惠　濤　賈書雄　馬小鵬

(咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院　陜西 咸陽　712000)

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衛(wèi)生陶瓷坯體新型智能化干燥技術(shù)與裝備*

惠濤賈書雄馬小鵬

(咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院陜西 咸陽712000)

筆者結(jié)合干燥機(jī)理、干燥過程，對(duì)衛(wèi)生陶瓷坯體新型智能化干燥裝備的設(shè)計(jì)思路與工作原理、關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了闡述。

干燥機(jī)理工作原理關(guān)鍵系統(tǒng)

對(duì)于注漿成形的衛(wèi)生陶瓷坯體，干燥是其生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，干燥結(jié)果直接影響著產(chǎn)品的性能與品質(zhì)。干燥是能耗大戶，干燥技術(shù)與設(shè)備的好壞，將嚴(yán)重影響其能源消耗率。目前，國內(nèi)該行業(yè)干燥設(shè)備主要以室式干燥器為主，其構(gòu)造簡單，大多還停留在只能顯示溫濕度階段；整個(gè)干燥過程采用連續(xù)式供熱與排潮，產(chǎn)品與熱量交換時(shí)間短，即被排出，造成能源浪費(fèi)，而且溫濕度場(chǎng)難以保持與控制；采用管道式靜態(tài)(官道上開小孔)方式送風(fēng)，因其風(fēng)速較小，容易在干燥腔體內(nèi)部形成死角，造成斷面上下溫濕度變化較大，干燥不均勻。這種干燥器的操作與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，完全依靠人工來完成，根本不存在所謂的智能控制系統(tǒng)，工人根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥與排出風(fēng)口大小來控制溫濕度，這種方式人為因素較大，滯后性強(qiáng)，很難達(dá)到精準(zhǔn)控制，產(chǎn)品合格率低，干燥周期長。

為了改變現(xiàn)狀，我們通過集成創(chuàng)新的方式，將現(xiàn)代在線采集與傳感技術(shù)、變頻技術(shù)、智能控制技術(shù)與專業(yè)的干燥設(shè)備相結(jié)合，研究開發(fā)出了——新型衛(wèi)生陶瓷坯體智能化技術(shù)與裝備。

1　干燥機(jī)理

1.1 坯體中的水分類型

衛(wèi)生陶瓷濕坯水分主要有3種類型：

1)自由水。分布于坯體顆粒的間隙中，靠內(nèi)聚力與物料松弛的結(jié)合，結(jié)合的牢固性最弱?；痉纤囊话阄锢硖匦?，在干燥過程中首先被排出，并在排出的過程中坯體收縮。

2)吸附水。它是依靠坯體中分子引力(范德瓦爾斯力)與毛細(xì)管力，處于坯體顆粒表面或者微毛細(xì)管(直徑小于1×10-4mm)中的水分。

3)化學(xué)結(jié)合水。它是參與組成物料晶格的水分，其結(jié)合形式最牢固，需要較大的能量才可以排出。如高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O)中的結(jié)晶水需要在400～500 ℃時(shí)才能排除，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。

1.2干燥速率及其影響因素

1) 外擴(kuò)散

水分由濕坯表面蒸發(fā)到干燥介質(zhì)中的過程，稱為外擴(kuò)散。外擴(kuò)散速率可用下式表示：

式中：U——外擴(kuò)散速率kg/m2·h；

ω——平行于坯體表面的干燥介質(zhì)流速；

Ps——坯體表面的水蒸氣分壓，Pa；

Pw——干燥介質(zhì)中的水蒸氣分壓，Pa。

2) 內(nèi)擴(kuò)散

水分由坯體內(nèi)部遷移到表面過程，稱為內(nèi)擴(kuò)散，包括濕擴(kuò)散(濕傳導(dǎo))和熱擴(kuò)散(熱濕傳導(dǎo))。濕擴(kuò)散是指坯體內(nèi)由濕度梯度(水分濃度梯度)引起的水分遷移；熱擴(kuò)散是指坯體內(nèi)由溫度梯度引起的水分遷移。

濕擴(kuò)散用公式表示為：

式中：Um——濕擴(kuò)散速率，g/cm2·s；

D——水分的濕擴(kuò)散系數(shù), cm2/s；

c0，cs——坯體中心與表面的水分濃度，g/cm3；

u0，us——坯體中心與表面的絕對(duì)水分%；

s——坯體厚度，cm；

G0——絕干坯體質(zhì)量，g/cm3；

式中：Uh——熱擴(kuò)散速率，g/cm2·s；

δ——熱擴(kuò)散系數(shù)，1/℃；

1.3干燥過程

在衛(wèi)生瓷坯體的干燥過程可分為3個(gè)階段：升速階段、等速階段、降速階段。

1) 升速階段

干燥初期，介質(zhì)傳給濕坯的熱量大于表面水分蒸發(fā)消耗的熱量，表面溫度隨之升高，蒸發(fā)的水分也隨之增多。當(dāng)介質(zhì)傳給坯體的熱量等于水分蒸發(fā)的熱量時(shí)，兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，表面溫度不再升高，并等于濕球溫度。此階段時(shí)間相對(duì)較短，排出水量不多，坯體體積基本沒有變化，升溫速度可加快。

2) 等速階段

坯體水分內(nèi)擴(kuò)散速率等于外擴(kuò)散速率，濕坯水分較高，內(nèi)擴(kuò)散較容易，因此該過程干燥速率主要由外擴(kuò)散決定。干燥介質(zhì)的參數(shù)(溫度、濕度、流速)以及介質(zhì)與濕坯的接觸情況對(duì)干燥速率起決定作用。此階段若操作不當(dāng)，坯體易開裂變形，產(chǎn)生廢品。

3) 降速階段

此階段內(nèi)擴(kuò)散速率小于外擴(kuò)散速率，濕坯水分減少，內(nèi)部水分的遷移趕不上外部水分的蒸發(fā)，因此該過程主要由內(nèi)擴(kuò)散決定。降速階段排出的水分為大氣吸附水，坯體不產(chǎn)生收縮或略有收縮。

2　設(shè)計(jì)思路及工作原理

2.1設(shè)計(jì)思路

針對(duì)衛(wèi)生陶瓷坯體單件尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、含水率高、棱角多的特點(diǎn)，有以下設(shè)想：

1) 起始階段(升速階段)，設(shè)計(jì)為低溫、高濕、低風(fēng)速的干燥介質(zhì)對(duì)陶瓷坯體預(yù)熱；此階段主要預(yù)熱濕坯，表面與內(nèi)部受熱均勻的目的；

2) 等速階段，設(shè)計(jì)為中溫、中濕、中風(fēng)速的干燥介質(zhì)，并保持一段時(shí)間，使坯體收縮均勻；此階段有大量自由水排出，伴隨著體積收縮，收縮量約等于排出水量，必須嚴(yán)格控制介質(zhì)參數(shù)，避免造成收縮不均勻；

3) 降速階段，設(shè)計(jì)為高溫、低濕、高風(fēng)速的介質(zhì)進(jìn)行快速干燥；此階段坯體基本不產(chǎn)生收縮，可以加快干燥縮短周期；

4) 送風(fēng)方式設(shè)計(jì)為三維立體式動(dòng)態(tài)變頻送風(fēng)，風(fēng)速高，送風(fēng)均勻；

5) 研究對(duì)象為衛(wèi)生瓷坯體，已無法改變結(jié)構(gòu)復(fù)雜、含水率高、坯體較厚的現(xiàn)狀，為了提高干燥速率，變傳統(tǒng)的單面干燥為多面干燥；

6) 采用智能傳感技術(shù)，對(duì)干燥環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線采集、監(jiān)測(cè)、反饋；

7) 采用智能控制技術(shù)，對(duì)反饋結(jié)果進(jìn)行操作，精準(zhǔn)控制干燥介質(zhì)參數(shù)。

2.2工作原理

本設(shè)備采用低溫高濕、高溫低濕的工作原理，干燥腔體必須設(shè)計(jì)為相對(duì)密閉而且能夠保溫保濕的空間。熱源采用蒸汽或者天然氣，經(jīng)換(加)熱裝置產(chǎn)生所需熱量，由循環(huán)風(fēng)機(jī)送入干燥器內(nèi)各動(dòng)態(tài)系統(tǒng)處，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行干燥。熱風(fēng)系統(tǒng)管道形成閉路循環(huán)，將干燥器內(nèi)部抽出的冷風(fēng)加熱，與少量的新鮮空氣混合后，再次送回殼體內(nèi)部，在此過程中排除等量的廢氣。其工作原理見圖1。

圖1　工作原理圖

3　關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1干燥器尺寸及選材

式中：V——干燥室容積，m3；

G——生產(chǎn)任務(wù)，kg/h，kg數(shù)為絕干坯體的質(zhì)量；

t——干燥時(shí)間，h；

K——干燥合格率；

g——裝載密度，kg/ m3。

此公式計(jì)算出的容積為有效干燥空間，動(dòng)態(tài)送風(fēng)錐與送熱風(fēng)管道處于干燥室內(nèi)部，必須再計(jì)算數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加上送風(fēng)錐與內(nèi)部管道所占區(qū)域體積，方為需設(shè)計(jì)的容積。確定干燥室寬度與高度時(shí)，必須考慮窯車運(yùn)輸空間，使其有足夠的空間自由出入。

選用密度≥120 kg/ m3，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.036 w/m的高效巖棉保溫板，作為墻板與頂板，配合特殊設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)骨架組成密閉空間。

3.2三維立體式動(dòng)態(tài)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2　三維立體式動(dòng)態(tài)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3智能傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示，溫濕度計(jì)實(shí)時(shí)在線采集坯體干燥過程表面溫濕度，將結(jié)果信號(hào)反饋給PLC，PLC根據(jù)已編程序、設(shè)定曲線，分析判斷當(dāng)時(shí)的溫濕度，把具體的操作指令傳給執(zhí)行器，執(zhí)行器通過調(diào)整蒸汽調(diào)節(jié)閥(燃燒機(jī))、加濕噴嘴、進(jìn)風(fēng)量、排風(fēng)量，根據(jù)具體的情況變化一個(gè)或者多個(gè)值。

圖3　智能傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.4智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制部件選用SiemensS7-300型 PLC，配備WinCC監(jiān)控軟件，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用分站采集并集中處理的方式。實(shí)現(xiàn)從裝窯完畢到出窯整個(gè)過程的全自動(dòng)運(yùn)行，通過傳感系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，完成干燥過程的精準(zhǔn)控制，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，全部依靠計(jì)算機(jī)完成。避免了人為因素的不利影響，溫濕度變化反應(yīng)及時(shí)，產(chǎn)品熱交換與排潮過程配合合理。

4　結(jié)語

我國是陶瓷生產(chǎn)大國，而陶瓷生產(chǎn)屬于能耗較高，具有一定污染，作業(yè)環(huán)境較差，人力投入較大的行業(yè)。根據(jù)我國“十三五”規(guī)劃，陶瓷行業(yè)今后5年的工作重點(diǎn)，將向高效、節(jié)能、環(huán)保、高端智能化方向發(fā)展。因此衛(wèi)生陶瓷坯體新型智能化干燥技術(shù)與裝備的開發(fā)成功，順應(yīng)政策與行業(yè)發(fā)展的潮流，市場(chǎng)前景十分看好。該項(xiàng)技術(shù)與裝備，還可以推廣應(yīng)用到電瓷、蜂窩陶瓷、墻體材料、石英坩堝、木材等行業(yè)。

1孫晉濤.硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)[J]. 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，1992

2裴秀娟，石振江，等.衛(wèi)生陶瓷工廠技術(shù)員手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005

3華南理工學(xué)院，等.硅酸鹽熱工過程及設(shè)備[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.1982

4張柏青，林云萬.陶瓷工業(yè)機(jī)械與設(shè)備[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2012

5馬鐵成，朱振峰，等.陶瓷工藝學(xué)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2010

6賈書雄，劉明福.少空氣快速干燥器在電瓷行業(yè)的應(yīng)用[J]. 電瓷避雷器,2004

7劉明福，賈書雄,等. 少空氣快速干燥設(shè)備的研制與開發(fā)前景[J].全國性科技核心期刊——陶瓷，2003(2):20～21

8杜廣生.工程流體力學(xué)[M].北京：中國電力出版社，2007

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1002-2872(2016)02-0030-04

*惠濤(1985-)，本科，工程師；主要從事陶瓷干燥設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)工作。