巨尾桉人工林小徑桉木常規(guī)干燥工藝優(yōu)化

陳桂丹，陳松武，劉曉玲，林家純，羅玉芬，蒙芳慧，陳 艷

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 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）

桉樹（Eucalyptusspp.）為桃金娘科（Myrtaceae）桉屬植物，生長迅速，干形通直，出材量高，輪伐期短，是我國種植面積較大的速生人工林樹種，主要栽培品種有尾葉桉（E.urophylla）及巨桉（E.grandis）與尾葉桉的雜交品種巨尾桉（E.grandis×E.urophylla）和尾巨桉（E. urophylla×E. grandis）[1-4]。桉樹木材生長應(yīng)力大，易開裂變形，多為5 ～10年生的短周期小徑材，多用于生產(chǎn)膠合板、刨花板和纖維板，實(shí)木利用率低[5-7]。將小徑桉木制成鋸材，加工成指接板，用于生產(chǎn)木門、地板和家具等產(chǎn)品，邊角余料可用于生產(chǎn)刨花板和纖維板，可有效解決桉木尺寸穩(wěn)定性問題，提高桉木綜合利用率及產(chǎn)品附加值。

因自身特殊的生長特性，桉木屬于典型的難干材，桉木的干燥技術(shù)是其實(shí)木加工利用的關(guān)鍵，也是最難攻克的一項(xiàng)技術(shù)[8-9]。近年來，不少學(xué)者對桉木干燥技術(shù)開展了相關(guān)研究。陳松武等[10]采用百度試驗(yàn)法對不同樹齡巨尾桉無性系廣林9號（E.grandis×E.urophyllaGLGU9）木材的干燥特性進(jìn)行研究并制定了干燥基準(zhǔn)，結(jié)果顯示隨巨尾桉樹齡增加，木材開裂現(xiàn)象減少；唐日俊等[11]對15年生巨尾桉木材干燥基準(zhǔn)進(jìn)行研究，在進(jìn)行25 ～30 mm 厚巨尾桉鋸材干燥時，初期干濕球溫差不宜過大，后期干燥溫度不宜過高，能有效減少干燥缺陷；王喜明等[12]對比了尾巨桉、尾圓桉（E.urophylla×E.tereticornis）和大花序桉（E.cloeziana）3 種桉樹人工林木材的干燥皺縮特性，結(jié)果顯示尾巨桉木材較尾圓桉和大花序桉木材更容易發(fā)生皺縮；Llic[13]在-20 ℃對王桉（E.regnans）木材進(jìn)行預(yù)凍處理，研究表明預(yù)凍處理能有效降低木材皺縮；林興昌[14]研究預(yù)蒸煮對巨尾桉木材性能的影響，結(jié)果表明水熱化學(xué)預(yù)蒸煮處理可有效降低木材的差異干縮，減少干燥變形等缺陷的產(chǎn)生；孔璐璐等[15]探究最佳的巨尾桉汽蒸預(yù)處理工藝，結(jié)果顯示巨尾桉氣干含水率和汽蒸溫度分別為50%和100 ℃時，汽蒸效果最佳，能有效防止后續(xù)干燥過程中干燥缺陷的產(chǎn)生。上述研究多在實(shí)驗(yàn)室開展。本研究依托企業(yè)的原材料和干燥設(shè)備，進(jìn)行堆垛方式和干燥基準(zhǔn)的優(yōu)化對比試驗(yàn)，研究成果能更好地指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)。

木材的干燥方法很多，常規(guī)干燥因其技術(shù)成熟、操作簡便、干燥特性易掌握、適應(yīng)性強(qiáng)、裝材量大和干燥速度快等諸多優(yōu)勢占主導(dǎo)地位。目前，國內(nèi)木材干燥生產(chǎn)所采用的干燥設(shè)備80%以上為常規(guī)設(shè)備，以頂風(fēng)機(jī)型最多，約占98%以上[16]。木材加工企業(yè)對桉木鋸材進(jìn)行干燥時，多根據(jù)操作工的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行干燥基準(zhǔn)設(shè)定，主要采用較保守的常規(guī)低溫干燥工藝，存在部分干燥工藝參數(shù)不科學(xué)的問題，干燥效率不高。筆者團(tuán)隊在對木材加工企業(yè)開展實(shí)地技術(shù)調(diào)研和跟蹤測試的基礎(chǔ)上，對巨尾桉人工林小徑桉木鋸材常規(guī)干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期為桉木鋸材干燥生產(chǎn)提質(zhì)增效、節(jié)能減排及高附加值實(shí)木利用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

材料取自廣西某木材加工企業(yè)，品種為巨尾桉無性系廣林9號，6年生；木段小頭直徑14 cm以下，長度約2 m，鋸制加工成640 mm×44 mm×38 mm（長×寬×厚）規(guī)格的鋸材，大棚內(nèi)氣干至含水率為40%～50%后裝窯干燥。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

干燥設(shè)備為企業(yè)定制的以蒸汽為熱源的頂風(fēng)機(jī)型強(qiáng)制循環(huán)干燥窯，窯內(nèi)尺寸為8.5 m（寬）×7.4 m（深）×4.1 m（高），干燥鋸材的容積約為60 m3，鍋爐系統(tǒng)的飽和蒸汽經(jīng)由蒸汽管路系統(tǒng)送至干燥室，配置頂風(fēng)式風(fēng)機(jī)4個，運(yùn)行風(fēng)速約為1.5 m/s，采用智能儀表型半自動控制系統(tǒng)，通過干球和濕球溫度控制干燥工藝。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 企業(yè)干燥工藝

材堆以鋸材自身為層間隔條，隔條間距約300 mm，鋸材間留空隙，共15 層。每單元小材堆長約1.3 m，寬約1.3 m，高約1.2 m（包括墊板），端部不齊平。裝窯時，高度方向上裝3個單元小材堆，每垛高約3.6 m，寬度方向上每排放置5 垛，深度方向上放置4排；材堆在窯內(nèi)均勻分布放置，材堆與材堆間隔約30 cm。

該企業(yè)采用低溫干燥方式進(jìn)行干燥。干燥初期干球溫度為43 ℃，后期干球溫度升至56 ℃，干濕球溫度差最大為13 ℃；干燥過程中未進(jìn)行中間處理；在含水率為25%～20%階段提高窯內(nèi)相對濕度（表1）。

表1 企業(yè)干燥基準(zhǔn)Tab.1 Drying schedule in enterprise

1.3.2 優(yōu)化干燥工藝

以鋸材自身為層間隔條，鋸材間留空隙，單元小材堆長度和寬度尺寸與企業(yè)材堆保持一致，高度增加至約1.3 m，以減少材堆頂部的氣流損失；采用齊頭堆積法，鋸材兩端的隔條與鋸材外側(cè)齊平，保持層內(nèi)與層間鋸材外端部對齊，材堆兩側(cè)整齊垂直；進(jìn)窯材堆數(shù)與企業(yè)干燥生產(chǎn)時一致，但材堆與材堆連接擺放，盡量減少材堆間的空隙；在深度方向，相鄰兩排材堆相互錯開[17]（圖1）。在材堆頂部，選取部分小材堆用塑料打包帶打包壓緊。

圖1 相鄰兩排材堆相互錯開示意圖Fig.1 Diagram of two adjacent rows of wood stacks stagger?ing each other

采用百度試驗(yàn)法對6年生巨尾桉無性系廣林9號木材的干燥特性進(jìn)行研究。該木材的內(nèi)裂和截面變形較嚴(yán)重（表2）。在制定干燥基準(zhǔn)時，干燥初期的溫度不宜過高，且需緩慢升溫，以減少初期開裂和截面變形現(xiàn)象；需控制干燥初期的干濕球溫度差，不宜過大，減少內(nèi)裂產(chǎn)生；待干燥中后期木材相對穩(wěn)定后，加大升溫幅度和干濕球溫度差，提高干燥速度。

表2 巨尾桉無性系廣林9號木材干燥缺陷等級Tab.2 Drying defect grades of E.grandis×E.urophylla GLGU9 specimen

結(jié)合百度試驗(yàn)法研究結(jié)果，并利用實(shí)驗(yàn)室小型干燥窯進(jìn)行小試試驗(yàn)，制定優(yōu)化干燥基準(zhǔn)（表3）。該基準(zhǔn)設(shè)定了干燥過程中預(yù)熱階段、中間處理、平衡處理和終了處理等不同階段的工藝條件；干燥初期和后期的干球溫度及干濕球溫度差均比企業(yè)干燥基準(zhǔn)有所提高；在含水率降至35% 和20%時，分別進(jìn)行中間處理；檢驗(yàn)板含水率最低的達(dá)到8%時，開始進(jìn)行平衡處理，檢驗(yàn)板含水率最高的達(dá)到12%時結(jié)束；終了處理時間為溫度和濕度到達(dá)設(shè)定值后持續(xù)10 h。

表3 優(yōu)化干燥基準(zhǔn)Tab.3 Optimized drying schedule

1.3.3 干燥質(zhì)量檢測

依據(jù)LY/T 1068-2012[18]，在材堆中放置6 塊無明顯缺陷的檢驗(yàn)板；依據(jù)GB/T 6491-2012[19]，測定檢驗(yàn)板初含水率和絕干質(zhì)量。干燥過程中，定時將檢驗(yàn)板取出稱重，并推算實(shí)際含水率，記錄干燥缺陷變化情況。干燥結(jié)束后，根據(jù)GB/T 6491-2012[19]，進(jìn)行干燥質(zhì)量檢測。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對各檢驗(yàn)板干燥質(zhì)量進(jìn)行檢測后，依據(jù)GB/T 6491-2012[19]計算平均終含水率、干燥均勻度、厚度上的含水率偏差、殘余應(yīng)力及各可見干燥缺陷質(zhì)量指標(biāo)值，再進(jìn)行干燥質(zhì)量等級評定。根據(jù)優(yōu)化工藝中干燥窯內(nèi)干球和濕球溫度及鋸材含水率隨時間的變化，繪制干燥過程曲線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥質(zhì)量對比分析

采用企業(yè)干燥工藝進(jìn)行干燥，鋸材由初含水率45.50%干燥至終含水率9.76%，共耗時210 h（8.75天），平均干燥速率為0.17%/h。采用優(yōu)化后的干燥工藝進(jìn)行干燥，鋸材由初含水率47.30%干燥至終含水率9.14%，共耗時178 h（7.42天），平均干燥速率為0.21%/h，比企業(yè)干燥工藝的平均干燥速度高出23.53%；含水率＞30%階段，平均干燥速率為0.23%/h，含水率≤30%階段，平均干燥速率為0.19%/h，整個干燥過程中干燥速率較平穩(wěn)（圖2）。優(yōu)化干燥工藝采取材堆緊密相連、相鄰兩排材堆相互錯開的進(jìn)窯方式，同時增加材堆高度，有效防止循環(huán)空氣僅從材堆間的空隙流過而未經(jīng)過材堆，減少熱量損失；優(yōu)化干燥基準(zhǔn)提高了干燥后期的干球溫度和干濕球溫度差，加快鋸材水分蒸發(fā)，有效提升干燥速率。

圖2 優(yōu)化工藝干燥過程曲線Fig.2 Drying curves in optimized drying process

采用企業(yè)干燥工藝和優(yōu)化干燥工藝兩種不同工藝生產(chǎn)的鋸材，除最終含水率為二級外，其他指標(biāo)均達(dá)到一級要求，翹彎、內(nèi)裂和皺縮現(xiàn)象均未產(chǎn)生（表4）。采用優(yōu)化干燥工藝，鋸材殘余應(yīng)力和縱裂明顯低于企業(yè)干燥工藝，優(yōu)化前后的殘余應(yīng)力值分別為0.6%和0.3%，優(yōu)化前后的縱裂值分別為3.7%和2.5%，主要是由于優(yōu)化干燥工藝的材堆堆積采用齊頭堆積法，并保持各鋸材端部齊平，且在干燥過程中進(jìn)行兩次中間處理，能有效減少開裂缺陷，并降低殘余應(yīng)力，提高出材率，緩解后期木材加工變形。

表4 不同干燥工藝鋸材干燥質(zhì)量Tab.4 Drying qualities of sawn timbers with different drying processes

2.2 不同高度位置鋸材干燥質(zhì)量對比分析

采用優(yōu)化工藝干燥后，統(tǒng)計干燥窯內(nèi)高度方向上材堆上、中和下3個部位鋸材的干燥質(zhì)量指標(biāo)（表5）。不同部位鋸材的干燥質(zhì)量指標(biāo)有差異，但無明顯變化規(guī)律。

表5 不同高度位置鋸材干燥質(zhì)量Tab.5 Drying qualities of sawn timbers at different heights

續(xù)表4 Continued

2.3 壓緊處理對鋸材干燥質(zhì)量的影響

對材堆頂部用塑料打包帶進(jìn)行打包壓緊處理鋸材與未進(jìn)行打包壓緊處理鋸材的彎曲缺陷進(jìn)行對比分析。進(jìn)行壓緊處理鋸材的順彎、橫彎和扭曲缺陷指標(biāo)值分別為0.30%、0.29%和0.42%，未進(jìn)行壓緊處理鋸材的上述3 項(xiàng)缺陷指標(biāo)值分別為0.38%、0.39%和0.54%。進(jìn)行壓緊處理后，鋸材的彎曲變形指標(biāo)有所降低，說明壓緊處理對于減少鋸材彎曲變形缺陷有一定效果。

3 結(jié)論

針對企業(yè)在進(jìn)行人工林小徑桉木鋸材干燥時采用的原有干燥工藝，從堆積方式和干燥基準(zhǔn)兩方面進(jìn)行干燥工藝優(yōu)化。優(yōu)化后的干燥工藝將平均干燥速度提高了23.53%，干燥效率提升明顯；干燥質(zhì)量檢測指標(biāo)均滿足GB/T 6491-2012 對二級鋸材的技術(shù)要求；干燥鋸材的縱裂較企業(yè)工藝干燥生產(chǎn)有所減輕，干燥質(zhì)量改善明顯。

在采用優(yōu)化工藝干燥時，窯內(nèi)上、中和下部材堆的鋸材干燥質(zhì)量隨高度位置變化無明顯變化規(guī)律；材堆頂部采取壓緊處理可減少干燥鋸材彎曲變形缺陷的產(chǎn)生。

企業(yè)在進(jìn)行人工林小徑桉木鋸材干燥時，可在堆積裝窯時盡量保持材堆各鋸材端部齊平，在干燥窯深度方向采取相鄰兩排材堆相互錯開的方式堆放，材堆頂部進(jìn)行壓緊或壓重處理；在制定常規(guī)干燥基準(zhǔn)時，針對桉木易開裂變形的木材特性，采用軟基準(zhǔn)工藝，干燥生產(chǎn)過程中可進(jìn)行兩次中間處理，干燥后期適當(dāng)提高干燥溫度和干濕球溫度差。該工藝可有效提高桉木干燥效率和干燥質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的同時提高出材率，有利于干燥鋸材的進(jìn)一步加工利用。