衛生陶瓷坯體新型智能化干燥技術與裝備*

惠　濤　賈書雄　馬小鵬

(咸陽陶瓷研究設計院　陜西 咸陽　712000)

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衛生陶瓷坯體新型智能化干燥技術與裝備*

惠濤賈書雄馬小鵬

(咸陽陶瓷研究設計院陜西 咸陽712000)

筆者結合干燥機理、干燥過程，對衛生陶瓷坯體新型智能化干燥裝備的設計思路與工作原理、關鍵系統設計等進行了闡述。

干燥機理工作原理關鍵系統

對于注漿成形的衛生陶瓷坯體，干燥是其生產過程中的重要環節，干燥結果直接影響著產品的性能與品質。干燥是能耗大戶，干燥技術與設備的好壞，將嚴重影響其能源消耗率。目前，國內該行業干燥設備主要以室式干燥器為主，其構造簡單，大多還停留在只能顯示溫濕度階段；整個干燥過程采用連續式供熱與排潮，產品與熱量交換時間短，即被排出，造成能源浪費，而且溫濕度場難以保持與控制；采用管道式靜態(官道上開小孔)方式送風，因其風速較小，容易在干燥腔體內部形成死角，造成斷面上下溫濕度變化較大，干燥不均勻。這種干燥器的操作與數據統計，完全依靠人工來完成，根本不存在所謂的智能控制系統，工人根據生產經驗，手動調節進氣閥與排出風口大小來控制溫濕度，這種方式人為因素較大，滯后性強，很難達到精準控制，產品合格率低，干燥周期長。

為了改變現狀，我們通過集成創新的方式，將現代在線采集與傳感技術、變頻技術、智能控制技術與專業的干燥設備相結合，研究開發出了——新型衛生陶瓷坯體智能化技術與裝備。

1　干燥機理

1.1 坯體中的水分類型

衛生陶瓷濕坯水分主要有3種類型：

1)自由水。分布于坯體顆粒的間隙中，靠內聚力與物料松弛的結合，結合的牢固性最弱。基本符合水的一般物理特性，在干燥過程中首先被排出，并在排出的過程中坯體收縮。

2)吸附水。它是依靠坯體中分子引力(范德瓦爾斯力)與毛細管力，處于坯體顆粒表面或者微毛細管(直徑小于1×10-4mm)中的水分。

3)化學結合水。它是參與組成物料晶格的水分，其結合形式最牢固，需要較大的能量才可以排出。如高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O)中的結晶水需要在400～500 ℃時才能排除，但這不屬于干燥范圍，因此在干燥工藝中不予考慮。干燥是排出自由水和吸附水的過程。

1.2干燥速率及其影響因素

1) 外擴散

水分由濕坯表面蒸發到干燥介質中的過程，稱為外擴散。外擴散速率可用下式表示：

式中：U——外擴散速率kg/m2·h；

ω——平行于坯體表面的干燥介質流速；

Ps——坯體表面的水蒸氣分壓，Pa；

Pw——干燥介質中的水蒸氣分壓，Pa。

2) 內擴散

水分由坯體內部遷移到表面過程，稱為內擴散，包括濕擴散(濕傳導)和熱擴散(熱濕傳導)。濕擴散是指坯體內由濕度梯度(水分濃度梯度)引起的水分遷移；熱擴散是指坯體內由溫度梯度引起的水分遷移。

濕擴散用公式表示為：

式中：Um——濕擴散速率，g/cm2·s；

D——水分的濕擴散系數, cm2/s；

c0，cs——坯體中心與表面的水分濃度，g/cm3；

u0，us——坯體中心與表面的絕對水分%；

s——坯體厚度，cm；

G0——絕干坯體質量，g/cm3；

式中：Uh——熱擴散速率，g/cm2·s；

δ——熱擴散系數，1/℃；

1.3干燥過程

在衛生瓷坯體的干燥過程可分為3個階段：升速階段、等速階段、降速階段。

1) 升速階段

干燥初期，介質傳給濕坯的熱量大于表面水分蒸發消耗的熱量，表面溫度隨之升高，蒸發的水分也隨之增多。當介質傳給坯體的熱量等于水分蒸發的熱量時，兩者達到動態平衡，表面溫度不再升高，并等于濕球溫度。此階段時間相對較短，排出水量不多，坯體體積基本沒有變化，升溫速度可加快。

2) 等速階段

坯體水分內擴散速率等于外擴散速率，濕坯水分較高，內擴散較容易，因此該過程干燥速率主要由外擴散決定。干燥介質的參數(溫度、濕度、流速)以及介質與濕坯的接觸情況對干燥速率起決定作用。此階段若操作不當，坯體易開裂變形，產生廢品。

3) 降速階段

此階段內擴散速率小于外擴散速率，濕坯水分減少，內部水分的遷移趕不上外部水分的蒸發，因此該過程主要由內擴散決定。降速階段排出的水分為大氣吸附水，坯體不產生收縮或略有收縮。

2　設計思路及工作原理

2.1設計思路

針對衛生陶瓷坯體單件尺寸較大、結構復雜、含水率高、棱角多的特點，有以下設想：

1) 起始階段(升速階段)，設計為低溫、高濕、低風速的干燥介質對陶瓷坯體預熱；此階段主要預熱濕坯，表面與內部受熱均勻的目的；

2) 等速階段，設計為中溫、中濕、中風速的干燥介質，并保持一段時間，使坯體收縮均勻；此階段有大量自由水排出，伴隨著體積收縮，收縮量約等于排出水量，必須嚴格控制介質參數，避免造成收縮不均勻；

3) 降速階段，設計為高溫、低濕、高風速的介質進行快速干燥；此階段坯體基本不產生收縮，可以加快干燥縮短周期；

4) 送風方式設計為三維立體式動態變頻送風，風速高，送風均勻；

5) 研究對象為衛生瓷坯體，已無法改變結構復雜、含水率高、坯體較厚的現狀，為了提高干燥速率，變傳統的單面干燥為多面干燥；

6) 采用智能傳感技術，對干燥環境進行實時數據的在線采集、監測、反饋；

7) 采用智能控制技術，對反饋結果進行操作，精準控制干燥介質參數。

2.2工作原理

本設備采用低溫高濕、高溫低濕的工作原理，干燥腔體必須設計為相對密閉而且能夠保溫保濕的空間。熱源采用蒸汽或者天然氣，經換(加)熱裝置產生所需熱量，由循環風機送入干燥器內各動態系統處，對產品進行干燥。熱風系統管道形成閉路循環，將干燥器內部抽出的冷風加熱，與少量的新鮮空氣混合后，再次送回殼體內部，在此過程中排除等量的廢氣。其工作原理見圖1。

圖1　工作原理圖

3　關鍵系統設計

3.1干燥器尺寸及選材

式中：V——干燥室容積，m3；

G——生產任務，kg/h，kg數為絕干坯體的質量；

t——干燥時間，h；

K——干燥合格率；

g——裝載密度，kg/ m3。

此公式計算出的容積為有效干燥空間，動態送風錐與送熱風管道處于干燥室內部，必須再計算數據的基礎上加上送風錐與內部管道所占區域體積，方為需設計的容積。確定干燥室寬度與高度時，必須考慮窯車運輸空間，使其有足夠的空間自由出入。

選用密度≥120 kg/ m3，導熱系數≤0.036 w/m的高效巖棉保溫板，作為墻板與頂板，配合特殊設計的鋼結構骨架組成密閉空間。

3.2三維立體式動態送風系統設計

圖2　三維立體式動態送風系統設計

3.3智能傳感系統設計

如圖3所示，溫濕度計實時在線采集坯體干燥過程表面溫濕度，將結果信號反饋給PLC，PLC根據已編程序、設定曲線，分析判斷當時的溫濕度，把具體的操作指令傳給執行器，執行器通過調整蒸汽調節閥(燃燒機)、加濕噴嘴、進風量、排風量，根據具體的情況變化一個或者多個值。

圖3　智能傳感系統設計

3.4智能控制系統設計

控制部件選用SiemensS7-300型 PLC，配備WinCC監控軟件，現場數據采用分站采集并集中處理的方式。實現從裝窯完畢到出窯整個過程的全自動運行，通過傳感系統的實時監測，完成干燥過程的精準控制，數據的統計處理，全部依靠計算機完成。避免了人為因素的不利影響，溫濕度變化反應及時，產品熱交換與排潮過程配合合理。

4　結語

我國是陶瓷生產大國，而陶瓷生產屬于能耗較高，具有一定污染，作業環境較差，人力投入較大的行業。根據我國“十三五”規劃，陶瓷行業今后5年的工作重點，將向高效、節能、環保、高端智能化方向發展。因此衛生陶瓷坯體新型智能化干燥技術與裝備的開發成功，順應政策與行業發展的潮流，市場前景十分看好。該項技術與裝備，還可以推廣應用到電瓷、蜂窩陶瓷、墻體材料、石英坩堝、木材等行業。

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1002-2872(2016)02-0030-04

*惠濤(1985-)，本科，工程師；主要從事陶瓷干燥設備的研究與設計工作。