基于正交試驗的桉木最佳氣干方式

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，生長周期短，適應(yīng)性強(qiáng)，在我國不少地區(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]對杉木（Cunninghamia lanceolata）生材含水率分布及其對氣干效果的影響進(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、相對濕度和溫度等對氣干速率的影響，研究結(jié)果表明，木材含水率對氣干速率的影響最大，相對濕度和溫度次之，風(fēng)速和大氣壓力的影響不顯著；李金朋等[7]對小徑桉木半剖材氣干過程的對流傳質(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，隨時間推移有逐步減緩的趨勢。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、堆積方式和堆積場地對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 試驗材料

試驗材料為5年生巨尾桉廣林9號（E.grandis×E.urophyllaGLGU9）木材。鋸材取自廣西某木材加工企業(yè)，為長度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 試驗時間

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

1.3 試驗設(shè)計

進(jìn)行堆積高度、堆積方式和堆積場地的3因素3水平正交試驗，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）；堆積場地分別為露天、鐵皮棚和陽光棚（頂棚為透光材料）。將鋸材堆積成9 個不同試驗組合的材堆，每個材堆設(shè)置3個平行，共27個材堆。

表1 試驗因素和水平Tab.1 Test factors and levels

圖1 堆積方式Fig.1 Stacking methods

1.4 試驗方法

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

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

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對數(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價指標(biāo)，通過Excel 軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析（表2）。堆積高度、堆積方式和堆積場地3 個因素的極差分別為0.54、1.49 和0.31；對氣干速率影響最顯著的因素為堆積方式，堆積高度次之，堆積場地影響最小。干燥速率越大，試驗效果越好，選擇各因素最大K值對應(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，堆積場地為陽光棚；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)的正交試驗結(jié)果Tab.2 Orthogonal test results taking air drying rate as index

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

2.2 不同試驗因素方差分析

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

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

2.3 不同因素對含水率下降速率的影響

2.3.1 堆積高度對含水率下降速率的影響

相同時間內(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，與正交試驗結(jié)果一致（圖3）。材堆內(nèi)外氣流對流循環(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，對流速度較慢；3 m 高的材堆頂部與底部距離過長，空氣從高溫處往低溫處流動時未能從頂部完全流動至底部，從四側(cè)流出材堆，空氣對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導(dǎo)致對流系統(tǒng)的覆蓋效果不佳。

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

2.3.2 堆積方式對含水率下降速率的影響

相同時間內(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。

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

2.3.3 堆積場地對含水率下降速率的影響

相同時間內(nèi)，堆放在陽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，與正交試驗結(jié)果一致（圖5）。不同堆積高度含水率變化趨勢非常接近，差異不明顯，主要是因為試驗期間，僅剛開始的第1 個星期堆積場地氣溫較高（25 ～27 ℃），之后氣溫長期處于12 ～20 ℃，濕度也比之前高，根據(jù)記錄，平均濕度85%，長時間的低溫和高濕使得不同場地間氣干效果差異較小。

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

2.4 不同試驗因素產(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、堆積方式和堆積場地3因素3水平的正交試驗。結(jié)果顯示，對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，堆積場地影響最小。方差分析結(jié)果顯示，堆積方式對氣干速率影響顯著，堆積高度和堆積場地影響不顯著。采用不同試驗組合，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]一級材要求。

正交試驗結(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。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。