远红外干燥和微波干燥在陶瓷烘干技术的分析

远红外干燥和微波干燥在陶瓷烘干技术的分析

远红外辐射和微波都属于电磁波。红外线是自然界普遍存在的物质运动形式之一，其热效应很强，实际上是一种辐射热，系因为组成物质的分子的热运动而引起的化学键的振动（包括化学键的弯曲 振动和伸缩振动）而产生的能量移动。由于这种转移的原因是化学键的振动和转动的能量跃迁，也就是分子中组成化学键的原子（也称键合原子）的振动和转动的能量跃迁所产生的，所以称为红外吸收。

跃迁的含义：组成物质的分子和组成分子的原子、电子都是不断运动的，存在各种不同能量值的运动状态，也就是说各种运动状态各有一定的能级，有电子能级、振动和转动能级、原子核自旋能级等。红外线的能量子即相当于键合原子的振动和转动能级。

微波是波长远比红外线更大的电磁波，因此它的能量子在数值上远比红外线小，物质吸收微波后，只能引起分子的振动或转动，而不是像红外线那样引起键合原子 的振动或转动，更不像紫外线和可见光那样引起电子能级的跃迁。

因此利用微波加热，就是指被加热的物体吸收微波能量后并使之转化成热能的过程。微波的能级也 是量子化的，也就是说，不同的分子所能吸收的微波的波长或频率是一定的。例如水分子（H2O）只能吸收2450MHZ的微波，所以只要是含水的物质，水分子便产生振动和转动能级的运动，使周围的其他分子快速摩擦，从而使被加热物体的温度迅速升高全面发热，达到成熟的目的。

远红外与微波加热的区别：

1、远红外和微波技术都是以电磁波直接照射的饿辐射传热方式，其中远红外加热伴随着热空气对流，而微波是单纯的辐射。

2、两者的产热机理不同，远红外加热中的热量有射线本身所携带；而微波加热则是因分子吸收微波与其他分子摩擦而产生热量。

红外线干燥在陶瓷中的研究

采用红外线照射到坯体的表面上，坯体由于吸收这些光线的辐射而发热来进行干燥。因此，该方法仅对红外线敏感的物质在其强烈吸收的波长区域内有效。分子吸收红外线的程度与该原子振动所产生的偶极矩变化的平方成正比。

水对红外线的吸收特性参见下图。lμm以上的红外线，特别是2.5μm以上的红外线几乎完全被水所吸收，而不能被氧、氮等空气主要成分所吸收。干燥过程中湿坯体中水分子大量吸收辐射能，辐射与干燥几乎同时发生，干燥均匀、迅速、节能。列别捷夫研究表明，在湿空气中，红外辐射干燥方法对于那些在干燥时容易变形和开裂的难干燥材料是很适宜的。

辐射干燥时传热不受坯体表面的气膜阻力的影响，其传热速率比对流传热速率可提高几倍，因此，辐射时坯体表面加热很快，其干燥时间也大为缩短。由于红外线具有一定的穿透能力，因些对于薄的日用瓷来说是特别适宜的。

日用瓷坯仅需几分钟到十几分钟就可完成脱模到上釉的坯体干燥。有时为了提高坯体的吸收能力，也可以在坯体中加人一些深色的有机色剂在辐射干燥中，有时为了提高热效率，节约能量，可以采用间歇辐射，即辐射一段时间后，停止照射段时间。

由于空气不吸收辐射能，空气的温度总是低于坯体表面的温度。在停止照射一段时间由于坯体表面有热量传给空气，另一方面表面有水分汽化，表面进行冷却，因此，其温度低于内部温度，使温度梯度与水分浓度梯度的方向相同，干燥速度增大。实践主明采用这种方法，干燥时间虽比连续辐射干燥法长20%～30%，但能量消耗可减少一半。

辐射干燥器不需要特殊的结构，可采用输送带式（类似链式干燥器），可与成型及精修设备联成一体，可以不采用绝热措施，干燥时间短，干燥效率高，便于连续自动化。

从下图可以发现，水分子在远红外线区域（波长在2～15μm直至50μm）有很宽的吸收带，能强烈地吸收远红外线，容易发热。因此，陶瓷坯体的干燥采用波长在2μm以上的远红外线干燥是极为有效的。

远红线干燥对于壁薄体小的日用陶瓷来说是很适合的，它具有下述优点。

①干燥速度快、生产效率高。就干燥时间而言，远红外干燥比近红外干燥短，一般为近红外干燥时的1/2热风干燥时的1/10。

②节约能量消耗。采用电力为热源的远红外干燥的耗电仅为近红外干燥时的一半左右，若与热风干燥相比较，效果更加明显。

③设备规模小，建设费用低。由于快速、高效率干燥，可减小设备的尺寸，而且装置较简单（与介电干燥相比）。在某些自动生产线上可部分地采用远红外线辐射干燥。

④由于远红外线具有一定的穿透能力，被干燥坯体的表面及内部均能同时吸收远红外线

辐射，因而加热均匀，不易产生废品。

微波干燥在陶瓷中的应用

微波干燥利用介质损耗原理，通过空间或媒质以电磁波的形式来传递能量，将电磁能转化为热能。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，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。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，把热量从外部逐渐传至内部，是一种面加热过程，使用微波干燥坯体内部和表面同时吸收微波能，是一种体加热过程。

Tings等于1968年最早将微波技术引入陶瓷领域。在20世纪70年代，Sutton'将其用于A12 O3浇注料的干燥和烧成。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：只要坯体开始的水分含量充分，微波输入功率每增加1kW可在1H内多蒸发掉lkg的水分。

微波干燥的主要特点：

1）干燥快速均匀  微波的频率较高，其穿透深度大于红外线辐射，能够深入到坯体内

部，被水分子或者其他物质吸收而就地转变成热能，不管坯体形状如何复杂，加热也是均匀

快速的，这使得坯体脱水快，脱模均匀，变形小，不易产生裂纹。

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（蒸发冷却的缘故），坯体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，这样热传递与湿传递方向一致，有利于内扩散，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，缩短干燥时间2～2.5倍。另外，微波干燥是由内向外，就坯体整体而言，内层首先被干燥，这样就不会在表层形成硬壳，阻碍内部水分外移。

2）具有选择性在一定频率的微波场中，只有吸收微波的物质才能被微波加热，水由于

其介质损耗比其他物质大，故水分吸热量大，内部水分可以很快地被加热并直接蒸发出来，这样，陶瓷坯体可以在很短的时间内被加热而脱模。对于那些不宜过热的物料来说，采用微波干燥更具有优越性。只要控制适当整个坯体不会过热。

3）热效率高，节能  热量在周围介质中的损失极少，加上微波加热腔本身不吸收微波，全部用于坯体，微波能几乎完全被坯体中的水吸收，热量散失很少，热效率高，这样就能节约能量。

4）反应灵敏，易控制通过调整微波的输出功率，可以瞬时改变加热情况，这样易于实现自动化控制微波干燥加热无惰性，停止微波传输，加热立即停止。

5）干燥制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，这也能避免制品过热。由于微波的这些特点，微波干燥陶瓷得到了较为广泛的研究，涉及日用陶瓷、电瓷、多孔陶瓷、保温材料等材料的干燥。

湖南某集团公司，设计了一条日用陶瓷微波快速干燥成型生产线，用于实际生产，实践证明，与传统链式干燥线相比，成坯率提高10%以上，脱模时间从35～45min缩短到5～8min，使用模具数量由400～500件下降至100～120件，节约了大量石膏模具。对于10.5in（1in=2.54cm）平盘总干燥成本可下降350元/万件。

采用微波干燥技术，对复杂形状的电瓷进行干燥，与常规蒸汽干燥方法相比较，可提高生产率24～30倍，提高成品率15%～35%，相同产量占地面积仅是原工艺的1/20左右，可大幅度提高经济效益。这也对建筑卫生陶瓷、墙地砖等一些异型产品的干燥。

多孔陶瓷成型时含水分较多，孔隙多，且坯体内孔壁薄，用传统的方法因加热不均匀，极难干燥，而且多孔材料导热性差，若干燥过程控制不好，容易变形，影响孔隙率及比表面积。微波干燥多孔陶瓷，能够很容易地把坯体的水分从18～25%降低至3%以下，缩短了干燥时间，并且提高了成品率。

唐竹新实验研究发现，蜂窝陶瓷坯体在干燥过程中，有机黏合剂在微波作用下凝固、收缩，并且在蜂窝陶瓷体内形成网络结构，使蜂窝陶瓷坯体内部存在的应力和缺陷得到分散和固定，而且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。

俞康泰等研究表明，微波干燥能均匀、快速、稳定地干燥卫生陶瓷，干燥时间比常规法缩短7倍多，微波干燥洗面具时，80%的水分在加热阶段被排除，而且含水率较高的棱状部位在干燥过程中优先被干燥。

李玉书采用塑性的胶质黏土和可塑性较差的砂质黏土为原料，进行了微波干燥实验研究。为了防止坯体中机械水的沸腾，试样表面的温度控制在60～70℃范围内，微波功率设定2.5kW每10min间歇地加热一次，每次加热时间为5～10s（实验确定的最佳范围）。

实验结果表明，微波干燥方法可以安全地干燥性质相异的胶质黏土试样和砂质黏土试样。微波干燥与对流干燥对陶瓷性质的影响参见表。

                               干燥方法对陶瓷性质的影响

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。物料的介电常数和损耗因子与温度有关，在50～100度之间它们处于上升趋势，所以采用微波干燥物料温度庙宇为50～100度之间是极有利的，但对于陶瓷坯体的干燥来说，为了防止坯体在干燥时水分 产生的蒸汽压过高而造成坯体炸裂，坯体温度应控制在70度以下。

微波在干燥适用的坯体含水率范围，坯体的含水率高（70%~90%），对微波源来说是重载，既不能体现微波的节能优势，有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%左右的物料干燥，效率最高，经济效益最好。坯体的含水率介于5%时用于传统干燥方式比较经济。所以对含水率高于5%的物料应该采用微波干燥。对于坯体较大，含水率较低（小于5%）的坯体，如果采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，此时采用微波干燥则能达到极佳的效果，最能体现微波的穿透深度大和均匀加热的特点。