第23章陶瓷干燥-李占勇.docVIP

第23章 陶瓷干燥 李占勇 1 概述 陶瓷材料及其制品一般总称为陶瓷，它与人类的生活和生产有着密切的联系，已有数千年的历史。除日用陶瓷外，陶瓷在其他行业的需要量也日益增大，比如建筑工业中的砖、瓦、管道以及卫生洁具等，电力、电子工业中的陶瓷绝缘材料，化学工业中的耐腐蚀陶瓷设备，冶金工业中的耐火材料，等。现代科学技术的飞速发展，对材料的物理、化学性质的要求更高，作为具有优良性能的特种陶瓷也得到发展和应用。 目前对于陶瓷的研究开发主要着眼于材料科学上，关于制造过程的研究往往很少，依靠实践经验的多，而且这些经验作为企业的秘密而不公开。干燥作为陶瓷制造中的一个重要操作过程，能耗大（约占工厂总能好的1/3），热量利用效率低，直接影响制品的质量（干燥过程中出现的废品率通常达5%以上）[1]。所以，陶瓷干燥的问题正在逐步得到重视。 2 干燥在陶瓷生产中的作用 工业上，陶瓷的生产有不同的工艺，坯料与坯体的干燥是陶瓷工业中重要的工艺过程之一（参见图23-1和图23-2）。在坯料（砂石、粘土）及釉料的制备过程中，一般需要对泥浆进行压滤脱水或喷雾干燥，使其达到一定的含水率。一般地，注浆成形法，坯料含水率为28%～38%；可塑成形法，坯料含水率为19%～25%；压制成形法，坯料含水率为3%～7%[2]（表23-1）。 坯体中含有一定量的水分，其强度较低，在运输和再加工（如粘接、修坯）过程中，很容易变形或因强度不高而破损，因而为了提高成形后坯体的强度，要进行干燥。通过干燥处理，坯体失去可塑性，具有一定的弹性与强度（如图23-3所示）。另一方面，坯体中含水率高，其吸附釉浆的能力差，所以为了提高坯体吸附釉层能力，其含水率应达到一定的程度（比如对于日用陶瓷，施釉时坯体需要干燥至含水率2%～4%）[3]。此外，经干燥除去坯体中绝大多数的自由水之后，坯体很少发生收缩，从而使坯体在烧成阶段可以快速升温，而不发生制品变形或开裂，既保证了烧成质量又可以缩短烧成周期，最终提高窑炉利用率，降低能耗。通常坯体入窑前的含水率应干燥至2%以下[1]。但过分干燥，也是不必要的，因为当坯体放置在大气中时，会再吸附水分而膨胀，也可能发生开裂。不过，日用陶瓷坯体的干燥是与整个成形过程相联的，应根据各工序操作的工艺需求来确定排除多少水分。例如，许多陶瓷制品在成形后要进行湿修、镶接或干修，它们都有自己合适的坯体含水量，因此，成形后的坯体的水分不能一次干燥到1%～3%，而要根据成形中各加工工序的要求，分阶段地进行干燥，最后干燥到适合进窑的最终含水率。 3 陶瓷干燥机理 3.1 坯体中水分的类型 按照坯体颗粒与水分的结合特性，坯体中的水基本上可以分为三类：自由水、吸附水和化学结合水。 3.1.1自由水 它是为了使泥料易于成形而加入的水分，分布在固体颗粒之间，是物料直接与水接触而吸收的水分。自由水一般在坯体中存在于直径＞l0-7m的大毛细管中。自由水与物料结合松弛，容易排除。陶瓷干燥工艺主要是除去自由水，而在其被除去过程中体积会发生收缩，若收缩不匀很易产生干燥缺陷，因此在干燥时要特别注意这一阶段。 3.1.2吸附水 粘土表面的原子有剩余的键(即不饱和键)，水分子在粘土胶体粒子周围受到分子引力(范德华力)的作用，从而出现润湿表面的吸附水层（图23-4）。吸附水处于分子力场所控制的范围内，因而它的物理性质与普通水不一样，它的密度大、冰点下降。但不是所有吸附水的性质都相同，离粘土胶粒最近的单分子层的水分结合得最牢固，多分子层中的水分结合得较弱。吸附水的数量随外界环境的温度和相对湿度的变化而发生变化。在相同的大气条件下，坯体所吸附的水量随所含粘土的数量和种类的不同也不相同，而一些非粘土类原料的颗粒虽也具有一定的吸附水的能力，但其吸附力弱得多，容易被排除。 干物料在吸收吸附水时呈放热效应，据此现象可以测定不同物质的吸附水的数量。 3.1.3化学结合水 这种水分是指包含在原料矿物分子结构内的水分，如结晶水、结构水等。例如高岭土中有两个分子的结构水(Al2O3·2SiO2·2H2O)。这种水的结合形式最牢固，排出时必须要有较高的能量，如高岭土的结构水，要在450～650℃下才能被除去。 根据水分的结合形式，又可以对材料进行分类。当水在材料中基本上是出于毛细管力结合的时候，那么该物料就称为毛细管多孔型材料，如砂子和某些建筑材料。这种材料脱水时体积发生变化。当水和材料的结合以渗透和结构结合占优势时，这类材料称为胶体，在吸湿时其体积会显著增大，在脱水时收缩。如果材料中渗透结合和毛细管力作用都相当强时，那就称为毛细管胶体，属于这种类型的有粘土、某些陶瓷坯体等，这些物体在吸湿和干燥时，都发生体积变化。 3.2 干燥过程 3.2.1 水分扩散