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