微波干燥技术在蜂窝陶瓷中的应用
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摘 要：蜂窝陶瓷挤压成形后的强度低、难干燥等问题，严重制约了蜂窝陶瓷的广泛应用。近年来，微波干燥技术已应用于蜂窝陶瓷上，可以解决其强度低、难干燥等问题。结果表明，微波干燥技术能降低成形后蜂窝陶瓷坯体约10%的水分。通过分析蜂窝陶瓷干燥的过程，提出了热风干燥与微波干燥相组合的方法，结合两者的优势，以达到优化节能的目的。
关键词：蜂窝陶瓷；微波干燥；热风干燥；组合
1 引言
蜂窝陶瓷作为一种功能性多孔材料[1]，早在20世纪70年代就由美国康宁(Corning)公司开始试制，并在1975年进行了小型车尾气净化试验，取得了良好的效果。与传统的颗粒状陶瓷载体相比，多孔状蜂窝陶瓷载体具有几何表面大、扩展距离短、有利于反应物的进入和生成物的排出，并可缩小反应器的体积等优点。因此，蜂窝陶瓷特别适用于汽车尾气的处理、烟道气的净化、蓄热体以及红外辐射燃烧板等方面的应用。
微波的波长在1mm～1m之间，频率在3.0×102~3.0×105 MHz之间（见图1），具有穿透性的一种电磁波。目前，国内外微波干燥技术已在轻工业、食品工业、化学工业、农业和农产品加工等领域得到广泛应用。具体在造纸、陶瓷、木材、食品、沥青、污水处理、表面活性剂、香料、矿石、药物、混凝土、涂料、油漆等方面已开始研究和应用[2]。
蜂窝陶瓷由于成形时水分较多，孔隙多，且坯体内孔壁特别薄。因此，采用传统的方法会导致加热不均匀，极难干燥；由于蜂窝陶瓷导热系数差，其干燥过程要求特别严格（如环保汽车、蓄热体、红外辐射燃烧板等方面的蜂窝陶瓷）。如果干燥过程控制不好，易导致变形，以及影响孔隙率和比表面积。
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干燥时存在表面与内部干燥速度不一致的问题；同时，也解决了坯体干燥前强度低、搬运困难，干燥后易开裂等问题。
2 微波干燥技术的特点
微波干燥的原理：采用微波照射湿坯体，电磁场的方向和大小会随时间作周期性变化，使坯体内极性水分子随着交变高频电场的变化，产生剧烈的转动，然后发生摩擦转化为热能，使得坯体整体均匀升温，达到干燥的目的。微波照射的穿透能力远比红外线大。微波干燥的特点可归纳为以下四点[4]：
2.1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，热量不必从表面传递到物料内部，而是直接将能量作用于整体物料，在物料内部瞬时转化为热量，大大缩短了加热时间。
2.2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，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，所以水吸收的微波能远大于其它物质。
2.3热效率高、节约能源
微波直接与物料相互作用，不需要加热空气或加热大面积的设备器壁等，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，只能为物料吸收。因此微波具有热效率高、节约能源的作用
2.4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，在物料的表面很少出现温度过热和结壳的现象，有利于水分的蒸发。利用风热或蒸汽进行表面加热，有利于坯体的加热均匀，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。
3 蜂窝陶瓷的干燥工艺过程[5]
3.1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；三是游离水，游离于坯料颗粒间。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。
3.2干燥过程与生坯的变化关系
坯体排出水分可分为两个途径：蒸发生坯表面的水分扩散到周围介质中去，为外扩散；水分由生坯内部迁移到表面，为内扩散。在内、外扩散的过程中需吸收一定的能量。随着生坯含水率降低，一般干燥过程可分为：预热阶段、等速干燥阶段、降速干燥阶段与平衡状态，如图2所示。
3.2.1预热阶段
干燥的起始生坯温度约等于室温，获得的热量大于此时汽化所需的热量，生坯温度上升；随着生坯温度升高，获得的热量与汽化热量相等。由图2可知，由K到A是预热阶段，一般时间很短。当生坯含水率低或采用红外干燥时，这个过程就更短，此阶段生坯体积基本不变。
3.2.2等速干燥阶段
从A点到B点，水分自生坯外表面的连续水膜蒸发，内部水分不断补充。此时，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。这一阶段较为关键，应使生坯表面温度均匀，尽量保持不变。
3.2.3降速干燥阶段
从B点开始，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，外扩散因此也受到制约。u随绝对含水率的降低而降低，生坯略有收缩。其原因为：一是颗粒由靠拢到贴紧有一段过程；二是水分的减少导致生坯会有微量收缩。随着含水率的降低，其体积收缩越来越小。由C到D其含水率降低较小，此时生坯基本不再收缩，一般不会引起生坯变形或开裂。B到C的蒸发主要发生在接近外表面的毛细管口；由C到D，生坯的含水量更少、气孔更多，蒸发面转移到生坯内部。由B点开始生坯逐步升温，颜色也逐步发生改变：由深色逐渐变为粉体的浅色。从等速干燥阶段转为降速干燥阶段，处于B点的含水率称为临界含水率，处于C点的含水率称为第二临界含水率。
3.2.4平衡状态
到达D点后，生坯水分与环境的交换呈平衡状态，干燥过程终止。这时的含水率为最终含水率，除与周围介质温度、相对湿度有关外，还与坯料的组成有关。生坯的水分含量过高，则会降低生坯强度和窑炉的效率；过低则会浪费能耗。因此，以平衡状态下的含水率为宜。
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压成形，其原料中一般加入15%～20%的水分。蜂窝陶瓷的内部是由许多格子状的间壁分割而成，挤出后不能搬运和后续加工，如不进行快速干燥，原有的形状将产生变形。挤压成形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。一般地，坯体中颗粒定向排列较为明显时，在干燥过程中都会引起不同方向上的不均匀收缩。
笔者所属的公司，微波干燥技术已经成功应用于蜂窝陶瓷上。本文通过A、B、C三组试验，证明微波干燥在蜂窝陶瓷干燥中的优越性，其中每组实验的编号分别为：A1~A5、B1~B5、C1~C5。A1~A5的测试设备为A微波炉公司生产的，型号为WKS-162；B1~B5、C1~C5的测试设备为B微波炉公司生产的，型号为RS-PM-015，干燥时间为 7min。其微波对蜂窝陶瓷的干燥情况如表1所示。
由表1可知，挤压成形后的蜂窝陶瓷坯体，经微波炉干燥后，可以降低7%~10%的水分，且设备越新，干燥效率越高。
蜂窝陶瓷通过微波干燥7min后，其水分明显降低了，并且强度有一定的提高，适合搬运及重新烧成。刚干燥出来的产品表面有一定的余热，可以利用风扇机对蜂窝陶瓷进行对流干燥，将表面的热量和水分除去，然后将蜂窝陶瓷放置在高温热泵房中进行干燥，干燥时间大约15~17h，此时，蜂窝陶瓷的含水量已降低到适合烧成的范围。整个流程，不仅操作简单、节约空间，而且提高劳动效率，充分发挥了组合干燥的优势，取得了较为理想的效果。
5 结论
（1） 微波干燥技术应用到蜂窝陶瓷干燥中，7min能降低7%~10%的含水率，且设备越新，干燥的效果越好。
（2） 微波干燥技术与对流干燥、高温热泵干燥技术相结合，获得最佳的干燥效果，达到效率高又节能的目的。
参考文献
[1] 曾令可,王慧,程小苏.陶瓷工业干燥技术和设备[J].山东陶瓷,
2003,26(1):15-18.
[2] 曾令可,王慧.多功能陶瓷制备与应用[J].化学工业出版社,2006.
[3] 和进娜,徐庆.微波干燥技术的应用研究[J].机电信息,2006(29):
55-56.
[4] 刘海燕.多孔陶瓷二次干燥技术与应用研究[D].武汉:武汉理工
大学,2006:22.
[5] 李家驹.陶瓷工艺学[M].北京:中国轻工业出版社,2001.
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