微波干燥在陶瓷行业的应用

肖建平 吴长发 范伟峰

(佛山欧神诺陶瓷有限公司 广东 佛山 528138)

微波是频率为300 MHz～300 GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长1 mm～100 cm的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般无线电频率高，也称为超高频电磁波。其波段位于电磁波谱的红外辐射和无线电波之间。微波加热是利用在微波电磁场中材料的介质损耗使其整体升温至一定温度的快速加热新技术，是微波技术与材料科学以及工程学科交叉结合而产生的一门新学科[1]。微波干燥起源于20世纪40年代。目前，微波加热已广泛应用于干燥或加热食品、木材、橡胶、皮革、纸张、烟草等领域[2～4]。陶瓷行业涉及的加热干燥环节多，干燥能耗在整个工艺总能耗中占据较大的比重。因此，微波干燥在陶瓷领域有较为广泛的应用。

1 微波干燥的原理及特点

微波干燥利用的是介质损耗原理，由于水是强吸收微波的物质，因而水的损耗因素比干物质大得多，可以大量吸收微波能并转化为热能。物料中的水分子是极性分子，在微波的作用下，其极性取向随着外加电场的变化而变化。微波场以每秒几亿次的高速，且周期地改变外加电场的方向，使极性的水分子急剧摆动碰撞产生显著的热效应。微波干燥的特点可归纳为以下四点[5～6]：

1)加热快速、均匀。与普通加热方法相比，由于微波对吸收介质有较强的热量穿透能力，不必从表面传递到物料内部而是直接将能量作用于整个物料，在物料内部瞬时转化为热量，大大缩短了加热时间。

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。

3)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，既可以提高热利用率，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，微波具有加热效率高，且起到节约能源的作用。

4)反应灵敏，易控制产品质量。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温度，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，有利于坯体的均匀加热，从而提高了产品的合格率。能量输出大小可以通过电源开关的控制来实现，可提高产品质量。

2 微波干燥设备简介

微波干燥器主要由微波发生器、连接导管和微波加热器等部分组成。在微波管上加上高压直流电压，微波管将电能转换成微波能，微波能以微波的形式通过波导管传递至微波加热器加热陶瓷坯体。通常在微波发生器上安装冷却系统，用于对微波管的腔体及阴极部分进行冷却。

图1 微波干燥器结构示意图

微波发生器有许多种，但主要可以分为两种[7]：电真空器件和半导体器件。其中电真空器件是利用电子在真空中的运动来实现能量转变的器件，在电真空器件中能产生大功率的有磁控管、多腔速调管、微波三、四级管、正交场器件及行波管等。半导体器件在获得微波大功率方面与电真空器件相比至少相差三个数量级，所以目前使用最多的是磁控管和速调管。微波加热器主要有：驻波场谐振腔加热器、行波场波导加热器、辐射型微波加热器和慢波型微波加热器。各种加热器具有不同的特点，对于加热器的选择主要应考虑以下两方面：即频率的选择和加热器型式的选择。

3 微波干燥在陶瓷中应用

3.1 建筑陶瓷

建筑陶瓷生坯干燥是陶瓷生产工艺中非常重要的工序之一，其不但关系到陶瓷砖的产品质量及成品率，而且影响陶瓷企业的整体能耗和生产成本。据统计，干燥过程中的能耗占总燃料消耗的15%，而在陶瓷行业中，用于干燥的能耗占燃料总消耗的比例远不止此，因此干燥过程的节能是关系到企业生存的大事。朱庆霞等[8]采用普通热风远红外和微波干燥方式对陶瓷坯体的干燥过程进行实验研究，研究不同干燥方法对砖坯干燥速度、坯体内外温差的影响，结果表明，热空气干燥主要靠水分浓度差实现，内外温差较大；远红外线干燥的坯体内外温度均匀，恒速阶段的干燥速度是热风干燥恒速阶段速度的1.2倍；微波干燥主要靠温度差实现水分扩散，最大干燥速度可达4.26%/min干基，约为热风干燥速度的12倍。将含水量为22%的陶瓷坯体干燥至恒重，普通电热干燥的运行成本最高，约为远红外干燥的1.5倍和微波干燥的4.2倍(见表1)。同时，分析了远红外干燥和微波干燥在陶瓷工业应用的可行性，并指出了需要解决的技术难题。

表1 不同干燥方式的比较

黄岷[9]研究了湿法成形薄型陶瓷砖的微波干燥。结果表明，湿法成形薄型陶瓷砖由于其具有含水率高、强度低、干燥敏感性强、干燥收缩大等特点，其干燥难度要远远大于普通半干法陶瓷砖。因此采用微波干燥、少空气干燥技术有利于坯体受热均匀，选择水分传递合理的干燥方式及合适的坯体运输方式，可以有效地防止干燥缺陷的产生，提高产品的干燥质量。

阎蛇民等[10]研究了微波干燥超薄砖开裂及变形原因，结果表明，只有选用合理配方，优化微波干燥工艺参数才能解决其在干燥过程中的开裂和变形问题，才能真正为超薄砖的生产服务。根据超薄瓷质砖样品在间隙式微波设备中的实验数据及干燥后的结果，认为在烘干过程中应注意以下几点：需微波干燥的陶瓷坯体底部必须有相应大小、带孔且平整的托盘；对形状复杂或幅面大的陶瓷坯体应在微波强度设置时遵循由弱到强的原则；当单件产品长度大于1 m时，在微波干燥过程中的陶瓷坯体前后两端湿度相差较大，建议在隧道式微波干燥设备运行空间中的合适部位放置调节湿度的物体；微波干燥在超薄瓷质砖初期快速脱水及坯体定型方面起到关键性作用。后期干燥建议结合传统干燥方式，使超薄瓷砖干燥工艺更加合理，热能利用更科学。

阎蛇民等[11]研究分析了超薄陶瓷砖湿坯含水率随微波作用时间的变化规律，并绘制出湿法超薄陶瓷砖的微波干燥曲线，研究了不同工艺条件对坯体干燥曲线的影响。结果发现，薄型陶瓷砖微波干燥可分为3个阶段，初始阶段水分变化不大，只是坯体温度上升迅速，这一阶段可选用较大的微波功率；微波输出功率越大，脱水速率越快，干燥时间越短，但成品率极低；最佳工艺参数为1～2 min时选用较高的输出功率，随着干燥时间的继续延长，后期应选用低输出功率为宜。

此外，目前也有建筑陶瓷企业将微波干燥窑安装在大胶水墨量的喷墨打印设备后端，主要实现大墨量胶水干粒工艺的快速干燥，效果较好。

3.2 日用陶瓷

针对日用陶瓷较适用于一次脱模干燥。根据微波加热的特性，在水分含量高时，水分吸热相对较大，坯体脱水速度快，微波利用率高；当水分降低时，特别是低于5%以下，水分吸热量不会象初始那样大。相反，陶瓷坯体和石膏模具吸热量相对增加，微波利用率大幅度降低。因此，微波干燥对于含水率在10%以上坯体的干燥脱模较经济。其次，电压要平稳，电压不稳，电磁能时大时小，造成微波输出功率不稳定，坯体受热不均匀，容易产生裂纹。微波加热时，不能空载运行，同时不能混入金属物质，否则容易造成设备损坏。

邹长元等[12]研究了微波快速干燥对平盘、厚胎浮雕盘产品。从整个生产过程来看，通过控制微波功率及传输速度、合理安排脱模时间，脱模效果良好。与传统链式干燥线相比，成坯率提高10%以上，脱模时间从35～45 min缩短到5～8 min，使用模具数量由400～500件下降至100～120件。微波干燥效率是链式干燥效率的6.5倍，一次干燥成本齐平，对于短线产品，可以大量节约石膏模具，而且脱模良好，各项指标均达到日用陶瓷生产的要求(见表2和表3)。微波干燥线所占地面积小，无污染，是比较理想的日用陶瓷成形辅助干燥生产设备。

表2 微波干燥不同形状产品的参数

表3 传统链式干燥与微波干燥方式的比较

3.3 卫生陶瓷

由于石膏模具有原材料来源广泛、成本低廉、吸水性能好、尺寸稳定、不易污染环境等优点，一直被卫生陶瓷行业广泛应用。传统卫生陶瓷石膏模具的干燥是将热干燥空气送入干燥室，使其吸收被干燥物料的热湿气后，直接排入大气。由于排放的热湿空气中含有大量的显热及潜热，因此，传统干燥设备的能量利用效率一般都很低，最高只有35%左右。采用微波干燥石膏模具，是一项新的干燥技术。它具有高效、快速的特点，同时它对石膏模具本身没有任何副作用。使用微波干燥，能充分发挥微波快速加热的特点，使制品干燥周期缩短，极大的提高了生产效率。同时，由于微波穿透力强，因此模型内部排除水效果更好。

石膏模具在成形后，一般含水率为65%～70%，但由于其器型复杂，壁厚较厚等原因，传统的热风干燥方法存在着干燥周期长、模具内外干燥程度不一致的问题。杜伟建等[13]分别采用微波干燥法与传统烘箱加热法进行卫生陶瓷石膏模具干燥实验。通过测试含水率来比较两种方法的干燥效率，观察并记录了石膏模型的形貌变化情况。实验结果表明，在一定条件下，测定石膏模型含水率，微波干燥法具有加热均匀、加热速度快、能耗低等特点。由于陶瓷卫浴的石膏模具等产品器型复杂、坯体厚薄不一致，因此传统的干燥方式干燥效果较差。而采用微波干燥，测试结果显示，模型制品可以达到规范要求，并能提高生产效率，节省作业场地，降低企业生产成本。

同时，石膏模具持续使用微波烘干会出现局部温度升高过高的问题，极易造成石膏内部结晶水析出，影响模具的强度。在设计干燥实验的过程中，结合生产实际制定了微波作为初期快速去除模具内部水分，后期采用热风二次干燥的工艺路线。有针对性的选择了几种型号不同的石膏模具，对其进行测试，同时也与单纯微波烘干方式进行了对比。结果表明，微波加热的干燥模式较传统的热风干燥模式的模型，干燥能耗可降低30%以上，干燥效率是传统热风干燥的2倍左右。而且由于初期采用微波干燥制品内部水分可有效排出，因此石膏模型干燥内外一致性较好，且石膏模具制品的寿命得到了提升，模具的消耗量也会大幅减少，同时还降低了生产线更换模具的频率。

3.4 蜂窝陶瓷

蜂窝陶瓷作为一种功能性多孔材料，具有几何表面积大、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，烟道气净化蓄热体以及红外辐射燃烧板等方面的应用。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。如果干燥过程控制不好，易导致变形和影响孔隙率比表面积。

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10%～15%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，其内部颗粒主要是片状的粘土颗粒呈定向排列。一般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。孙千等[14]研究了微波干燥工艺在蜂窝陶瓷上应用，结果表明，微波干燥能降低成形后蜂窝陶瓷坯体约10%的水分，设备越新干燥效率越高。通过分析蜂窝陶瓷干燥的过程，提出微波干燥与对流干燥、高温热泵干燥相结合，可获得最佳的干燥效果，达到高效节能的目的。

3.5 陶瓷粉体

电子陶瓷粉体材料通常为多组分配方体系，需要对原料进行湿法分散、混匀和磨细处理，并通过干燥的方式把水脱离，经预烧工序合成主晶相材料，得到半成品。随后在半成品中加入改性剂、助熔剂，再经过一次湿法分散、混匀、磨细处理和干燥脱水才能得到最终成品。电子陶瓷材料在生产过程中需要干燥和烧结这两项重大工序，干燥和预烧占到制造成本的90%以上，两次干燥的成本相当于一次预烧的成本，因此，干燥占到其生产成本的45%以上。王孝国等[15]采用隧道式微波干燥炉对MLCC和LTCC用电子陶瓷粉体的干燥工艺进行了研究。通过多次的容器实验，确定了用传送带直接载料进行微波干燥的工艺和针对不同瓷粉适宜的铺展厚度，设计了一种可以自动上下料的装置，节能效果显著。结果表明：理论上每千瓦小时微波电能可使1.39 kg的水汽化，由于线路损耗及腔体效率等因素，实际效果为0.8～1.1 kg/kW·h，能效利用率为57.5%～79.1%。从表4可以看出，采用微波干燥方式，其单位能耗为0.31元/kg，不足循环烘箱单位能耗的十分之一，且微波干燥方式的产能是循环烘箱干燥方式的4～6倍。热风喷雾塔虽然单位能耗较低，但物料的回收率为98%左右，而微波干燥的物料回收率可达99.5%以上。远红外电热炉干燥产能极小，不适宜产业化应用。综上所述，微波干燥方式在节能效果和工作效率方面有明显的优势。

表4 微波干燥与传统干燥方式能耗和产能比较

针对纳米粉体制备过程中的团聚现象，田玉明等[16]研究了微波干燥和烘箱干燥两种不同方式对共沉淀法制备的纳米ZrO2粉体粒径、团聚程度、干燥时间及烧结体密度等的影响。结果表明，采用微波干燥不仅可以大大缩短干燥时间，而且有利于减弱纳米ZrO2粉体的团聚，得到粒径小、团聚强度低和烧结活性高的纳米ZrO2粉体，生坯经过1 500 ℃烧结2 h，烧结密度可达到理论密度的97.3%(见表5)。在分析微波干燥原理的基础上，提出了纳米粉体微波干燥“爆裂”模型。由于水是一种强极性分子，在微波干燥过程中首先受热汽化产生大量水蒸气，水蒸气受热膨胀使ZrO2干凝胶“爆裂”成为极其微小的碎片，内部水分直接以气体形式排除，不仅缩短了生产周期，也有利于减弱纳米ZrO2粉体的团聚和团聚强度。

表5 微波干燥与传统干燥方式能耗和产能比较

YAG(化学式为Y3Al5O12)单晶是一种广泛应用的激光增益介质，但是由于生长大尺寸YAG单晶需要昂贵的设备和复杂的工艺，生产周期长，成本高，限制了其应用。黎锋等[17]采用共沉淀法合成YAG前躯体，利用微波干燥前躯体，然后在不同温度下焙烧，得到YAG纳米粉体。利用XRD、TEM等测试手段对YAG纳米粉体进行了研究。结果表明：微波干燥能抑制晶拉长大，有效地减轻粉体颗拉的团聚，得到分散性好、晶粒细小、分布窄的YAG超细纳米粉体。

4 结语

微波干燥技术在加热不同类型的陶瓷产品均表现出独特的优势，具有较强的实用性和应用前景，该技术的推广应用有利于提高陶瓷产品的干燥效率。目前，微波干燥技术尚未在陶瓷行业大规模应用。从前期研究结果来看，针对尺寸较厚、不规整形状、高含水率的产品具有更加明显的优势，同时将微波干燥和常规干燥有机地结合效果更好。随着人们对微波干燥技术认识的不断深化，这一技术一定会逐步完善起来，最终将在陶瓷工业显露出其独特的优越性。