微波干燥技术及其在陶瓷坯体干燥中的应用研究

在各种工业生产过程中，干燥过程耗能较大。据统计，干燥过程中的能耗占工业总燃料消耗的15，而在陶瓷行业中，用于干燥的能耗占燃料总消耗的比例远不止此数。传统的干燥是将热干空气送入干燥室，吸收被干燥物料的湿分后直接排入大气，由于排放的热湿空气含有大量的显热及潜热，因此传统干燥设备的能量利用效率一般都很低，高也只有35左右。依靠对流和导热的传统干燥技术有干燥的废品多、干燥周期长、能耗大和劳动条件恶劣、劳动强度大等缺点，成为整个陶瓷生产过程中突出的落后环节。因此，陶瓷行业急需一种新型的干燥系统来代替现有的落后的系统。
为了改变国内陶瓷行业存在的这一种现状，必须对干燥过程进行改进，或改造现有的设备，或寻找新型的有效干燥方法。近年来，微波能己经广泛应用于加热、干燥、杀虫、灭菌、医疗等项目上。由于微波干燥的优点使得其发展很快，微波技术及其应用作为一项高新技术被指定为我国‘’十五“计划重点研发项目。近几年来，在我国微波能的应用己经取得了很大的发展，根据微波的特性，在陶瓷坯体干燥过程中应用微波能对提高陶瓷的干燥速度、减少产品的质量缺陷、节能等方面都有重要的意义。
微波加热干燥的基本原理及理论2.1微波加热的基本原理微波是指介于高频与远红外之间，波长范围为1mm1m，频率范围为0.3300GHz，具有穿透能力的电磁波。工业上常用的微波频率为9 15MHz和2450MHz两种。微波功率是由微波发生器的磁控管接受电源功率而产生的，它通过波导输送到微波加热器，需要加热的物料置于微波加热器中在微波场的作用下被加热。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，其能量是通过空间或媒质以电磁波的形式来传递的，这种加热过程与物质内部分子的极化有着密切的关系。水分子是极性分子，每个水分子都呈现明显的正负极性，当它处于电磁场中时，水分子将有序地排列成与电场一致的方向，如果外加电场不断变换方向，水分子也将随之不断改变其排列方向而产生类似于摩擦生热的效应。微波加热就是利用这一效应使微波能转化成为热能，达到加热脱水干燥的目的。
2.2微波加热的基本理论）在微波加热的过程中，微波能以热能的形式耗散于物料中，它可以用‘’能量流“通过被加热的物料闭合曲面的功率来表示，而功率流可用坡印亭矢量的积分来求取，即从麦克斯韦尔的电流方程出发，得功率密度为S.一自由空间的介P~2/S0S\"E2一材料相对损失系数。
由上式可知：材料吸收微波能的能力取决于材料的自由空间的介电常数、相对损失系数及微波场的频率大小、电场的强弱。）微波在陶瓷坯体中的传播（贯穿厚度）微波具有穿透能力，穿透能力就是电磁波穿入到介质内部的本领，电磁波从介质的表面进入并在其内部传播时，由于能量不断被吸收并转化为热能，它所携带的能量就随着深入介质表面的距离以指数形式衰减。透射深度被定义为材料内部功率密度为表面能量密度的1/e或36.8算起的深度D，微波穿透深度计算公式为一微波频率；一相对介电常数；tanS?介质损耗角因子从上述关系式可以看出，电磁波在材料中的贯穿能力与其频率和材料的介电性质有关。工业上一般所使用的微波频率是915MHz和2450MHz两种，是一个定值，所以微波的穿透能力就取决于材料的介质损耗角因子tan5和相对介电常数口。材料能不能被微波加热主要取决于其对微波的吸收，由于不同的物料对微波的吸收损耗不同，这使得微波加热具有选择性：良导体对微波完全不吸收而产生全反射；不导电的介质、玻璃、石英等物质表面可部分反射微波，剩下的可进入介质内部继续传播，进入介质内部的微波也仅有很少部分被吸收，热效应很小，所以这两类物质不能用微波来加热；而由极性分子所组成的物质则能较好地吸收微波能，水分子呈极强的极性，是吸收微波的好介质，利用这一特点，即可除去物料中的水分。
2.3微波干燥的机理分析常规干燥过程一般从物料表面开始，依赖于传导对流与辐射方式，把热从外部逐渐传至内部，这是一个速度很慢的过程，而微波加热是一种体加热，与常规的面加热方式不同，微波干燥有其的机理。
由于物料中的水分子介质损耗较大，能大量吸收微波能并转化为热能，因此物料的升温和蒸发是在整个物体中同时进行的。使用微波加热，物料的内部和表面同时吸收微波能，而蒸发过程发生于物料表面，由于蒸发冷却的缘故使表面温度略低于里层，形成温度梯度；同时由于物料内部因吸收微波而产生热量，以至于内部蒸汽迅速产生，形成压力梯度。由此可见，微波干燥过程中，温度梯度、压力梯度和传热方向都一致，从而大大改善了干燥过程中的水分迁移条件，这一点大大优于常规干燥；同时，微波干燥是由内向外，就物料整体而言，将是内层首先干燥，这样就不会在表层形成硬壳板结阻碍内部水分外移，这一点也优于常规干燥。
2.4微波干燥的特点根据上述的微波加热原理，微波干燥具有明显的特点：加热快速均匀，这是微波干燥的主要特点。由于微波对吸收介质有较强的穿透能力，它能够深入到物料内部被水分子或者其他物质吸收而就地转变成热能，所以加热时间非常短，速度快。另一方面，在干燥时，水分子从表面蒸发消耗能量致使坯体表面温度略低于内部温度，这样热传递与湿传递方向一致，有利于内扩散，大大加快了干燥速度。微波干燥与对流干燥相比，可提高干燥速度和缩短干燥时间2-2.5倍。
微波加热有选择性。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，这样陶瓷坯体在微波干燥中主要是水分子被迅速加热蒸发，只要控制适当则整个坯体不会产生过热。
微波干燥反应灵敏、易控制。微波的功率随电场强度及频率的增大而增大，功率易于控制，通过调整微波的输出功率，物料的加热情况可以瞬时改变，这样易于实现自动化控制；微波干燥的可控性还表示在加热的无惰性，即如停止微波传输，加热立即停止。因此，微波加热可方便的按照预定程序进行，容易实现过程自动化。
微波干燥热效率高、节省能源。干燥室是由能够反射微波的金属板制成，这样微波能几乎完全被坯体中的水吸收，坯体得以均匀加热，热量散失很少，这样就能节约能源。
干燥的产品质量高。由于微波加热内外均匀，这样可以避免产品因局部过热而损坏；同时，由于微波对水的选择性加热可以使干燥在较低温度下进行，这也能避免产品过热。
陶瓷坯体使用微波干燥时应该注意的几个技术问题）物料温度的设定。物料吸收微波的效率可由下式表示以采用微波干燥的物料温度设定为50C至100C之间是极有利的，但对于陶瓷坯体的干燥来说，为了防止坯体在干燥时水分产生的过高蒸汽压而造成坯体炸裂，坯体温度应该控制在70C以下。）适用于用微波干燥的坯体含水率范围。德国的J.Suhm对微波干燥陶瓷等材料进行了研究，他得出了确定微波干燥所需功率的一条经验规律：微波输入功率每增加1kw，可在1小时内多蒸发掉1kg的水分，只要坯体开始的水分含量充分，这条经验规律就可行。这说明微波干燥适用于高含水量的物料。但是过高的含水量（7090）对微波源来说是重载，既不能体现微波的节能优势，又可能导致微波功率源因重载而严重失配。实践证明，微波对含水25左右的物料进行干燥，效率高，经济效益好，而坯体的含水率介于5?10之间，则用传统干燥方式比较经济。所以对含水量高于10的物料应该采用微波干燥与传统干燥方式的混合机制进行，先用后者将物料干燥到30左右，再启用微波干燥器进行干燥。对于坯体较大，含水率较低（小于5*）的坯体，此时干燥过程己经趋于缓和，如果使用传统干燥方式一方面能量利用率低，另一方面可能会导致坯体过热而破裂，如果使用微波干燥则能达到的效果，此时能体现微波的穿透量大和均匀加热的特点。
（3）微波辐射对人体健康有害，考虑到这一影响，微波必须控制在10mw/cm2的范围内；同时为了防止电磁波的泄漏，在干燥装置外需要安装电磁波防护罩。
微波技术在陶瓷干燥中的研究应用现状4.1微波干燥技术应用于陶瓷材料的干燥在国外的研究和应用国外的微波技术研究起步比较早，早在上世纪30国的雷达工程师发现微波能使介质损耗发热，并且成功地用微波装置做出了爆米花，这就是微波功率应用的雏形。经过半个多世纪的研究发展，目前国外的微波干燥技术己经广泛应用于轻工业、食品工业、化学工业、农业和农产品加工等领域。
年引入陶瓷领域的，其后，在70年代由于天然气的短缺而得到较快发展，美国的Sutton在70年代就将其用于Al23浇注料的干燥和烧成。近2 0年来，微波技术己较成功地应用于一些陶瓷材料的制备、处理，并正逐步向工业化迈步，微波技术越来越受到陶瓷界人士关注。
无机材料研究所）己把微波干燥应用于陶瓷材料之中。他曾把直径为2 7cmcm的泥釉圆罐用微波和传统干燥之后进行了比较。干燥分两步，步干燥后，陶瓷泥釉罐可以去掉铸模。
第二步干燥后，泥釉罐的含水量小于2.结果第二步干燥完成之后，微波干燥仅用了26.5min，而传统干燥用了570min，后者是前者的21.5倍。由于大大缩短了干燥时间，延长了铸模寿命，铸模的数量减少了25 .从而降低了成本。
Orth用微波干燥了陶瓷过滤零件，其零件具有较高的孔隙度。他对传统干燥方法与微波在干燥时间、能耗方面作了比较，结果表明，在相同的功率下，传统干燥时间是微波的30?32倍，能耗为2.5倍，而生产能力则约为一半，这可以看出微波干燥的巨大优越性。
在微波干燥陶瓷等材料的研究中，德国的J.Suhm做出了极有价值的发现。他认为被干燥物料的干燥过程因能量吸入不同而各异。物料的干燥过程和其含水率有极大的关系。在物料湿度大于15时，水分决定着干燥过程，在这种情况下干燥过程没有实质性的不同；物料湿度在515之间时，被干燥物质起着重要的作用，如果物料本身能够吸收微波能，则其温度可以升高，此时介电常数的温度相关性起着决定性作用，对某些化学品来说，可以脱去化学结合水，进行必要的材料试验可以确定能够达到的所需要的温度；湿度低于5时，干燥过程趋于缓和。他还得出了确定微波干燥所需功率的一条经验规律：微波输入功率每增加1kw，可在1小时内多蒸发掉1kg的水分，只要开始水分含量充分，这条经验规律就可行。
000年陶瓷技术会议上，EA技术公司就推出了新的试验室规模的微波辅助炉。据英国EA技术公司报道，对瓷砖、模具、耐火材料、卫生用具等所做试验证实，在传统的干燥设备上加装无线电波或微波能够缩短干燥周期高达三分之二，而不增加能源成本，同时还能够通过均衡加热而提高产品质量，降低加热温度。这为新的微波设备应用于陶瓷坯体干燥线做出了有益的尝试。
4.2微波干燥技术应用于陶瓷材料在国内的研究和应用我国微波干燥技术的应用始于70年代初期，经过几十年的发展，目前己广泛应用于轻工，化工及食品加工等各个方面，在陶瓷材料干燥方面的研究和应用也取得了重要进展。
山东理工大学的辛延龄，刘风春，许可敬对湿化学法制备2「02超细陶瓷粉末的干燥过程中控制粉末团聚的方法进行了研究，结果证明：制备超细陶瓷粉末的干燥过程中添加少量的表面活性剂以及采用快速的微波干燥，可有效控制粉末团聚，过程简单，易于操作，大大缩短了干燥时间，降低了成本。
武汉工业大学的俞康泰，郝华等对微波干燥卫生瓷进行了研究，他们对微波干燥和常规干燥卫生瓷的干燥过程进行了比较，对其干燥过程的不同阶段进行了讨论，并分析了台式洗面具不同部位对干燥速度的影响。证明了微波干燥卫生陶瓷坯体优于常规干燥的特性：微波干燥能均匀、快速稳定地干燥卫生瓷，干燥时间比常规法缩短7倍多。微波干燥合式洗面具时80°的水分在加速阶段排除，而且干燥过程中优先干燥棱状含水率较高的部位。
华北电力学院的郑镇使用微波气流联合干燥陶瓷坯体的实验装置进行微波气流联合干燥实验，通过对干燥速率的测定，求出了两个实验区段上的平均干燥速率、总能耗与诸因素之间的优回归模型，可以利用它们来分析各干燥条件对于干燥过程的影响，了解其间的相互关系而不需研究其内部机理，这在现时干燥理论不完善的条件下，用其来控制生产过程是相当合适的。微波气流联合干燥陶瓷坯的优化设计实验结果表明，在进行联合干燥时，有个佳配合问题。盲目提高某一干燥条件有可能对于燥起到反作用。因而在生产实际中必须考虑干燥条件的佳配合问题，才能提高生产效率，减少浪费。
山东工业陶瓷研究设计院的唐竹新用WB7?2型微波炉进行实验以研究微波能、有机粘合剂对蜂窝陶瓷快速稳定干燥的影响。实验结果证明蜂窝陶瓷体在干燥过程中，有机粘合剂在微波场的作用下，产生凝固、收缩。并且在蜂窝陶瓷体内形成网络结构，使蜂窝陶瓷体内部分在的应力和缺陷得到分散和固定。
从而达到稳定干燥的目的；蜂窝陶瓷坯体自身吸收微波能产生热量，能够快速稳定干燥；还发现蜂窝陶瓷坯体的壁厚是影响其干燥速度的重要因素。而与蜂窝陶瓷体的形状、尺才没有很大关系。
武汉工业大学的俞康泰，徐望辉，胡亚萍和河南省建筑材料研究设计院的邱海波对微波干燥石膏模具进行了实验研究。卫生瓷无论是采用常压、微压还是中压注浆成型都离不开石膏模具。采用微波干燥石膏模具是一项新技术，它具有高效、快速的特点，同时它对石膏模具本身没有任何副作用，该工艺特别适合于目前的微压注浆和低压快排水注浆成型工艺。在注浆成型过程中使用微波，可以使水分迅速通过模具排到外壁。这样就可以有效地使内壁保持干燥，甚至可以接近末被注浆时模具的干燥程度。反复注浆一定次数后，分散在模具中的水分将达到一个动态平衡点。
在微波环境中连续注浆的模具能始终保持这种平衡状态，从而维持正常的注浆成型。采用微波干燥石膏模具这一工艺，根据试验至少可以使目前的微压组合浇注成型周期缩短1一2倍，同时可以大大增加石膏模注浆成型的次数（按理论推算可以取消石膏模单独干燥工艺），从而节省了石膏模具用干燥室和作业场所。试验结果还证明微波可用来快速干燥石膏模，并且在微波干燥过程中，石膏模吸水深度（渗透深度）与干燥时间呈近似于线性的关系，石膏模吸水率与干燥时间呈曲线关系，其形状近似于几何中的余弦曲线。
在实际应用方面我国也取得了极为可喜的成果。
湖南国光瓷业集团股分有限公司根据日用陶瓷的工艺特点，设计、制造了一条日用陶瓷微波快速干燥成型生产线用于实际生产，这是陶瓷行业首条微波干燥生产线，为我国在这一领域填补了一项空白。它在生产中的实践证明：通过控制微波功率及传输速度，合理安排脱模时间，脱模效果良好。与传统链式干燥线相比，成坯率提高10以上，脱模时间从3545分钟缩短到58分钟，使用模具数量由400500件下降到100120件；微波线占地面积小，生产无污染，其效率是链式干燥效率的6.5倍，与二次快速干燥线一起配合使用，对于10.5寸平盘来说，总的干燥成本可下降350元万件。
陶瓷材料微波干燥发展前景展望年以来，干燥的能源价格依然是重要的，但对于干燥研究而言不再是关键的因素，现在是由新产品和新的工艺的需求推动干燥研究。他还指出了传统热风干燥作业方式在环保方面的不足，因为矿物燃料燃烧产生的二氧化碳能导致‘’温室效应“，他认为当前干燥的总目标是”以快的速度排除水分并对产品有小的负面影响；不破坏环境以及投入低的资金和操作费用“。基于这些考虑，微波干燥方式无疑是一种很具吸引力的新的干燥方式。
我国微波干燥技术的应用起源于70年代初期，经过几十年的发展，我国在微波加热设备方面己经完全能够国产化，磁控管的寿命和质量也在不断提高，整机生产的技术己经过关，有些还能够出口。目前，大型微波功率应用设备主要在加热干燥和食品加工的生产中运用，但是从目前需求的情况来看，微波功率应用设备还不能完全满足陶瓷生产领域的需求。笔者认为解决这一供需矛盾好的方式是将微波与传统加热干燥技术相结合。干燥方法应该着眼于有效地将物料中的水分疏导排出，传统方法如喷雾干燥、蒸汽流化床干燥、振动流化床干燥、沸腾干燥、真空干燥都是使物料在不同状态和热风相接触而排出水分，如果适当的引入微波能量，完全可能将干燥过程加快，并改善干燥质量。在陶瓷材料干燥中引入微波干燥可以弥补传统加热方法的供热不足导致干燥周期长的弱点，而疏导排出水分的方法还应采用传统方法的优点。
陶瓷工业是我国重要的支柱产业之一。我国是陶瓷的故乡，是一个名副其实的陶瓷生产大国，陶瓷的生产在我国具有悠久的历史，但是到目前为止，我国的陶瓷材料干燥大多采用落后的传统工艺，微波干燥在陶瓷生产中的应用研究还相对滞后，这里面还有大量的工作要做，只有加快研究和开发的步伐，才能使微波能的应用取得更大的经济和社会效益。
结束语一方面，我们可以预见，微波干燥将以其的加热特点和干燥机理为陶瓷坯体的干燥开辟一条新的途径，微波快速干燥成型生产线在小批量、多品种的日用陶瓷工业生产中将发挥越来越重要的作用，其应用前景十分广阔；另一方面，我们也应该看到，微波加热的固定投资和纯生产费用较其它加热方式高，特别是耗电较多，使生产成本增加，因此，在实际生产中，应该将微波干燥和对流干燥结合起来使用；另外，微波应用这一研究课题涉及到众多学科，需要多学科的充分对话、渗透，这样才能不断完善微波干燥的工艺及设备，使其更好地为陶瓷行业服务。