微波干燥在陶瓷行業(yè)的應用

肖建平 吳長發(fā) 范偉峰

(佛山歐神諾陶瓷有限公司 廣東 佛山 528138)

微波是頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長1 mm～100 cm的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般無線電頻率高，也稱為超高頻電磁波。其波段位于電磁波譜的紅外輻射和無線電波之間。微波加熱是利用在微波電磁場中材料的介質損耗使其整體升溫至一定溫度的快速加熱新技術，是微波技術與材料科學以及工程學科交叉結合而產(chǎn)生的一門新學科[1]。微波干燥起源于20世紀40年代。目前，微波加熱已廣泛應用于干燥或加熱食品、木材、橡膠、皮革、紙張、煙草等領域[2～4]。陶瓷行業(yè)涉及的加熱干燥環(huán)節(jié)多，干燥能耗在整個工藝總能耗中占據(jù)較大的比重。因此，微波干燥在陶瓷領域有較為廣泛的應用。

1 微波干燥的原理及特點

微波干燥利用的是介質損耗原理，由于水是強吸收微波的物質，因而水的損耗因素比干物質大得多，可以大量吸收微波能并轉化為熱能。物料中的水分子是極性分子，在微波的作用下，其極性取向隨著外加電場的變化而變化。微波場以每秒幾億次的高速，且周期地改變外加電場的方向，使極性的水分子急劇擺動碰撞產(chǎn)生顯著的熱效應。微波干燥的特點可歸納為以下四點[5～6]：

1)加熱快速、均勻。與普通加熱方法相比，由于微波對吸收介質有較強的熱量穿透能力，不必從表面?zhèn)鬟f到物料內部而是直接將能量作用于整個物料，在物料內部瞬時轉化為熱量，大大縮短了加熱時間。

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。

3)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，既可以提高熱利用率，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，微波具有加熱效率高，且起到節(jié)約能源的作用。

4)反應靈敏，易控制產(chǎn)品質量。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溫度，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，有利于坯體的均勻加熱，從而提高了產(chǎn)品的合格率。能量輸出大小可以通過電源開關的控制來實現(xiàn)，可提高產(chǎn)品質量。

2 微波干燥設備簡介

微波干燥器主要由微波發(fā)生器、連接導管和微波加熱器等部分組成。在微波管上加上高壓直流電壓，微波管將電能轉換成微波能，微波能以微波的形式通過波導管傳遞至微波加熱器加熱陶瓷坯體。通常在微波發(fā)生器上安裝冷卻系統(tǒng)，用于對微波管的腔體及陰極部分進行冷卻。

圖1 微波干燥器結構示意圖

微波發(fā)生器有許多種，但主要可以分為兩種[7]：電真空器件和半導體器件。其中電真空器件是利用電子在真空中的運動來實現(xiàn)能量轉變的器件，在電真空器件中能產(chǎn)生大功率的有磁控管、多腔速調管、微波三、四級管、正交場器件及行波管等。半導體器件在獲得微波大功率方面與電真空器件相比至少相差三個數(shù)量級，所以目前使用最多的是磁控管和速調管。微波加熱器主要有：駐波場諧振腔加熱器、行波場波導加熱器、輻射型微波加熱器和慢波型微波加熱器。各種加熱器具有不同的特點，對于加熱器的選擇主要應考慮以下兩方面：即頻率的選擇和加熱器型式的選擇。

3 微波干燥在陶瓷中應用

3.1 建筑陶瓷

建筑陶瓷生坯干燥是陶瓷生產(chǎn)工藝中非常重要的工序之一，其不但關系到陶瓷磚的產(chǎn)品質量及成品率，而且影響陶瓷企業(yè)的整體能耗和生產(chǎn)成本。據(jù)統(tǒng)計，干燥過程中的能耗占總燃料消耗的15%，而在陶瓷行業(yè)中，用于干燥的能耗占燃料總消耗的比例遠不止此，因此干燥過程的節(jié)能是關系到企業(yè)生存的大事。朱慶霞等[8]采用普通熱風遠紅外和微波干燥方式對陶瓷坯體的干燥過程進行實驗研究，研究不同干燥方法對磚坯干燥速度、坯體內外溫差的影響，結果表明，熱空氣干燥主要靠水分濃度差實現(xiàn)，內外溫差較大；遠紅外線干燥的坯體內外溫度均勻，恒速階段的干燥速度是熱風干燥恒速階段速度的1.2倍；微波干燥主要靠溫度差實現(xiàn)水分擴散，最大干燥速度可達4.26%/min干基，約為熱風干燥速度的12倍。將含水量為22%的陶瓷坯體干燥至恒重，普通電熱干燥的運行成本最高，約為遠紅外干燥的1.5倍和微波干燥的4.2倍(見表1)。同時，分析了遠紅外干燥和微波干燥在陶瓷工業(yè)應用的可行性，并指出了需要解決的技術難題。

表1 不同干燥方式的比較

黃岷[9]研究了濕法成形薄型陶瓷磚的微波干燥。結果表明，濕法成形薄型陶瓷磚由于其具有含水率高、強度低、干燥敏感性強、干燥收縮大等特點，其干燥難度要遠遠大于普通半干法陶瓷磚。因此采用微波干燥、少空氣干燥技術有利于坯體受熱均勻，選擇水分傳遞合理的干燥方式及合適的坯體運輸方式，可以有效地防止干燥缺陷的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的干燥質量。

閻蛇民等[10]研究了微波干燥超薄磚開裂及變形原因，結果表明，只有選用合理配方，優(yōu)化微波干燥工藝參數(shù)才能解決其在干燥過程中的開裂和變形問題，才能真正為超薄磚的生產(chǎn)服務。根據(jù)超薄瓷質磚樣品在間隙式微波設備中的實驗數(shù)據(jù)及干燥后的結果，認為在烘干過程中應注意以下幾點：需微波干燥的陶瓷坯體底部必須有相應大小、帶孔且平整的托盤；對形狀復雜或幅面大的陶瓷坯體應在微波強度設置時遵循由弱到強的原則；當單件產(chǎn)品長度大于1 m時，在微波干燥過程中的陶瓷坯體前后兩端濕度相差較大，建議在隧道式微波干燥設備運行空間中的合適部位放置調節(jié)濕度的物體；微波干燥在超薄瓷質磚初期快速脫水及坯體定型方面起到關鍵性作用。后期干燥建議結合傳統(tǒng)干燥方式，使超薄瓷磚干燥工藝更加合理，熱能利用更科學。

閻蛇民等[11]研究分析了超薄陶瓷磚濕坯含水率隨微波作用時間的變化規(guī)律，并繪制出濕法超薄陶瓷磚的微波干燥曲線，研究了不同工藝條件對坯體干燥曲線的影響。結果發(fā)現(xiàn)，薄型陶瓷磚微波干燥可分為3個階段，初始階段水分變化不大，只是坯體溫度上升迅速，這一階段可選用較大的微波功率；微波輸出功率越大，脫水速率越快，干燥時間越短，但成品率極低；最佳工藝參數(shù)為1～2 min時選用較高的輸出功率，隨著干燥時間的繼續(xù)延長，后期應選用低輸出功率為宜。

此外，目前也有建筑陶瓷企業(yè)將微波干燥窯安裝在大膠水墨量的噴墨打印設備后端，主要實現(xiàn)大墨量膠水干粒工藝的快速干燥，效果較好。

3.2 日用陶瓷

針對日用陶瓷較適用于一次脫模干燥。根據(jù)微波加熱的特性，在水分含量高時，水分吸熱相對較大，坯體脫水速度快，微波利用率高；當水分降低時，特別是低于5%以下，水分吸熱量不會象初始那樣大。相反，陶瓷坯體和石膏模具吸熱量相對增加，微波利用率大幅度降低。因此，微波干燥對于含水率在10%以上坯體的干燥脫模較經(jīng)濟。其次，電壓要平穩(wěn)，電壓不穩(wěn)，電磁能時大時小，造成微波輸出功率不穩(wěn)定，坯體受熱不均勻，容易產(chǎn)生裂紋。微波加熱時，不能空載運行，同時不能混入金屬物質，否則容易造成設備損壞。

鄒長元等[12]研究了微波快速干燥對平盤、厚胎浮雕盤產(chǎn)品。從整個生產(chǎn)過程來看，通過控制微波功率及傳輸速度、合理安排脫模時間，脫模效果良好。與傳統(tǒng)鏈式干燥線相比，成坯率提高10%以上，脫模時間從35～45 min縮短到5～8 min，使用模具數(shù)量由400～500件下降至100～120件。微波干燥效率是鏈式干燥效率的6.5倍，一次干燥成本齊平，對于短線產(chǎn)品，可以大量節(jié)約石膏模具，而且脫模良好，各項指標均達到日用陶瓷生產(chǎn)的要求(見表2和表3)。微波干燥線所占地面積小，無污染，是比較理想的日用陶瓷成形輔助干燥生產(chǎn)設備。

表2 微波干燥不同形狀產(chǎn)品的參數(shù)

表3 傳統(tǒng)鏈式干燥與微波干燥方式的比較

3.3 衛(wèi)生陶瓷

由于石膏模具有原材料來源廣泛、成本低廉、吸水性能好、尺寸穩(wěn)定、不易污染環(huán)境等優(yōu)點，一直被衛(wèi)生陶瓷行業(yè)廣泛應用。傳統(tǒng)衛(wèi)生陶瓷石膏模具的干燥是將熱干燥空氣送入干燥室，使其吸收被干燥物料的熱濕氣后，直接排入大氣。由于排放的熱濕空氣中含有大量的顯熱及潛熱，因此，傳統(tǒng)干燥設備的能量利用效率一般都很低，最高只有35%左右。采用微波干燥石膏模具，是一項新的干燥技術。它具有高效、快速的特點，同時它對石膏模具本身沒有任何副作用。使用微波干燥，能充分發(fā)揮微波快速加熱的特點，使制品干燥周期縮短，極大的提高了生產(chǎn)效率。同時，由于微波穿透力強，因此模型內部排除水效果更好。

石膏模具在成形后，一般含水率為65%～70%，但由于其器型復雜，壁厚較厚等原因，傳統(tǒng)的熱風干燥方法存在著干燥周期長、模具內外干燥程度不一致的問題。杜偉建等[13]分別采用微波干燥法與傳統(tǒng)烘箱加熱法進行衛(wèi)生陶瓷石膏模具干燥實驗。通過測試含水率來比較兩種方法的干燥效率，觀察并記錄了石膏模型的形貌變化情況。實驗結果表明，在一定條件下，測定石膏模型含水率，微波干燥法具有加熱均勻、加熱速度快、能耗低等特點。由于陶瓷衛(wèi)浴的石膏模具等產(chǎn)品器型復雜、坯體厚薄不一致，因此傳統(tǒng)的干燥方式干燥效果較差。而采用微波干燥，測試結果顯示，模型制品可以達到規(guī)范要求，并能提高生產(chǎn)效率，節(jié)省作業(yè)場地，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

同時，石膏模具持續(xù)使用微波烘干會出現(xiàn)局部溫度升高過高的問題，極易造成石膏內部結晶水析出，影響模具的強度。在設計干燥實驗的過程中，結合生產(chǎn)實際制定了微波作為初期快速去除模具內部水分，后期采用熱風二次干燥的工藝路線。有針對性的選擇了幾種型號不同的石膏模具，對其進行測試，同時也與單純微波烘干方式進行了對比。結果表明，微波加熱的干燥模式較傳統(tǒng)的熱風干燥模式的模型，干燥能耗可降低30%以上，干燥效率是傳統(tǒng)熱風干燥的2倍左右。而且由于初期采用微波干燥制品內部水分可有效排出，因此石膏模型干燥內外一致性較好，且石膏模具制品的壽命得到了提升，模具的消耗量也會大幅減少，同時還降低了生產(chǎn)線更換模具的頻率。

3.4 蜂窩陶瓷

蜂窩陶瓷作為一種功能性多孔材料，具有幾何表面積大、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，煙道氣凈化蓄熱體以及紅外輻射燃燒板等方面的應用。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。如果干燥過程控制不好，易導致變形和影響孔隙率比表面積。

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10%～15%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，其內部顆粒主要是片狀的粘土顆粒呈定向排列。一般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。孫千等[14]研究了微波干燥工藝在蜂窩陶瓷上應用，結果表明，微波干燥能降低成形后蜂窩陶瓷坯體約10%的水分，設備越新干燥效率越高。通過分析蜂窩陶瓷干燥的過程，提出微波干燥與對流干燥、高溫熱泵干燥相結合，可獲得最佳的干燥效果，達到高效節(jié)能的目的。

3.5 陶瓷粉體

電子陶瓷粉體材料通常為多組分配方體系，需要對原料進行濕法分散、混勻和磨細處理，并通過干燥的方式把水脫離，經(jīng)預燒工序合成主晶相材料，得到半成品。隨后在半成品中加入改性劑、助熔劑，再經(jīng)過一次濕法分散、混勻、磨細處理和干燥脫水才能得到最終成品。電子陶瓷材料在生產(chǎn)過程中需要干燥和燒結這兩項重大工序，干燥和預燒占到制造成本的90%以上，兩次干燥的成本相當于一次預燒的成本，因此，干燥占到其生產(chǎn)成本的45%以上。王孝國等[15]采用隧道式微波干燥爐對MLCC和LTCC用電子陶瓷粉體的干燥工藝進行了研究。通過多次的容器實驗，確定了用傳送帶直接載料進行微波干燥的工藝和針對不同瓷粉適宜的鋪展厚度，設計了一種可以自動上下料的裝置，節(jié)能效果顯著。結果表明：理論上每千瓦小時微波電能可使1.39 kg的水汽化，由于線路損耗及腔體效率等因素，實際效果為0.8～1.1 kg/kW·h，能效利用率為57.5%～79.1%。從表4可以看出，采用微波干燥方式，其單位能耗為0.31元/kg，不足循環(huán)烘箱單位能耗的十分之一，且微波干燥方式的產(chǎn)能是循環(huán)烘箱干燥方式的4～6倍。熱風噴霧塔雖然單位能耗較低，但物料的回收率為98%左右，而微波干燥的物料回收率可達99.5%以上。遠紅外電熱爐干燥產(chǎn)能極小，不適宜產(chǎn)業(yè)化應用。綜上所述，微波干燥方式在節(jié)能效果和工作效率方面有明顯的優(yōu)勢。

表4 微波干燥與傳統(tǒng)干燥方式能耗和產(chǎn)能比較

針對納米粉體制備過程中的團聚現(xiàn)象，田玉明等[16]研究了微波干燥和烘箱干燥兩種不同方式對共沉淀法制備的納米ZrO2粉體粒徑、團聚程度、干燥時間及燒結體密度等的影響。結果表明，采用微波干燥不僅可以大大縮短干燥時間，而且有利于減弱納米ZrO2粉體的團聚，得到粒徑小、團聚強度低和燒結活性高的納米ZrO2粉體，生坯經(jīng)過1 500 ℃燒結2 h，燒結密度可達到理論密度的97.3%(見表5)。在分析微波干燥原理的基礎上，提出了納米粉體微波干燥“爆裂”模型。由于水是一種強極性分子，在微波干燥過程中首先受熱汽化產(chǎn)生大量水蒸氣，水蒸氣受熱膨脹使ZrO2干凝膠“爆裂”成為極其微小的碎片，內部水分直接以氣體形式排除，不僅縮短了生產(chǎn)周期，也有利于減弱納米ZrO2粉體的團聚和團聚強度。

表5 微波干燥與傳統(tǒng)干燥方式能耗和產(chǎn)能比較

YAG(化學式為Y3Al5O12)單晶是一種廣泛應用的激光增益介質，但是由于生長大尺寸YAG單晶需要昂貴的設備和復雜的工藝，生產(chǎn)周期長，成本高，限制了其應用。黎鋒等[17]采用共沉淀法合成YAG前軀體，利用微波干燥前軀體，然后在不同溫度下焙燒，得到YAG納米粉體。利用XRD、TEM等測試手段對YAG納米粉體進行了研究。結果表明：微波干燥能抑制晶拉長大，有效地減輕粉體顆拉的團聚，得到分散性好、晶粒細小、分布窄的YAG超細納米粉體。

4 結語

微波干燥技術在加熱不同類型的陶瓷產(chǎn)品均表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，具有較強的實用性和應用前景，該技術的推廣應用有利于提高陶瓷產(chǎn)品的干燥效率。目前，微波干燥技術尚未在陶瓷行業(yè)大規(guī)模應用。從前期研究結果來看，針對尺寸較厚、不規(guī)整形狀、高含水率的產(chǎn)品具有更加明顯的優(yōu)勢，同時將微波干燥和常規(guī)干燥有機地結合效果更好。隨著人們對微波干燥技術認識的不斷深化，這一技術一定會逐步完善起來，最終將在陶瓷工業(yè)顯露出其獨特的優(yōu)越性。