第4章物料及制品干燥与脱水 内容提要 无机材料在生产过程中对半成品和一些含水矿物原料往往需要进 行干燥，以满足生产工艺要求。 物料、坯体在干燥过程中，随着水分的排除要发生收缩，产生一定 的收缩应力，如果收缩过程处理不当，会导致坯体出现变形和开裂。特 别是尺寸较大的卫生陶瓷坯件,由于其壁厚不均,干燥过程控制不当时 极易变形，这种现象是生产中常出现的。为了正确处理这一矛盾，我们 必须深入了解坯体干燥过程的实质和产生收缩的原因，从而掌握坯体干 燥过程中的变化规律，选择合适的干燥制度和干燥设备。 本章主要阐述物料及制品的脱水与干燥过程及原理,介绍干燥方法 和工艺制度,并对干燥与脱水设备的工作原理和工艺控制进行了具体的 介绍。 4.1干燥原理 依靠蒸发而使含水原料或成型后的坯体脱水的过程称为干燥。 原料和成型后的各种坯体都含有一定量的水分，必须经过干燥，原 因： A.提高坯体强度，减少生坯的变形和破损。 B.干燥还可使坯体的吸水率增加，以便进行施釉操作。 C干燥好的坯体在烧成初期可以进行较快地升温而不致开裂。这 样，可以减少燃料消耗，缩短烧成周期。 4.1.1物料中水分的性质 按照坯料与水分结合方式的不同，坯体中的水分有三种存在形式 自由水：自由水是坯体直接与水接触而吸收的水分。存在于坯体的 大毛细孔（直径大于10cm)及颗粒的空隙中。 又叫机械结合水，由内聚力与坯料结合，因而结合松弛，干燥过程中 极易排除，其脱水温度一般在100℃左右。 l
大气吸附水：将绝对干燥的坯体置于大气中时，坯体中的黏土从空 气中吸附的与坯料粒子呈物理化学状态结合的水。这种 水吸附于坯体的细小毛细管中和细小黏土胶粒表面上， 受到分子引力（范德华力）的作用，离黏土胶粒最近的 单分子层的水分结合最牢固，多分子层的水分结合较 弱，随着离黏土粒子越远，逐渐接近于自由水。 平衡水不能在干燥中除去，它是干燥极限时坯体 所含之水，其含量与坯料的性质、周围介质的温度、 湿度有关。坯体中的吸附水要到温度比水的沸点稍高 时才能排除 化学结合水：化学结合水指包含在原料矿物的分子结构内的水分， 如结晶水、结构水等，这种结合形式的水分最牢固， 排除时需要较高的能量。排除化学结构水，坯体尺寸 并不缩小，不产生收缩应力，可以快速干燥而不致坯 体开裂。 4.1.2物料的干燥过程 干燥过主要是指除去坯体 内部的自由水的过程。假定在干 燥过程中坯体不发生任何化学变 化，干燥介质恒温恒湿，则干燥 过程包含了四个阶段，如图8-1 所示。 升速干燥(0一A) 图8-1干燥过程曲线图 这一阶段也叫加热阶段，坯 体表面被加热升温，水分不断蒸发，直到表面温度达到干燥介质的湿球 温度T,坯体吸收的热量与蒸发水分所消耗的热量达成动态平衡，则 干燥过程进入了等速阶段。由于升速阶段时间很短，所以此阶段排出水 量不多 等速干燥阶段(A一B) 该阶段的特征是干燥介质的条件（温度、湿度、速率等）恒定不变， 2
水分由坯体内部辽移到表面的内扩散速度与表面水分蒸发扩散到周围 介质中去的外扩散速度相等。水分源源不断地由内部向表面移动，表血 维持润湿状态，水分汽化仅在表面进行，自由水不断地蒸发排出。因为 干燥介质条件不变，坯体表面温度也维持不变，等于干燥介质的湿球温 度。因此，此阶段干燥速率和传热速率保持恒定不变，其干燥速率主要 取决于干燥介质的条件。 降速干燥阶段(B一C) 在干燥过程中，当坯体中的自由水大部分排除时，干燥速率即开始 降低，从等速至降速阶段过渡的含水量（一般取平均值）我们称为临界 含水量。临界含水量在干燥速率曲线图中表示为B点，B点称为临界点， 测定临界点的含水率具有重要的意义。临界含水量因坯体的性质不同而 异，在恒定的干燥条件下，通过干燥速率曲线的测定和绘制可以确定其 临界含水量。降速干燥阶段又可分二个小阶段，在第一小阶段，坯体内 毛细管中水分蒸发，而且，蒸发面不断地减小，坯体的表面上开始出现 已干斑点。第二小阶段，坯体的一切毛细管内已经没有水，此时蒸发移 入坯体内部进行，坯体内部生成的水蒸气克服坯体及边券层的阻力进入 四周空气中。在降速干燥阶段，坯体用以蒸发水分的热消耗降低，加热 坯体的热量增加，因此坯体的温度将逐渐升高，力求达到坯体周围的介 质的温度，此时的坯体水分与周围空气介质之间成平衡状态。 平衡阶段(C一D) 当坏体干燥到表面水分达到平衡水分时，表面干燥速率降为零。因 为表面蒸发与吸附达成动态平衡。此时坯体与周围介质也达成平衡状 态，这时，平衡水分的多少取决于坯体的性质和周围介质的温度与湿度， 这时坯体中的水分叫干燥最终水分。坯体的干燥最终水分不应低于贮有 时的平衡水分，否则干燥后将再吸水至达到平衡水分 4,13影响干燥速率的因素 必须充分了解影响干燥速率的因素，以确定最佳的干燥速率。 从干燥过程来看，干燥的实质就是水分扩散，而水分扩散主要靠内 扩散和外扩散来进行的，因而干燥速率主要取决于坏体的内扩散速度和 外扩散速度。同时，坯体干燥速率也受传热效率，坯泥性能，坯体形状 3
和厚度等影响。 4.13.1影响内扩撒的因素 A坯泥性能的影响 B坯体温度的影响 C坯体表面与内部水分浓度差的影响 D坯体内温度分布的影响 4.1.3.2影响外扩散的因素 干燥过程中，坯体表面水蒸气的扩散与其表面的水蒸气分压及干燥 介质的水蒸气分压有关，可用下式表示： is=B,(P-P)=B.(C:-C) (8-1) =g-) 式中i外一表面水蒸气的外扩散速度，kg/m2h: 月一蒸发系数，B,0.0168+0.00128,1m: v一平行于坯体表面的气体速度，ms: P一坏体表面温度下的饱和水蒸气分压，P: P分一坯体表面温度下干燥介质中的水蒸气分压，P: R。一扩散速度系数，B=aCB,mh 空气的比热，kJ/kg.C: a一对流给热系数，kJmh.·℃： B一空气密度，kgm: C表一坯体表面的水蒸气浓度，kgm2 C一介质中的水蒸气浓度，kgm’: 刀一坯体表面温度下蒸发kg水所需的热量，kJ/(kg水汽)： 坯体蒸发表面的温度（空气的湿球温度），℃： 干燥介质的温度，℃。 上式表明外扩散速度主要受空气的温度、湿度与流速的影响，同时 也与坯体的加热方式有关。 A空气的温度与湿度的影响 B空气的流动速度和流动方向的影响 C空气流量的影响
4.13.3其他影响因素 综上所述，彪响干燥速率（干燥时间）的主要因素为： (1)坯料的结构、性质： (2)坯体的形状、大小、厚度： (3)坯体的最初、最终水分： (4)干燥介质的温度、湿度、速度的大小和方向： (5)干燥介质与坏体的接触情况： (6)加热方式（干燥方法）： (7)干燥器的结构、类型。 4.1.4制品在干燥过程中的收缩与变形 在坯体干燥过程中，随者自由水分的排除，颗粒表面的水膜不断变 薄，颗粒逐浙靠拢，坏体发生收缩，其收缩量大约等于排出的自由水的 体积。当水膜厚度减薄至一定程度，则坯体颗粒互相接触，内扩散阻力 增大，干燥速率及收缩速度发生急剧变化，收缩基本停止，进入降速干 燥过程，继续干燥则排除相互接触的各颗粒间的孔隙水，发生傲小收缩， 直至与周围干燥介质水分达成平衡为止。 在整个坯体收缩过程中产生了内应力。当这种内应力大于塑性状态 坯体的屈服值时，坯体发生变形，若内应力过大，超过其弹性状态坯休 的强度时，会导致开裂。 影响坯体干燥收缩与变形的因素主要有以下几个方血： (1)坯体中黏土的性能 (2)坯体的化学组成。 (3)坏体的含水率。 (4)坯体的成型方法。 (5)坏体的形状 4.2干燥方法 根据热源提供热量方式的不同，干燥方法可分为自然干燥、热风干 燥、电干燥、红外线干燥、复合干燥等。 4.2.1热空气干燥 5
热空气干燥是利用热空气对流传热作用，干燥介质（热空气）将热 量传给坯体（或泥浆），使坯体（或泥浆）的水分蒸发而干燥的方法。 这种干燥方法，其设备较简单，热源易于获得，温度和流速易于控 制调节，所以在陶瓷工业中的应用较广泛。 若采用高速定位热空气喷射，还可以进行快速干燥。 热空气的来源一般是利用隧道窑余热，也可用锅炉产生的水蒸气或 燃烧室产生的烟气将冷空气加热到预定的温度。 4.2.1.1对流干燥 对流干燥是利用热气体的对流传热作用将热传给坯体，使坯体内部 水分进行蒸发而干燥的一种干燥方法。 以热空气进行干燥时，按照空气温度和湿度控制的不同可分为三种 类型。 A高温低湿干燥 B低湿逐渐升温干燥 C控制湿度干燥（高湿低温干燥） 4.2.1.2快速对流干煤 在一般的对流干燥器中，干燥介质的流速较小，一般只有2~4ms。 快速对流干燥是利用喷嘴将热空气(80-300℃)对准被干燥的坯体 以10-30s的速度进行高速喷射，故又称为喷射干燥。由于气流速度 快，坯体表面空气膜的厚度减薄，因此减小了传热及外扩散阻力，提高 了对流传热的速率，大大加快了干燥速率，使得干燥时间大大缩短。同 时，快速对流干燥是采用对位干燥，坯体间歇运动。坯体在运行过程， 即停止喷吹阶段，坯体表面水分蒸发吸热，温度下降，使热扩散与湿扩 散方向一致，也加快了干燥速率。 4.22电热干燥 4.2.21工频比千深
这种干燥方法是将被干燥坯体两端加上电压，通过交变电流，这样， 湿坯就相当于电阻而被并 联于电路中（见图42），当 电流通过时，坯体内部就会 产生热量，使水分蒸发而干 燥。这种干燥方法其实质是 一种内热式干燥法，主要是 图42工频电干燥示意图 加快水分内扩散的速度而 1-电极：2-坯体 干燥坯体。 坯体中，含水率高的部位电阻较小，通过电流多，干燥得快：含水 率低的部位通过的电流少，干得慢。所以，将水分厚度不匀的坯体进行 工频电干燥时，通过这种自动平衡作用可使生坯含水率在传递过程中均 匀化分布。 采用工频电干燥，由于对坯体端面间的整个厚度同时进行加热。热 扩散与湿扩散方向一致，干燥速率较快。适宜于含水率较高的大型厚壁 坯件的干燥。 电瓷工业用大型泥段的干燥一般采用工频电干燥。 4.2.22直流电干燥 采用直流电干燥同样可使水分在干燥过程中减少而且均匀分布。这 种方法是将生坯放在直流电场中，使其在电场力作用下，按特定的方向 析出水分，就可改善坯体内水分的分布情况，产生较好的干燥效果。这 种干燥与热效应关系不大， 与加热干燥相比，此法的优点是： (1)水分以液体的形式排出，坯体内水分分布均匀。内应力很少。 (2)可避免形状复杂的制品，在干燥时微微变形开裂。 (3)此法干燥时间较短，干燥速率快。 利用直流电电动效应干燥坯体，只能除去大部分水，需与其他干燥 方式共同进行 4.2.23高频电千燥 这是一种利用高频电场的“涡流效应”使坯体干燥的方法，这种方法 7
就是将湿坯体置于高颍电场5-6MHz中，由于电磁波的高频振荡，使坯 体中的水分子发生振荡，运动速度加快，产生摩擦，因而发热使坯体中 水分蒸发，实现干燥目的 一般只用于大型、特异型产品的干燥，最好的方法是在坯体干燥至 某一较低水分后改用其他方法继续进行干燥，这样更能节省能耗。 高频电干燥器由三个基本部分组成： (1)整流器：变交流电为高压直流电： (2)振荡器：变高压直流电为高频交流电： (3)带有平板电容器的二次振荡电路。 4.2.3辐射干燥 辐射干燥是指由热源直接将电磁波辐射到湿坯上，并转化为热能， 将坯体干燥的干燥方法。此法干燥坯体无需任何干燥介质，且能量的损 失也最小。一般说来，辐射干燥时辐射强度愈大，辐射距离愈短，坯体 愈薄，干燥速率愈快。采用辐射干燥，有如下儿个优点 (1)能保证坯体清洁： (2)设备结构简单，易于实现自动化控制： (3)干燥速率较快： (4)干燥较均匀，很少发生变形和开裂： (5)由于干燥时间缩短，还可节约石膏模。 4.2.3.1微波千燥 微波是介于红外线和无线电波之间的一种电磁波，波长在 ~1000mm范围内，频率为300-300000Mz,微波加热原理基于微波与 物质相互作用吸收而产生的热效应，微波的特点是对于良导体能产生全 反射而极少被吸收。 微波的另一显著特点是加热具有选择性。潮湿陶瓷坯体会大量吸收 微波而发热，而一旦水分下降，升温速度会自动下降，出现自动平衡。 这种自动平衡作用使坯体加热干燥更均匀，对于石膏模，由于其多孔结 构，其介电常数和介质损耗都比较小，所以微波干燥时模型受热不大， 不会彪响其使用寿命。 42.3.2红外千燥
红外线的波长范围为0.75-1000um,因此，它是一种介于可见光和 微波之间的电磁波。坯体能够吸收红外线并将之转化为热能，因此，利 用红外线能对坯体进行干燥。 红外线干燥仅仅对于红外线敏感的物质在其强烈吸收的波长区域 内有效。而分子吸收红外线的程度与该分子中各原子振动所产生的偶极 矩变化的平方成正比。对于极性分子如H0、CO,等在红外线的作用下 分子的健长和键角振动，偶极矩反复变化，吸收的能量与偶极矩变化的 平方成正比。水分子是红外敏感物质，会大量吸收红外线，从而加剧分 子的振动与转动，使物体温度升高，水分挥发，进行干燥。 实际的红外干燥应选择波长为2.5~15mm的远红外线干燥较好。采 用远红外干燥有如下特点： (1)干燥速率快，生产效率高。有资料表明，远红外干燥生坯的 时间比近红外缩短1/2，为热风干燥的1/10。 (2)节约能源。采用远红外干燥可节约能耗。如采用电力为热源 的远红外干燥的耗电仅为近红外干燥1/2左右，为蒸汽干燥的1/3。 (3)设备小巧，造价低，占地面积小，费用低。 (4)干燥效果好。采用远红外干燥，热湿传导方向一致，因而坯 体受热均匀，不易产生干燥缺陷。 由于远红外干燥有如上所述优点，在我国的陶瓷行业中，其已经获 得了成功的应用，特别是与定位吹热风干燥或配合其他干燥方法能加快 干燥速率 4.3干燥工艺制度 干燥制度是指根据产品的品质要求来确定干燥方法及其干燥过程 中各阶段的干燥速率、影响干燥速率的参数。 合理的干燥制度应保证坯件的干燥质量，且干燥周期短，消耗热量 少，也就是要确定最佳的干燥速率、介质的温度和湿度、介质的流速和 流量。 4.3.1干燥速率 干燥速率是指单位时间内，单位面积上坯体中水分的排除量，可用
下式表示： “-密 (4-2) 式中4一干燥速率，(kg/hm): w一坯体中水分的排出量，kg: 一被干燥坯体的总表血积，m: 一干燥时间，h。 干燥速率可通过试验测定，并按以下公式求得： H-GIC-C) (4-3)》 At 式中G 试样绝对干燥时的质量，kg: C,C:一被干燥试样的最初与最终含水率，%： A一被干燥试样的总表面积，m: 一干燥时间，h。 影响坯体干燥速率的因素综合起来有如下几点 (1)坯体的干燥敏感性。 (2)坯体的形状、大小和厚度。 (3)坯体的临界水分。 (4)干燥的均匀程度。 (5)坯体的初始温度、干燥介质的性能、干燥方法及干燥设备有关， 4.3.2干燥介质的温度与湿度 干燥介质的温度是影响坯体扩散速度的主要因素之一，一般生产上 的干燥速率往往都是用干燥介质的温度和湿度来调节的。 A干燥介质的温度 确定干燥介质温度时应考虑以下几个问题： (1)要考虑坯体能否均匀受热的问题。 (2)要考虑热效率的问题。 (3)介质温度还受干燥方法及干燥设备的限制，不可能任意提高。 (4)对日用瓷等坯体的干燥而言，介质温度还受是否带模干燥感 响。 B干燥介质的湿度 10