卫生陶瓷坯体新型智能化干燥技术与装备*

惠　涛　贾书雄　马小鹏

(咸阳陶瓷研究设计院　陕西 咸阳　712000)



卫生陶瓷坯体新型智能化干燥技术与装备*

惠涛贾书雄马小鹏

(咸阳陶瓷研究设计院陕西 咸阳712000)

笔者结合干燥机理、干燥过程，对卫生陶瓷坯体新型智能化干燥装备的设计思路与工作原理、关键系统设计等进行了阐述。

干燥机理工作原理关键系统

对于注浆成形的卫生陶瓷坯体，干燥是其生产过程中的重要环节，干燥结果直接影响着产品的性能与品质。干燥是能耗大户，干燥技术与设备的好坏，将严重影响其能源消耗率。目前，国内该行业干燥设备主要以室式干燥器为主，其构造简单，大多还停留在只能显示温湿度阶段；整个干燥过程采用连续式供热与排潮，产品与热量交换时间短，即被排出，造成能源浪费，而且温湿度场难以保持与控制；采用管道式静态(官道上开小孔)方式送风，因其风速较小，容易在干燥腔体内部形成死角，造成断面上下温湿度变化较大，干燥不均匀。这种干燥器的操作与数据统计，完全依靠人工来完成，根本不存在所谓的智能控制系统，工人根据生产经验，手动调节进气阀与排出风口大小来控制温湿度，这种方式人为因素较大，滞后性强，很难达到精准控制，产品合格率低，干燥周期长。

为了改变现状，我们通过集成创新的方式，将现代在线采集与传感技术、变频技术、智能控制技术与专业的干燥设备相结合，研究开发出了——新型卫生陶瓷坯体智能化技术与装备。

1　干燥机理

1.1 坯体中的水分类型

卫生陶瓷湿坯水分主要有3种类型：

1)自由水。分布于坯体颗粒的间隙中，靠内聚力与物料松弛的结合，结合的牢固性最弱。基本符合水的一般物理特性，在干燥过程中首先被排出，并在排出的过程中坯体收缩。

2)吸附水。它是依靠坯体中分子引力(范德瓦尔斯力)与毛细管力，处于坯体颗粒表面或者微毛细管(直径小于1×10-4mm)中的水分。

3)化学结合水。它是参与组成物料晶格的水分，其结合形式最牢固，需要较大的能量才可以排出。如高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O)中的结晶水需要在400～500 ℃时才能排除，但这不属于干燥范围，因此在干燥工艺中不予考虑。干燥是排出自由水和吸附水的过程。

1.2干燥速率及其影响因素

1) 外扩散

水分由湿坯表面蒸发到干燥介质中的过程，称为外扩散。外扩散速率可用下式表示：

式中：U——外扩散速率kg/m2·h；

ω——平行于坯体表面的干燥介质流速；

Ps——坯体表面的水蒸气分压，Pa；

Pw——干燥介质中的水蒸气分压，Pa。

2) 内扩散

水分由坯体内部迁移到表面过程，称为内扩散，包括湿扩散(湿传导)和热扩散(热湿传导)。湿扩散是指坯体内由湿度梯度(水分浓度梯度)引起的水分迁移；热扩散是指坯体内由温度梯度引起的水分迁移。

湿扩散用公式表示为：

式中：Um——湿扩散速率，g/cm2·s；

D——水分的湿扩散系数, cm2/s；

c0，cs——坯体中心与表面的水分浓度，g/cm3；

u0，us——坯体中心与表面的绝对水分%；

s——坯体厚度，cm；

G0——绝干坯体质量，g/cm3；

式中：Uh——热扩散速率，g/cm2·s；

δ——热扩散系数，1/℃；

1.3干燥过程

在卫生瓷坯体的干燥过程可分为3个阶段：升速阶段、等速阶段、降速阶段。

1) 升速阶段

干燥初期，介质传给湿坯的热量大于表面水分蒸发消耗的热量，表面温度随之升高，蒸发的水分也随之增多。当介质传给坯体的热量等于水分蒸发的热量时，两者达到动态平衡，表面温度不再升高，并等于湿球温度。此阶段时间相对较短，排出水量不多，坯体体积基本没有变化，升温速度可加快。

2) 等速阶段

坯体水分内扩散速率等于外扩散速率，湿坯水分较高，内扩散较容易，因此该过程干燥速率主要由外扩散决定。干燥介质的参数(温度、湿度、流速)以及介质与湿坯的接触情况对干燥速率起决定作用。此阶段若操作不当，坯体易开裂变形，产生废品。

3) 降速阶段

此阶段内扩散速率小于外扩散速率，湿坯水分减少，内部水分的迁移赶不上外部水分的蒸发，因此该过程主要由内扩散决定。降速阶段排出的水分为大气吸附水，坯体不产生收缩或略有收缩。

2　设计思路及工作原理

2.1设计思路

针对卫生陶瓷坯体单件尺寸较大、结构复杂、含水率高、棱角多的特点，有以下设想：

1) 起始阶段(升速阶段)，设计为低温、高湿、低风速的干燥介质对陶瓷坯体预热；此阶段主要预热湿坯，表面与内部受热均匀的目的；

2) 等速阶段，设计为中温、中湿、中风速的干燥介质，并保持一段时间，使坯体收缩均匀；此阶段有大量自由水排出，伴随着体积收缩，收缩量约等于排出水量，必须严格控制介质参数，避免造成收缩不均匀；

3) 降速阶段，设计为高温、低湿、高风速的介质进行快速干燥；此阶段坯体基本不产生收缩，可以加快干燥缩短周期；

4) 送风方式设计为三维立体式动态变频送风，风速高，送风均匀；

5) 研究对象为卫生瓷坯体，已无法改变结构复杂、含水率高、坯体较厚的现状，为了提高干燥速率，变传统的单面干燥为多面干燥；

6) 采用智能传感技术，对干燥环境进行实时数据的在线采集、监测、反馈；

7) 采用智能控制技术，对反馈结果进行操作，精准控制干燥介质参数。

2.2工作原理

本设备采用低温高湿、高温低湿的工作原理，干燥腔体必须设计为相对密闭而且能够保温保湿的空间。热源采用蒸汽或者天然气，经换(加)热装置产生所需热量，由循环风机送入干燥器内各动态系统处，对产品进行干燥。热风系统管道形成闭路循环，将干燥器内部抽出的冷风加热，与少量的新鲜空气混合后，再次送回壳体内部，在此过程中排除等量的废气。其工作原理见图1。

图1　工作原理图

3　关键系统设计

3.1干燥器尺寸及选材

式中：V——干燥室容积，m3；

G——生产任务，kg/h，kg数为绝干坯体的质量；

t——干燥时间，h；

K——干燥合格率；

g——装载密度，kg/ m3。

此公式计算出的容积为有效干燥空间，动态送风锥与送热风管道处于干燥室内部，必须再计算数据的基础上加上送风锥与内部管道所占区域体积，方为需设计的容积。确定干燥室宽度与高度时，必须考虑窑车运输空间，使其有足够的空间自由出入。

选用密度≥120 kg/ m3，导热系数≤0.036 w/m的高效岩棉保温板，作为墙板与顶板，配合特殊设计的钢结构骨架组成密闭空间。

3.2三维立体式动态送风系统设计

图2　三维立体式动态送风系统设计

3.3智能传感系统设计

如图3所示，温湿度计实时在线采集坯体干燥过程表面温湿度，将结果信号反馈给PLC，PLC根据已编程序、设定曲线，分析判断当时的温湿度，把具体的操作指令传给执行器，执行器通过调整蒸汽调节阀(燃烧机)、加湿喷嘴、进风量、排风量，根据具体的情况变化一个或者多个值。

图3　智能传感系统设计

3.4智能控制系统设计

控制部件选用SiemensS7-300型 PLC，配备WinCC监控软件，现场数据采用分站采集并集中处理的方式。实现从装窑完毕到出窑整个过程的全自动运行，通过传感系统的实时监测，完成干燥过程的精准控制，数据的统计处理，全部依靠计算机完成。避免了人为因素的不利影响，温湿度变化反应及时，产品热交换与排潮过程配合合理。

4　结语

我国是陶瓷生产大国，而陶瓷生产属于能耗较高，具有一定污染，作业环境较差，人力投入较大的行业。根据我国“十三五”规划，陶瓷行业今后5年的工作重点，将向高效、节能、环保、高端智能化方向发展。因此卫生陶瓷坯体新型智能化干燥技术与装备的开发成功，顺应政策与行业发展的潮流，市场前景十分看好。该项技术与装备，还可以推广应用到电瓷、蜂窝陶瓷、墙体材料、石英坩埚、木材等行业。

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*惠涛(1985-)，本科，工程师；主要从事陶瓷干燥设备的研究与设计工作。