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        基于正交試驗(yàn)的桉木最佳氣干方式

        2022-07-08 05:43:50陳松武林家純劉曉玲陳桂丹羅玉芬蒙芳慧姚瑞芳
        廣西林業(yè)科學(xué) 2022年3期

        陳松武,林家純,劉曉玲,陳桂丹,羅玉芬,陳 艷,蒙芳慧,姚瑞芳

        (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.)是一種速生樹種,生長(zhǎng)周期短,適應(yīng)性強(qiáng),在我國(guó)不少地區(qū)均有廣泛種植[1-2]。木材干燥是木材加工利用的重要環(huán)節(jié)。桉木在干燥過程中易開裂變形,干燥技術(shù)成為桉木提效增值的關(guān)鍵。木材氣干是將需干燥的原木、鋸材等按照一定的方式,堆積在空曠的場(chǎng)地或棚內(nèi),利用光照、風(fēng)吹等自然條件,使木材內(nèi)部水分隨空氣排出,達(dá)到一定的干燥目的。與窯干相比,氣干具有成本低、節(jié)能和易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)。李曉玲等[3-4]對(duì)4 種桉樹人工林木材及8種短周期工業(yè)材進(jìn)行氣干特性和干燥規(guī)律的研究,研究結(jié)果表明,無論哪個(gè)季節(jié),試材干燥初期含水率下降速度均很快;江京輝等[5]對(duì)杉木(Cunninghamia lanceolata)生材含水率分布及其對(duì)氣干效果的影響進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明,鋸材初含水率和厚度是影響氣干周期的關(guān)鍵因素;蔡則謨等[6]以海南省兩種針葉樹材及15種闊葉樹材為材料,研究木材含水率、相對(duì)濕度和溫度等對(duì)氣干速率的影響,研究結(jié)果表明,木材含水率對(duì)氣干速率的影響最大,相對(duì)濕度和溫度次之,風(fēng)速和大氣壓力的影響不顯著;李金朋等[7]對(duì)小徑桉木半剖材氣干過程的對(duì)流傳質(zhì)模型進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明,試件平均含水率的降低速率在氣干初期較大,隨時(shí)間推移有逐步減緩的趨勢(shì)。研究表明,采用氣干與窯干聯(lián)合干燥,可降低木材干燥成本,先將木材氣干至含水率25%~30%,然后入窯干燥,可使窯干時(shí)間顯著縮短,提高干燥窯生產(chǎn)率約40%,減少降等損失60%[8-10]。本研究通過研究桉木堆積高度、堆積方式和堆積場(chǎng)地對(duì)氣干含水率下降速率及氣干質(zhì)量的影響,確定較優(yōu)的桉木氣干方式,為桉木氣干-窯干聯(lián)合干燥工藝提供理論支撐。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)材料為5年生巨尾桉廣林9號(hào)(E.grandis×E.urophyllaGLGU9)木材。鋸材取自廣西某木材加工企業(yè),為長(zhǎng)度2 m、直徑8 ~24 cm 原木鋸制而成的規(guī)格鋸材,尺寸為1 000 mm×53 mm×16 mm,初含水率為100%~120%。

        1.2 試驗(yàn)時(shí)間

        2019年12月— 2020年1月進(jìn)行試驗(yàn)。期間,試驗(yàn)場(chǎng)地溫度為10 ~28 ℃,濕度為55%~93%。

        1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        進(jìn)行堆積高度、堆積方式和堆積場(chǎng)地的3因素3水平正交試驗(yàn),并分析含水率下降速率(表1)。堆積高度分別為1、2和3 m;堆積方式分別為無隔條縱橫交叉堆積、隔條堆積(隔條間距250 mm,隔條尺寸:20 mm × 20 mm × 1 000 mm)和井字形堆積(圖1);堆積場(chǎng)地分別為露天、鐵皮棚和陽(yáng)光棚(頂棚為透光材料)。將鋸材堆積成9 個(gè)不同試驗(yàn)組合的材堆,每個(gè)材堆設(shè)置3個(gè)平行,共27個(gè)材堆。

        表1 試驗(yàn)因素和水平Tab.1 Test factors and levels

        圖1 堆積方式Fig.1 Stacking methods

        1.4 試驗(yàn)方法

        每個(gè)材堆放置9塊檢驗(yàn)板,分別放在材堆上、中和下3 個(gè)部位,每個(gè)部位均勻放置3 塊。堆積前,先在檢驗(yàn)板端頭10 mm 處鋸制10 mm 厚小試片,采用烘干法測(cè)定含水率,作為該檢驗(yàn)板初始含水率;每7天稱重1次,計(jì)算含水率的變化情況,同時(shí)記錄可見缺陷變化情況。

        檢驗(yàn)板試片測(cè)得的初始含水率代表材堆的初始含水率;氣干前,稱量所有檢驗(yàn)板的初重,試驗(yàn)結(jié)束后,再對(duì)檢驗(yàn)板進(jìn)行稱重,并根據(jù)GB/T 6491-2012[11]鋸制含水率試片,測(cè)定最終含水率。監(jiān)測(cè)過程中,測(cè)定檢驗(yàn)板質(zhì)量,并推算鋸材的含水率變化趨勢(shì)。氣干試驗(yàn)時(shí)間與工廠日常氣干時(shí)間一致。試驗(yàn)結(jié)束后,根據(jù)GB/T 6491-2012[11]要求,取出100塊不同試驗(yàn)組合材堆中的鋸材,逐塊檢測(cè)表面可見干燥缺陷。

        1.5 數(shù)據(jù)處理

        采用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

        氣干前期,各處理方式鋸材的含水率均下降明顯;15天后,含水率下降速度變緩(圖2)。以含水率平均下降速率為評(píng)價(jià)指標(biāo),通過Excel 軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析(表2)。堆積高度、堆積方式和堆積場(chǎng)地3 個(gè)因素的極差分別為0.54、1.49 和0.31;對(duì)氣干速率影響最顯著的因素為堆積方式,堆積高度次之,堆積場(chǎng)地影響最小。干燥速率越大,試驗(yàn)效果越好,選擇各因素最大K值對(duì)應(yīng)的水平,得出最優(yōu)方案為A2B2C3,即堆積高度為2 m,堆積方式為隔條堆積法,堆積場(chǎng)地為陽(yáng)光棚;采用該干燥方式,桉木鋸材從初含水率120%氣干至30%共需28 天,含水率下降速率為3.21%/d。

        表2 以氣干速率為指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Orthogonal test results taking air drying rate as index

        圖2 含水率變化趨勢(shì)Fig.2 Trends of moisture contents

        2.2 不同試驗(yàn)因素方差分析

        堆積方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著(P<0.05),堆積高度和堆積場(chǎng)地影響均不顯著(表3)。

        表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

        2.3 不同因素對(duì)含水率下降速率的影響

        2.3.1 堆積高度對(duì)含水率下降速率的影響

        相同時(shí)間內(nèi),高度為2 m 的材堆平均含水率下降最多,含水率從111.79%下降至43.25%,降幅為68.54%,下降速率為2.45%/d;高度為3 m 的材堆次之,含水率從112.36% 下降至49.53%,降幅為62.83%,下降速率為2.24%/d;高度為1 m 的材堆下降最少,含水率從108.94%下降至53.49%,降幅為55.45%,下降速率為1.98%/d,與正交試驗(yàn)結(jié)果一致(圖3)。材堆內(nèi)外氣流對(duì)流循環(huán)速度在氣溫一致的情況下,主要受堆積高度影響;高度為1 m 的材堆底部與頂部距離過短,溫差小,對(duì)流速度較慢;3 m 高的材堆頂部與底部距離過長(zhǎng),空氣從高溫處往低溫處流動(dòng)時(shí)未能從頂部完全流動(dòng)至底部,從四側(cè)流出材堆,空氣對(duì)流未能覆蓋所有鋸材;2 m 的高度較合適,既能讓頂部和底部有足夠的溫差,又不至于因距離過長(zhǎng)導(dǎo)致對(duì)流系統(tǒng)的覆蓋效果不佳。

        圖3 不同堆積高度含水率變化趨勢(shì)Fig.3 Trends of moisture contents at different stacking heights

        2.3.2 堆積方式對(duì)含水率下降速率的影響

        相同時(shí)間內(nèi),使用隔條堆積的材堆平均含水率下降最多,含水率從115.08%下降至31.17%,降幅為83.91%,下降速率為3.00%/d;使用井字形堆積的材堆次之,含水率從104.92%下降至43.71%,降幅為61.21%,下降速率為2.19%/d;使用無隔條縱橫交叉堆積的材堆下降最少,含水率從113.09%下降至71.39%,降幅為41.70%,下降速率為1.49%/d,與正交試驗(yàn)結(jié)果一致(圖4)。使用隔條,能在鋸材板面方向上形成水平通氣道,加快含水率下降速度,與自墊堆積的方式相比有明顯優(yōu)勢(shì)。

        圖4 不同堆積方式含水率變化趨勢(shì)Fig.4 Trends of moisture contents by different stacking methods

        2.3.3 堆積場(chǎng)地對(duì)含水率下降速率的影響

        相同時(shí)間內(nèi),堆放在陽(yáng)光棚的材堆平均含水率下降最多,含水率從114.07%下降至48.66%,降幅為65.41%,下降速率為2.34%/d;堆放在露天的材堆次之,含水率從111.74%下降至47.30%,降幅為64.44%,下降速率為2.30%/d;堆放在鐵皮棚的材堆下降最少,含水率從107.28%下降至50.31%,降幅為56.97%,下降速率為2.03%/d,與正交試驗(yàn)結(jié)果一致(圖5)。不同堆積高度含水率變化趨勢(shì)非常接近,差異不明顯,主要是因?yàn)樵囼?yàn)期間,僅剛開始的第1 個(gè)星期堆積場(chǎng)地氣溫較高(25 ~27 ℃),之后氣溫長(zhǎng)期處于12 ~20 ℃,濕度也比之前高,根據(jù)記錄,平均濕度85%,長(zhǎng)時(shí)間的低溫和高濕使得不同場(chǎng)地間氣干效果差異較小。

        圖5 不同堆積場(chǎng)地含水率變化趨勢(shì)Fig.5 Trends of moisture contents in different stacking sites

        2.4 不同試驗(yàn)因素產(chǎn)生的缺陷質(zhì)量分析

        9 種材堆氣干后,鋸材可見干燥缺陷質(zhì)量指標(biāo)均符合GB/T 6491-2012[11]一級(jí)材要求,且材堆間鋸材缺陷差別不大(表4)。

        表4 氣干后鋸材缺陷Tab.4 Defects of sawn timbers after air drying

        3 結(jié)論

        進(jìn)行堆積高度、堆積方式和堆積場(chǎng)地3因素3水平的正交試驗(yàn)。結(jié)果顯示,對(duì)桉木鋸材氣干速率影響最大的因素為堆積方式,堆積高度次之,堆積場(chǎng)地影響最小。方差分析結(jié)果顯示,堆積方式對(duì)氣干速率影響顯著,堆積高度和堆積場(chǎng)地影響不顯著。采用不同試驗(yàn)組合,氣干桉木鋸材的可見干燥缺陷質(zhì)量指標(biāo)均符合GB/T 6491-2012[11]一級(jí)材要求。

        正交試驗(yàn)結(jié)果顯示,桉木鋸材氣干的最優(yōu)方案為堆積方式為隔條堆積,堆積高度為2 m,堆積地點(diǎn)為陽(yáng)光棚。采用該氣干方案,桉木鋸材氣干28天可從初含水率120%干燥至30%,含水率下降速率為3.21%/d。根據(jù)企業(yè)調(diào)研,在每年同時(shí)期,相同氣候環(huán)境下,企業(yè)主要采用井字型堆積法,在露天堆積3 m 高材堆進(jìn)行氣干,含水率下降速率為0.8%/d ~1.0%/d,本研究的優(yōu)化方案與之比較有明顯優(yōu)勢(shì)。從提高生產(chǎn)效率的角度考慮,建議企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中采用該氣干方式。

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