干燥工艺原理

4．1　干燥工艺原理

物质的干燥原理是将能量传给物料，物料中的水分获得能量后，气化蒸发，由液体水变成气体离开物料，从而使物料干燥。故物料的干燥过程既有传热过程，也有水分扩散的传质过程以及水分蒸发的相变过程，而且物料本身也会因为水分的迁移、蒸发而发生各种变形、收缩、干燥理论是研究这些过程以及变形。

4．1．1　坯体中的水分

建筑陶瓷原料经过配料，球磨，喷雾干燥后，得到的粉体经过压制成形得到一定形状的坯体，坯体的含水率一般在5%～8%之间，坯体的含水可分为以下几个部分:

(1)平衡水分和自由水分。当坯体与一定温度及湿度的静止空气接触，势必释放出或吸收水分，使坯体含水率达到某一平衡数值。只要空气的状态不变，坯体中所达到的含水率就不再因接触时间增加而发生变化，此定值就得到坯体在该空气状态下的平衡水分。而达到平衡水分时湿坯体失去的水分为自由水分。换言之，坯体水分是由平衡水分和自由水分组成。在一定的空气状态下，干燥的极限就是使坯体达到平衡水分。

(2)结合水分与非结合水分。结合水分是包括在坯体微毛细管(毛细管半径r≤10^－7m)及胶体颗粒表面所含水分。这种水分与坯体分值结合力强，产生的蒸气压较同温度下水的饱和蒸气压为低(低约10%)，在干燥中较难除去。而非结合水是指坯体表面的润湿水分及大毛细管中水分(即毛细管半径大于r≥10^－7m)，这种水分与坯体的结合力较弱。非结合水分所产生的蒸气压与同温度时水分的饱和蒸气压相等，在干燥过程中较容易除去。

4．1．2　干燥过程

湿坯体在热空气中干燥时，坯体的含水率、坯体温度及干燥速率都经历了变化。图4．1是坯体在干燥过程的干燥特性曲线。

T—坯体温度曲线;X—坯体含水率曲线;V—干燥速率曲线;V_max—最大干燥速率曲线

图4．1　干燥特性曲线

1．加热阶段

图4．1中a～b段是坯体的加热段，坯体逐渐升温。在这一过程中，虽然占干燥的总时间不长，却是干燥过程最关键的一段。如果在这一阶段处理不当，很容易造成坯体表面暗裂。

当坯体与一定温度的热空气接触时，坯体表面的水分首先气化。如果此时表层得到从坯体内部的水分补充，或从外部热空气中得到水分，则坯体不会出现意外变化。但坯体在此阶段，一方面由于坯体表面温度升高，表面层的水分很快蒸发，另一方面，坯体内部尚未升温，水分扩散能力小，而且由于坯体内的负温度梯度引起的物流与浓度差引起的物流方向相反，造成从坯体内部到坯体表面的扩散水分减少，很容易引起坯体表面开裂，升温越快则开裂倾向越严重。

2．恒速阶段

恒速阶段为图4．1中的b～c。在这一阶段，坯体总体温度都已经升高且稳定，坯体内部水分扩散率提高，加上坯体内的温度梯度几乎消失。此时，水分的扩散处于最大值，坯体整个表面有充分的非结合水，表面蒸气压等于同温度下水的蒸气压。坯体表面水分气化速率(外扩散速率)与坯体内部水分向坯体表面的扩散速率(内扩散速率)平衡，坯体表面可以维持湿润状态。此时，热空气传热给坯体表面的速率等于坯体表面水分气化带走热流的速率。所以，坯体的表面温度、内部温度都维持不变，等于该空气状态下的湿球温度。

在此阶段，干燥速率主要有坯体表面气化速率所决定，在此阶段要加快干燥，必需从下面几个方面改进:

①空气流速。在绝热的条件下，干燥速率与空气流速的0．8次方成正比。

在设计干燥制度和流程时，对于恒速干燥段，要加大在此阶段空气的流速。

②空气湿度。空气湿度降低，坯体的干燥速率将增加。

③空气温度。提高空气温度有几点好处，首先能提高坯体温度，加强水分子的扩散能力。温度增加也提高了水蒸气的分压力，快速水蒸气的蒸发。但提高温度受到坯体的物理化学性质的限制。

3．降速干燥段

图4．1中的c～d成为降速干燥段。当坯体内部水分迁移到表面的速率赶不上表面水分的蒸发时坯体表面不再湿润，此时干燥速率由水分从坯体内迁移到坯体表面的速率所控制。随着干燥的进行，坯体平均含水率大大下降，湿润的表面不断减少，干燥速率不断降低。水分的气化面逐渐有表面移向内部，气化所需的热量，通过已干燥的固体表层传导到内部的气化面。汽化后的水也通过该干燥的表面进入空气中，干燥速率下降很快。最后完全受水分在物料中移动速率所控制。

建筑陶瓷坯体由于采用半干压法成形，因含水率低于临界湿度，因而，没有等速干燥阶段。在干燥过程中也不收缩。但干燥过程中仍然会发生开裂现象，这是由于在降速干燥阶段，干燥速度不合理，坯体内蒸气压太高所致。

4．1．3　干燥缺陷分析

建筑陶瓷坯体和其他陶瓷坯体一样，在干燥过程中容易出现的主要缺陷是变形和开裂。

(1)变形:坯体在干燥过程产生变形的主要原因是干燥速度控制不当，表面或一面水分排除过快，收缩较早而且较大，内部或另一面水分排除慢，收缩迟而且小，坯体内外或两面收缩不均造成应力，使坯体出现变形。其他如成形时压力不均，坯体致密度不一致，干燥垫板不平等，也可能产生变形。

通过严格控制干燥制度，使表面水分的蒸发速度与内部水分的扩散速度趋向平衡，防止内外收缩不均，对制品两面同时加热，增大水分扩散面，可克服两面干燥不均导致的变形，在其他工序也应该排除引起变形的因素。

(2)开裂:产生开裂的原因是因为干燥不均匀导致的坯体内应力超过坯体本身强度即发生开裂。除表面与内部，一面与另一面之间易于干燥不均匀外，坯体的周边因受热与传质较快，干燥比中心部分快得多，易于受张应力而发生边部开裂。建筑陶瓷坯体在干燥过程中实际的收缩甚微，导致开裂的主要原因是受热过急，水分激烈气化，坯内过大的蒸气压使坯体胀裂。

当干燥大块可塑成形的建筑陶瓷坯体时，可在边缘部分作隔湿处理，涂上油脂之类的物质，以降低边部干燥速度。坯体码放时，干燥制度应保证产生的蒸气能顺利排出，砖的背纹不应该是封闭的，而应该是敞开的，那样可以保证砖垛排气顺利。