樊立永 彭嘯躍 于 倩

(1 惠達(dá)衛(wèi)浴股份有限公司 河北 唐山 063307)(2 咸陽陶瓷研究設(shè)計院 陜西 咸陽 712000)

前言

衛(wèi)生陶瓷坯體傳統(tǒng)的干燥方式是坯體隨同模型一起在成形室內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥周期在3～6 d，其占地面積大、周期長、耗能多，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率的提高。特別是在高壓注漿技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用推廣帶來了產(chǎn)能的大幅度提升的同時，快速干燥工藝已成衛(wèi)生陶瓷企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

近幾年來，衛(wèi)生潔具微波干燥、無空氣快速干燥等新型干燥方式都在生產(chǎn)中得到實驗性應(yīng)用，推動了衛(wèi)生潔具干燥工藝的革命性發(fā)展，但皆因一次性投入大、不易穩(wěn)定控制等原因沒有在衛(wèi)生陶瓷坯體干燥生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

我公司對潔具坯體快速干燥工藝進(jìn)行了大量的研究實驗，成功找到了適合潔具坯體快速干燥的一種全新的方法，投入小、效率高，得到推廣應(yīng)用。連體坐便器干燥時間達(dá)到72 h，比傳統(tǒng)120 h縮短48 h；蹲便器達(dá)到24 h，比傳統(tǒng)48 h縮短24 h，這對傳統(tǒng)的干燥工藝進(jìn)行了徹底顛覆。

1 干燥機(jī)理

1.1 濕坯中的水分類型

陶瓷濕坯中的水分，按其結(jié)合方式可分為3種類型[1]，即自由水、吸附水、化學(xué)合成水。

1.1.1 自由水

自由水又稱機(jī)械結(jié)合水，它分布于坯料顆粒之間的空隙中，靠內(nèi)聚力與物料松弛的結(jié)合。這種水分容易排出，并在排出的過程中由于坯體顆粒相互靠攏而使坯體收縮。

1.1.2 吸附水

吸附水是指依靠坯料中粘土粒子的分子引力(范德華力)和質(zhì)點間毛細(xì)結(jié)構(gòu)形成的毛細(xì)管力，存在于物料顆粒表面或毛細(xì)微管中的水分。這種水分的吸附量主要取決于坯料的性質(zhì)，尤其是粘土原料的種類和用量。坯料越細(xì)、粘土原料用量越多，粘土的分散度越大，則吸附水量越多。當(dāng)坯體中的吸附水量與外界條件達(dá)到平衡時的水分稱為平衡水。

1.1.3 化學(xué)結(jié)合水

化學(xué)結(jié)合水是指參與組成礦物晶格的水分，包括結(jié)構(gòu)水和結(jié)晶水。這種水的結(jié)合形式最牢固，排出時需要較大的能量，但這不屬于干燥范圍，因此在干燥工藝中不予考慮。干燥是排出自由水和吸附水的過程[2]。

干燥過程所排出的水分主要是自由水，干燥工藝的目的是使?jié)衽鬟_(dá)到所要求的干燥程度，而這一程度是由坯體的最終含水率表征來決定。在確定最終含水率參數(shù)時，一定要考慮環(huán)境條件，不應(yīng)使之低于平衡水分。否則，會導(dǎo)致坯體從大氣中吸濕，造成“返潮”現(xiàn)象。

1.2 干燥原理

坯體干燥是一個脫水的過程[3]。外部溫度和濕度以及空氣流速決定干燥的速度。水分蒸發(fā)所需要的熱量是靠從外部提供的，熱的傳遞方式為對流、輻射、傳導(dǎo)[4]。

陶瓷坯體的干燥方法很多，其中有熱風(fēng)干燥、紅外線干燥、輻射干燥、高頻電干燥和微波干燥等，目前衛(wèi)生陶瓷坯體的干燥方法大都采用熱風(fēng)干燥。

熱風(fēng)干燥法就是利用熱氣體作為干燥介質(zhì)對坯體進(jìn)行干燥的方法。它包括水分蒸發(fā)和擴(kuò)散兩個方面，其干燥速度的大小主要取決于坯體表面所處的蒸發(fā)條件和內(nèi)部水分的擴(kuò)散、遷移狀況等[5]。

1.2.1 外擴(kuò)散

外擴(kuò)散是指坯體干燥時水分由表面蒸發(fā)至周圍氣體介質(zhì)中的過程。濕坯表面的水分靠干燥介質(zhì)連續(xù)提供的熱能，持續(xù)不斷的擴(kuò)散到周圍氣體介質(zhì)中，氣體介質(zhì)吸收水蒸氣的數(shù)量隨其溫度的升高而增大，但同時也取決于氣體介質(zhì)的相對濕度。

1.2.2 內(nèi)擴(kuò)散

坯體表面水分不斷蒸發(fā)，其含量小于坯體內(nèi)部水分含量，必然導(dǎo)致水分由內(nèi)部源源不斷的向表面擴(kuò)散。這種水分由內(nèi)部擴(kuò)散至表面的過程稱為內(nèi)擴(kuò)散。影響坯體內(nèi)擴(kuò)散的內(nèi)因主要是器型結(jié)構(gòu)、坯體組成與成形水分等。薄壁、形狀簡單的器型結(jié)構(gòu)有利于水分的內(nèi)擴(kuò)散；瘠性原料較多時能有效減少成形水分和降低干燥收縮，加速內(nèi)擴(kuò)散。內(nèi)擴(kuò)散的快慢是由濕擴(kuò)散和熱擴(kuò)散所決定。

干燥過程的外擴(kuò)散與內(nèi)擴(kuò)散存在著內(nèi)在聯(lián)系并具有一定規(guī)律。在企業(yè)的實際生產(chǎn)中，要求在保證坯體質(zhì)量的前提下，干燥速率最大，干燥時間最短。然而要實現(xiàn)這一目的，就必須充分了解和掌握影響干燥速度的各種因素，科學(xué)的、客觀的分析和制定合理的干燥制度。

1.3 干燥過程

坯體干燥過程按干燥速率的變化可分為四個階段，即升速階段、等速階段、降速階段和平衡階段。當(dāng)干燥介質(zhì)為恒溫恒濕時，干燥過程曲線如圖1所示。

1-坯體含水率 2-干燥速度 3-坯體溫度圖1 坯體干燥過程的階段示意圖

1.3.1 升速階段

由圖1可知，在此階段，隨著干燥時間的延長，干燥速度逐漸提升，直至最大值A(chǔ)點；坯體的表面溫度逐漸升高到干燥介質(zhì)的濕球溫度。這表明，在干燥初期濕坯從較低的室溫進(jìn)入到較高的干燥環(huán)境，其本身吸熱升溫同時伴隨著坯體表面的水分蒸發(fā)，帶走坯體的熱量。當(dāng)坯體的溫度達(dá)到一定值，此時其吸收的熱量與其表面水分蒸發(fā)的熱量達(dá)到動態(tài)平衡，坯體的溫度不再升高，而進(jìn)入等速干燥階段。

1.3.2 等速干燥階段

在此階段，坯體內(nèi)部水分能順暢地源源不斷地移向表面，表面維持潤濕狀態(tài)，使其表面的蒸發(fā)過程連續(xù)進(jìn)行，此時坯體吸收的熱能全部用于水分的蒸發(fā)。此階段坯體內(nèi)部水分的擴(kuò)散速度等于表面水分的蒸發(fā)速度，坯體表面溫度保持恒定，干燥速率固定不變。同時隨著濕坯水分的不斷排出，坯體逐漸收縮，收縮的體積相當(dāng)于所排出的水的體積。此階段的干燥速率主要取決于干燥介質(zhì)的條件，干燥速率過快往往會造成坯體開裂等缺陷。

1.3.3 降速干燥階段

當(dāng)坯體水分降到臨界點(B1點)后，由于坯體中顆粒已相互接觸、彼此靠攏，坯體內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密化，增大了內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散、遷移的阻力，使得坯體內(nèi)部水分?jǐn)U散速度小于表面蒸發(fā)速度，造成蒸發(fā)水量減少，干燥速率也逐漸降低。在此階段中，坯體溫度逐漸升高，最終接近干燥介質(zhì)溫度(干球溫度)。另外，在此階段由于坯體內(nèi)顆粒已相互靠攏，排除的是坯體中的吸附水，因此坯體不再產(chǎn)生收縮或略有收縮。

1.3.4 平衡階段

當(dāng)坯體干燥到水分達(dá)到平衡水分時，干燥速率降為零。此時坯體與周圍介質(zhì)達(dá)到平衡狀態(tài)。平衡水分的多少取決于坯體的性質(zhì)和周圍介質(zhì)的溫度與濕度，此時坯體中的水分稱為干燥最終水分。

由以上四個階段可以看出，等速干燥階段是坯體干燥過程的收縮階段，在整個過程中坯體中的水分排出，坯體顆粒表面的自由水膜變薄，顆粒在彼此靠攏發(fā)生收縮，因坯料部分顆粒取向性排列造成其收縮時的各異向性，由此而產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于塑性狀態(tài)屈服值時，坯體產(chǎn)生變形缺陷；當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于塑性狀態(tài)的破裂值或彈性狀態(tài)抗拉強(qiáng)度時，坯體在薄弱處產(chǎn)生開裂缺陷。

2 快速干燥技術(shù)

在上述的分析中可以確定等速干燥階段的重要性，在實際生產(chǎn)中最不可控的就是等速干燥時坯體水分由內(nèi)向外的擴(kuò)散速度，往往表面水分的蒸發(fā)速度大于其內(nèi)擴(kuò)散的速度，這就造成了坯體外表面含水率低、內(nèi)含水率高，其內(nèi)外收縮不一致，進(jìn)而產(chǎn)生了干燥缺陷。針對這個問題，經(jīng)過反復(fù)研究、實驗、論證，筆者總結(jié)出了科學(xué)合理的干燥制度，設(shè)計了一套科學(xué)的干燥系統(tǒng)來控制整個干燥過程。

2.1 設(shè)備主要構(gòu)成

2.1.1 干燥室室體

其主體框架采用鍍鋅方管焊接，周圍墻面及頂采用厚巖棉夾芯板制成，頂部進(jìn)行加固以承載熱風(fēng)管道等設(shè)備。開有多個出入窯口，產(chǎn)品可快速出、入窯，并開有一個小型觀察門，可隨時進(jìn)入窯內(nèi)觀察干燥情況。

2.1.2 熱風(fēng)產(chǎn)生、送風(fēng)系統(tǒng)

安裝國外進(jìn)口熱風(fēng)爐、送風(fēng)機(jī)，大流量旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)分風(fēng)器，熱風(fēng)管道若干。

2.1.3 加濕系統(tǒng)

大功率加濕器、加濕器管路若干。

2.1.4 實驗數(shù)據(jù)采集設(shè)備

在線溫濕度記錄儀，手持溫濕度記錄儀(優(yōu)利德UT333 BT)，風(fēng)速計(希瑪AS836)。

2.2 快速烘干實驗

為減少坯體干燥缺陷的發(fā)生，首要是控制在等速階段濕坯的收縮速率，使其內(nèi)外收縮速率一致或相近即可，也就是人為的去控制濕坯在等速階段的失水速率，使其在可控的溫度、濕度氣氛中以可控的速率收縮，直至到達(dá)坯體的臨界水分，即圖1中的B點，然后按照工藝曲線設(shè)定提高介質(zhì)溫度，降低介質(zhì)濕度，進(jìn)行快速干燥，直至坯體含水率達(dá)到0.5%～1.0%。

圖2 蹲便器24 h干燥曲線

連體坐便器入窯前含水率為19%，蹲便器入窯前含水率為18%，因類別不同，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、濕坯大小均不同，故分別設(shè)計了烘干曲線如圖2、圖3所示。

區(qū)域1：此階段氣氛為高濕低溫，濕度設(shè)定在85 RH%～92 RH%之間，溫度設(shè)定在28～38 ℃。主要目的使坯體迅速達(dá)到介質(zhì)溫度，同時防止坯體因為表面失水速率過快，超出坯體內(nèi)部水分的內(nèi)擴(kuò)散速率而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，進(jìn)而造成干燥隱患。

區(qū)域2：當(dāng)坯體溫度達(dá)到介質(zhì)溫度后，溫度不再升高，此時熱量的絕大部分是提供給坯體用于將內(nèi)部的自由水排出，當(dāng)水分含量達(dá)到其臨界水分時，坯體內(nèi)部顆粒已相互接觸，坯體不再收縮，即可升溫排潮，進(jìn)入下一階段。此階段開始和結(jié)束節(jié)點的確定一直是一個不易確定的問題點，為此筆者使用在線測溫儀與收縮測試儀配合進(jìn)行測量，以蹲便器為測試對象，實驗數(shù)據(jù)通過整理如表1所示。

圖3 連體坐便器48 h干燥曲線

區(qū)域3：此階段為升溫降濕階段，溫、濕度變化較大，濕坯的失水速率開始慢慢提升，此時的濕坯仍存在一定的風(fēng)險，開始時干燥速率不宜太大。

表1 蹲便器干燥收縮記錄

區(qū)域4：此階段為高溫低濕階段，此時坯體的失水速率達(dá)到最大，最大速率取決于介質(zhì)的溫度、濕度以及坯體表面的介質(zhì)流動速度，應(yīng)盡可能的提高到最大。

3 試驗過程

在試驗的初期，設(shè)定了不同的風(fēng)速曲線來進(jìn)行區(qū)域2的控制，由于濕坯的阻擋各個位置的介質(zhì)流速不一致，這里取的是分風(fēng)器出口的數(shù)據(jù)，如圖4所示，在風(fēng)速達(dá)到最大后保持到干燥周期結(jié)束。

圖4 風(fēng)速曲線圖

在各個風(fēng)速曲線下連體坐便器的干燥合格率如圖5所示。

在實驗初期其干燥合格率不理想，產(chǎn)生干燥缺陷的多為虹吸式全包連體坐便器，干燥缺陷集中在炸鍋和裂虹吸管道，合格率為60%～70%，傳統(tǒng)干燥合格率在95%以上。經(jīng)過分析確定，坯體鍋內(nèi)開裂是因為全包連體的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，底部在工裝板上，由于結(jié)構(gòu)原因形成一個封閉空間，從該部位經(jīng)過的風(fēng)量不夠，造成局部的蒸發(fā)量小于整體的蒸發(fā)量，進(jìn)而由于內(nèi)部收縮不均，應(yīng)力超過坯體承受能力而產(chǎn)生了開裂缺陷；管道裂是因為管道部位封閉太密實，外部干燥速度大于內(nèi)部干燥速度，造成了干燥缺陷的產(chǎn)生。同時發(fā)現(xiàn)靠近風(fēng)錐的產(chǎn)品與距風(fēng)錐較遠(yuǎn)的位置產(chǎn)品其干燥合格率也有較大差距。

圖5 連體坐便器干燥合格率

為解決上述的這些問題采取以下幾項措施:

1)在工裝板上對著排污口的位置開30 cm×30 cm的方孔，加大底部的通風(fēng)狀況，加強(qiáng)底部的熱量交換，起到加速底部水分蒸發(fā)的目的。

2)將連體坐便器擺放位置進(jìn)行調(diào)整，使管道后部干燥速度減緩，與管道前段的干燥速度相匹配。

3)初始濕度從93% RH降低到90%RH，增大等速階段的蒸發(fā)量。

4)在溫、濕度參數(shù)一定的條件下設(shè)定不同風(fēng)速曲線進(jìn)行試驗，如圖3所示，在12 h以后保持最大風(fēng)速。

在溫、濕度制度等其他參數(shù)一定的情況下，各個風(fēng)速曲線下干燥合格率有明顯區(qū)別。在開始階段介質(zhì)流速要再低一些，使坯體均勻升溫，當(dāng)進(jìn)入等速干燥階段后需要快速提高介質(zhì)的流速，使干燥房內(nèi)部的介質(zhì)充分流動，帶走坯體表面的水分，并保證整個房間內(nèi)部的溫、濕度均勻，以防止收縮不均勻進(jìn)而產(chǎn)生干燥缺陷。

而在這個過程中需要準(zhǔn)確控制干燥房內(nèi)的風(fēng)速，風(fēng)速過低會造成坯體失水不夠，在溫度上升、濕度下降的時候未達(dá)到臨界水分；風(fēng)速過高又會造成坯體失水過快，內(nèi)部應(yīng)力超出當(dāng)時坯體的承受能力，造成濕坯開裂缺陷。選擇了多個風(fēng)速方案進(jìn)行試驗，跟進(jìn)試驗結(jié)果后得出結(jié)論，在風(fēng)速曲線2的條件下干燥合格率最高，達(dá)到了96%，完全滿足生產(chǎn)要求。

通過以上措施保證鍋內(nèi)和管道的蒸發(fā)量與整個坯體同步，保證干燥質(zhì)量。

4 結(jié)語

經(jīng)過多次實驗，坯體最終的干燥合格率控制在95%以上。由此可以得出結(jié)論，對于衛(wèi)生潔具坯體建立分階段采用低溫高濕和高溫低濕氣氛、控制合理的風(fēng)速保證坯體內(nèi)外收縮的一致的干燥制度，可以在保證坯體干燥質(zhì)量的前提下縮短干燥時間，提高干燥效率70%以上，縮短生產(chǎn)周期2～3 d，同時節(jié)省了50%以上的干燥場地。本干燥系統(tǒng)可與自動化流水線設(shè)備無縫對接，實現(xiàn)全流程的自動化，特別適用于三班連續(xù)生產(chǎn)的高壓注漿模式。對生產(chǎn)企業(yè)來說快速干燥技術(shù)縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，改善了干燥工藝，是陶瓷坯體干燥技術(shù)的一次突破，具有極大的推廣價值。