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    東陽紅木家具廠

    紅木家具——木材的烘干進程

    天空中一道閃電劃過,地面上燃起第一束火光,人類對木材的使用就開始了。

    從人猿時代的狩獵工具到石器時代的生產工具;一直到青銅器時代由于生產工具的發展對木制品的形制有了較高的要求和可能;就這樣每一次生產工具的進步,伴隨著私有制的發展人們生存質量的提高對生活質量的要求逐步提高,木制品家具就應運而生了。

    按照通常的說法,我們的家具是從獸皮、席子、馬扎、交椅、榻、寶座、床、太師椅、幾、案等這樣一個層級發展起來的。由于木材本身應力的作用,一些家具成型以后會產生蟲蛀、變形、開裂等現象,導致家具的使用壽命縮短,于是木材的干燥技術就伴隨著木制品形制多樣性的發展而逐漸成熟。

    木材的干燥技術開始是勞動人民智慧型的,隨著科學技術的進步木材干燥技術已經成為一門專業的知識;木材干燥設備研究、制造也發展成為了一個行業。

    綜合來說,木材干燥就是在熱力的作用下,以蒸發或沸騰的汽化方式將木材內部水分排出去的過程。木材干燥的方法分為自然干燥、自然與人工相結合、人工干燥等干燥方法。

    自然干燥:

    自然干燥:將木材分類放置通風處(板材、方才或圓木),擱置成垛,垛底離地60cm左右,中間留有空隙,使空氣流通,帶走水分,木材逐漸干燥。自然干燥一般要經過數年或數月,才能達到一定的干燥要求。早期木材運輸主要是依靠水運,樹木砍伐下來以后,經由水路自然漂流至某個集中地存放至需要。這個過程中,往往是冬季砍伐,春季漂流,夏秋季轉運或販賣,加之中間商在儲存原木時也有一段時間是浸泡在水池里面的,這就導致了木材在水中浸泡的時間往往在3個月以上,有些甚至超過了一年。這就造就了木材干燥的第一步——軟化木材,使木材本身彈性增加,塑性降低為今后木材干燥打下了基礎。接下來按照要求鋸解成規格板材,我們稱之為鋸材后,又在儲木場存放一段時間或者大戶人家在其庭院過道處中間加上隔條存放3-6個月以后開始使用;部分大戶人家甚至像“女兒紅”酒的存放時間一樣,十幾年的存放至女兒出嫁前打造家具用作陪嫁品。這就形成了木材干燥的第二步——通過空氣的對流及陽光的照射、歲月的更迭使得木材表層、內層水分流出、蒸發提高了木材的塑性,消除了木材的內應力,達到本地區的平衡含水率。

    當時市場經濟不發達,家具制作大體上是“這里做、這里用”。所以存放時間的長久保證了家具成品含水率的內在質量。以后,隨著交通的發展,人員的流動,家具也逐漸演變成“這里做,那里用”的形式,這就對木材的穩定含水率提出了更高的要求,加之現代社會生活、生產節奏的加快這種純自然的干燥工藝逐步退出了木材干燥領域,取代它的是自然與人工干燥相結合的技術。

    ▲自然與人工相結合的干燥工藝:

    這一干燥工藝一直延續到今天很多地方還在使用。通過采伐、儲木、鋸材堆放階段的時間、日光照射達到木材的纖維飽和點后進入人工干燥階段,進而達到木材加工的終含水率要求,以下是幾個人工干燥技術的介紹:

    一、土窯:在黃土高原上面開鑿一個高2M,寬2-3M,深度4-5M的窯洞,將木材整齊的碼放在靠窯壁一端,距離窯壁流出15—25CM距離增加熱氣的流通性,中間放置一個小爐子暗火加熱空氣。門口用磚壘起來,用泥巴封住縫隙;在沒有條件開挖窯體的地區就直接在磚房里面和上述方法一樣,同時用泥巴封住門窗。這種方法干燥軟木需要5-7天時間,干燥硬木需要7-15天時間,只要火候控制的好,有經驗的師傅根據門窗上泥巴的干燥情況可以判斷的出窯內木材的干燥程度。由于土窯的安全性不高,容易失火或者達不到木材的干燥要求,所以很快就被淘汰了,但是它開創了室干材的先河,在木材干燥發展史上功不可沒。

    二、鋸末窯:這種窯也叫煙熏窯,主要是依靠具有熱量的煙氣干燥木材,現在這種窯還在部分林區使用。首先是在窯內地面上堆放一層高度約15CM的木材,然后覆蓋上一側5CM左右的松枝,再在上面覆蓋一層30CM厚度左右的鋸末,最后在鋸末上方1M左右的距離架放需要烘干的木材。利用底層木材的燃燒產生熱量,利用中間層的松枝和上層的鋸末阻擋明火產生進而產生煙氣,這種干燥方法干燥軟木需要7天左右,硬木需要20-30天時間。干燥效果掌握的好也可以達到要求,缺點是被干木材表層會產生1-2MM的煙熏變色,加工時浪費加大;由于這種窯升溫速度不宜控制,所以被干材進窯以前兩端要用蠟封住,以防止端裂,但是表裂現象比較多,所以硬木烘干已經不適用這種鋸末窯了,隨之出現了煙道窯。

    三、煙道窯:這種窯也叫火道窯或者炕道窯,是模仿我國北方火炕的加熱方法。具體做法是在窯內盤出一條蛇形火道(也有樹形火道等),窯頭接出一個火爐,窯尾接出一個煙囪,火道的大小隨著距離火爐的遠近有比例的增加,在上面45—80CM處架設要烘干的木材,窯的頂部設有像煙囪一樣的幾個有蓋子的出氣孔。利用火道產生的熱量加熱窯內空氣,通過空氣的熱量加熱被干木材,逼出木材表層的水分形成窯內濕度并保持1-2天后通過次序打開窯頂部出氣孔以增加窯內熱空氣流通,達到均衡窯溫的效果。從加熱開始2-3天窯內溫度升到70℃左右,每個出氣孔持續放氣的時間20-30分鐘,在窯內溫度均衡不留死角的情況下保持窯溫50-80度運行5-8天,期間每隔2天要進行放氣過程;最后通過放氣、加火降低窯內濕度,提高溫度并穩定在80℃左右持續2天后開始降溫。降溫速度應均衡,以每天不超過10度為宜,一般情況下夏季降溫時間為2-3天,冬季降溫時間為5-7天。這種窯有經驗的師傅也是根據門縫的泥巴干燥程度來判斷木材的干燥程度,取代它的是干球溫度計和濕球溫度計。由于這種窯是利用木材本身的水分蒸發后形成蒸汽加熱的,所以木材升溫時間短,要求被干木材初含水率在30%以下并且兩端要提前用蠟封住防止端裂;如果被干木材初含水率不均勻或者超過30%,就容易形成表裂和內裂,于是先進的烘干爐就出現了。

    四、熱風爐:由于煙道窯內部熱氣流通依靠窯頂排氣孔人工解決,熱氣流通不夠均勻,容易產生死角,于是通過風機加速熱風流動的烘干爐出現?;驹硎峭ㄟ^風機的作用加速窯內熱風或熱蒸汽的流動完成木材調濕、升溫、熱蒸、烘干的過程。這種窯建設初期是純粹的熱氣流通,加熱木材;由于木材的初含水率不均勻,很快就被熱蒸汽所取代。就是在窯體外附加一個水箱,其中有若干個中空煙囪,在水箱底部加熱,煙囪中排除熱氣,水箱一角上方接出一個排氣孔將水蒸汽釋放出來,水箱一側設置一個風機。當時耐高溫密封風機技術不成熟,多使用長軸風機,將爐內熱氣、蒸汽循環起來使用達到一定的效果,而后又因為木材內應力前期作用偏大,容易產生表裂,又將農用霧化水噴頭加入窯內增加調濕處理的能力,可以說這種熱風爐是現代蒸汽烘干窯的前身。

    ▲人工干燥工藝:

    以上介紹的基本上是半干材(含水率25%--30%)至氣干材(含水率8%--18%)、室干材(含水率7%--15%)過程中使用的木材干燥技術。但是對于濕材、生材、半干材混合入窯的情況的解決是引進鍋爐以及耐高溫密封風機以后的蒸汽烘干技術成熟才開始逐步發展的。這一階段開始的時間是上世紀90年代中期,比較明顯的市場特征是采用了電腦程控系統。也就是從這個階段開始,木材研究機構的很多研究成果被廣泛應用到木材烘干領域。以下介紹一些與我們木材干燥技術相關的常識。

    ◎含水率:木材水分含量的比率。以終含水率為基數測定的是絕對含水率;以初含水率為基數測定的是相對含水率。絕對含水率多用于我們木材加工企業;相對含水率較多應用于木材燃燒性質的研究。

    ◎含水率的測定方法:主要有烘干法、電測法、蒸餾法。其中電測法是根據木材含水率的不同,電阻也隨之變化的原理,多用于木材加工企業,電測法的儀器叫做測濕儀。

    針式測濕儀:測針插入木材厚度的1/4—1/3,測出讀數可以代表木材的平均含水率;因為鋸材橫紋的電阻率是順紋電阻率的2—3倍,所以測針插入的方向應垂直于木材的紋理并橫跨于木紋之間,兩針之間的距離在3.5CM左右為宜。這種測濕儀多用于木材烘干過程中間,一般在窯內設置2—5組測針。

    感應測濕儀:原理與針式測試儀相同,只是利用了儀器電阻感應的原理。這種測濕工具多用于木制品加工過程以及成品含水率檢測。在保證不破壞成品表面的前提下測出木制品含水率,達到的準確度與針式測濕儀是相同的。

    由于測濕儀測定含水率的精確范圍在6%--30%之間,加之使用測濕儀測定鋸材的厚度3CM以內時準確性較高,所以一個成熟的木材加工企業應設有專人及設備精確測定木材的含水率,以保證木制品終含水率的要求以及木材烘干階段基準數據的調整。

    ◎木材中的水分:我們通常鋸材加工企業將木材中的水分分為自由水與吸著水兩類。自由水是指分布在木材大毛細管內的水分,它大致上和自由水面上的水分一樣蒸發;吸著水是分布在木材微毛細管內的水分,它必須在空氣濕度降低到一定程度,溫度提高的條件下才能蒸發。

    所以我們在完成木材軟化過程以后的烘干過程就是吸著水蒸發的過程,一般情況下沒有外力加熱的條件下,吸著水是很難有效蒸發的。

    ◎纖維飽和點與平衡含水率:在大氣的作用下,木材自由水蒸發完畢,而吸著水還保持著最高量時的木材含水率,我們稱為纖維飽和點(即FSP,也叫做吸濕極限(FSP=23%--33%),是木材干燥的轉折點,隨著溫度的提高而減小,溫度越高木材的吸濕能力越小。我們已經知道了吸著水存在于木材微毛細管系統,所以當木材的含水率低于FSP時,微毛細管系統從濕空氣中間吸收水分我們叫做吸濕,反之稱為解吸。

    平衡含水率:3CM厚度以下的木材,在空氣的作用下最后達到吸濕的穩定含水率或者解吸的穩定含水率(即EMC)。EMC的變化是與溫度、濕度有關的。當空氣濕度一定時,溫度每上升1℃,EMC下降0.071%。

    當干木材吸濕達到EMC時,含水率一定低于濕木材解吸達到的EMC,所以經過人工烘干處理的木材一定比自然晾曬解吸木材的含水率更加符合木材加工要求。這種現象叫做吸濕滯后現象。

    當空氣溫度大致不變且相對濕度在一定范圍變化時,木材的含水率不變,這個相對濕度變化的區域我們稱為相對濕度靜區。我們木制品加工企業的生產環節就是利用了這個原理的時間段,生產加工符合終含水率要求家具的。

    ◎彈性與塑性:木材是具有彈性和塑性的,樹種密度越高,木材的彈性越小,塑性越高。

    ▲現代木材干燥的幾個階段和處理方法:

    第一階段:碼窯。碼窯是確保木材烘干質量的第一步,正確的碼放材料有利于木材的均衡干燥和窯內熱介質均勻流動。首先將鋸材裝入窯內,用1.5CM—2CM均等的隔條(各隔條的厚度差在0.5MM以內)將被干木材均勻的碼放,根據窯體風口的位置或前后、或左右兩端離開窯體15CM—35CM,另外兩端則緊貼窯壁。

    第二階段:軟化木材。這個階段需將窯溫升至45—55℃保持一段時間(1個小時左右),使干燥室內的殼體表面和主要設備及木材表面熱透,避免在以后的高溫工作下,這些固體表面產生冷凝水,再通過噴蒸或噴蒸、加熱結合的方式使溫度、濕度同時提高,并保持5—7天,讓木材充分熱透,以降低木材的塑性,增加彈性并降低木材里面水分子的粘度。這個時間段窯溫應保持在50—75℃之間,窯內濕度應達到90%--100%。

    第三階段:升溫處理。這個階段,窯內溫度要保持在75℃以上,最高不超過100℃;通過風機和排氣孔的作用將濕度降下來,一般情況下,此時窯內濕球溫度低于干球溫度2—3度,保持5—9天。升溫階段速度要慢(軟木升溫1.5-2/h;硬木升溫1/h),經驗值是一天不超過10℃為宜。

    上述兩個階段由于木材表層收縮劇烈,內層收縮緩慢;表層受到內層的張應力,內層受到表層的壓應力,簡稱含水率應力的影響。如果表層水分流失過快,根據木材本身的橫紋拉力小于順紋拉力的原理,所以當木材內應力超過橫紋拉力時就容易產生表裂、內裂?;谝陨侠碛?,這個階段窯溫升溫時應緩慢進行,經驗值是每個小時升溫1℃。

    第四階段:干燥階段Ⅰ。窯內溫度在75—100℃之間,保持3—5天;窯內熱介質的平衡含水率可以調低至比木材終含水率要求低2%。

    這個階段,被干木材的含水率已經降到25%--20%,其表面硬化已經基本消除,所以升溫速度可以比第二階段快。經驗值是每個小時可以升溫2度。本階段結束或者將要結束的時間段里面,木材表層、內層含水率接近EMC

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