紅錐鋸材中試干燥工藝

刁海林， 白靈海， 唐賢明， 莫 理， 唐繼新， 羅建舉

（1. 廣西大學(xué) 林學(xué)院， 廣西 南寧530004； 2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心, 廣西 憑祥532600）

紅錐Castanopsis hystrix 為殼斗科Fagaceae 栲屬Castanopsis 常綠喬木， 是華南地區(qū)重要的鄉(xiāng)土闊葉珍貴用材和高效多用途樹種。 廣東、 廣西、 海南、 云南均有分布， 中心分布區(qū)在廣西南部。 紅錐木材堅(jiān)硬耐腐， 心材比例大， 色澤紅潤， 切面光滑， 紋理美觀， 具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值， 是高級(jí)家具、 輪船、 車輛、 工藝雕刻等的優(yōu)勢(shì)用材［1－2］。 紅錐的生長(zhǎng)應(yīng)力大， 其木材在儲(chǔ)存、 制材、 干燥及加工過程中極易發(fā)生變形及開裂， 在一定程度上限制了其高端用途。 實(shí)踐證明， 合理的干燥可以改善木材的加工性能， 減少變形， 延長(zhǎng)使用年限。 如何對(duì)紅錐鋸材進(jìn)行合理、 正確的干燥， 以改善紅錐鋸材的性能， 減少變形和開裂， 是紅錐木材在加工應(yīng)用中所面臨的問題。 筆者在百度試驗(yàn)［3－4］的基礎(chǔ)上， 聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際對(duì)紅錐干燥基準(zhǔn)進(jìn)行修訂； 建立中試干燥基準(zhǔn)， 然后應(yīng)用木材干燥生產(chǎn)中使用的普通干燥窯， 按常規(guī)生產(chǎn)方式對(duì)紅錐鋸材進(jìn)行干燥中試試驗(yàn)， 驗(yàn)證中試干燥基準(zhǔn)的正確性， 以期獲得適于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的干燥工藝。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

紅錐試材取自于廣西憑祥市中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心伏波試驗(yàn)場(chǎng)紅錐栽植示范基地的間伐材。 間伐林地海拔為650 m， 年降水量約為1 400 mm， 樹齡27 a， 平均胸徑34.7 cm。

1.2 鋸材與隔條的制備

在紅錐間伐材堆楞中隨機(jī)選取原木5 m3， 按制材生產(chǎn)要求將原木鋸解成長(zhǎng)2.2 m， 厚3.0 cm， 寬度不限的整邊板作為干燥試材。 隔條規(guī)格為25 mm × 40 mm × 2 200 mm（厚×寬×長(zhǎng)）。 鋸材平均初含水率為55.0%， 平均厚度含水率偏差為32.50%， 初應(yīng)力指標(biāo)2.08%。

1.3 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

試驗(yàn)使用的儀器設(shè)備主要有： 具有強(qiáng)制氣流循環(huán)系統(tǒng)及加濕裝置的生產(chǎn)用5 m3煙氣加熱干燥窯（浙江省磐安縣龍飛脫水設(shè)備廠）； 溫濕度測(cè)試儀（深圳市歐科創(chuàng)科技有限公司）； PT-90E 手持針式木材含水率測(cè)試儀（上海縱躍電子科技有限公司）； 基準(zhǔn)臺(tái)； 101-2 型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱（上海東星建材試驗(yàn)設(shè)備有限公司）； 1/1000 電子天平； 游標(biāo)卡尺； 鋼卷尺、 鋼直尺等。

1.4 方法

1.4.1 干燥前的準(zhǔn)備 從紅錐鋸材中選取節(jié)疤少、 無蟲眼、 無腐朽的優(yōu)質(zhì)板2 塊， 按國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 6491-1999）截取初含水率試驗(yàn)片4 片； 初分層含水率試驗(yàn)片2 片； 初應(yīng)力試驗(yàn)片2 片； 當(dāng)時(shí)含水率檢測(cè)板2 塊［5］。 再選12 塊弦切板作為干燥質(zhì)量檢驗(yàn)板（為了觀察不同板端處理方式對(duì)板端裂紋的影響， 將其中4 塊截去端裂并封漆； 4 塊截去端裂不封漆； 4 塊保持原始狀態(tài)僅對(duì)初始裂紋進(jìn)行標(biāo)注）。 對(duì)爐膛煙道進(jìn)行清理以提高熱效率， 對(duì)窯體進(jìn)行預(yù)熱除濕。

1.4.2 鋸材入窯 本試驗(yàn)鋸材裝窯采用水平縱向堆積方式堆積木材。 鋸材入窯前， 先用4 根20 cm × 20 cm × 220 cm 規(guī)格馬尾松大木方為墊木橫向鋪底并找平， 墊木間距為66 cm。 堆垛時(shí)材堆內(nèi)同層板材之間不留空隙， 每層鋸材之間放置隔條， 隔條間距與墊木間距一致， 在材堆頂部壓放重物。

1.4.3 干燥狀態(tài)監(jiān)測(cè) 本試驗(yàn)用于窯內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)的儀器為深圳歐科創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的可直接探測(cè)室內(nèi)溫度和介質(zhì)相對(duì)濕度的一體式溫濕度監(jiān)測(cè)儀。 溫濕度探頭安裝于窯內(nèi)隔墻底部熱空氣入口處， 距窯底部約為20 cm。 以2 塊分別置于材堆上下各1/3 處的當(dāng)時(shí)含水率檢測(cè)板適時(shí)跟蹤窯內(nèi)材堆的含水率，將12 塊干燥質(zhì)量檢測(cè)板均勻布置于材堆的上中下部位。

1.4.4 干燥基準(zhǔn) 由百度試驗(yàn)所得紅錐干燥基準(zhǔn)［3］如表1 所示。 干燥基準(zhǔn)應(yīng)該是個(gè)性化的參數(shù)， 由木材材性決定， 木材基本密度越大， 干燥基準(zhǔn)應(yīng)該越軟［6－7］。 根據(jù)紅錐密度較大及生長(zhǎng)應(yīng)力大， 容易產(chǎn)生開裂和變形的特性， 干燥速度不宜過急， 應(yīng)采用軟基準(zhǔn)及較慢的溫升速度。 故將表1 中紅錐百度試驗(yàn)干燥基準(zhǔn)的溫升梯度作適當(dāng)降低調(diào)整， 即將原7 個(gè)溫升梯度調(diào)整為9 個(gè)溫升梯度， 初期溫度（60 ℃）和終了溫度（90 ℃）不變。 當(dāng)含水率降至35.00%～30.00%區(qū)段時(shí)進(jìn)行第1 次噴蒸處理， 到達(dá)25.00%～20.00%區(qū)段時(shí)進(jìn)行第2 次噴蒸處理（噴蒸處理時(shí)間約為3 h）， 以緩解干燥應(yīng)力。 對(duì)紅錐百度試驗(yàn)干燥基準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后， 得到本試驗(yàn)的中試干燥基準(zhǔn)（表2）。

1.4.5 干燥窯工作原理及干燥過程控制 本試驗(yàn)所用煙氣加熱干燥窯， 系通過燃燒室對(duì)2 排縱向臥式迂回?zé)煔夤艿肋M(jìn)行加熱， 然后利用一排頂置下吹式鼓風(fēng)機(jī)對(duì)煙氣管道進(jìn)行鼓風(fēng)而獲得向下的熱空氣。 熱空氣經(jīng)隔墻下方的風(fēng)門導(dǎo)向后進(jìn)入干燥室（可手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門的角度， 以獲得適宜的熱空氣吹角）， 熱空氣經(jīng)過材堆后攜帶水分從干燥室前上方的空氣出口經(jīng)頂部隔層回到鼓風(fēng)機(jī)處將濕氣排向室外。 干燥窯配有一小型鍋爐作為蒸汽發(fā)生器， 蒸汽管道通過置于風(fēng)門旁的噴蒸管向干燥室噴蒸加濕調(diào)節(jié)窯內(nèi)濕度。 窯內(nèi)溫濕度由溫濕度監(jiān)測(cè)儀監(jiān)控。 試驗(yàn)開始時(shí)， 對(duì)材堆進(jìn)行預(yù)熱。 預(yù)熱溫度設(shè)為70 ℃（比干燥基準(zhǔn)的初期溫度高10 ℃）， 相對(duì)濕度設(shè)為98.00%～100.00%， 以約8 ℃·h－1的溫升速度加熱。 8 h 左右到達(dá)設(shè)定溫度70℃， 保持4 h。 同時(shí)， 以約4%·h－1的速度加濕， 窯內(nèi)空氣濕度4 h 內(nèi)達(dá)到98.00%～100.00%， 然后保持8 h。 預(yù)熱結(jié)束后， 在2～3 h 內(nèi)將溫濕度降至干燥基準(zhǔn)的初級(jí)階段， 此后按照中試干燥基準(zhǔn)的程序進(jìn)行干燥。 當(dāng)窯內(nèi)鋸材含水率降至纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)進(jìn)行第1 次中間處理（噴蒸3 h）， 以降低鋸材內(nèi)含水率梯度， 防止鋸材表層干燥過快導(dǎo)致木材開裂。 此后每次中間處理均噴蒸3 h， 整個(gè)干燥過程共進(jìn)行2～3 次中間處理。 當(dāng)鋸材含水率到達(dá)12.00%（地區(qū)平衡含水率）時(shí)， 進(jìn)行終了處理（噴蒸4 h）， 之后繼續(xù)加熱至窯內(nèi)相對(duì)濕度達(dá)到43%左右后?；穑?但風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)， 待窯內(nèi)溫度降至60 ℃后關(guān)閉風(fēng)機(jī)。 鋸材隨窯體自然冷卻24 h 后出窯， 干燥結(jié)束。 干燥過程中， 用溫濕度儀監(jiān)控干燥室內(nèi)的溫濕度， 以含水率檢測(cè)板及含水率測(cè)試儀聯(lián)合跟蹤鋸材含水率。 隔2 h 記錄1 次數(shù)據(jù)（包括窯內(nèi)溫度、 濕度及含水率檢測(cè)板當(dāng)時(shí)質(zhì)量等數(shù)據(jù)）。 鋸材出窯后， 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6491-1999［8］對(duì)鋸材進(jìn)行干燥質(zhì)量檢測(cè)、 評(píng)定等級(jí)并進(jìn)行總結(jié)分析， 試驗(yàn)結(jié)束。

表1 紅錐百度試驗(yàn)干燥基準(zhǔn)Table 1 Drying schedule of 100 ℃test of Castanopsis hystrix lumber

表2 紅錐中試干燥基準(zhǔn)Table 2 Drying schedule of pilot test of Castanopsis hystrix lumber

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥結(jié)果

2.1.1 干燥質(zhì)量檢測(cè) 經(jīng)對(duì)紅錐鋸材干燥中試產(chǎn)品進(jìn)行干燥質(zhì)量檢測(cè)， 結(jié)果為： 鋸材平均終含水率為7.24%， 厚度含水率偏差為2.37%， 殘余應(yīng)力指標(biāo)為4.12%， 其他可見干燥缺陷質(zhì)量指標(biāo)（表3）。 鋸材端部處理方式對(duì)鋸材端裂的影響情況如表4 所示。

2.1.2 干燥曲線總圖 由試驗(yàn)記錄得紅錐鋸材含水率、 窯內(nèi)溫度、 介質(zhì)相對(duì)濕度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線總圖如圖1 所示。

2.1.3 干燥時(shí)間及速度 干燥過程中， 紅錐鋸材干燥至平衡含水率12.00%時(shí)所用時(shí)間為138 h （5.75 d）；干燥速度約為0.31%·h-1。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 干燥質(zhì)量分析 根據(jù)GB/T 6491-1999《鋸材干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［8］， 對(duì)紅錐鋸材進(jìn)行干燥質(zhì)量單項(xiàng)評(píng)價(jià)結(jié)果為： 平均終含水率7.24%， 單項(xiàng)質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)； 厚度含水率偏差2.37%， 單項(xiàng)質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)；應(yīng)力指標(biāo)4.12%， 單項(xiàng)質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)； 順彎度0.17%， 單項(xiàng)質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)； 橫彎度0.25%， 單項(xiàng)質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)； 扭曲度0.24%， 單項(xiàng)質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)； 瓦彎度2.55%， 單項(xiàng)質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)弱； 縱裂度3.31%， 單項(xiàng)質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)； 無內(nèi)裂。 綜合干燥質(zhì)量良好。 由以上分析可知， 平均含水率、 厚度含水率偏差以及順彎、 橫彎、 扭曲、 瓦彎、 縱裂、 內(nèi)裂等指標(biāo)表現(xiàn)均較好， 紅錐的干燥質(zhì)量主要受到殘余應(yīng)力的影響（因其殘余應(yīng)力指標(biāo)4.12%較國標(biāo)干燥二級(jí)材的指標(biāo)3.5%偏大）， 是紅錐實(shí)際干燥中要特別注意控制的指標(biāo)。 實(shí)際干燥生產(chǎn)中， 適當(dāng)增加中間處理的次數(shù)及適當(dāng)加大終了處理的噴蒸強(qiáng)度及延長(zhǎng)噴蒸時(shí)間， 可以減小終了殘余應(yīng)力。 另外， 可根據(jù)鋸材靠近樹皮一側(cè)的干縮率大于靠近髓心一側(cè)的干縮特性， 在鋸材裝窯時(shí)將鋸材靠近髓心的一面置于迎風(fēng)的位置以反制因兩側(cè)板面通風(fēng)速度不均而造成的彎曲。

2.2.2 鋸材端裂分析 由表4 及對(duì)紅錐干燥情況的現(xiàn)場(chǎng)觀察分析可知， 截端裂且端部封漆的鋸材繼續(xù)產(chǎn)生端裂的狀況少于無封漆及端部保留自然狀態(tài)的鋸材。 而端部保留自然狀態(tài)與截端裂不封漆的鋸材相比端部保留自然狀態(tài)的鋸材端裂狀況稍好于截端裂不封漆的鋸材， 但優(yōu)勢(shì)不明顯。 說明紅錐鋸材入窯干燥時(shí)沒有必要截去原始端裂， 但如果干燥前將紅錐鋸材端部實(shí)施封漆或封蠟， 則對(duì)于控制紅錐鋸材干燥端裂具有較明顯的效果。研究中還發(fā)現(xiàn)， 鋸材板寬對(duì)鋸材端裂的影響較明顯， 寬度較大的鋸材比寬度較小者端裂更明顯更嚴(yán)重。 這是由于在較窄的板材中，干燥應(yīng)力在寬度方向分布狀態(tài)較均勻， 以至于不易造成因板材中各處應(yīng)力釋放不均勻而開裂。 此外， 由表4 可見： 同一板端處理狀態(tài)下， 各檢驗(yàn)板間的端裂狀況亦存在較大的變異性。 究其原因發(fā)現(xiàn)， 鋸材的端裂除了與材性及板端處理狀態(tài)有關(guān)外， 還與板位有關(guān)。即靠近樹皮一側(cè)的弦切板產(chǎn)生端裂的程度較輕微， 而靠近髓心一側(cè)的弦切板則較易產(chǎn)生端裂。 觀察材堆中其他鋸材的端裂情況， 發(fā)現(xiàn)包含髓心的中心板更易沿髓心處產(chǎn)生端裂，這是因?yàn)榧t錐的髓心脆而抗拉強(qiáng)度低， 極易因干燥初期板端水分的丟失而產(chǎn)生的拉應(yīng)力引起開裂， 這也是紅錐端裂的一大特點(diǎn)。

2.2.3 截面皺縮分析 皺縮是木材干燥時(shí)由于水分移動(dòng)太快所產(chǎn)生的毛細(xì)管張力和干燥應(yīng)力使細(xì)胞潰陷而引起的不規(guī)則的收縮。 通常是在干燥初期由于干燥溫度高， 自由水移動(dòng)速度快而產(chǎn)生的一種木材干燥缺陷。 木材的皺縮與木材本身的材性有關(guān)， 亦與干燥溫度及相對(duì)濕度有關(guān)。 研究表明： 木材在相同相對(duì)濕度下干燥， 溫度越高， 皺縮就越大［9］。一般來說， 木材縱向、 徑向、 弦向絕干時(shí)干縮率的范圍分別是0.10%～0.30%， 3.00%～6.00%， 6.00%～12.00%［5］。 本試驗(yàn)中紅錐鋸材產(chǎn)生截面變形的截面厚度差為0.01～0.39 mm， 變化范圍較小。 截面徑向皺縮率平均值為5.79%， 在一般值的3.00%～6.00%之間偏上， 但仍在合理范圍內(nèi)。 此次試驗(yàn)由于材堆終含水率達(dá)到7.24%， 在較低的含水率下， 較易產(chǎn)生鋸材截面皺縮。 在實(shí)際生產(chǎn)中將材堆終含水率控制在全國地區(qū)平均平衡含水率12.00%左右， 可以有效降低截面的皺縮率。

表3 紅錐30 mm 鋸材可見干燥缺陷質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)Table 3 Visible drying defects quality measurement indicators of 30 mm thick Castanopsis hystrix lumber

表4 紅錐鋸材端部處理與開裂狀況Table 4 Terminal treatment and cracking status of Castanopsis hystrix lumber

圖1 含水率、 溫度、 濕度—時(shí)間關(guān)系曲線總圖Figure 1 Relationship of time—moisture content， temperature and humidity

2.2.4 表裂及內(nèi)裂分析 木材干燥時(shí)， 表面水分先行蒸發(fā)， 內(nèi)部水分逐漸外移， 當(dāng)內(nèi)部水分移動(dòng)速度不能與干燥速度適應(yīng)時(shí)， 表面水分降至纖維飽和點(diǎn)以下， 而木材內(nèi)部含水率仍在纖維飽和點(diǎn)以上， 木材表面拉應(yīng)力使木材表面開裂［10］。 紅錐屬于硬闊葉材， 其材質(zhì)較硬， 延展性差， 對(duì)表裂尤為敏感， 因此， 控制干燥表裂是保證紅錐干燥質(zhì)量的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。 在實(shí)際干燥生產(chǎn)中， 適當(dāng)降低含水率梯度， 控制鋸材的表面干燥速度， 保持鋸材內(nèi)外干燥速度趨于一致， 可以有效降低鋸材的表面開裂。 通過對(duì)本次試驗(yàn)過程中檢測(cè)板的跟蹤觀測(cè)發(fā)現(xiàn)， 紅錐鋸材干燥初期， 鋸材表面曾出現(xiàn)大量的較為嚴(yán)重的裂紋， 但隨后繼續(xù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)， 大部分裂紋都會(huì)在干燥后期因鋸材內(nèi)外含水率達(dá)到平衡而自行愈合。 由最終檢測(cè)結(jié)果知， 紅錐表裂平均值為3.31%， 小于國家鋸材干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一等材所要求的4.00%， 而且完全沒有內(nèi)裂。說明干燥基準(zhǔn)所設(shè)置的溫濕度梯度、 中間處理及終了處理程序比較合理。

3 結(jié)論

本次對(duì)紅錐鋸材進(jìn)行干燥中試試驗(yàn)的各項(xiàng)干燥質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)良好， 諸單項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)中， 絕大部分達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 6491-1999）規(guī)定的鋸材干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)二級(jí)以上， 干燥質(zhì)量達(dá)到預(yù)期目標(biāo)， 說明本研究制定的中試干燥基準(zhǔn)基本合適。

紅錐鋸材由初含水率55.00%干燥至全國地區(qū)平均平衡含水率12.00%時(shí)所用時(shí)間為138 h（5.75 d）；干燥速度為0.31%·h－1。 影響紅錐鋸材干燥質(zhì)量的主要因素為殘余應(yīng)力， 其次為縱裂和瓦彎。

干燥前將鋸材截去原始端裂并封漆， 可有效減少鋸材端部開裂。

由于在進(jìn)行本干燥試驗(yàn)過程中， 除干燥基準(zhǔn)外， 所采用的干燥設(shè)備及干燥方式與目前一般干燥生產(chǎn)實(shí)際相接近， 因此， 其方法可直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。 但應(yīng)注意的是， 干燥基準(zhǔn)與鋸材厚度有關(guān)， 實(shí)際干燥中應(yīng)根據(jù)實(shí)際鋸材厚度等情況對(duì)干燥基準(zhǔn)作適當(dāng)調(diào)整， 才能獲得好的干燥效果。 具體調(diào)整辦法可參閱文獻(xiàn)［11］進(jìn)行。 對(duì)于干燥初期曾經(jīng)出現(xiàn)后又自行愈合的表面裂紋， 作者曾專門進(jìn)行過板面刨光觀察， 發(fā)現(xiàn)其愈合復(fù)原的程度甚為致密， 完全無法通過肉眼觀測(cè)到曾經(jīng)產(chǎn)生過的裂紋。 至于是否會(huì)因此影響油漆效果以及影響的程度， 尚有待于進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)觀察。

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