第3章1.3.3坯体干燥

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院1.3.3 1.3.3 生坯的干燥生坯的干燥定义：定义：目的：目的： 1. 提高生坯强度，便于修坯、搬运、施釉、提高生坯强度，便于修坯、搬运、施釉、烧成等后序加工；烧成等后序加工； 2. 提高吸釉能力；提高吸釉能力； 3. 缩短烧成周期，降低能耗缩短烧成周期，降低能耗材料科学与工程学院材料科学与工程学院一、坯体中水分类型和干燥关系一、坯体中水分类型和干燥关系 按生坯与水结合形式：化学结合水、吸附水、按生坯与水结合形式：化学结合水、吸附水、自由水；自由水； 1.1.化学结合水化学结合水 原料矿物分子结构内的水分，如结晶水、结构原料矿物分子结构内的水分，如结晶水

2、、结构水等。水等。 如高岭土如高岭土(Al(Al2 2O O3 32 2SiOSiO2 22H2H2 2O O）中的结晶水。结）中的结晶水。结合最为牢固，干燥工艺中一般不予考虑。合最为牢固，干燥工艺中一般不予考虑。第一节第一节 干燥原理干燥原理材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.2.大气吸附水大气吸附水 又称为物理化学结合水又称为物理化学结合水 吸附水（通过物料表面吸附形成的水膜以及水与物料颗粒形吸附水（通过物料表面吸附形成的水膜以及水与物料颗粒形成的多分子和单分子吸附层水膜）、渗透水（依靠物料组织壁内成的多分子和单分子吸附层水膜）、渗透水（依靠物料组织壁内外间的水分浓度差渗透形成的水）、

3、微孔水（半径小于外间的水分浓度差渗透形成的水）、微孔水（半径小于1010-8-8m m）、）、毛细管水（半径介于毛细管水（半径介于1010-8-81010-6-6m m）以及结构水（存在于物料组织）以及结构水（存在于物料组织内部的水分，如胶体中水或层间水）。内部的水分，如胶体中水或层间水）。 吸附水与物料的结合为最强。吸附水与物料的结合为最强。 受组成和环境（温度、湿度）影响，干燥时较难除去。受组成和环境（温度、湿度）影响，干燥时较难除去。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院3.3.自由水自由水 润湿水、大孔隙水及粗毛细管水（半径大于润湿水、大孔隙水及粗毛细管水（半径大于1010-5-5m

4、m）。）。与物料的结合最弱，干燥过程中被排除存在吸附水层之外，与物料的结合最弱，干燥过程中被排除存在吸附水层之外，颗粒之间，是成型所需的外加水分，干燥最易排除。由于干颗粒之间，是成型所需的外加水分，干燥最易排除。由于干燥中生坯体积的收缩量大约等于排除的自由水体积，固又称燥中生坯体积的收缩量大约等于排除的自由水体积，固又称收缩水收缩水。 注意收缩。注意收缩。 按干燥过程中水分排除的限度来分，可以将物料中的水按干燥过程中水分排除的限度来分，可以将物料中的水分为平衡水分和可排除水分。分为平衡水分和可排除水分。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 平衡水分平衡水分: : 湿物料在干燥过程中其表面水蒸气

5、湿物料在干燥过程中其表面水蒸气分压与干燥介质中水蒸气分压达到动态平稳时，物分压与干燥介质中水蒸气分压达到动态平稳时，物料中的水分就不会继续减少，此时物料中的水分就料中的水分就不会继续减少，此时物料中的水分就称为平衡水分，称为平衡水分， 可排除水分可排除水分: : 高于平衡水分的水分称为可排除高于平衡水分的水分称为可排除水分。温度越高，湿度越低，物料中的平衡水分越水分。温度越高，湿度越低，物料中的平衡水分越低。低。材料科学与工程学院材料科学与工程学院自由水与大气吸附水平衡图自由水与大气吸附水平衡图材料科学与工程学院材料科学与工程学院二、干燥过程二、干燥过程 既是传热过程，也是传质过程既是传热过程

6、，也是传质过程 ，由此可归为三个，由此可归为三个过程：过程： 1 1）传热过程）传热过程 - - 水获得热量而汽化；水获得热量而汽化； 2 2）外扩散过程）外扩散过程 - - 蒸发水分由生坯表面扩散到外蒸发水分由生坯表面扩散到外界去；界去； 3 3）内扩散过程）内扩散过程 - - 水分自生坯内部向表面扩散；水分自生坯内部向表面扩散； 三过程同时进行，既与干燥条件有关，也与生坯三过程同时进行，既与干燥条件有关，也与生坯结构、特性有关；结构、特性有关；材料科学与工程学院材料科学与工程学院 干燥过程可以分为四个阶段干燥过程可以分为四个阶段： （1 1）加热阶段；）加热阶段； （2 2）等速干燥阶段；

7、）等速干燥阶段； （3 3）降速干燥阶段。）降速干燥阶段。 （4）平衡阶段平衡阶段材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（一）加热阶段（一）加热阶段 在干燥的初期阶段，干燥介质传给物料的热量大于物料中水在干燥的初期阶段，干燥介质传给物料的热量大于物料中水分蒸发所需热量，物料温度升高，水分蒸发量升高，达到一种动分蒸发所需热量，物料温度升高，水分蒸发量升高，达到一种动态平衡。态平衡。（二）等速干燥阶段（二）等速干燥阶段 在等速干燥阶段，干燥介质传给物料的热量等于物料中水分在等速干燥阶段，干燥介质传给物料的热量等于物料中水分蒸发所需热量，所以物料温度保持不变。内扩散

8、速率大于外扩散蒸发所需热量，所以物料温度保持不变。内扩散速率大于外扩散速率，又称为速率，又称为外扩散控制阶段外扩散控制阶段。 特点：外扩散控制阶段；自由水大量排除，坯体收缩量近似特点：外扩散控制阶段；自由水大量排除，坯体收缩量近似等于排除自由水体积，如操作不当，坯体易变形开裂。等于排除自由水体积，如操作不当，坯体易变形开裂。材料科学与工程学院材料科学与工程学院（三）降速干燥阶段（三）降速干燥阶段 内扩散速率小于外扩散速率，物料表面不再保持湿润，内扩散速率小于外扩散速率，物料表面不再保持湿润，称为称为内扩散控制阶段内扩散控制阶段。 当物料的水分达到平衡水分时，干燥速率降到零，这时当物料的水分达到

9、平衡水分时，干燥速率降到零，这时干燥过程终止。干燥过程终止。 特点：特点：内内扩散控制阶段；排除的是大气吸附水，坯体扩散控制阶段；排除的是大气吸附水，坯体体积不收缩，不会造成废品。体积不收缩，不会造成废品。（四）平衡阶段（四）平衡阶段材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院第二节第二节 干燥制度的确定干燥制度的确定干燥制度： 根据产品的质量要求确定干燥方法及干燥过程中各阶段应选用的干燥参数干燥参数： 干燥速度、干燥介质种类、湿度、温度、流量、流速等原则： 最短的时间内获得无干燥缺陷生坯材料科学与工程学院材料科学与工程学院一、干燥速度一、干燥速度 指单位时间内，单

10、位面积上水分的排出量。指单位时间内，单位面积上水分的排出量。材料科学与工程学院材料科学与工程学院影响因素：影响因素：（一）外扩散速度（一）外扩散速度 干燥介质及生坯表面的蒸气分压、干燥介质及生干燥介质及生坯表面的蒸气分压、干燥介质及生坯表面的温度，干燥介质的流速和方向，生坯表面粘坯表面的温度，干燥介质的流速和方向，生坯表面粘滞气膜的厚度、热量的供给方式、干燥方法滞气膜的厚度、热量的供给方式、干燥方法材料科学与工程学院材料科学与工程学院1 1、干燥介质的温度、干燥介质的温度 干燥介质的温度干燥介质的温度tt，物料与介质的温度差，物料与介质的温度差tt，传热速，传热速度度，传热量，传热量QQ，干燥

11、速度，干燥速度vv2 2、干燥介质的湿度、干燥介质的湿度 介质的相对湿度介质的相对湿度，水分汽化速度，水分汽化速度，干燥速度，干燥速度ww。3 3、干燥介质的流速、干燥介质的流速 介质的流速介质的流速ww，q q对流对流，干燥速度，干燥速度vv；流体与物料表；流体与物料表面的层流底层厚度面的层流底层厚度层层，对传热、传质都有利。，对传热、传质都有利。 ww，物料飞扬损失，物料飞扬损失，介质热利用率，介质热利用率，流体阻力，流体阻力，能耗能耗。 一般出口风速：一般出口风速：1.51.53.0m/s3.0m/s。材料科学与工程学院材料科学与工程学院4 4、干燥介质与物料的接触面、干燥介质与物料的接

12、触面 干燥介质与物料的接触面干燥介质与物料的接触面FF，干燥速度，干燥速度vv。 增加接触面的方法：增加接触面的方法：将固体物料破碎将固体物料破碎 使物料悬浮在干燥介质中干燥使物料悬浮在干燥介质中干燥 在回转烘干机内增加扬料板在回转烘干机内增加扬料板5 5、物料的性质、结构、物料的性质、结构 物料的性质、结构不同，它的化学组成与水的结合方式不同，物料的性质、结构不同，它的化学组成与水的结合方式不同，有的物料以非结合水为主，有的物料以结合水为主。有的物料以非结合水为主，有的物料以结合水为主。 物料中结合水物料中结合水，干燥时间，干燥时间，干燥速度，干燥速度。材料科学与工程学院材料科学与工程学院6

13、 6、物料的水分量、物料的水分量 物料的初水分、终水分、临界水分决定着等速阶段、降速阶段物料的初水分、终水分、临界水分决定着等速阶段、降速阶段的长短，影响干燥时间，即影响干燥速度。的长短，影响干燥时间，即影响干燥速度。7 7、干燥机的构造、干燥机的构造 合理的尺寸、结构型式，良好的密封和操作情况，以及适当地合理的尺寸、结构型式，良好的密封和操作情况，以及适当地提高回转烘干机的转速，将有利于提高干燥速度速度，缩短干燥时提高回转烘干机的转速，将有利于提高干燥速度速度，缩短干燥时间。间。材料科学与工程学院材料科学与工程学院（二）内扩散速率（二）内扩散速率 内因：含水率、生坯的组成与结构等。内因：含水

14、率、生坯的组成与结构等。 外因：生坯温度外因：生坯温度 内扩散：湿扩散、热扩散。内扩散：湿扩散、热扩散。 湿扩散湿扩散是指在水分浓度差的作用下，水分从物料内浓度高是指在水分浓度差的作用下，水分从物料内浓度高的的地方向浓度低的地方的迁移过程。湿扩散速率与物料制品的的地方向浓度低的地方的迁移过程。湿扩散速率与物料制品的厚度有关，因此减薄制品的厚度可以提高干燥速率。的厚度有关，因此减薄制品的厚度可以提高干燥速率。 热扩散热扩散是指在温度差的作用下，水分从物料内温度高的地是指在温度差的作用下，水分从物料内温度高的地方向温度低的地方的迁移过程。用方向温度低的地方的迁移过程。用内部内部加热方式，物料内部温

15、加热方式，物料内部温度高于表面温度，热扩散成为干燥的动力。应尽可能采用内部度高于表面温度，热扩散成为干燥的动力。应尽可能采用内部加热方式或其它使热扩散能够成为干燥动力的加热方式。加热方式或其它使热扩散能够成为干燥动力的加热方式。材料科学与工程学院材料科学与工程学院第三节第三节 干燥方法干燥方法 分为：分为： 自然干燥和人工干燥（机械干燥）。自然干燥和人工干燥（机械干燥）。 自然干燥特点自然干燥特点：不消耗动力和燃料，操作简便，但是干燥速：不消耗动力和燃料，操作简便，但是干燥速度慢，产量低，劳动强度高，受气候条件的影响大，不适合于工度慢，产量低，劳动强度高，受气候条件的影响大，不适合于工业规模的

16、生产。业规模的生产。 人工干燥特点人工干燥特点：干燥速度快，产量大，不受气候条件的限制，：干燥速度快，产量大，不受气候条件的限制，便于实现自动化，适合于工业规模的生产。便于实现自动化，适合于工业规模的生产。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 人工干燥的加热方式：人工干燥的加热方式： （1 1）外热源法；）外热源法； （2 2）内热源法。）内热源法。 外热源法：外热源法：是指在物料的外部对物料表面加热使物料受热，是指在物料的外部对物料表面加热使物料受热，蒸发水分，而得以干燥。外热源法的加热方式：蒸发水分，而得以干燥。外热源法的加热方式： （a a）对流加热）对流加热; ; （b b）辐射加热）

17、辐射加热; ; （c c）对流）对流- -辐射加热。辐射加热。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 内热源法：内热源法：是将湿物料放在高频交变的电磁场中或微波场中，是将湿物料放在高频交变的电磁场中或微波场中，使物料本身的分子产生剧烈的热运动发热或使交变电流通过物料使物料本身的分子产生剧烈的热运动发热或使交变电流通过物料而产生热量，物料中水分蒸发，得以干燥。而产生热量，物料中水分蒸发，得以干燥。 微波干燥微波干燥 红外干燥红外干燥 电干燥电干燥 最为广泛的还是外热源法中的对流加热，加热物料的介质为最为广泛的还是外热源法中的对流加热，加热物料的介质为干燥介质，干燥介质通常是热空气或热烟气。干燥介

18、质，干燥介质通常是热空气或热烟气。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院1. 1. 对流干燥对流干燥 原理：热空气或热烟气，对流传热 特点：热扩散方向与湿度扩散方向相反 设备：室式、隧道式、立式、链式、辊道式干燥机 优缺点：简单、生产效率高、应用广、速度慢、周期长材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院 对流干燥，设备简单，热源易于获得，温度和流速易于对流干燥，设备简单，热源易于获得，温度和流速易于控制调节，但总的来说，热扩散方向与湿扩散方向相反，不控制调节，但总的来说，热扩散方向与湿扩散方

19、向相反，不利于干燥速度提高。利于干燥速度提高。材料科学与工程学院材料科学与工程学院2. 2. 工频干燥工频干燥 加在生坯端面电极上的工频交变电压，在坯内产生电流而发加在生坯端面电极上的工频交变电压，在坯内产生电流而发热，属于内热式干燥。含水率高的部位电阻小、通过的电流大，热，属于内热式干燥。含水率高的部位电阻小、通过的电流大，产生的热量也大。产生的热量也大。 电热干燥效率较高，如电瓷生坯一般电热干燥效率较高，如电瓷生坯一般10-1510-15天阴干，电热干天阴干，电热干燥仅要燥仅要4 4小时；含水率小时；含水率1313的泥浆注浆成型的玻璃池窑大砖的泥浆注浆成型的玻璃池窑大砖( (单重单重300

20、kg300kg以上以上) )，脱模后若要把水分降到，脱模后若要把水分降到6 6，采取自然阴干需几十，采取自然阴干需几十天，采用电干约需天，采用电干约需1515天。天。特点：特点：（1 1）能实现均匀干燥）能实现均匀干燥（2 2）热扩散、湿扩散方向一）热扩散、湿扩散方向一致，干燥速度快，单位热耗小。致，干燥速度快，单位热耗小。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 原理：工频交变电流，电能转化为热能；原理：工频交变电流，电能转化为热能； 特点：同时加热，热扩散方向与湿度扩散方向一特点：同时加热，热扩散方向与湿度扩散方向一致；致； 设备：变压器、电极；设备：变压器、电极； 优缺点：快、均匀、耗能少、

21、简单、不安全、适优缺点：快、均匀、耗能少、简单、不安全、适于高含水量于高含水量材料科学与工程学院材料科学与工程学院 以高频或相应频率的电磁波辐射使生坯内产生松弛极化，转以高频或相应频率的电磁波辐射使生坯内产生松弛极化，转化为干燥的热能。化为干燥的热能。 这种方法干燥很快，生坯温度这种方法干燥很快，生坯温度6060时，汽化量可能超过蒸时，汽化量可能超过蒸汽逸出量使坯内压强增高，甚至鼓胀开裂，应控制生坯温度。汽逸出量使坯内压强增高，甚至鼓胀开裂，应控制生坯温度。当以含水率当以含水率6.96.9的的1521521521525mm5mm的面砖生坯单片通过这种的面砖生坯单片通过这种干燥器，由进到出仅干燥

22、器，由进到出仅5 5分钟，含水率降到分钟，含水率降到0.550.55。目前仅用来快。目前仅用来快速干燥电子陶瓷生坯。速干燥电子陶瓷生坯。电耗一般高达电耗一般高达2.5-3.0kWh2.5-3.0kWhkgkg水，不经济。水，不经济。3. 3. 高频干燥高频干燥 材料科学与工程学院材料科学与工程学院4. 4. 微波干燥微波干燥 是以微波（是以微波（0.001 1m, 300 300*103MHz) )辐射使生坯内极性辐射使生坯内极性强的分子，主要是水分子运动随交变电场的变化而加剧，发生摩强的分子，主要是水分子运动随交变电场的变化而加剧，发生摩擦而转化为热能使生坯干燥的方法。擦而转化为热能使生坯干

23、燥的方法。 坯体单位时间、单位体积内产生的热量与频率、电场强坯体单位时间、单位体积内产生的热量与频率、电场强度及坯体的介质损耗有关。度及坯体的介质损耗有关。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2. 2. 主要特点：主要特点：（1 1）均匀快速。热、湿传导方向一致）均匀快速。热、湿传导方向一致（2 2）具有选择性）具有选择性（3 3）热效率高）热效率高（4 4）干燥设备体小、轻巧，便于自控）干燥设备体小、轻巧，便于自控（5 5）具有微波辐射，需进行特殊防护。）具有微波辐射，需进行特殊防护。（6 6）设备费用高，耗电量大。）设备费用高，耗电量大。材料科学与工程学

24、院材料科学与工程学院6. 6. 近红外与远红外干燥近红外与远红外干燥1. 1. 原理原理 是利用红外辐射元件发出的红外线为被加热物体所吸收，是利用红外辐射元件发出的红外线为被加热物体所吸收，直接转变为热能而达到加热干燥的方法。直接转变为热能而达到加热干燥的方法。 水是红外敏感物质，在红外线的作用下水分子的键长和键角水是红外敏感物质，在红外线的作用下水分子的键长和键角振动，偶极矩反复改变，吸收的能量与偶极矩变化的平方成正比，振动，偶极矩反复改变，吸收的能量与偶极矩变化的平方成正比，干燥过程主要是由水分子大量吸收辐射能，因此效率很高。干燥过程主要是由水分子大量吸收辐射能，因此效率很高。材料科学与工

25、程学院材料科学与工程学院2 2 红外辐射器红外辐射器管状、灯状、板状等。均由三部分组成：管状、灯状、板状等。均由三部分组成：（1 1）基体）基体（2 2）基体表面能辐射红外线的涂层）基体表面能辐射红外线的涂层（3 3）热源及保温装置）热源及保温装置 金属基体或陶瓷基体：耐火材料、金属基体或陶瓷基体：耐火材料、SiCSiC、锆英石、不锈钢、锆英石、不锈钢、铝合金等。铝合金等。 金属氧化物和碳化物等。金属氧化物和碳化物等。热源：电加热、煤气加热或燃油加热等。热源：电加热、煤气加热或燃油加热等。材料科学与工程学院材料科学与工程学院3 3 、红外干燥的优点、红外干燥的优点（1 1）干燥速度快，生产效率高）干燥速度快，生产效率高 辐射与干燥几乎同辐射与干燥几乎同时开始，无明显的预热时开始，无明显的预热阶段。阶段。 实际的例子很多，如：原用实际的例子很多，如：原用8080热风干燥要热风干燥要2