黃騰華,榮 波,王軍鋒,葉新忠,宋戀環(huán)
(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院,廣西南寧 530002;2.廣西木材資源培育質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心,廣西南寧 530002;3.廣西壯象木業(yè)有限公司,廣西柳州 545400)
杉木(Cunninghamia lanceolata)是我國南方大量種植的速生用材樹種之一,具生長速度快、輪伐期短、干形通直、出材率高、密度小及材質(zhì)較松軟等特點;廣泛應(yīng)用于實木家具、室內(nèi)裝修和細(xì)木工板生產(chǎn)等行業(yè);主要種植在廣西、廣東、福建、四川、云南和貴州等?。ㄗ灾螀^(qū)),種植面積達(dá)到我國商品材面積的四分之一[1-4]。杉木基材干燥是飾面細(xì)木工板生產(chǎn)的重要工序之一,合理干燥,可提高杉木基材干燥質(zhì)量、干燥效率并節(jié)約干燥成本,有效解決飾面細(xì)木工板的厚度偏差、表面不平整及尺寸不穩(wěn)定等技術(shù)難題,推動飾面細(xì)木工板加工企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。對杉木干燥的研究主要集中在百度干燥特性[2]、板材高溫和常溫組合干燥[3-4]、窯干[5]、高頻真空干燥[6]、高溫快速干燥[7]、高溫水供熱干燥[8]和熱壓干燥[9]等對不同厚度(20 ~50 mm)的杉木鋸材或方材(51 mm×74 mm)的干燥工藝及干燥過程傳熱傳質(zhì)[10]和含水率及其分布[11-12]等微觀變化情況,針對細(xì)木工板基材用杉木的干燥工藝研究尚未見報道。本研究以細(xì)木工板基材用杉木鋸材(長×寬×厚=500 mm×60 mm×12 mm)為對象,在百度試驗法制定的29年生杉木木材干燥基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上[2],開展杉木鋸材的小試干燥工藝研究,制定較優(yōu)杉木鋸材的小試干燥工藝,并在該工藝基礎(chǔ)上采用企業(yè)大型干燥窯開展窯干中試試驗,通過分析干燥質(zhì)量,進(jìn)一步優(yōu)化干燥工藝,編制出較優(yōu)的細(xì)木工板基材用杉木鋸材干燥基準(zhǔn),為細(xì)木工板基材用杉木鋸材提供科學(xué)合理的干燥工藝。
杉木鋸材購于廣西壯象木業(yè)有限公司,試材規(guī)格及初含水率見表1。
表1 試材基本情況Tab.1 Basic information of tested materials
木材干燥試驗機(jī)(SK-D 電加熱型)(南京森科木材干燥設(shè)備有限公司);中意干燥設(shè)備(ZY-70)(中國·哈爾濱中意干燥設(shè)備有限公司);電子天平(PL402-L)(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司);游標(biāo)卡尺(桂林量具刃具廠),量程為0 ~600 mm;千分尺(桂林量具刃具廠),量程為0 ~25 mm。
小試干燥試驗采用容積為1.0 m3的木材干燥試驗機(jī),在百度試驗法制定的杉木干燥基準(zhǔn)[3]的基礎(chǔ)上編制小試干燥基準(zhǔn),重復(fù)3 次,每窯堆放128 塊鋸材;選取9塊無裂紋、死節(jié)等缺陷的杉木鋸材作為檢驗板,其中6 塊為含水率檢驗板,1 塊為應(yīng)力檢驗板,2 塊備用,將鋸材按順序進(jìn)行編號。含水率檢驗板每4 h稱重1次,記錄其寬度、厚度及開裂情況;應(yīng)力檢驗板每4 h 取樣1 次,檢測含水率及殘余應(yīng)力變化情況。板材終含水率滿足GB/T 6491-2012[13]、GB/T 5849-2016[14]和GB/T 34722-2017[15]的含水率要求,達(dá)到6%~12%時可降溫出窯,每窯試驗均對鋸材進(jìn)行質(zhì)量統(tǒng)計,統(tǒng)計其缺陷情況,選取干燥質(zhì)量最優(yōu)的一窯,作為較優(yōu)的小試干燥基準(zhǔn)(表2)。
表2 杉木鋸材干燥基準(zhǔn)Tab.2 Drying schedule of C.lanceolata sawn timber
中試干燥試驗采用容積為154 m3的蒸汽間接干燥窯,以較優(yōu)小試干燥基準(zhǔn)為基礎(chǔ),結(jié)合中試干燥窯的容積、裝載量、氣流循環(huán)方向及速度等情況,編制中試干燥基準(zhǔn),重復(fù)3 次,每窯堆放72 m3板材;試驗板選取、檢驗板擺放、檢驗板跟蹤測試及干燥結(jié)束后板材的干燥質(zhì)量統(tǒng)計均與小試干燥試驗方法一致,獲得較優(yōu)的中試干燥基準(zhǔn)。中試干燥試驗的檢驗板放置在干燥窯小門旁邊,以便取、放檢驗板。檢驗板的最初、最終及應(yīng)力試片的制備均按GB/T 6491-2012[13]所規(guī)定的方法進(jìn)行,并分別選取小試和中試干燥質(zhì)量最優(yōu)的一窯進(jìn)行干燥質(zhì)量分析。
企業(yè)原干燥工藝采用容積為154 m3的蒸汽間接干燥窯進(jìn)行杉木鋸材窯干生產(chǎn),每窯堆放72 m3板材,共選取3窯進(jìn)行杉木鋸材干燥質(zhì)量分析,檢驗板的放置和檢測方法與中試干燥試驗一致。
參照GB/T 6491-2012[13]要求,干燥結(jié)束后,對所有試驗板的干燥質(zhì)量進(jìn)行檢測,分析各項干燥質(zhì)量指標(biāo)。將企業(yè)原干燥工藝與小試、中試干燥工藝進(jìn)行對比,獲得適合中試窯干的較優(yōu)干燥基準(zhǔn),可應(yīng)用于細(xì)木工板基材用杉木鋸材大批量窯干生產(chǎn)。
采用Excel 軟件整理數(shù)據(jù)并作圖,采用SPSS 軟件進(jìn)行方差分析和多重比較分析。
企業(yè)原干燥工藝條件下,杉木鋸材從平均初含水率40.60%干燥至含水率4.80%,共耗時72 h,平均干燥速率為0.49%/h(圖1);在優(yōu)化小試干燥工藝條件下,杉木鋸材從平均初含水率38.80%干燥至終含水率4.63%,共耗時44 h,平均干燥速率為0.77%/h(圖2);優(yōu)化中試干燥工藝條件下,杉木鋸材從平均初含水率40.18%干燥至終含水率6.11%,共耗時48 h,平均干燥速率為0.71%/h(圖3)。優(yōu)化中試干燥過程中,干燥至8 ~20 h,杉木鋸材水分蒸發(fā)速率較快,干燥速率最快,最高達(dá)到1.90%/h。在確保干燥質(zhì)量的前提下,優(yōu)化中試干燥較明顯地提高干燥速率,節(jié)約干燥成本。
圖1 企業(yè)原干燥工藝干燥過程曲線Fig.1 Curves of enterprise's original drying process
圖2 優(yōu)化小試干燥過程曲線Fig.2 Curves of optimized drying process of lab scale test
圖3 優(yōu)化中試干燥過程曲線Fig.3 Curves of optimized drying process of pilot scale test
表芯層含水率及其含水率偏差與干燥應(yīng)力的大小、方向呈正相關(guān)關(guān)系[16-17]。企業(yè)原干燥工藝條件下,9 塊檢驗板終含水率為4.80%,芯層含水率比表層高,含水率偏差為0.76%(表3)。優(yōu)化小試干燥工藝條件下,9 塊檢驗板終含水率為4.63%,芯層含水率比表層高,含水率偏差為0.62%。優(yōu)化中試干燥工藝條件下,9 塊檢驗板終含水率為6.11%,芯層含水率比表層高,含水率偏差為0.68%,厚度上的含水率偏差比企業(yè)原有干燥工藝小,說明干燥得更均勻。
表3 不同干燥工藝鋸材干燥質(zhì)量Tab.3 Drying quality of sawn timbers with different drying process
殘余應(yīng)力是木材干燥后尚存在木材內(nèi)部使其自相平衡的應(yīng)力[16-17]。企業(yè)原干燥工藝條件下,檢驗板的殘余應(yīng)力值為0.21%,滿足GB/T 6491-2012[13]對切片法檢測殘余應(yīng)力值不超過0.22%的二級要求;優(yōu)化小試干燥工藝條件下,檢驗板的殘余應(yīng)力值為0.14%,滿足GB/T 6491-2012[13]對切片法檢測殘余應(yīng)力值不超過0.16%的一級要求;優(yōu)化中試干燥工藝條件下,檢驗板的殘余應(yīng)力值為0.15%,滿足一級要求(表3)。
通過觀測檢驗板的殘余應(yīng)力和含水率偏差變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)其存在正相關(guān)關(guān)系,含水率偏差越大,殘余應(yīng)力值越高。應(yīng)力試驗片的變化規(guī)律是表層向內(nèi)彎曲、芯層變化不大,說明試驗片表層一邊受到壓縮應(yīng)力,靠近芯層一邊受到拉伸應(yīng)力,說明干燥后應(yīng)力試驗片的芯層含水率比表層高。因此,板材干燥越不均勻,其殘余應(yīng)力越大。殘余應(yīng)力也與杉木鋸材的樹齡、不同樹干高度位置、心邊材和弦徑板等有關(guān)[16-17]。
可見干燥缺陷包括順彎、橫彎、翹彎、扭曲和縱裂等。企業(yè)原干燥工藝條件下,各檢驗板的順彎值為1.09%,橫彎值為0.38%,翹彎值為1.23%,扭曲值為1.01%,滿足GB/T 6491-2012 標(biāo)準(zhǔn)二級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求;縱裂值為2.01%,所有檢驗板均無內(nèi)裂和皺縮,滿足GB/T 6491-2012[13]一級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求(表3)。優(yōu)化小試干燥工藝條件下,各檢驗板的順彎值為0.17%,橫彎值為0.12%,翹彎值為0.82%,扭曲值為0.39%,縱裂值為0.89%,所有檢驗板均無內(nèi)裂和皺縮,總體上滿足GB/T 6491—2012[13]標(biāo)準(zhǔn)一級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求。優(yōu)化中試干燥工藝條件下,各檢驗板的順彎值為0.21%,橫彎值為0.09%,翹彎值為0.93%,扭曲值為0.40%,縱裂值為1.92%,所有檢驗板均無內(nèi)裂和皺縮,總體上滿足GB/T 6491-2012 標(biāo)準(zhǔn)一級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求。優(yōu)化中試干燥工藝條件下,杉木鋸材的干燥缺陷比企業(yè)原干燥工藝小,說明通過優(yōu)化干燥工藝,杉木鋸材的干燥質(zhì)量得到提高。
企業(yè)原干燥工藝條件下,杉木鋸材的平均終含水率、厚度上的含水率偏差、內(nèi)裂、縱裂和皺縮深度指標(biāo)均達(dá)到GB/T 6491-2012[13]標(biāo)準(zhǔn)一級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求,殘余應(yīng)力、扭曲、橫彎、順彎和翹彎是杉木鋸材干燥較為嚴(yán)重的缺陷,達(dá)到GB/T 6491-2012[13]標(biāo)準(zhǔn)二級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求,可滿足細(xì)木工板的使用要求;優(yōu)化小試干燥和優(yōu)化中試干燥工藝條件下,杉木鋸材的平均終含水率、厚度上的含水率偏差、殘余應(yīng)力、橫彎、順彎、翹彎、扭曲、內(nèi)裂、縱裂和皺縮深度指標(biāo)均達(dá)到GB/T 6491-2012[13]標(biāo)準(zhǔn)一級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求。優(yōu)化干燥工藝試驗在干燥初期窯內(nèi)濕度較高,提高干球溫度至70 ℃,保持濕球溫度65 ℃,達(dá)到快速預(yù)熱窯內(nèi)所有杉木鋸材的目的,隨后干球溫度緩慢升高,濕球溫度逐漸下降;干燥后期,采用干球溫度80 ℃進(jìn)行終了處理2 h,可盡量消除或降低后期干燥出現(xiàn)太大的殘余應(yīng)力和含水率梯度,達(dá)到降低木材縱裂和翹彎變形的效果[18-19]。
本研究確定的優(yōu)化中試干燥基準(zhǔn)主要是為了解決細(xì)木工板基材用杉木鋸材干燥時易出現(xiàn)的開裂和翹彎變形問題,在確保干燥質(zhì)量的基礎(chǔ)上,提高干燥效率,縮短干燥時間,節(jié)約干燥成本。試驗結(jié)果表明,本研究獲得的優(yōu)化中試干燥基準(zhǔn)較適合細(xì)木工板基材用杉木鋸材的干燥生產(chǎn),采用該優(yōu)化干燥工藝,干燥時間約為48 h,比企業(yè)原干燥工藝縮短了33%,干燥質(zhì)量等級達(dá)到GB/T6491-2012[13]標(biāo)準(zhǔn)一級要求,滿足細(xì)木工板基材質(zhì)量要求,較顯著地提高杉木鋸材干燥效率。廣西壯象木業(yè)有限公司已將該工藝應(yīng)用在實際窯干生產(chǎn)中,效果較好,達(dá)到減少干燥缺陷(翹彎、開裂)、提高干燥效率及節(jié)約干燥成本的目的。
在進(jìn)行細(xì)木工板基材用杉木干燥時,應(yīng)盡量消除其干燥應(yīng)力及開裂變形等缺陷。初含水率為35% ~40%杉木鋸材(長× 寬× 厚= 500 mm × 60 mm × 12 mm)的干燥工藝可按以下3 個步驟進(jìn)行。首先,將杉木鋸材裝好窯后,快速升溫,4 h內(nèi)將干燥窯內(nèi)木材熱透,達(dá)到窯內(nèi)部及鋸材內(nèi)外溫度一致;干燥初期應(yīng)保持溫差在5 ~7 ℃,避免干燥初期溫度、濕度相差太大。內(nèi)部溫度均勻后,將溫度降低3 ~5 ℃進(jìn)行干燥,整個干燥過程中,干球溫度逐漸升高、濕球溫逐漸降低。最后干燥溫度控制在75 ~80 ℃,達(dá)到杉木鋸材干燥均勻、干燥質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的目的。