CN109556350B - 陶瓷坯体的微波干燥方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种陶瓷坯体的微波干燥方法，其将陶瓷坯体置于封闭腔体中进行微波加热和干燥，并通入加湿热风；在微波加热和干燥过程中，实时监测和调整封闭腔体内的坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2，以及微波功率密度P和加湿热风的相对湿度H；使坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间维持一定温度差，适于保证所述陶瓷坯体水分由内向外的内扩散速度与坯体表面水分蒸发的外扩散速度相匹配。该技术方案可有效防止微波干燥过程中出现变形、开裂、炸坯等工艺问题，实现高效、高质量的微波干燥过程。另外本发明还提供了一种基于该微波干燥方法的陶瓷坯体的微波干燥装置。
Description
技术领域
本发明涉及微波干燥技术领域，特别地，涉及一种陶瓷坯体的微波干燥方法及装置。
背景技术
微波干燥技术具有加热速度快、效率高、大幅缩短干燥工艺时间、节能、环保等诸多优点，在陶瓷生产领域得到了充分的认可。
微波干燥是一种内部加热的方法，具有以下特点：
①干燥速度快；
物料自身加热，而不是通过热传导加热。
②干燥均匀；
物料是均匀加热，因此干燥均匀。
③选择性加热干燥；
水由于具有巨大的介电常数，在微波干燥过程中，80%以上的微波能被水吸收。
科研人员对此进行了长期的研发，总结了许多方法并应用于生产中，但依然存了一些尚需解决的问题：
目前，陶瓷洁具发展较快，其陶瓷生坯生产主要采用注浆成型的方法；用注浆成型生产的陶瓷坯体干燥敏感性高、干燥收缩大、内部结构复杂且体积大，尤其陶瓷坯体的初始水分高达20%以上，如此高的含水率增加了干燥的难度，在干燥的开始阶段更是如此；此外，陶瓷坯体因含水率较高，坯体的强度差，易变形，特别是用高压注浆分体，再粘接工艺生产的陶瓷坯体，塑性差，粘接处极易开裂、变形。
在干燥上述的陶瓷坯体的过程中，需要控制极为精确，否则容易造成废品。
公开号CN 103884163 A的发明专利公开了一种陶瓷胚体的微波干燥设备及方法微波干燥的方法，采用纯微波的方式对陶瓷坯体进行干燥，该方法虽然解决了微波场均匀分布的问题，但对于陶瓷洁具坯体而言，未能解决坯体内部复杂结构水分快速蒸发的问题。
公开号CN 101875557 A的发明专利公开了一种微波与热风复合干燥陶瓷砖坯体的方法，该方法只适用于陶瓷砖坯体结构简单且水分蒸发面积大的干燥，并不适用于陶瓷洁具坯体的微波干燥。
公开号CN 101684046 A 的发明专利公开了一种用于干燥蜂窝成形体的方法蜂窝陶瓷的微波成形及干燥的方法，在制备蜂窝陶瓷原材料中加入了热凝胶特性或热固性的材料，且热风的温度始终大于50℃，这样的条件显然不适用于陶瓷洁具坯体的微波干燥。
公开号CN 107314621 A 的发明专利公开了一种微波干燥方法及其采用的装置一种微波加强制对流的干燥方法，该方法未能解决坯体干燥敏感性高、水分高的问题。
综上所述，急需开发一种适合陶瓷洁具坯体的微波干燥方法以解决现有技术不足的问题。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种防止微波干燥过程中出现变形、开裂、炸坯等工艺问题，实现高效、高质量的微波干燥过程的陶瓷坯体的微波干燥方法。
本方面的第二个目的在于提供一种基于该微波干燥方法的陶瓷坯体的微波干燥装置。
为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种陶瓷坯体的微波干燥方法，其包括如下步骤：
S1：将陶瓷坯体置于封闭腔体中进行微波加热和干燥，并通入加湿热风；
S2：在微波加热和干燥过程中，实时监测和调整封闭腔体内的坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2，以及微波功率密度P和加湿热风的相对湿度H；使坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间维持一定温度差，适于保证所述陶瓷坯体水分由内向外的内扩散速度与坯体表面水分蒸发的外扩散速度相匹配。
优选地，上述的陶瓷坯体的微波干燥方法，其中所述坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间的温度差保持在±3℃～±15℃。
优选地，上述的陶瓷坯体的微波干燥方法，其中所述微波加热和干燥，其过程包括以下步骤：
a. 预先干燥：
微波功率密度P为0.1～3 kW/m3；
坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间的温度差在±5℃；
陶瓷坯体的表面温度T1高于环境温度0～20℃；
加湿热风的相对湿度H为70%～99%；
b. 慢速干燥：
微波功率密度P为2～6 kW/m3；
坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间的温度差在±10℃；
陶瓷坯体的表面温度T1高于环境温度10～40℃；
加湿热风的相对湿度H为70%～99%；
c. 快速干燥：
微波功率密度P为4～8 kW/m3；
坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间的温度差在±15℃；
陶瓷坯体的表面温度T1高于环境温度30～100℃；
加湿热风的相对湿度H为50%～99%。
优选地，上述的陶瓷坯体的微波干燥方法，其中加湿热风相对于陶瓷坯体的风速V为0～3米/秒。
优选地，上述的陶瓷坯体的微波干燥方法，其中所述陶瓷坯体的体积与所述封闭腔体的体积比值在3%～50%之间。
一种陶瓷坯体的微波干燥装置，其包括：
-封闭腔体，其开设有微波馈入口、加湿热风进口、加湿热风出口和进/出料门；
-微波源系统，其与所述微波馈入口相连通；
-循环风系统，其分别与所述加湿热风进口和所述加湿热风出口相连通，适于向所述封闭腔体提供加湿热风；
-传感器组，其设置于所述封闭腔体上，和/或设置于所述循环风系统的加湿热风流通管道上；
-控制系统，其通过电气控制线路分别于所述微波源系统、循环风系统和所述传感器组相连。
优选地，上述的陶瓷坯体的微波干燥装置，其中所述干燥装置还包括排湿系统，所述排湿系统包括排湿风扇和排湿管路，所述排湿管路一端与所述排湿风扇相通，另一端与所述封闭腔体连通，和/或与所述加湿热风流通管道连通。
优选地，上述的陶瓷坯体的微波干燥装置，其中所述循环风系统包括设置于加湿热风流通管道的循环风机和变频电机，以及热风补入装置、水蒸气补入装置和冷风补入装置。
优选地，上述的陶瓷坯体的微波干燥装置，其中所述传感器组包括若干温度传感器和若干湿度传感器，若干所述温度传感器中至少包括一红外温度传感器，所述红外温度传感器设置于所述封闭腔体上适于测量陶瓷坯体表面温度。
优选地，上述的陶瓷坯体的微波干燥装置，其中所述微波源系统包括微波能发生器和微波能馈入装置，所述微波能馈入装置与所述封闭腔体的微波馈入口相接。
较现有技术，本发明带来的有益效果是：
本发明技术方案结合了陶瓷坯体干燥过程中的物理化学规律，在微波干燥技术的基础上增加了对坯体表面温度和加热湿风的干球温度的控制，保证其温度差在合理的范围之内；同时监控微波功率密度和加湿热风的相对湿度，克服了微波干燥过程中易出现的变形、开裂、炸坯等工艺问题，实现了高效、高质量的微波干燥过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：本发明陶瓷坯体的微波干燥装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种陶瓷坯体的微波干燥方法，其包括如下步骤：
S1：将陶瓷坯体置于封闭腔体中进行微波加热和干燥，并通入加湿热风；
S2：在微波加热和干燥过程中，实时监测和调整封闭腔体内的坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2，以及微波功率密度P和加湿热风的相对湿度H；使坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间维持一定温度差，适于保证所述陶瓷坯体水分由内向外的内扩散速度与坯体表面水分蒸发的外扩散速度相匹配。
微波加热具有选择性加热的特征，使得80%以上的微波能被坯体中的水吸收，水被迅速加热、汽化。在微波加热干燥的过程中，当坯体表面水分蒸发的外扩散速度大于水分迁移的内扩散速度时，坯体表面易开裂、变形；当外扩散速度小内扩散速度时，坯体内部易开裂、变形，甚至炸坯；然而直接测量水分蒸发的外扩散速度和水分迁移的内扩散速度是不现实的。
本发明技术方案坯体中的陶瓷原料与被加热的水或水蒸汽之间有热传导，表征为坯体的表面温度升高，坯体的表面温度也同样表征坯体水分的温度和内扩散速度；而对于干燥介质为热湿空气而言，在相同的相对湿度条件下，坯体表面蒸水分发的外扩散速度可以用加湿热风的干球温度表征。故本发明技术方案以坯体表面温度T1表征水分迁移的内扩散速度，以加湿热风的干球温度T2表征水分蒸发的外扩散速度，实时监测和调整封闭腔体内的坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2，以及微波功率密度P和加湿热风的相对湿度H，使坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间维持一定温度差，适于保证所述陶瓷坯体水分由内向外的内扩散速度与坯体表面水分蒸发的外扩散速度相匹配，如此对物料的微波干燥过程进行精确控制，克服了微波干燥过程中易出现的变形、开裂、炸坯等工艺问题，实现了高效、高质量的微波干燥过程。
具体地，其中所述坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间的温度差优选保持在±3℃～±15℃。
【实施例1】
上述微波加热和干燥，其过程包括以下步骤：
a. 预先干燥：
微波功率密度P为0.1～3 kW/m3；
坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间的温度差在±5℃；
陶瓷坯体的表面温度T1高于环境温度0～20℃；
加湿热风的相对湿度H为70%～99%；
b. 慢速干燥：
微波功率密度P为2～6 kW/m3；
坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间的温度差在±10℃；
陶瓷坯体的表面温度T1高于环境温度10～40℃；
加湿热风的相对湿度H为70%～99%；
c. 快速干燥：
微波功率密度P为4～8 kW/m3；
坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间的温度差在±15℃；
陶瓷坯体的表面温度T1高于环境温度30～100℃；
加湿热风的相对湿度H为50%～99%。
【实施例2】
上述微波加热和干燥，其过程包括以下步骤：
a. 预先干燥：
微波功率密度P为0.1～1 kW/m3；
坯体表面温度T1和加湿热风干球温度T2之间的温度差在±3℃；
陶瓷坯体的表面温度T1高于环境温度0～20℃；
加湿热风的相对湿度H为80%～95%；
b. 慢速干燥：
微波功率密度P为0.5～3kW/m3；
坯体表面温度T1和加湿热风干球温度T2之间的温度差在±8℃；
陶瓷坯体的表面温度T1高于环境温度15～40℃；
加湿热风的相对湿度H为70%～90%；
c. 快速干燥：
微波功率密度P为2.5～6 kW/m3；
坯体表面温度T1和加湿热风干球温度T2之间的温度差在±12℃；
陶瓷坯体的表面温度T1高于环境温度35～70℃；
加湿热风的相对湿度H为50%～90%。
需要说明的是：微波干燥与常规的热风干燥在干燥过程上不尽相同，热风干燥是通过热风给坯体加热，在热风温度和湿度不变的情况下，经历加热、等速干燥、降速干燥、平衡四个阶段，干燥速度和产品干后水分取决于热风的温度、湿度。
对于微波干燥，坯体水分的内扩散速度取决于微波加热腔体内的微波功率密度和腔体内的坯体质量，加温热风的温度和湿度对坯体水分的内扩散速度影响较小，坯体水分的外扩散速度取决于加湿热风的温度和湿度，因此在微波干燥的过程中需要实时监测和调整封闭腔体内的坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2，以及微波功率密度P和加湿热风的相对湿度H，使坯体水分的内扩散速度和外扩散速度匹配。
坯体在干燥过程中存在干燥收缩，因坯体泥料颗粒具有一定的取向性，空隙（或水分）也具有一定的取向，导致干燥收缩的异性，当内应力大于坯体屈服强度时就会产生变形和开裂。而坯体强度是随水分的减少而增加，在干燥过程中坯体所能承受的最大干燥速度随时间的不同而不同。
在本方案中，通过对加湿热风干球温度与坯体表面温度的温度差进行监控，就可以很方便地将坯体水分的内、外扩散速度进行合理的匹配，达到精确控制的目的；由于微波对水有选择性加热，为了能精确地控制整个干燥过程，有必要对微波功率密度和微波腔体内质量进行限制，即微波功率密度在不同的干燥步骤有不同的范围，以及陶瓷坯体体积与封闭腔体体积的比值在一定的范围内，如在本发明技术方案中陶瓷坯体的体积与封闭腔体的体积比值在3%～50%之间尤佳。
另外，微波加热有利于内扩散，并且使坯体内外受热均匀。由于物料中的水分子介质损耗较大，能大量吸收波能并转化为热能，因此物料的升温和水汽化是在整物体中同时进行的。物料的内、外部同时吸收微波能，而脱水过程发生于物料表面，蒸发吸热使表面温度略低于里层，形成温梯度；同时由于内部水分吸收微波而产蒸汽形成压力梯度。微波干燥过程中，温度梯度、压力梯度和传热方向、湿度梯度都一致，有利于内扩散，可加快干燥速度并保持良好的效果。
在本方案中，通过对加湿热风干球温度与坯体表面温度的温度差进行监控，以及对微波功率密度和坯体体积占比限制在一定的范围，使实际的干燥速度最大可能接近坯体所能承受的最大干燥速度，最大限度地提高干燥速度。
除此之外，本发明提供的方法是结合常规微波干燥和常规干燥方法的优点，克服其缺点，可适用各种材料及器形的干燥，既能满足对陶瓷坯体和艺术雕刻等对外形尺寸和内部结构要求严格的物件干燥要求，也能满足常规粉状、颗粒状、块状等物料的干燥要求。在塑胶粒子等对水分要求在PPM级的严苛场合，也能满足要求。
另外，还值得一提的是：加湿热风相对于陶瓷坯体的风速V为0～3米/秒。
在以加湿热风的干球温度T2表征坯体表面蒸水分发的外扩散速度时，对加湿热风的风速是有限制的，根据试验的结果，在风速0～3米/秒的情况下，干球温度可以更真实地表征坯体水分的外扩散速度。同时，在有风速的情况下，可以增加坯体水分的外扩散速度。
另外，本发明还提供了一种陶瓷坯体的微波干燥装置，详见图1，具体包括微波干燥腔体、能为微波干燥腔体提供加湿热风的循环风系统、传感器组、排湿系统、微波源系统、控制系统，具体如下：
所述微波干燥腔体包括封闭腔体1.1、微波馈入口1.2、加湿热风出口1.3、加湿热风进口1.4，进/出料门；
所述传感器组包括温度传感器2.1、红外温度传感器2.2、湿度传感器2.3；
所述循环风系统包括循环风机3.1、变频电机3.2、热风补入装置3.3.1、水蒸气补入装置3.3.2、冷风补入装置3.3.3、控制阀门A 3.4.1、控制阀门B 3.4.2；
控制阀门C 3.4.3、制阀门D 3.4.4；
所述微波源系统包括微波能发生器5.2和微波能馈入装置5.1；
所述控制系统6.1包括电气控制线路6.2。
所述传感器组设置在封闭腔体1.1上，其中红外温度传感器2.2设置在封闭腔体上并能测量到陶瓷坯体表面的位置；
所述排湿系统包括排湿风扇4.1和排湿管路，排湿管路一端与排湿风扇相通，另一端与加湿热风流通管道连通。
所述微波源系统的微波能馈入装置5.1与封闭腔体的微波馈入口1.2相接；
所述控制系统6.1包括循环风控制单元、微波加热控制单元、温度和湿度控制单元、中央处理单元。
上述各单元通过电气控制线路6.2分别与循环风系统、传感器组、排湿系统、微波源系统相连；
所述循环风系统还包括加湿热风流通管道，加湿热风流通管道的外壁设有保温层，湿热风流通管道至少由两根组成，一端分别与循环风机的进/出风口连通，另一端分别与封闭腔体上加湿热风进口1.4、加湿热风出口1.3连通；
所述热风补入装置3.3.1、水蒸气补入装置3.3.2、冷风补入装置3.3.3、控制阀门A3.4.1、控制阀门B 3.4.2、控制阀门C 3.4.3设置在加湿热风流通管上。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种陶瓷坯体的微波干燥方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将陶瓷坯体置于封闭腔体中进行微波加热和干燥，并通入加湿热风；
S2：在微波加热和干燥过程中，实时监测和调整封闭腔体内的坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2，以及微波功率密度P和加湿热风的相对湿度H；使坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间维持一定温度差，适于保证所述陶瓷坯体水分由内向外的内扩散速度与坯体表面水分蒸发的外扩散速度相匹配；
所述微波加热和干燥，其过程包括以下步骤：
a.预先干燥：
微波功率密度P为0.1～3kW/m3；
坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间的温度差在±5℃；
陶瓷坯体的表面温度T1高于环境温度0～20℃；
加湿热风的相对湿度H为70％～99％；
b.慢速干燥：
微波功率密度P为2～6kW/m3；
坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间的温度差在±10℃；
陶瓷坯体的表面温度T1高于环境温度10～40℃；
加湿热风的相对湿度H为70％～99％；
c.快速干燥：
微波功率密度P为4～8kW/m3；
坯体表面温度T1和加湿热风的干球温度T2之间的温度差在±15℃；
陶瓷坯体的表面温度T1高于环境温度30～100℃；
加湿热风的相对湿度H为50％～99％。
2.根据权利要求1所述的陶瓷坯体的微波干燥方法，其特征在于，加湿热风相对于陶瓷坯体的风速V为0～3米/秒。
3.根据权利要求1所述的陶瓷坯体的微波干燥方法，其特征在于，所述陶瓷坯体的体积与所述封闭腔体的体积比值在3％～50％之间。
4.一种配合权利要求1所述方法使用的陶瓷坯体的微波干燥装置，其特征在于，包括：
封闭腔体，其开设有微波馈入口、加湿热风进口、加湿热风出口和进/出料门；
微波源系统，其与所述微波馈入口相连通；
循环风系统，其分别与所述加湿热风进口和所述加湿热风出口相连通，适于向所述封闭腔体提供加湿热风；
传感器组，其设置于所述封闭腔体上，和/或设置于所述循环风系统的加湿热风流通管道上；
控制系统，其通过电气控制线路分别于所述微波源系统、循环风系统和所述传感器组相连。
5.根据权利要求4所述的陶瓷坯体的微波干燥装置，其特征在于，所述干燥装置还包括排湿系统，所述排湿系统包括排湿风扇和排湿管路，所述排湿管路一端与所述排湿风扇相通，另一端与所述封闭腔体连通，和/或与所述加湿热风流通管道连通。
6.根据权利要求4或5所述的陶瓷坯体的微波干燥装置，其特征在于，所述循环风系统包括设置于加湿热风流通管道的循环风机和变频电机，以及热风补入装置、水蒸气补入装置和冷风补入装置。
7.根据权利要求4或5所述的陶瓷坯体的微波干燥装置，其特征在于，所述传感器组包括若干温度传感器和若干湿度传感器，若干所述温度传感器中至少包括一红外温度传感器，所述红外温度传感器设置于所述封闭腔体上适于测量陶瓷坯体表面温度。
8.根据权利要求4或5所述的陶瓷坯体的微波干燥装置，其特征在于，所述微波源系统包括微波能发生器和微波能馈入装置，所述微波能馈入装置与所述封闭腔体的微波馈入口相接。
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