干燥技术在陶瓷生产上的应用5899.docx

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1、陶瓷工业业干燥技技术及其其应用廖小辉（景德镇镇陶瓷学学院 材材料科学学与工程程学院 08热热工一班班 2000811061101116） 摘摘要:本本文分析析了陶瓷瓷干燥过过程的基基本原理理，干燥燥中容易易出现的的问题， 干燥的各种方式。关键词:陶瓷坯坯体;干干燥技术术;远红红外干燥燥;微波波干燥Induustrriall drryinng ttechhnollogyy annd aappllicaatioon oof cceraamiccLiaao XXiaoohuii(Jiingddezhhen Cerramiic IInsttituute of Matteriialss Scciennc

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3、ogy; faar iinfrrareed ddryiing; miicroowavve ddryiing朗读显示对应应的拉丁丁字符的的拼音1、前言言陶瓷生产产过程中中，坯料料与坯体体的干燥燥是一个个重要的的一个工工艺过程程，是影影响陶瓷瓷成品率率的一个个重要的的环节之之一。坯坯体含有有一定量量的水分分，其强强度较低低，在运运输和加加工的过过程中（如如粘结、修修坯），很很容易变变形或者者因强度度不够而而破损，因因而为了了提高成成型后坯坯体的强强度，要要进行干干燥。通通过干燥燥处理，坯坯体失去去可塑性性，具有有一定的的弹性和和强度。另另一方面面坯体中中含水率率高，其其吸附釉釉浆的能能力差，所所以

4、为了了提高坯坯体的吸吸釉能力力，其含含水率达达到一定定的程度度（比如如对陶瓷瓷，施釉釉是坯体体需要干干燥至含含水率为为2%-4%。此此外，经经干燥除除去坯体体中绝大大多数的的自由水水后，坯坯体很少少发生收收缩，从从而是坯坯体在烧烧成阶段段可以快快速升温温，而不不发生制制品变形形或开裂裂，既保保证了烧烧成质量量又可以以缩短烧烧成周期期，最总总提高窑窑炉利用用率，降降低能耗耗。通常常坯体入入窑前得得含水率率应该在在2%以以下。但但过分干干燥也是是不必要要的因为为当坯体体放置在在大气中中时会再再吸附大大气中的的水分而而膨胀，也也可能放放声开裂裂。不过过，日用用陶瓷的的坯体干干燥是与与整个成成型过程程

5、相关联联的，应应根据各各工序操操作来确确定排出出多少水水分。例例如许多多陶瓷制制品在成成型后要要警醒湿湿修、镶镶接或者者干修，他他们都有有自己合合适的坯坯体水分分，因此此成型后后的坯体体的水分分不能一一次干燥燥到1%-3%，而要要根据成成型中个个加工工工序的需需要，分分阶段的的进行干干燥，最最后干找找到适合合进窑的的最总含含水率。陶瓷工业业的干燥燥经历了了自然干干燥、 室式烘烘房干燥燥 ,到到现在的的各种热热源的连连续式干干燥器、 远红外干干燥器、 太阳能能干燥器器和微波波干燥技技术。干干燥虽然然是一个个技术相相对简单单 ,应应用却十十分广泛泛的工业业过程 ,不但但关系着着陶瓷的的产品质质量及

6、成成品率 ,而且且影响陶陶瓷企业业的整体体能耗。据据统计 ,干燥燥过程中中的能耗耗占工业业总燃料料消耗的的 155 % ,而在在陶瓷行行业中 ,用于于干燥的的能耗占占燃料总总消耗的的比例远远不止此此数 ,故干燥燥过程的的节能是是关系到到企业节节能的大大事。陶陶瓷的干干燥速度度快、 节能、 优质、无无污染等等是新世世纪对干干燥技术术的基本本要求。2、陶瓷瓷坯体干干燥机理理21坯坯体中水水分的类类型按照坯体体颗粒与与水分的的结合特特性，坯坯体中的的水分基基本上可可以分为为三类，即即自由水水、吸附附水、和和化学水水。2.1.1自由由水 自由水水分布在在固体颗颗粒之间间，是物物料直接接与水接接触而吸吸

7、收的水水分。自自由水一一般在坯坯体中存存在直径径大于110-77的大的毛毛细管中中。自由由水与物物料结合合松弛，容容易排出出。陶瓷瓷干燥工工艺主要要是陪去去自由水水，而在在其被出出去的过过程中会会发生收收缩，若若收缩不不均匀很很容易发发生干燥燥缺陷。2.1.2吸附附水 粘土表表面的原原子有剩剩余的键键（及不不饱和键键），分分子在粘粘土胶粒粒子周围围受到分分子引力力的作用用，从而而出现湿湿润表面面的吸附附层。吸吸附水处处于分子子力场所所控制的的范围内内，因为为它的物物理性质质与普通通水不一一样，压压得密度度大，冰冰点下降降。但不不是所有有的吸附附水的性性质都一一样，离离粘土胶胶粒最近近的单分分子

8、层的的水分结结合得最最牢固，多多分子城城中的水水分结合合得较弱弱。吸附附水数量量，岁外外界环境境的温度度和相对对湿度的的变化而而变化。在在相同的的大气条条件下，坯坯体所吸吸附的水水量，对对含粘土土的数量量和总类类有关。而而一些非非粘土类类原料的的颗粒，也也具有一一定的吸吸附水的的能力，但但是吸附附力弱很很多，容容易被排排除。2.1.3化学学结合水水 这这种水分分是指包包含在原原料矿物物分子结结构内的的水分，如如结晶水水、结构构水等等等。例如如高岭土土中有两两个分子子的结构构水。这这种水的的结合形形势最牢牢固，排排出时必必须要有有较高的的能量，如如高岭土土的结构构水，要要在4550-6650oo

9、C下才才能被排排出。 根据据水分的的结合形形式，又又可以对对材料进进行分类类。当水水在材料料中基本本上是出出于毛细细管理结结合的时时候，那那么该物物料就成成为毛细细管多空空型才来来哦，如如沙子和和某些建建筑材料料。这种种材料脱脱水时体体积发生生变化。当当水和材材料的结结合以渗渗透和结结构结合合占优势势的时候候，这类类材料称称为胶体体，在吸吸湿是体体积会显显著增大大，在脱脱水时收收缩。如如果材料料中渗透透结合和和毛细管管力作用用都相当当强时，那那就称为为毛细管管胶体，属属于这种种类型的的粘土、某某些陶瓷瓷坯体等等，这些些物体在在吸湿和和干燥时时，体积积都会发发生变化化。2. 22 坯体的的干燥过

10、过程以对流干干燥过程程为例,坯体的的干燥过过程可以以分为:传热过过程、 外扩散散过程、 内扩散散过程 ,3 个过程程同时进进行又相相互联系系。传热过程程:干燥燥介质的的热量以以对流方方式传给给坯体表表面 ,又以传传导方式式从表面面传向坯坯体内部部的过程程。坯体体表面的的水分得得到热量量而汽化化 ,由由液态变变为气态态。外扩散过过程:坯坯体表面面产生的的水蒸汽汽 ,通通过层流流底层 ,在浓浓度差的的作用下下 ,由由坯体表表面向干干燥介质质中移动动。内扩散过过程:由由于湿坯坯体表面面水分蒸蒸发 ,使其内内部产生生湿度梯梯度 ,促使水水分由浓浓度高的的内层向向浓度较较低的外外层扩散散 ,称称湿传导导

11、或湿扩扩散。在干燥条条件稳定定的情况况下 ,坯体表表面温度度、 水水分含量量、 干干燥速率率与时间间有一定定的关系系 ,根根据它们们之间关关系的变变化特征征 ,可可以将干干燥过程程分为:加热阶阶段、 等速干干燥阶段段、 降降速干燥燥阶段33个过程程。加热阶段段 ,由由于干燥燥介质在在单位时时间内传传给坯体体表面的的热量大大于表面面水分蒸蒸发所消消耗的热热量 ,因此受受热表面面温度逐逐渐升高高 ,直直至等于于干燥介介质的湿湿球温度度 ,此此时表面面获得热热与蒸发发消耗热热达到动动态平衡衡 ,温温度不变变。此阶阶段坯体体水分减减少 ,干燥速速率增加加。等速干燥燥阶段 ,本阶阶段仍继继续进行行非结合

12、合水排出出。由于于坏体含含水分较较高 ,表面蒸蒸发了多多少水量量 ,内内部就能能补充多多少水量量 ,即即坯体内内部水分分移动速速度(内内扩散速速度)等等于表面面水分蒸蒸发速度度 ,亦亦等于外外扩散速速度 ,所以表表面维持持潮湿状状态。另另外 ,介质传传给坯体体表面的的热量等等于水分分汽化所所需的热热量 ,所以坯坯体表面面温度不不变 ,等于介介质的湿湿球温度度。坯体体表面的的水蒸汽汽分压等等于表面面温度下下饱和水水蒸汽分分压 ,干燥速速率稳定定 ,故故称等速速干燥阶阶段。本本阶段是是排出非非结合水水 ,故故坯体会会产生体体积收缩缩 ,收收缩量与与水分降降低量成成直线关关系 ,若操作作不当 ,干燥

13、燥过快 ,坏体体极容易易变形、 开裂、 造成干干燥废品品。等速速干燥阶阶段结束束时 ,物料水水分降低低到临界界值。此此时尽管管物料内内部仍是是非结合合水 ,但在表表面一层层内开始始出现结结合水。降速干燥燥阶段 ,这一一阶段中中 ,坯坯体含水水量减少少 ,内内扩散速速度赶不不上表面面水分蒸蒸发速度度和外扩扩散速度度 ,表表面不再再维持潮潮湿 ,干燥速速率逐渐渐降低。由由于表面面水分蒸蒸发所需需热量减减少 ,物料温温度开始始逐渐升升高。物物料表面面水蒸汽汽分压小小于表面面温度下下饱和水水蒸汽分分压。此此阶段是是排出结结合水 ,坏体体不产生生体积收收缩 ,不会产产生干燥燥废品。当当物料水水分下降降等

14、于平平衡水分分时 ,干燥速速率变为为零 ,干燥过过程终止止 ,即即使延长长干燥时时间 ,物料水水分也不不再发生生变化。此此时物料料表面温温度等于于介质的的干球温温度 ,表面水水蒸汽分分压等于于介质的的水蒸汽汽分压。降降速干燥燥阶段的的干燥速速度 ,取决于于内扩散散速率 ,故又又称内扩扩散控制制阶段 ,此时时物料的的结构、 形状、 尺寸等等因素影影响着干干燥速率率。2.3 干燥收收缩及缺缺陷未经干燥燥的湿坯坯体内固固体颗粒粒被水膜膜所分隔隔。在干干燥过程程中，随随着自由由水的排排除，颗颗粒逐渐渐靠拢，从从而坯体体发生收收缩，收收缩量大大约等于于排出的的自由水水的体积积。坯体收缩缩率的大大小与所所

15、用的粘粘土性能能、坯料料组成、含含水率以以及加工工工艺等等因素有有关。粘粘土的颗颗粒越细细，所吸吸附的水水膜越厚厚，收缩缩率也就就是越大大。高岭岭土、塑塑性粘土土、交替替颗粒蒙蒙脱石在在在干燥燥时发生生的线性性收缩率率分别为为3%-8%、66%-110%、110&-25%。在满满足成型型性能的的前提下下，增加加瘠性原原料或部部分采用用预烧脱脱水粘土土，均能能减少干干燥收缩缩。另外外，粘土土的阳离离子交换换力，粘粘土片状状颗粒的的定向排排列等坯坯体的收收缩也有有影响。通通常，阳阳离子交交换能力力大的粘粘土其收收缩率也也较大。用用Na+离子做做稀释剂剂时可以以促使粘粘土颗粒粒做平行行的排列列，因此

16、此含Naa+离子子的粘土土矿物的的收缩率率大于含含Ca+离子的的粘土矿矿物。坯体的干干燥收缩缩，往往往不是各各项同性性的，因因为泥料料的颗粒粒有一定定的取向向性，颗颗粒取向向，也就就是空隙隙（活水水分）取取向，当当干燥脱脱水产生生收缩时时，导致致干燥收收缩各向向异性。颗颗粒排列列的短轴轴方向上上空隙数数要比长长轴方向向上的空空隙数多多，所以以短轴方方向的收收缩相应应的比长长轴方向向上的收收缩要大大。坯体在干干杂过程程中，随随着自由由水的排排除，坯坯体不断断地发生生收缩。若若坯体干干燥过快快或不均均匀，则则导致厚厚度方向向上的水水分分布布不均匀匀，各层层产生不不均匀收收缩。先先干燥的的外层力力图

17、收缩缩，而内内层仍然然保持开开始的尺尺寸，阻阻碍表层层的收缩缩。表层层的强制制收缩导导致表层层上产生生张应力力，内层层受到压压应力，从从而造成成制品的的危险变变形、开开裂等等等。为了防止止干燥过过程中出出现变形形或开裂裂，可以以才去调调整坯料料降低坯坯体收缩缩的方法法，同时时在干燥燥过程中中，必须须特别注注意坯体体在收缩缩阶段的的干燥制制度。通通常在恒恒速干燥燥阶段要要特别小小心，尽尽量不要要是坯体体各部分分或内外外层收缩缩不一致致，也就就是坯体体各部分分要求均均匀干燥燥，控制制外扩山山速度尽尽量不要要高于内内扩散速速度。一一次，在在恒速干干燥阶段段，坯体体的干燥燥速度是是数到一一定限制制的，

18、而而在江苏苏干燥阶阶段，则则由于坯坯体基本本不产生生收缩，外外扩散速速度就可可加快。2. 44 影响干干燥速率率的因素素影响干燥燥速率的的因素有有:传热热速率、 外扩散散速率、 内扩散散速率。2.4.1 加快传传热速率率为加快传传热速率率 ,应应做到: 提高高干燥介介质温度度 ,如如提高干干燥窑中中的热气气体温度度 ,增增加热风风炉等 ,但不不能使坯坯体表面面温度升升高太快快 ,避避免开裂裂; 增加加传热面面积;如如改单面面干燥为为双面干干燥 ,分层码码坯或减减少码坯坯层数 ,增加加与热气气体接触触面; 提高高对流传传热系数数。2.4.2提高高外扩散散速率当干燥处处于等速速干燥阶阶段时 ,外扩

19、扩散阻力力成为左左右整个个干燥速速率的主主要矛盾盾 ,因因此降低低外扩散散阻力 ,提高高外扩散散速率 ,对缩缩短整个个干燥周周期影响响最大。外外扩散阻阻力主要要发生在在边界层层里 ,因此应应做到: 增大介介质流速速 ,减减薄边界界层厚度度等 ,提高对对流传热热系数 ,也可可提高对对流传质质系数 ,利于于提高干干燥速度度; 降低低介质的的水蒸汽汽浓度 ,增加加传质面面积 ,亦可提提高干燥燥速度。2.4.3 提高水水分的内内扩散速速率水分的内内扩散速速率是由由湿扩散散和热扩扩散共同同作用的的。湿扩扩散是物物料中由由于湿度度梯度引引起的水水分移动动 ,热热扩散是是物理中中存在温温度梯度度而引起起的水

20、分分移动。要要提高内内扩散速速率应做做到: 使热扩扩散与湿湿扩散方方向一致致 ,即即设法使使物料中中心温度度高于表表面温度度 ,如如远红外外加热、 微波加加热方式式; 当热扩扩散与湿湿扩散方方向一致致时 ,强化传传热 ,提高物物料中的的温度梯梯度 ,当两者者相反时时 ,加加强温度度梯度虽虽然扩大大了热扩扩散的阻阻力 ,但可以以增强传传热 ,物料温温度提高高 ,湿湿扩散得得以增加加 ,故故能加快快干燥; 减薄坯坯体厚度度 ,变变单面干干燥为双双面干燥燥; 降低低介质的的总压力力 ,有有利于提提高湿扩扩散系数数 ,从从而提高高湿扩散散速率; 其他他坯体性性质和形形状等方方面的因因素。3干燥技技术分

21、类类按干燥制制度是否否进行控控制可分分为:自自然干燥燥和人工工干燥 ,由于于人工干干燥是人人为控制制干过程程 ,所所以又称称为强制制干燥。按干燥方方法不同同进行分分类 ,可分为为: 对流流干燥 ,其特特点是利利用气体体作为干干燥介质质 ,以以一定的的速度吹吹拂坯体体表面 ,使坯坯体得以以干燥。 辐射射干燥,其特点点是利用用红外线线、 微微波炉等等电磁波波的辐射射能,照照射被干干燥的坯坯体使其其得以干干燥。 真空空干燥,这是一一种在真真空(负负压)下下干燥坯坯体的方方法。坯坯体不需需要升温温,但需需利用抽抽气设备备产生一一定的负负压,因因此系统统需要密密闭,难难以连续续生产。 联合合干燥 ,其特

22、特点是综综合利用用 2 种以上上干燥方方法发挥挥它们各各自的特特长 ,优势互互补 ,往往可可以得到到更理想想的干燥燥效果。还有一些些干燥方方法 ,按干燥燥制度是是否连续续分为间间歇式干干燥器和和连续式式干燥器器。连续续式干燥燥器又可可按干燥燥介质与与坯体的的运动方方向不同同分为顺顺流、 逆流和和混流;按干燥燥器的外外形不同同分为室室式干燥燥器、 隧道式式干燥器器等。3.1 恒温温恒湿大大空间干干燥卫生洁具具的坯体体在微压压之后水水分为 18%左右 ,此时时强度低低 ,不不宜搬动动 ,一一般采取取就地干干燥的方方法。一一般厂家家采用锅锅炉蒸汽汽加热的的方法 ,它的的特点是是燃料成成本低 ,可以以

23、形成一一定的干干燥气氛氛。同时时缺点很很多 ,如无横横向空气气流动;排湿功功能差 ,干燥燥时间长长;无通通风系统统 ,工工人工作作条件差差。因此此比较先先进的 “恒温恒恒湿系统统” 被采采用。这这种系统统不需要要改变原原来的生生产流程程、 生生产工艺艺 ,还还可以加加速干燥燥速度 ,它的的另一大大特点是是具有强强制通风风功能。这这一系统统也存在在一系列列的问题题 ,如如能源消消耗大;参数滞滞后;干干燥不同同步等。尤尤其是近近年来石石膏模有有变大趋趋势 ,那么坯坯体的干干燥时间间和要求求就不一一样 ,为了保保证每一一班的生生产计划划 ,石石膏模的的干燥成成为生产产计划的的主要矛矛盾。在在解决这这

24、一问题题上采用用密封式式干燥系系统 ,即石膏膏模出坯坯后整个个成形线线密封 ,在这这个小的的空间内内使用小小型的恒恒温恒湿湿系统。3.2热热风快速速干燥快速干燥燥就是干干燥气氛氛按坯体体的不同同及坯体体干燥程程度而变变化 ,时刻保保持最佳佳干燥气气氛 ,提高干干燥速度度。温湿湿度自动动调节快快速干燥燥室具有有以下几几个特点点: 空间间小 ,参数调调整时响响应快 ,精确确度高; 可以以根据坯坯体的情情况 ,设定不不同的干干燥曲线线; 工控机机控制 ,自动动化程度度高 ,减少人人为失误误的因素素 ,坯坯体干燥燥合格率率高。这这一系统统由房体体结构、 热风炉炉、 布布风系统统、 搅搅拌系统统、 控控

25、制系统统、 温温度系统统等6部部分组成成。3.3 蒸汽汽快速干干燥这里讨论论的是蒸蒸汽直接接干燥 ,就是是坯体出出模后 ,沿轨轨道进入入末端封封闭的干干燥室中中 ,关关闭干燥燥室后将将蒸汽沿沿顶部的的管道直直接进入入密封干干燥室中中 ,蒸蒸汽在密密室中膨膨胀降压压 ,湿湿蒸汽由由密室底底部的管管道排出出回收。它它的最大大的优点点是干燥燥快 ,正品率率高。3.4 工频频电干燥燥就是将工工频电(50HHz)通通过坯体体 ,由由于坯体体的电阻阻作用使使得整个个坯体均均匀升温温干燥 ,达到到了既升升温又无无温度梯梯度的目目的。工工频电干干燥的缺缺点是干干燥前的的准备工工作很麻麻烦 ,而且它它只适合合单

26、件产产品干燥燥。3.5远远红外干干燥技术术红外辐射射干燥技技术越来来越受到到各行各各业人们们的重视视 ,在在食品干干燥、 烟草、 木材、 中草药药、 纸纸板、 汽车、 自行车车、 金金属体烤烤漆等方方面发挥挥很大作作用。此此外 ,远红外外干燥也也被应用用于陶瓷瓷干燥中中。大部部分物体体吸收红红外的波波长范围围都在远远红外区区 ,水水和陶瓷瓷坯体在在远红外外区也有有强的吸吸收峰 ,能够够强烈地地吸收远远红外线线 ,产产生激烈烈的共振振现象 ,使坯坯体迅速速变热而而使之干干燥。且且远红外外对被照照物体的的穿透深深度比近近、 中中红外深深。因此此采用远远红外干干燥陶瓷瓷更合理理。远红红外干燥燥比一般

27、般的热风风、 电电热等加加热方法法具有高高效快干干、 节节约能源源、 节节省时间间、 使使用方便便、干燥燥均匀、 占地面面积小等等优点 ,从而而达到了了高产、优优质、 低消耗耗的优良良效果。据据陶瓷厂厂生产实实践证明明 ,采采用远红红外干燥燥比近红红外线干干燥时间间可缩短短一半 ,是热热风干燥燥的1/ 100 ,成成坯率达达 900 %以以上 ,比近红红外干燥燥节电220660 %1 。郑郑州瓷厂厂对 110 平盘盘进行远远红外干干燥 ,结果证证明 ,生产周周期提高高一倍 ,由通通常干燥燥时间22. 553hh ,缩缩短为 1h ,成本本低、 投资小小、 见见效快、 卫生条条件好、 占地面面积

28、小。远远红外材材料的研研究近年年来很活活跃 ,而且取取得了很很大进展展 ,在在各行各各业也有有很多成成功应用用的例子子 ,为为什么在在建筑卫卫生陶瓷瓷的干燥燥线上却却少有人人问津呢呢 ?3.6微微波干燥燥技术微波是指指介于高高频与远远红外线线之间的的电磁波波 ,波波长为 0. 00111mm ,频频率为 300030000000MHHz。微微波干燥燥是用微微波照射射湿坯体体 ,电电磁场方方向和大大小随时时间作周周期性变变化使坯坯体内极极性水分分子随着着交变的的高频电电场变化化 ,使使分子产产生剧烈烈的转动动 ,发发生摩擦擦转化为为热能 ,达到到坯体整整体均匀匀升温、 干燥的的目的2 ,3 ,4

29、 。微波波的穿透透能力比比远红外外线大得得多 ,而且频频率越小小 ,微微波的半半功率深深度越大大。微波波干燥的的特点:(1) 均匀快快速 ,这是微微波干燥燥的主要要特点。由由于微波波具有较较大的穿穿透能力力 ,加加热时可可使介质质内部直直接产生生热量。不不管坯体体的形状状如何复复杂 ,加热也也是均匀匀快速的的 ,这这使得坯坯体脱水水快 ,脱模均均匀 ,变形小小 ,不不易产生生裂纹。(2) 具有选选择性 ,微波波加热与与物质的的本身性性质有关关。在一一定频率率的微波波场中 ,水由由于其介介质损耗耗比其它它干物料料大 ,故水分分比其它它物料的的吸热量量大得多多;同时时由于微微波加热热是表里里同时进

30、进行 ,内部水水分可以以很快地地被加热热并直接接蒸发出出来;这这样陶瓷瓷坯体可可以在很很短的时时间内经经加热而而脱模。(3) 热效率率高、 反应灵灵敏 ,由于热热量直接接来自于于干燥物物料内部部 ,热热量在周周围介质质中的损损耗极少少 ,加加上微波波加热腔腔本身不不吸热 ,不吸吸收微波波 ,全全部发射射作用于于坯体 ,热效效率高。微微波加热热设备主主要由直直流电源源、 微微波管、 连接波波导、 加热器器及冷却却系统等等几个部部分组成成。微波波加热器器按照加加热物和和微波场场作用的的形式可可分驻波波场谐振振加热器器、 行行波场波波导加热热器、 辐射型型加热器器、 慢慢波型加加热器等等几大类类。【参考文文献】1、 曾令可 ,王慧慧 ,程程小苏 ,张明明 ,罗罗民华 ,陈创创亮。陶瓷工工业干燥燥技术和和设备。山山东陶瓷瓷2、 冯青、樊樊斌、汪汪和平。干干燥技术术3、 曾令可，方方海鑫，王王慧，程程小苏。微微波加热热技术在在陶瓷坯坯体干燥燥上的应应用。干干燥技术术与设备备11