微波干燥技術在蜂窩陶瓷中的應用

摘 要：蜂窩陶瓷擠壓成形后的強度低、難干燥等問題，嚴重制約了蜂窩陶瓷的廣泛應用。近年來，微波干燥技術已應用于蜂窩陶瓷上，可以解決其強度低、難干燥等問題。結果表明，微波干燥技術能降低成形后蜂窩陶瓷坯體約10%的水分。通過分析蜂窩陶瓷干燥的過程，提出了熱風干燥與微波干燥相組合的方法，結合兩者的優(yōu)勢，以達到優(yōu)化節(jié)能的目的。

關鍵詞：蜂窩陶瓷；微波干燥；熱風干燥；組合

1 引言

蜂窩陶瓷作為一種功能性多孔材料[1]，早在20世紀70年代就由美國康寧(Corning)公司開始試制，并在1975年進行了小型車尾氣凈化試驗，取得了良好的效果。與傳統(tǒng)的顆粒狀陶瓷載體相比，多孔狀蜂窩陶瓷載體具有幾何表面大、擴展距離短、有利于反應物的進入和生成物的排出，并可縮小反應器的體積等優(yōu)點。因此，蜂窩陶瓷特別適用于汽車尾氣的處理、煙道氣的凈化、蓄熱體以及紅外輻射燃燒板等方面的應用。

微波的波長在1mm～1m之間，頻率在3.0×102~3.0×105 MHz之間（見圖1），具有穿透性的一種電磁波。目前，國內外微波干燥技術已在輕工業(yè)、食品工業(yè)、化學工業(yè)、農業(yè)和農產(chǎn)品加工等領域得到廣泛應用。具體在造紙、陶瓷、木材、食品、瀝青、污水處理、表面活性劑、香料、礦石、藥物、混凝土、涂料、油漆等方面已開始研究和應用[2]。

蜂窩陶瓷由于成形時水分較多，孔隙多，且坯體內孔壁特別薄。因此，采用傳統(tǒng)的方法會導致加熱不均勻，極難干燥；由于蜂窩陶瓷導熱系數(shù)差，其干燥過程要求特別嚴格（如環(huán)保汽車、蓄熱體、紅外輻射燃燒板等方面的蜂窩陶瓷）。如果干燥過程控制不好，易導致變形，以及影響孔隙率和比表面積。

目前，蜂窩陶瓷的干燥方式有自然干燥法、遠紅外干燥法、蒸汽干燥法、微波干燥法等[3]，其中微波干燥方法能克服厚壁蜂窩陶瓷干燥時存在表面與內部干燥速度不一致的問題；同時，也解決了坯體干燥前強度低、搬運困難，干燥后易開裂等問題。

2 微波干燥技術的特點

微波干燥的原理：采用微波照射濕坯體，電磁場的方向和大小會隨時間作周期性變化，使坯體內極性水分子隨著交變高頻電場的變化，產(chǎn)生劇烈的轉動，然后發(fā)生摩擦轉化為熱能，使得坯體整體均勻升溫，達到干燥的目的。微波照射的穿透能力遠比紅外線大。微波干燥的特點可歸納為以下四點[4]：

2.1加熱快速、均勻

與普通方法相比，由于微波對吸收介質有較強的穿透能力，熱量不必從表面?zhèn)鬟f到物料內部，而是直接將能量作用于整體物料，在物料內部瞬時轉化為熱量，大大縮短了加熱時間。

2.2加熱的選擇性

微波加熱利用的是介質損耗原理，在加熱過程中通過介質損耗將電磁能轉化為熱能，只有吸收微波的物質才能被微波加熱。由于水的介質損耗很大，所以水吸收的微波能遠大于其它物質。

2.3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備器壁等，且加熱室為金屬制造的密閉空腔，既可提高熱利用率，又可以保證操作人員的安全。同時，空腔反射微波，使之不向外泄露，只能為物料吸收。因此微波具有熱效率高、節(jié)約能源的作用

2.4反應靈敏、易控制、產(chǎn)品質量高

在微波干燥時，由于表面的對流換熱，物料表面溫度低于中心，在物料的表面很少出現(xiàn)溫度過熱和結殼的現(xiàn)象，有利于水分的蒸發(fā)。利用風熱或蒸汽進行表面加熱，有利于坯體的加熱均勻，從而降低了產(chǎn)品不合格率。能量的輸出大小可以通過電源開關的控制來實現(xiàn)，以提高產(chǎn)品質量。

3 蜂窩陶瓷的干燥工藝過程[5]

3.1陶瓷坯體的水分與干燥的關系

陶瓷生坯內的水分有三種：一是化學結合水，是坯料物質結構的一部分；二是吸附水，是坯料顆粒所構成的毛細管中吸附的水分，吸附水膜厚度相當于幾個到十幾個水分子；三是游離水，游離于坯料顆粒間。坯體干燥時，游離水極易排出。隨著周圍環(huán)境的濕度與溫度的不同，吸附水也有部分在干燥過程排出。干燥后坯體吸附水的含量取決于坯料組成、環(huán)境的條件和放置時間的長短。

3.2干燥過程與生坯的變化關系

坯體排出水分可分為兩個途徑：蒸發(fā)生坯表面的水分擴散到周圍介質中去，為外擴散；水分由生坯內部遷移到表面，為內擴散。在內、外擴散的過程中需吸收一定的能量。隨著生坯含水率降低，一般干燥過程可分為：預熱階段、等速干燥階段、降速干燥階段與平衡狀態(tài)，如圖2所示。

3.2.1預熱階段

干燥的起始生坯溫度約等于室溫，獲得的熱量大于此時汽化所需的熱量，生坯溫度上升；隨著生坯溫度升高，獲得的熱量與汽化熱量相等。由圖2可知，由K到A是預熱階段，一般時間很短。當生坯含水率低或采用紅外干燥時，這個過程就更短，此階段生坯體積基本不變。

3.2.2等速干燥階段

從A點到B點，水分自生坯外表面的連續(xù)水膜蒸發(fā)，內部水分不斷補充。此時，內、外擴散速度相等，吸收的能量都供蒸發(fā)，干燥速率ｕ固定不變。隨著含水率降低，顆粒在水的表面張力作用下被拉近，生坯逐漸收縮，收縮的體積相當于排除水的體積。這一階段較為關鍵，應使生坯表面溫度均勻，盡量保持不變。

3.2.3降速干燥階段

從B點開始，生坯失去外表面的水膜，顆粒靠攏，毛細管的直徑更小，使內擴散阻力增大，外擴散因此也受到制約。ｕ隨絕對含水率的降低而降低，生坯略有收縮。其原因為：一是顆粒由靠攏到貼緊有一段過程；二是水分的減少導致生坯會有微量收縮。隨著含水率的降低，其體積收縮越來越小。由C到D其含水率降低較小，此時生坯基本不再收縮，一般不會引起生坯變形或開裂。B到C的蒸發(fā)主要發(fā)生在接近外表面的毛細管口；由C到D，生坯的含水量更少、氣孔更多，蒸發(fā)面轉移到生坯內部。由B點開始生坯逐步升溫，顏色也逐步發(fā)生改變：由深色逐漸變?yōu)榉垠w的淺色。從等速干燥階段轉為降速干燥階段，處于B點的含水率稱為臨界含水率，處于C點的含水率稱為第二臨界含水率。

3.2.4平衡狀態(tài)

到達D點后，生坯水分與環(huán)境的交換呈平衡狀態(tài)，干燥過程終止。這時的含水率為最終含水率，除與周圍介質溫度、相對濕度有關外，還與坯料的組成有關。生坯的水分含量過高，則會降低生坯強度和窯爐的效率；過低則會浪費能耗。因此，以平衡狀態(tài)下的含水率為宜。

4 微波干燥技術在蜂窩陶瓷中的應用

坯體在干燥過程中形成的水分梯度會使坯體出現(xiàn)不均勻的收縮，從而產(chǎn)生應力，當應力超過了呈塑性狀態(tài)坯體的屈服值時就會產(chǎn)生變形；當應力超過了呈塑性狀態(tài)的強度時就會引起開裂。

干燥工藝對蜂窩陶瓷的成品率影響很大。蜂窩陶瓷大多數(shù)采用濕法擠壓成形，其原料中一般加入15%～20%的水分。蜂窩陶瓷的內部是由許多格子狀的間壁分割而成，擠出后不能搬運和后續(xù)加工，如不進行快速干燥，原有的形狀將產(chǎn)生變形。擠壓成形的蜂窩陶瓷生坯其內部顆粒(主要是呈片狀的粘土顆粒、滑石顆粒)呈定向排列。一般地，坯體中顆粒定向排列較為明顯時，在干燥過程中都會引起不同方向上的不均勻收縮。

筆者所屬的公司，微波干燥技術已經(jīng)成功應用于蜂窩陶瓷上。本文通過A、B、C三組試驗，證明微波干燥在蜂窩陶瓷干燥中的優(yōu)越性，其中每組實驗的編號分別為：A1~A5、B1~B5、C1~C5。A1~A5的測試設備為A微波爐公司生產(chǎn)的，型號為WKS-162；B1~B5、C1~C5的測試設備為B微波爐公司生產(chǎn)的，型號為RS-PM-015，干燥時間為 7min。其微波對蜂窩陶瓷的干燥情況如表1所示。

由表1可知，擠壓成形后的蜂窩陶瓷坯體，經(jīng)微波爐干燥后，可以降低7%~10%的水分，且設備越新，干燥效率越高。

蜂窩陶瓷通過微波干燥7min后，其水分明顯降低了，并且強度有一定的提高，適合搬運及重新燒成。剛干燥出來的產(chǎn)品表面有一定的余熱，可以利用風扇機對蜂窩陶瓷進行對流干燥，將表面的熱量和水分除去，然后將蜂窩陶瓷放置在高溫熱泵房中進行干燥，干燥時間大約15~17h，此時，蜂窩陶瓷的含水量已降低到適合燒成的范圍。整個流程，不僅操作簡單、節(jié)約空間，而且提高勞動效率，充分發(fā)揮了組合干燥的優(yōu)勢，取得了較為理想的效果。

5 結論

（1） 微波干燥技術應用到蜂窩陶瓷干燥中，7min能降低7%~10%的含水率，且設備越新，干燥的效果越好。

（2） 微波干燥技術與對流干燥、高溫熱泵干燥技術相結合，獲得最佳的干燥效果，達到效率高又節(jié)能的目的。

參考文獻

[1] 曾令可，王慧，程小蘇.陶瓷工業(yè)干燥技術和設備[J].山東陶瓷，

2003，26(1):15-18.

[2] 曾令可，王慧.多功能陶瓷制備與應用[J].化學工業(yè)出版社，2006.

[3] 和進娜，徐慶.微波干燥技術的應用研究[J].機電信息，2006(29):

55-56.

[4] 劉海燕.多孔陶瓷二次干燥技術與應用研究[D].武漢:武漢理工

大學，2006:22.

[5] 李家駒.陶瓷工藝學[M].北京:中國輕工業(yè)出版社，2001.

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