鋼琴用板材干燥工藝與設(shè)備技術(shù)研究

馮岳飛

(森鶴樂器股份有限公司，浙江 慈溪 315323)

在漫長(zhǎng)的人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中，木材與人們的日常生活息息相關(guān)，密不可分。為了獲取火源，人們發(fā)明了鉆木取火技術(shù)；為了營造固定的居住環(huán)境，人們采伐大量木材建造房屋；為了營造美好的家居生活，人們又使用大量木質(zhì)材料裝飾房間；隨著生活水平和精神享受需求的提高，根據(jù)木材易加工、紋理天然美麗等特點(diǎn)制造了各種器具，還選用音質(zhì)較好的木材制作各類樂器，如鋼琴、吉他、提琴。鋼琴作為一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)加工技術(shù)含量高的樂器，與其他樂器相比，木材用量占比最大，因此，鋼琴制造被列入木材工業(yè)范疇[1]。木材干燥是木制品加工過程中必不可少的一環(huán)，若處理不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)開裂、變色等現(xiàn)象，不利于后續(xù)制作鋼琴。因此，通過概述常規(guī)木材干燥工藝及其技術(shù)，基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出一種更適用于鋼琴用板材的干燥技術(shù)，以期為鋼琴制造業(yè)提供新思路。

1 木材干燥工藝

隨著科技的快速發(fā)展，木材在社會(huì)的各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用；而大量木材在使用前需要進(jìn)行干燥處理，這是木材加工中較為重要的一環(huán)[2-3]；查閱相關(guān)木材干燥技術(shù)的文獻(xiàn)，目前工業(yè)中常見板材干燥工藝主要有兩種，分別為自然干燥法和輻射高溫干燥法。

1.1 自然干燥法

自然干燥法是一種木材常規(guī)的干燥工藝，根據(jù)自然氣溫條件和環(huán)境的溫濕度情況，把木材堆放在外面，讓其水分在大氣中自然揮發(fā)。此類處理方法較為傳統(tǒng)，干燥溫度小于100 ℃，干燥介質(zhì)是濕空氣，不需要任何設(shè)備投資，不受場(chǎng)地局限，但是干燥周期長(zhǎng)，特別是不易干燥充分的闊葉樹種木材，一般需要多個(gè)晝夜[4]。同時(shí)其干燥質(zhì)量難以保證，木材開裂現(xiàn)象嚴(yán)重，降低了出材率，同時(shí)也無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

1.2 輻射高溫干燥法

輻射高溫干燥法通過控制干球溫度表溫度在100 ℃～135 ℃范圍內(nèi)，濕球溫度表溫度在98 ℃～100 ℃范圍內(nèi)，常壓下將飽和溫度繼續(xù)加熱至窯內(nèi)形成常壓過熱蒸汽，從而干燥木材[5]。高溫干燥過程中過熱蒸汽可以快速干燥板材，大大縮短了干燥周期，但干燥后板材殘余應(yīng)力高，含水量低，脆性高，材料顏色暗，影響產(chǎn)品質(zhì)量，必須進(jìn)行濕度控制處理。當(dāng)表層溫度高于100 ℃時(shí)，控濕效果不佳，因此一般采用蒸汽前冷卻的方法。在冷卻過程中，在溫度梯度和含水量梯度的共同作用下，板材的含水量將進(jìn)一步降低。隨后通過冷卻過程進(jìn)行干燥，與全過程高溫干燥相比，能夠節(jié)約能源、降低成本，同時(shí)有助于減少干燥后板材的殘余應(yīng)力，減少木材的流動(dòng)性和脆弱性，提高木材干燥質(zhì)量[6-7]。

由于在鋼琴制造中，對(duì)鋼琴制造所使用的木材要求較高，上述自然干燥法和輻射高溫干燥法都無法滿足鋼琴用木材干燥處理的質(zhì)量要求，因此本研究基于木材規(guī)律表征手段，設(shè)計(jì)了一種新的對(duì)鋼琴用板材進(jìn)行干燥處理的方法，對(duì)其技術(shù)參數(shù)進(jìn)行規(guī)定，并采用上述表征方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 木材干燥規(guī)律的表征方法

2.1 木材內(nèi)部溫度場(chǎng)的測(cè)量

準(zhǔn)確測(cè)量木材內(nèi)部溫度場(chǎng)也是揭示木材干燥規(guī)律的重要步驟。目前主要是通過在木材干燥過程中對(duì)木材的不同深度加入熱電偶，并將用于測(cè)量的熱電偶按編號(hào)順序連接到浸油中，要獲得測(cè)量溫度的參考點(diǎn)，將出口的一端放在冰點(diǎn)罐中。冰點(diǎn)罐用于向熱水瓶中注入冷水混合物，確保冷端溫度為0℃。干燥過程中，應(yīng)定期記錄與木材層溫度相對(duì)應(yīng)的電位差，通過熱電勢(shì)的變化即可了解木材內(nèi)部的溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，建立溫度與水分之間的關(guān)系，從而揭示木材的干燥規(guī)律[8-9]。

此外，由于熱電偶是自制的，測(cè)量前應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確定熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系。校準(zhǔn)時(shí)，將熱電偶測(cè)量端和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)插入電加熱箱中，測(cè)量不同溫度下相應(yīng)的熱電勢(shì)和溫度值，發(fā)現(xiàn)熱電勢(shì)和溫度之間的關(guān)系。在測(cè)試過程中，熱電勢(shì)的相應(yīng)差異非常小，通常在0.1%～0.4%之間，表明熱電偶材料均勻，材料變化非常小，測(cè)量點(diǎn)溫度的主要誤差是由于小熱電偶的存在導(dǎo)致的。

2.2 木材含水量的測(cè)定

木材干燥過程中涉及水分在木材中的擴(kuò)散，因此許多學(xué)者從水的擴(kuò)散角度揭示木材的干燥規(guī)律，由于其研究起點(diǎn)不同，對(duì)水分?jǐn)U散的理解也不同。在木材干燥過程中，水在木材中的擴(kuò)散實(shí)際上是一種不穩(wěn)定的擴(kuò)散，目前已經(jīng)得到木材干燥過程中不穩(wěn)定水的等溫?cái)U(kuò)散規(guī)律。雖然該規(guī)律已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，但不適用于所有的干燥工藝，其中輻射松板高溫干燥后冷卻過程中水的擴(kuò)散屬于不穩(wěn)定水對(duì)溫度的不均勻擴(kuò)散。因此，水的不均勻擴(kuò)散理論被用來描述水在干燥過程中的運(yùn)動(dòng)。測(cè)量木材含水率的方法主要有兩種，當(dāng)木材含水量較高時(shí)，可直接用稱重法進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)木材含水量較低時(shí)，可直接用電阻式濕度計(jì)測(cè)量，濕度計(jì)顯示的數(shù)值便是木材的實(shí)際含水量。

用計(jì)重器測(cè)量樣品的初始重量，從濕度計(jì)中讀取初始讀數(shù)后，將其置于恒溫恒濕培養(yǎng)箱中。然后取出樣品，將其包裹在新鮮塑料袋中，置于培養(yǎng)箱中1 h，使含水量樣品的厚度均勻分布，從而探究含水量對(duì)降低含水量梯度的影響。1 h后，取新鮮塑料，稱重樣品并從濕度計(jì)讀取。在試驗(yàn)中，當(dāng)含水量大于100%時(shí)，相對(duì)濕度培養(yǎng)箱的濕度為85%，培養(yǎng)箱的相對(duì)濕度為40%，低于濕度，培養(yǎng)箱的相對(duì)濕度為66%，當(dāng)水分不再變化時(shí)，將樣品放入窯中干燥。最后，測(cè)量絕對(duì)干重，通過相位重量分析法獲得水分含量。

2.3 恒溫、高溫和ESA條件下木材含水量和溫度的變化

高溫下徑向不穩(wěn)定擴(kuò)散系數(shù)和徑向非不穩(wěn)定切向擴(kuò)散系數(shù)差異較大，因此在干燥試驗(yàn)中需要分別對(duì)徑向板和弦切板進(jìn)行處理，通過測(cè)試含水率分布和溫度分布，計(jì)算出溫度與含水率的關(guān)系，與干燥過程中測(cè)得的溫度相對(duì)應(yīng)的含水量。在干燥過程中，應(yīng)定期記錄與木材層溫度相對(duì)應(yīng)的電位差，并測(cè)量木材各層的含水量。

3 鋼琴用板材干燥新工藝與評(píng)估

3.1 工藝步驟

一種鋼琴用板材干燥新工藝流程包括三個(gè)主要階段：預(yù)熱階段、干燥階段和平衡階段。

(1)預(yù)熱階段：將板材分隔層堆疊置入干燥窯內(nèi)，從室溫緩慢加熱升至干球溫度達(dá)到55 ℃～60 ℃、濕球溫度達(dá)到47 ℃～52 ℃時(shí)，對(duì)板材進(jìn)行預(yù)熱；

(2)干燥階段：以干球溫度20 ℃/h、濕球溫度16 ℃/h的速度升溫到預(yù)定處理溫度，恒溫干燥板材4～8 h。

(3)平衡階段：恒溫干燥結(jié)束后開始降溫，待干球溫度降至65 ℃～70 ℃、濕球溫度57 ℃～62 ℃時(shí)保持此介質(zhì)條件，進(jìn)行調(diào)濕平衡處理，至板材含水率調(diào)整在7%～9%時(shí)降溫出窯。

3.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

以輻射松木板為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行恒溫干燥和高溫干燥，在恒溫和高溫干燥過程中，測(cè)定中心層的含水量和平均含水量，得到中心層溫度和中心層含水量之間的聯(lián)系。根據(jù)中心層溫度和中心層含水量之間的關(guān)系，以中間層溫度為控制參數(shù)，當(dāng)溫度開始下降時(shí)，選擇合適中間層的含水量值。以合適的冷卻速率冷卻和干燥板材后，與僅進(jìn)行恒溫干燥和高溫干燥的板材相比，板材厚度中的水分分布更均勻，干燥時(shí)間明顯縮短，干燥速度總體較快。

以此為標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選了以下5種工藝參數(shù)以供參考，如表1所示。

表1 工藝參數(shù)的優(yōu)化

此外，依據(jù)板材實(shí)際干燥情況，干燥前應(yīng)確認(rèn)板材無裂紋、內(nèi)部皺褶等缺陷。同時(shí)，干燥過程中，木材發(fā)生凹陷是正常現(xiàn)象。值得注意的是，干燥質(zhì)量也與板材的堆放質(zhì)量密切相關(guān)。將板材在堆棧中堆放均勻，有利于避免明顯的干燥缺陷。同時(shí)，在干燥過程中，墊片之間的間距也應(yīng)控制相對(duì)較近，且兩個(gè)接縫間相互分離，可有效避免上部板材變形[10-11]。

3.3 干燥工藝評(píng)估

從干燥質(zhì)量方面來看，此種方法干燥后的板材初始裂紋擴(kuò)展范圍小，根據(jù)國家干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，干燥后板材質(zhì)量可達(dá)到Ⅱ級(jí)或更高級(jí)別，提高了材料的利用率。

從干燥效率方面來看，在恒溫高溫初期和后期冷卻干燥階段，串聯(lián)切割板比恒溫高溫干燥快3 h，徑向切割板比弦向切割板快4 h，干燥效率分別提高了11.15%和12.92%。干燥效率的提高不僅能夠減少木材的浪費(fèi)，提高木材利用和產(chǎn)品的質(zhì)量，更能夠減少能耗，保護(hù)資源及生態(tài)環(huán)境，獲得更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

通過分析常規(guī)板材干燥工藝的特點(diǎn)和劣勢(shì)，基于木材干燥規(guī)律提出一種創(chuàng)新型的鋼琴用板材干燥工藝，并對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期提高鋼琴用板材的質(zhì)量，提高木材利用率。為了解決自然干燥法處理的板材開裂問題嚴(yán)重、輻射高溫干燥法處理板材內(nèi)部會(huì)殘余應(yīng)力的問題，更好地滿足鋼琴用木材的干燥處理的質(zhì)量要求，提出一種“預(yù)熱—干燥—平衡”三步走的鋼琴用干燥工藝技術(shù)，并對(duì)其主要工藝參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定與優(yōu)化。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，此方法處理的板材裂紋擴(kuò)散范圍小，干燥質(zhì)量可達(dá)到Ⅱ級(jí)或更高級(jí)別，同時(shí)能夠大大減少干燥時(shí)間，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。