4．1　干燥工藝原理

物質(zhì)的干燥原理是將能量傳給物料，物料中的水分獲得能量后，氣化蒸發(fā)，由液體水變成氣體離開物料，從而使物料干燥。故物料的干燥過程既有傳熱過程，也有水分擴散的傳質(zhì)過程以及水分蒸發(fā)的相變過程，而且物料本身也會因為水分的遷移、蒸發(fā)而發(fā)生各種變形、收縮、干燥理論是研究這些過程以及變形。

4．1．1　坯體中的水分

建筑陶瓷原料經(jīng)過配料，球磨，噴霧干燥后，得到的粉體經(jīng)過壓制成形得到一定形狀的坯體，坯體的含水率一般在5%～8%之間，坯體的含水可分為以下幾個部分:

(1)平衡水分和自由水分。當坯體與一定溫度及濕度的靜止空氣接觸，勢必釋放出或吸收水分，使坯體含水率達到某一平衡數(shù)值。只要空氣的狀態(tài)不變，坯體中所達到的含水率就不再因接觸時間增加而發(fā)生變化，此定值就得到坯體在該空氣狀態(tài)下的平衡水分。而達到平衡水分時濕坯體失去的水分為自由水分。換言之，坯體水分是由平衡水分和自由水分組成。在一定的空氣狀態(tài)下，干燥的極限就是使坯體達到平衡水分。

(2)結(jié)合水分與非結(jié)合水分。結(jié)合水分是包括在坯體微毛細管(毛細管半徑r≤10^－7m)及膠體顆粒表面所含水分。這種水分與坯體分值結(jié)合力強，產(chǎn)生的蒸氣壓較同溫度下水的飽和蒸氣壓為低(低約10%)，在干燥中較難除去。而非結(jié)合水是指坯體表面的潤濕水分及大毛細管中水分(即毛細管半徑大于r≥10^－7m)，這種水分與坯體的結(jié)合力較弱。非結(jié)合水分所產(chǎn)生的蒸氣壓與同溫度時水分的飽和蒸氣壓相等，在干燥過程中較容易除去。

4．1．2　干燥過程

濕坯體在熱空氣中干燥時，坯體的含水率、坯體溫度及干燥速率都經(jīng)歷了變化。圖4．1是坯體在干燥過程的干燥特性曲線。

T—坯體溫度曲線;X—坯體含水率曲線;V—干燥速率曲線;V_max—最大干燥速率曲線

圖4．1　干燥特性曲線

1．加熱階段

圖4．1中a～b段是坯體的加熱段，坯體逐漸升溫。在這一過程中，雖然占干燥的總時間不長，卻是干燥過程最關(guān)鍵的一段。如果在這一階段處理不當，很容易造成坯體表面暗裂。

當坯體與一定溫度的熱空氣接觸時，坯體表面的水分首先氣化。如果此時表層得到從坯體內(nèi)部的水分補充，或從外部熱空氣中得到水分，則坯體不會出現(xiàn)意外變化。但坯體在此階段，一方面由于坯體表面溫度升高，表面層的水分很快蒸發(fā)，另一方面，坯體內(nèi)部尚未升溫，水分擴散能力小，而且由于坯體內(nèi)的負溫度梯度引起的物流與濃度差引起的物流方向相反，造成從坯體內(nèi)部到坯體表面的擴散水分減少，很容易引起坯體表面開裂，升溫越快則開裂傾向越嚴重。

2．恒速階段

恒速階段為圖4．1中的b～c。在這一階段，坯體總體溫度都已經(jīng)升高且穩(wěn)定，坯體內(nèi)部水分擴散率提高，加上坯體內(nèi)的溫度梯度幾乎消失。此時，水分的擴散處于最大值，坯體整個表面有充分的非結(jié)合水，表面蒸氣壓等于同溫度下水的蒸氣壓。坯體表面水分氣化速率(外擴散速率)與坯體內(nèi)部水分向坯體表面的擴散速率(內(nèi)擴散速率)平衡，坯體表面可以維持濕潤狀態(tài)。此時，熱空氣傳熱給坯體表面的速率等于坯體表面水分氣化帶走熱流的速率。所以，坯體的表面溫度、內(nèi)部溫度都維持不變，等于該空氣狀態(tài)下的濕球溫度。

在此階段，干燥速率主要有坯體表面氣化速率所決定，在此階段要加快干燥，必需從下面幾個方面改進:

①空氣流速。在絕熱的條件下，干燥速率與空氣流速的0．8次方成正比。

在設(shè)計干燥制度和流程時，對于恒速干燥段，要加大在此階段空氣的流速。

②空氣濕度?？諝鉂穸冉档?，坯體的干燥速率將增加。

③空氣溫度。提高空氣溫度有幾點好處，首先能提高坯體溫度，加強水分子的擴散能力。溫度增加也提高了水蒸氣的分壓力，快速水蒸氣的蒸發(fā)。但提高溫度受到坯體的物理化學性質(zhì)的限制。

3．降速干燥段

圖4．1中的c～d成為降速干燥段。當坯體內(nèi)部水分遷移到表面的速率趕不上表面水分的蒸發(fā)時坯體表面不再濕潤，此時干燥速率由水分從坯體內(nèi)遷移到坯體表面的速率所控制。隨著干燥的進行，坯體平均含水率大大下降，濕潤的表面不斷減少，干燥速率不斷降低。水分的氣化面逐漸有表面移向內(nèi)部，氣化所需的熱量，通過已干燥的固體表層傳導到內(nèi)部的氣化面。汽化后的水也通過該干燥的表面進入空氣中，干燥速率下降很快。最后完全受水分在物料中移動速率所控制。

建筑陶瓷坯體由于采用半干壓法成形，因含水率低于臨界濕度，因而，沒有等速干燥階段。在干燥過程中也不收縮。但干燥過程中仍然會發(fā)生開裂現(xiàn)象，這是由于在降速干燥階段，干燥速度不合理，坯體內(nèi)蒸氣壓太高所致。

4．1．3　干燥缺陷分析

建筑陶瓷坯體和其他陶瓷坯體一樣，在干燥過程中容易出現(xiàn)的主要缺陷是變形和開裂。

(1)變形:坯體在干燥過程產(chǎn)生變形的主要原因是干燥速度控制不當，表面或一面水分排除過快，收縮較早而且較大，內(nèi)部或另一面水分排除慢，收縮遲而且小，坯體內(nèi)外或兩面收縮不均造成應力，使坯體出現(xiàn)變形。其他如成形時壓力不均，坯體致密度不一致，干燥墊板不平等，也可能產(chǎn)生變形。

通過嚴格控制干燥制度，使表面水分的蒸發(fā)速度與內(nèi)部水分的擴散速度趨向平衡，防止內(nèi)外收縮不均，對制品兩面同時加熱，增大水分擴散面，可克服兩面干燥不均導致的變形，在其他工序也應該排除引起變形的因素。

(2)開裂:產(chǎn)生開裂的原因是因為干燥不均勻?qū)е碌呐黧w內(nèi)應力超過坯體本身強度即發(fā)生開裂。除表面與內(nèi)部，一面與另一面之間易于干燥不均勻外，坯體的周邊因受熱與傳質(zhì)較快，干燥比中心部分快得多，易于受張應力而發(fā)生邊部開裂。建筑陶瓷坯體在干燥過程中實際的收縮甚微，導致開裂的主要原因是受熱過急，水分激烈氣化，坯內(nèi)過大的蒸氣壓使坯體脹裂。

當干燥大塊可塑成形的建筑陶瓷坯體時，可在邊緣部分作隔濕處理，涂上油脂之類的物質(zhì)，以降低邊部干燥速度。坯體碼放時，干燥制度應保證產(chǎn)生的蒸氣能順利排出，磚的背紋不應該是封閉的，而應該是敞開的，那樣可以保證磚垛排氣順利。