微波干燥技术在蜂窝陶瓷生产中的应用

蜂窝陶瓷由于成形时含水分较多,孔隙多,且坯体内孔壁特别薄,用传统的方法因加热不均匀,极难干燥,加之蜂窝陶瓷导热系数差,其干燥过程要求特别严格,特别是用于环保汽车,蓄热体,红外辐射燃烧板等方面的蜂窝陶瓷,干燥过程控制不好,易变形,影响孔隙率及比表面积。

目前,蜂窝陶瓷的干燥方式有自然干燥法、远红外干燥法、蒸汽干燥法、微波干燥法等[3],其中微波干燥方法能克服厚壁蜂窝陶瓷的干燥存在表面与内部干燥速度不一样的问题,同时也解决了坯体干燥前强度不高,搬运困难,干燥后易开裂的问题。

 

 

1 微波干燥的特点

 

 

微波干燥是用微波照射湿坯体,电磁场方向和大小随时间作周期性变化使坯体内极性水分子随着交变的高频电场变化,分子产生剧烈的转动,发生摩擦转化为热能,达到坯体整体均匀升温、干燥的目的。微波照射的穿透能力比远红外线大得多,而且频度越小,微波的半功率深度越大。为此,微波干燥的特点归纳如下四点[4]:

(1)加热快速均匀

 

与普通方法相比,由于微波对吸收介质有较强的穿透能力,热量不必以热传导的形式从表面向物料内部传递,而是直接将能量作用于整个物料,在物料内部瞬时转化为热量,大大缩短了加热时间。

(2)加热的选择性

 

微波加热利用的是介质损耗原理,在加热过程中通过介质损耗将电磁能转化为热能,所以只有吸收微波的物质才能被微波加热,由于水的介质损耗很大,它吸收的微波能比其它物质大得多。

(3)热效率高,节约能源。

 

微波直接与物料相互作用,不需要加热空气、加热设备的大面积器壁及输送设备等,而且加热室为金属制造的密闭空腔,既可提高热利用率,又可以保证操作人员的安全,同时空腔反射微波,使之不向外泄露,只能为物料所吸收。

(4)反应灵敏,易控制,产品质量高

 

在微波干燥时,由于表面的对流换热,物料表面温度低于中心,在物料表面很少产生温度过热和结壳的现象,有利于水分的向外蒸发,有些场合还可以利用风热或蒸汽进行表面加热,组成了混合加热方式,有利于坯体内外加热均匀,从而降低了产品不合格率。能量的输出大小可以通过电源开关的控制来实现,以提高产品质量。

 

2  蜂窝陶瓷的干燥工艺过程[5]

 

 

2.1陶瓷坯体的水分与干燥的关系

 

陶瓷生坯内的水分有三种:一是化学结合水,是坯料物质结构的一部分;二是吸附水,是坯料颗粒所构成的毛细管中吸附的水分,吸附水膜厚度相当于几个到十几个水分子,密度大于1受坯料组成和环境影响;三是游离水,游离于坯料颗粒间;基本符合水的一般物理性质。坯体干燥时,游离水极易排出。随着周围环境的湿度与温度的不同,吸附水也有部分在干燥过程排出。干燥后坯体吸附水的含量取决于坯料组成,环境的条件和放置时间的长短。

 

2.2 干燥过程与生坯变化

 

坯体排出水分可分两方面:由生坯表面蒸发水分扩散到周围介质中去,为外扩散;生坯内部水分迁移到表面为内扩散;内、外扩散是传质过程,是要吸收能量的。随着生坯含水率降低,干燥过程可分为:预热阶段、等速干燥阶段、降速干燥阶段与平衡状态。

(1)预热阶段

 

干燥过程刚开始(K)生坯温度约等于室温,得到的热量大于这时的汽化所需的热量,生坯温度上升;随着生坯温度升高,得到的热量与汽化热量相等。由K到A是预热阶段,一般时间很短(如图2)。当生坯含水率低或采用红外干燥时这个过程就更短。这一阶段生坯体积基本不变。

(2)等速干燥阶段

 

从A到B水分自生坯外表面的连续水膜蒸发,内部水分不断补充,内、外扩散速度相等。吸收的能量都供蒸发。干燥速率u固定不变。随着含水率降低,颗粒在水的表面张力作用下被拉近,生坯逐渐收缩,收缩的体积相当于排除水的体积。这是关键的阶段,应使生坯表面温度均匀、尽量保持不变。

(3)降速干燥阶段

 

由B开始生坯失去外表面的水膜,颗粒靠拢,毛细管的直径更小,使内扩散阻力增大,外扩散因此受到制约。u随绝对含水率Wa的降低而降低。生坯略有收缩,原因一是颗粒由靠拢到贴紧有一段过程;二是充水膨胀了的矿物减少物理水会有微量收缩。随着含水率降低体积收缩越来越小。由C到D上述双重作用基本结束,含水率降低的生坯基本不再收缩,一般不会引起生坯变形或开裂。B到C的蒸发主要在接近外表面的毛细管口;C到D含水更少、气孔更多,蒸发面转移到生坯内部。由B开始生坯逐步升温,颜色也逐步改变:由润湿的深色逐步减退到粉体的浅色。由等速干燥阶段转为降速干燥阶段时B的含水率称为(*)临界含水率;将C的含水率称为第二临界含水率。

(4)平衡状态

 

到达D之后生坯水分与环境的交换呈平衡状态,干燥过程终止。这时的含水率为zui终含水率,除与周围介质温度、相对湿度有关外,还与坯料组成有关。根据工艺要求确定适当的zui终含水率:过高则降低生坯强度和窑炉的效率;过低则会浪费干燥用的能量,以接近生坯与车间环境处于加热平衡状态的平衡含水率为宜。

 

3  微波干燥技术在蜂窝陶瓷中的实例研究

 

 

 

坯体在干燥过程中形成的水分梯度会使坯体出现不均匀的收缩,从而产生应力,当应力超过了呈塑性状态坯体的屈服值时就会产生变形、当应力超过了呈塑性状态的强度时就会引起开裂。

干燥工艺对蜂窝陶瓷的成品率影响很大,蜂窝陶瓷大多数采用湿法挤出成形,其原料中加入了15~20%的水分,而蜂窝陶瓷的内部是由许多格子状的薄的间壁分割而成的,挤出后不能够搬运和后续加工,如不进行快速干燥操作,原有的形状将产生变形,因此必须将其快速快干燥定型;另一方面挤出成型的蜂窝陶瓷生坯其内部颗粒(主要是呈片状的粘土颗粒、滑石颗粒)呈定向排列。凡坯体中颗粒定向排列较为明显的,在干燥过程中都会引起不同方向上的不均匀收缩。

上一篇:食品微波烘焙机的应用及特点 下一篇:微波烤虾设备的应用返回列表
打印关闭

*验证码:
 = 请输入计算结果(填写阿拉伯数字),如:三加四=7

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注