遠(yuǎn)紅外干燥和微波干燥在陶瓷烘干技術(shù)的分析

遠(yuǎn)紅外干燥和微波干燥在陶瓷烘干技術(shù)的分析

遠(yuǎn)紅外輻射和微波都屬于電磁波。紅外線是自然界普遍存在的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式之一，其熱效應(yīng)很強(qiáng)，實(shí)際上是一種輻射熱，系因?yàn)榻M成物質(zhì)的分子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的化學(xué)鍵的振動(dòng)（包括化學(xué)鍵的彎曲 振動(dòng)和伸縮振動(dòng)）而產(chǎn)生的能量移動(dòng)。由于這種轉(zhuǎn)移的原因是化學(xué)鍵的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的能量躍遷，也就是分子中組成化學(xué)鍵的原子（也稱鍵合原子）的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的能量躍遷所產(chǎn)生的，所以稱為紅外吸收。

躍遷的含義：組成物質(zhì)的分子和組成分子的原子、電子都是不斷運(yùn)動(dòng)的，存在各種不同能量值的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也就是說各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)各有一定的能級(jí)，有電子能級(jí)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)、原子核自旋能級(jí)等。紅外線的能量子即相當(dāng)于鍵合原子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。

微波是波長(zhǎng)遠(yuǎn)比紅外線更大的電磁波，因此它的能量子在數(shù)值上遠(yuǎn)比紅外線小，物質(zhì)吸收微波后，只能引起分子的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，而不是像紅外線那樣引起鍵合原子 的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，更不像紫外線和可見光那樣引起電子能級(jí)的躍遷。

因此利用微波加熱，就是指被加熱的物體吸收微波能量后并使之轉(zhuǎn)化成熱能的過程。微波的能級(jí)也 是量子化的，也就是說，不同的分子所能吸收的微波的波長(zhǎng)或頻率是一定的。例如水分子（H2O）只能吸收2450MHZ的微波，所以只要是含水的物質(zhì)，水分子便產(chǎn)生振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的運(yùn)動(dòng)，使周圍的其他分子快速摩擦，從而使被加熱物體的溫度迅速升高全面發(fā)熱，達(dá)到成熟的目的。

遠(yuǎn)紅外與微波加熱的區(qū)別：

1、遠(yuǎn)紅外和微波技術(shù)都是以電磁波直接照射的餓輻射傳熱方式，其中遠(yuǎn)紅外加熱伴隨著熱空氣對(duì)流，而微波是單純的輻射。

2、兩者的產(chǎn)熱機(jī)理不同，遠(yuǎn)紅外加熱中的熱量有射線本身所攜帶；而微波加熱則是因分子吸收微波與其他分子摩擦而產(chǎn)生熱量。

紅外線干燥在陶瓷中的研究

采用紅外線照射到坯體的表面上，坯體由于吸收這些光線的輻射而發(fā)熱來進(jìn)行干燥。因此，該方法僅對(duì)紅外線敏感的物質(zhì)在其強(qiáng)烈吸收的波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)有效。分子吸收紅外線的程度與該原子振動(dòng)所產(chǎn)生的偶極矩變化的平方成正比。

水對(duì)紅外線的吸收特性參見下圖。lμm以上的紅外線，特別是2.5μm以上的紅外線幾乎完全被水所吸收，而不能被氧、氮等空氣主要成分所吸收。干燥過程中濕坯體中水分子大量吸收輻射能，輻射與干燥幾乎同時(shí)發(fā)生，干燥均勻、迅速、節(jié)能。列別捷夫研究表明，在濕空氣中，紅外輻射干燥方法對(duì)于那些在干燥時(shí)容易變形和開裂的難干燥材料是很適宜的。

輻射干燥時(shí)傳熱不受坯體表面的氣膜阻力的影響，其傳熱速率比對(duì)流傳熱速率可提高幾倍，因此，輻射時(shí)坯體表面加熱很快，其干燥時(shí)間也大為縮短。由于紅外線具有一定的穿透能力，因些對(duì)于薄的日用瓷來說是特別適宜的。

日用瓷坯僅需幾分鐘到十幾分鐘就可完成脫模到上釉的坯體干燥。有時(shí)為了提高坯體的吸收能力，也可以在坯體中加人一些深色的有機(jī)色劑在輻射干燥中，有時(shí)為了提高熱效率，節(jié)約能量，可以采用間歇輻射，即輻射一段時(shí)間后，停止照射段時(shí)間。

由于空氣不吸收輻射能，空氣的溫度總是低于坯體表面的溫度。在停止照射一段時(shí)間由于坯體表面有熱量傳給空氣，另一方面表面有水分汽化，表面進(jìn)行冷卻，因此，其溫度低于內(nèi)部溫度，使溫度梯度與水分濃度梯度的方向相同，干燥速度增大。實(shí)踐主明采用這種方法，干燥時(shí)間雖比連續(xù)輻射干燥法長(zhǎng)20%～30%，但能量消耗可減少一半。

輻射干燥器不需要特殊的結(jié)構(gòu)，可采用輸送帶式（類似鏈?zhǔn)礁稍锲鳎膳c成型及精修設(shè)備聯(lián)成一體，可以不采用絕熱措施，干燥時(shí)間短，干燥效率高，便于連續(xù)自動(dòng)化。

從下圖可以發(fā)現(xiàn)，水分子在遠(yuǎn)紅外線區(qū)域（波長(zhǎng)在2～15μm直至50μm）有很寬的吸收帶，能強(qiáng)烈地吸收遠(yuǎn)紅外線，容易發(fā)熱。因此，陶瓷坯體的干燥采用波長(zhǎng)在2μm以上的遠(yuǎn)紅外線干燥是極為有效的。

遠(yuǎn)紅線干燥對(duì)于壁薄體小的日用陶瓷來說是很適合的，它具有下述優(yōu)點(diǎn)。

①干燥速度快、生產(chǎn)效率高。就干燥時(shí)間而言，遠(yuǎn)紅外干燥比近紅外干燥短，一般為近紅外干燥時(shí)的1/2熱風(fēng)干燥時(shí)的1/10。

②節(jié)約能量消耗。采用電力為熱源的遠(yuǎn)紅外干燥的耗電僅為近紅外干燥時(shí)的一半左右，若與熱風(fēng)干燥相比較，效果更加明顯。

③設(shè)備規(guī)模小，建設(shè)費(fèi)用低。由于快速、高效率干燥，可減小設(shè)備的尺寸，而且裝置較簡(jiǎn)單（與介電干燥相比）。在某些自動(dòng)生產(chǎn)線上可部分地采用遠(yuǎn)紅外線輻射干燥。

④由于遠(yuǎn)紅外線具有一定的穿透能力，被干燥坯體的表面及內(nèi)部均能同時(shí)吸收遠(yuǎn)紅外線

輻射，因而加熱均勻，不易產(chǎn)生廢品。

微波干燥在陶瓷中的應(yīng)用

微波干燥利用介質(zhì)損耗原理，通過空間或媒質(zhì)以電磁波的形式來傳遞能量，將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。這種加熱過程與物質(zhì)內(nèi)部分子的極化有著密切的關(guān)系，水分子是極性分子，當(dāng)它處于電磁場(chǎng)中時(shí)，水分子將有序地排列成與電場(chǎng)一致的方向，如果外加電場(chǎng)不斷變換方向，水分子也將隨之不斷改變其排列方向而產(chǎn)生類似于摩擦生熱的效應(yīng)。

微波加熱就是利用這一效應(yīng)使微波能轉(zhuǎn)化成為熱能，達(dá)到加熱脫水干燥的目的。常規(guī)干燥過程一般從物料表面開始，依賴于傳導(dǎo)、對(duì)流與輻射方式，把熱量從外部逐漸傳至內(nèi)部，是一種面加熱過程，使用微波干燥坯體內(nèi)部和表面同時(shí)吸收微波能，是一種體加熱過程。

Tings等于1968年最早將微波技術(shù)引入陶瓷領(lǐng)域。在20世紀(jì)70年代，Sutton'將其用于A12 O3澆注料的干燥和燒成。Suhm對(duì)微波干燥陶瓷等材料進(jìn)行了研究，他得出了確定微波干燥所需功率的一條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：只要坯體開始的水分含量充分，微波輸入功率每增加1kW可在1H內(nèi)多蒸發(fā)掉lkg的水分。

微波干燥的主要特點(diǎn)：

1）干燥快速均勻  微波的頻率較高，其穿透深度大于紅外線輻射，能夠深入到坯體內(nèi)

部，被水分子或者其他物質(zhì)吸收而就地轉(zhuǎn)變成熱能，不管坯體形狀如何復(fù)雜，加熱也是均勻

快速的，這使得坯體脫水快，脫模均勻，變形小，不易產(chǎn)生裂紋。

另一方面，在干燥時(shí)。水分子從表面蒸發(fā)消耗能量，致使坯體表面溫度略低于內(nèi)部溫度（蒸發(fā)冷卻的緣故），坯體內(nèi)部因吸收微波而產(chǎn)生熱量，以至于內(nèi)部蒸汽迅速產(chǎn)生，形成壓力梯度，這樣熱傳遞與濕傳遞方向一致，有利于內(nèi)擴(kuò)散，加快了干燥速度。

微波干燥與對(duì)流干燥相比，可提高干燥速度，縮短干燥時(shí)間2～2.5倍。另外，微波干燥是由內(nèi)向外，就坯體整體而言，內(nèi)層首先被干燥，這樣就不會(huì)在表層形成硬殼，阻礙內(nèi)部水分外移。

2）具有選擇性在一定頻率的微波場(chǎng)中，只有吸收微波的物質(zhì)才能被微波加熱，水由于

其介質(zhì)損耗比其他物質(zhì)大，故水分吸熱量大，內(nèi)部水分可以很快地被加熱并直接蒸發(fā)出來，這樣，陶瓷坯體可以在很短的時(shí)間內(nèi)被加熱而脫模。對(duì)于那些不宜過熱的物料來說，采用微波干燥更具有優(yōu)越性。只要控制適當(dāng)整個(gè)坯體不會(huì)過熱。

3）熱效率高，節(jié)能  熱量在周圍介質(zhì)中的損失極少，加上微波加熱腔本身不吸收微波，全部用于坯體，微波能幾乎完全被坯體中的水吸收，熱量散失很少，熱效率高，這樣就能節(jié)約能量。

4）反應(yīng)靈敏，易控制通過調(diào)整微波的輸出功率，可以瞬時(shí)改變加熱情況，這樣易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制微波干燥加熱無惰性，停止微波傳輸，加熱立即停止。

5）干燥制品質(zhì)量高由于微波加熱內(nèi)、外均勻，這樣可以避免產(chǎn)品因局部過熱而損壞。同時(shí)，由于微波對(duì)水的選擇性加熱可以使干燥在較低溫度下進(jìn)行，這也能避免制品過熱。由于微波的這些特點(diǎn)，微波干燥陶瓷得到了較為廣泛的研究，涉及日用陶瓷、電瓷、多孔陶瓷、保溫材料等材料的干燥。

湖南某集團(tuán)公司，設(shè)計(jì)了一條日用陶瓷微波快速干燥成型生產(chǎn)線，用于實(shí)際生產(chǎn)，實(shí)踐證明，與傳統(tǒng)鏈?zhǔn)礁稍锞€相比，成坯率提高10%以上，脫模時(shí)間從35～45min縮短到5～8min，使用模具數(shù)量由400～500件下降至100～120件，節(jié)約了大量石膏模具。對(duì)于10.5in（1in=2.54cm）平盤總干燥成本可下降350元/萬件。

采用微波干燥技術(shù)，對(duì)復(fù)雜形狀的電瓷進(jìn)行干燥，與常規(guī)蒸汽干燥方法相比較，可提高生產(chǎn)率24～30倍，提高成品率15%～35%，相同產(chǎn)量占地面積僅是原工藝的1/20左右，可大幅度提高經(jīng)濟(jì)效益。這也對(duì)建筑衛(wèi)生陶瓷、墻地磚等一些異型產(chǎn)品的干燥。

多孔陶瓷成型時(shí)含水分較多，孔隙多，且坯體內(nèi)孔壁薄，用傳統(tǒng)的方法因加熱不均勻，極難干燥，而且多孔材料導(dǎo)熱性差，若干燥過程控制不好，容易變形，影響孔隙率及比表面積。微波干燥多孔陶瓷，能夠很容易地把坯體的水分從18～25%降低至3%以下，縮短了干燥時(shí)間，并且提高了成品率。

唐竹新實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，蜂窩陶瓷坯體在干燥過程中，有機(jī)黏合劑在微波作用下凝固、收縮，并且在蜂窩陶瓷體內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使蜂窩陶瓷坯體內(nèi)部存在的應(yīng)力和缺陷得到分散和固定，而且蜂窩陶瓷坯體自身吸收微波能產(chǎn)生熱量，能夠快速穩(wěn)定干燥。

俞康泰等研究表明，微波干燥能均勻、快速、穩(wěn)定地干燥衛(wèi)生陶瓷，干燥時(shí)間比常規(guī)法縮短7倍多，微波干燥洗面具時(shí)，80%的水分在加熱階段被排除，而且含水率較高的棱狀部位在干燥過程中優(yōu)先被干燥。

李玉書采用塑性的膠質(zhì)黏土和可塑性較差的砂質(zhì)黏土為原料，進(jìn)行了微波干燥實(shí)驗(yàn)研究。為了防止坯體中機(jī)械水的沸騰，試樣表面的溫度控制在60～70℃范圍內(nèi)，微波功率設(shè)定2.5kW每10min間歇地加熱一次，每次加熱時(shí)間為5～10s（實(shí)驗(yàn)確定的最佳范圍）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微波干燥方法可以安全地干燥性質(zhì)相異的膠質(zhì)黏土試樣和砂質(zhì)黏土試樣。微波干燥與對(duì)流干燥對(duì)陶瓷性質(zhì)的影響參見表。

                               干燥方法對(duì)陶瓷性質(zhì)的影響

陶瓷坯體使用微波干燥時(shí)應(yīng)該注意的幾個(gè)技術(shù)問題。

物料溫度的設(shè)定。物料的介電常數(shù)和損耗因子與溫度有關(guān)，在50～100度之間它們處于上升趨勢(shì)，所以采用微波干燥物料溫度廟宇為50～100度之間是極有利的，但對(duì)于陶瓷坯體的干燥來說，為了防止坯體在干燥時(shí)水分 產(chǎn)生的蒸汽壓過高而造成坯體炸裂，坯體溫度應(yīng)控制在70度以下。

微波在干燥適用的坯體含水率范圍，坯體的含水率高（70%~90%），對(duì)微波源來說是重載，既不能體現(xiàn)微波的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，有可能導(dǎo)致微波功率源因重載而嚴(yán)重失配。

實(shí)踐證明，微波對(duì)含水25%左右的物料干燥，效率最高，經(jīng)濟(jì)效益最好。坯體的含水率介于5%時(shí)用于傳統(tǒng)干燥方式比較經(jīng)濟(jì)。所以對(duì)含水率高于5%的物料應(yīng)該采用微波干燥。對(duì)于坯體較大，含水率較低（小于5%）的坯體，如果采用傳統(tǒng)干燥方式一方面能量利用率低。另一方面可能會(huì)導(dǎo)致坯體過熱而破裂，此時(shí)采用微波干燥則能達(dá)到極佳的效果，最能體現(xiàn)微波的穿透深度大和均勻加熱的特點(diǎn)。