Механизм напряжений Диагностика (гребёнка) Промежуточная ВТО Конечная ВТО Полное оглавление Таблица 1. Механизм возникновения внутренних напряжений при камерной сушке Стадия процесса Зона сечения Влажность Тип напряжения Характер деформации Начальная (W > 30%) Поверхность < 30% (ниже ПНВ) Растягивающее Усушка поверхностных слоёв Центр > 30% (выше ПНВ) Сжимающее Отсутствует Промежуточная Поверхность 15-25% Переходное Остаточное удлинение Центр 25-35% Растягивающее Начало усушки внутренних слоёв Конечная (W < 20%) Поверхность 8-12% Сжимающее (остаточное) Остаточное укорочение Центр 12-18% Растягивающее (остаточное) Усушка с опозданием ПНВ - предел насыщения волокна (около 30% для большинства пород). W - текущая влажность древесины. Таблица 2. Диагностика напряжений методом силовых секций (гребёнка) Форма секции Направление изгиба Тип напряжений Стадия сушки Рекомендуемые действия Зубцы наружу Выпуклость к поверхности доски Растяжение на поверхности, сжатие внутри Начальная стадия Штатный режим сушки, контроль психрометрической разности Прямые зубцы Без изгиба Напряжения отсутствуют или уравновешены Промежуточный момент или после корректной ВТО Продолжить процесс или завершить сушку Зубцы внутрь Выпуклость к центру доски Сжатие на поверхности, растяжение внутри Конечная стадия (остаточные) Провести конечную влаготеплообработку Зубцы внутрь (после выдержки 7-8 ч) Выпуклость к центру сохраняется Остаточные деформации не устранены Завершённая сушка без ВТО Повторить конечную ВТО с увеличенной экспозицией Секцию выпиливают толщиной 15 мм на расстоянии не менее 0,3 м от торца. Выдержка для выявления остаточных деформаций: 7-8 ч при 20-25°C или 1-2 ч при 100°C. Таблица 3. Режимы промежуточной влаготеплообработки по ГОСТ 19773-84 Группа пород Пороговая толщина, мм Температура, °C Психром. разность, °C Влажность воздуха, % Продолжительность, ч Сосна, ель, пихта, кедр > 60 tступ + 8 (не более 100) 1,0-2,0 95-97 7-20 Берёза, осина, ольха, липа, тополь > 50 tступ + 8 (не более 100) 1,0-2,0 95-97 10-25 Лиственница > 40 tступ + 8 (не более 100) 1,0-2,0 95-97 12-30 Клён, бук, дуб, ильм, граб, ясень, орех > 22 tступ + 8 (не более 100) 1,0-2,0 95-97 15-40 tступ - температура на предыдущей (второй) ступени режима сушки. Обработку проводят при переходе со 2-й на 3-ю ступень. Таблица 4. Режимы конечной влаготеплообработки по ГОСТ 19773-84 Параметр Стадия 1 (увлажнение) Стадия 2 (охлаждение) Температура среды tрежим + 8°C (не более 100°C) Снижение до 30-40°C Психрометрическая разность 1,0-2,0°C По режиму последней ступени Скорость охлаждения (мягкие хвойные) - 5-13°C/ч Скорость охлаждения (другие породы) - 3-10°C/ч Категория применения Пиломатериалы I и II категорий качества сушки до эксплуатационной влажности tрежим - температура на последней ступени режима сушки. Продолжительность обработки зависит от породы, толщины и категории качества и определяется по Руководящим техническим материалам по камерной сушке (от 2 до 80 ч). Для твёрдых лиственных пород время увеличивается. К началу страницы Содержание статьи Механизм формирования внутренних напряжений Диагностика методом силовых секций (гребёнка) Промежуточная влаготеплообработка Конечная влаготеплообработка Практические примеры расчётов Типичные ошибки и способы их устранения Часто задаваемые вопросы Механизм формирования внутренних напряжений Внутренние напряжения при камерной сушке пиломатериалов представляют собой результат неравномерного удаления связанной влаги из различных зон поперечного сечения. Понимание физических процессов, лежащих в основе этого явления, является обязательным условием для корректного управления технологическим режимом и предотвращения дефектов. Физика процесса испарения влаги При помещении штабеля в сушильную камеру испарение влаги начинается с поверхности пиломатериала. Градиент парциального давления между поверхностным слоем и окружающим воздухом обеспечивает направленный массоперенос от древесины в сушильный агент. Внутренние слои в этот момент сохраняют исходную влажность, поскольку скорость влагопроводности существенно ниже скорости испарения. Критическим порогом является предел насыщения волокна (ПНВ), составляющий около 30% для большинства промышленных пород. При снижении влажности ниже этого значения начинается усушка клеточных стенок, сопровождающаяся объёмными деформациями. Поскольку поверхностные слои достигают ПНВ раньше внутренних, возникает неравномерность деформаций по толщине сечения. Динамика напряжённого состояния На начальной стадии сушки поверхностные слои стремятся к сокращению вследствие усушки, однако связь с внутренними слоями, сохраняющими исходные размеры, препятствует свободной деформации. В результате поверхность испытывает растягивающие напряжения, а центральная зона подвергается сжатию. Величина напряжений После камерной сушки сосновых пиломатериалов сжимающие остаточные напряжения в поверхностных зонах достигают 4,4 МПа, растягивающие во внутренней зоне - 1,7 МПа. Остаточные напряжения в древесине твёрдых лиственных пород и лиственницы существенно выше, чем в древесине хвойных пород. После атмосферной сушки напряжения в несколько раз меньше. По мере продвижения фронта сушки внутрь сечения происходит инверсия напряжённого состояния. Поверхностные слои, подвергшиеся пластической деформации на начальном этапе, приобретают остаточное удлинение. При последующей усушке внутренних зон и выравнивании влажности поверхность оказывается в состоянии сжатия, а центр испытывает растяжение. К оглавлению Диагностика методом силовых секций (гребёнка) Производственный контроль внутренних напряжений осуществляется посредством выпиловки из контрольных досок специальных проб, называемых силовыми секциями. Данный метод позволяет определить как текущее напряжённое состояние, так и наличие остаточных деформаций. Методика выполнения анализа Силовую секцию выпиливают на ленточной пиле толщиной 15 мм (по волокну) на расстоянии не менее 0,3 м от торца контрольной доски. Захватывают полное сечение пиломатериала. Далее секцию раскраивают в форме двузубой гребёнки путём удаления центральной части. Непосредственно после раскроя зубцы секции начинают изгибаться, что позволяет визуально оценить характер напряжений. Интерпретация результатов Изгиб зубцов наружу свидетельствует о наличии растягивающих напряжений в поверхностных слоях и сжимающих во внутренних. Такая картина характерна для начальной стадии сушки. Прямые зубцы указывают на отсутствие внутренних напряжений либо их уравновешенность. Данное состояние наблюдается в определённый промежуточный момент или после корректно проведённой влаготеплообработки. Изгиб зубцов внутрь демонстрирует обратный характер напряжений: сжатие поверхности и растяжение центральной зоны. Это состояние типично для конечной стадии сушки. Выявление остаточных деформаций Форма секции непосредственно после раскроя характеризует полные внутренние напряжения в текущий момент. Для определения остаточных деформаций раскроенную секцию выдерживают в комнатных условиях в течение 7-8 часов или в сушильном шкафу при температуре около 100°C на протяжении 1-2 часов. Критерий качества Если после выдержки секция сохраняет внутреннюю форму изгиба, в материале присутствуют остаточные деформации, требующие устранения посредством влаготеплообработки. Прямая форма зубцов после выдержки свидетельствует об отсутствии остаточных деформаций. К оглавлению Промежуточная влаготеплообработка Промежуточная влаготеплообработка (ВТО) предназначена для предотвращения образования внутренних трещин в пиломатериалах повышенной толщины. Согласно ГОСТ 19773-84, данная операция обязательна для материалов, толщина которых превышает пороговые значения, установленные в зависимости от породы древесины. Условия назначения Промежуточную ВТО проводят при переходе со второй ступени режима сушки на третью (для низкотемпературных режимов) или с первой на вторую (для высокотемпературных режимов). Пороговые толщины составляют: для сосны, ели, пихты, кедра более 60 мм; для берёзы, осины, ольхи, липы, тополя более 50 мм; для лиственницы более 40 мм; для твёрдых лиственных пород (клён, бук, дуб, ильм, граб, ясень, орех) более 22 мм. Технологические параметры Во время обработки температуру среды поддерживают на 8°C выше температуры предыдущей ступени режима, но не более 100°C. Психрометрическую разность устанавливают равной 1,0-2,0°C, что обеспечивает влажность воздуха на уровне 95-97%. Калориферы остаются включёнными, вентиляторы работают, приточно-вытяжные каналы закрыты. Продолжительность обработки варьируется от 7 до 40 часов в зависимости от толщины и породы материала. Мягкие хвойные породы требуют минимального времени выдержки, твёрдые лиственные породы нуждаются в максимальной экспозиции. К оглавлению Конечная влаготеплообработка Конечная влаготеплообработка проводится с целью снятия остаточных внутренних напряжений, возникающих в процессе камерной сушки. Данной обработке подвергают пиломатериалы, высушиваемые до эксплуатационной влажности по первой и второй категориям качества сушки. Двухстадийный процесс Согласно ГОСТ 19773-84, конечная ВТО выполняется в две последовательные стадии. На первой стадии осуществляют увлажнение поверхности пиломатериала при повышенной температуре путём впуска в камеру пара или распылённой горячей воды. Калориферы работают, вентиляторы включены, приточно-вытяжные каналы закрыты. На первой стадии температуру среды поддерживают на 8°C выше температуры последней ступени режима сушки (но не более 100°C), психрометрическую разность устанавливают равной 1,0-2,0°C. Увлажнение поверхностных слоёв приводит к их набуханию и уменьшению сжимающих напряжений. Стадия охлаждения На второй стадии проводят подсушку пиломатериала при одновременном охлаждении. Температуру постепенно снижают до 30-40°C. Для пиломатериалов из древесины мягких хвойных пород скорость охлаждения составляет 5-13°C/ч, для материалов из других пород 3-10°C/ч. Снижение температуры достигается открытием приточно-вытяжных каналов, затем дверей камеры. Общая продолжительность Суммарное время конечной ВТО варьируется в широких пределах (от 2 до 80 ч) в зависимости от породы, толщины и категории качества сушки. При отсутствии промежуточной ВТО всё время отводится на стадию увлажнения. При проведении обеих обработок на промежуточную отводится примерно 1/3, на конечную 2/3 общего времени. К оглавлению Практические примеры расчётов Пример 1: Сосновые доски толщиной 50 мм Исходные данные: сосновые доски толщиной 50 мм, сушка нормальным режимом 5-Н до конечной влажности 10%, категория качества II. Температура на третьей ступени режима составляет 75°C. Промежуточная ВТО: Не требуется, поскольку толщина 50 мм не превышает пороговое значение 60 мм для сосны. Конечная ВТО: Температура на первой стадии: 75 + 8 = 83°C. Психрометрическая разность: 1,5°C. Скорость охлаждения на второй стадии: 8°C/ч. Время охлаждения до 35°C: (83 - 35) / 8 = 6 ч. Продолжительность первой стадии определяется по Руководящим техническим материалам в зависимости от категории качества. Пример 2: Буковые доски толщиной 40 мм Исходные данные: буковые доски толщиной 40 мм, сушка мягким режимом до конечной влажности 8%, категория качества I. Температура на третьей ступени 55°C, на второй ступени 49°C. Промежуточная ВТО: Требуется, поскольку толщина 40 мм превышает пороговое значение 22 мм для твёрдых лиственных пород. Температура: 49 + 8 = 57°C. Психрометрическая разность: 1,5°C. Влажность воздуха: 95-97%. Конечная ВТО: Температура первой стадии: 55 + 8 = 63°C. Скорость охлаждения: 5°C/ч (для твёрдых лиственных пород). Время охлаждения до 35°C: (63 - 35) / 5 = 5,6 ч. Общая продолжительность конечной ВТО для твёрдых лиственных пород существенно выше, чем для хвойных. К оглавлению Типичные ошибки и способы их устранения Недостаточная экспозиция ВТО Сокращение времени влаготеплообработки с целью ускорения производственного цикла приводит к неполному снятию остаточных напряжений. Это проявляется в короблении и растрескивании деталей при последующей механической обработке. Диагностика методом гребёнки после выдержки позволяет выявить данную проблему до отгрузки продукции. Последствия Остаточные напряжения величиной более 20% от предела прочности вызывают изменение формы деталей при раскрое на станках. Брак может проявиться спустя недели после обработки вследствие релаксации напряжений. Избыточная скорость охлаждения Ускоренное охлаждение на второй стадии конечной ВТО создаёт дополнительный градиент температур по толщине, провоцирующий возникновение новых напряжений. Для твёрдых лиственных пород скорость охлаждения не должна превышать 5-6°C/ч. Пропуск промежуточной ВТО Отказ от проведения промежуточной влаготеплообработки при сушке толстых пиломатериалов приводит к образованию внутренних трещин (свищей). Данный дефект не устраняется последующей конечной ВТО и является неисправимым браком. К оглавлению Часто задаваемые вопросы Можно ли заменить промежуточную ВТО увеличением времени конечной обработки? Нет, промежуточная и конечная влаготеплообработки решают разные задачи. Промежуточная ВТО предотвращает образование внутренних трещин на этапе, когда влажность центральных слоёв ещё высока. Конечная ВТО снимает остаточные напряжения в уже высушенном материале. Пропуск промежуточной обработки при толстых пиломатериалах неизбежно приведёт к образованию свищей. Как часто следует проводить контроль методом гребёнки? При отработке новых режимов сушки контроль проводят на каждой партии. При установившемся производстве достаточно контролировать одну партию из 5-10. Обязательному контролю подлежат пиломатериалы I и II категорий качества сушки, предназначенные для точной механической обработки. Секции отбирают из контрольных досок, закладываемых в штабель в наиболее проблемных зонах (центр штабеля, верхние ряды). Почему температура ВТО ограничена 100°C? Ограничение связано с физико-химическими свойствами древесины. При температуре выше 100°C начинается термическое разложение гемицеллюлоз, снижается механическая прочность материала, происходит потемнение древесины. Кроме того, при низкотемпературных режимах сушильным агентом является влажный воздух, а не перегретый пар, что ограничивает возможность повышения температуры. Требуется ли ВТО при высокотемпературной сушке? Да, при использовании высокотемпературных режимов сушки проведение конечной влаготеплообработки обязательно независимо от назначения древесины. Это обусловлено повышенным градиентом влажности и более интенсивным развитием остаточных напряжений при форсированном режиме. Продолжительность ВТО при высокотемпературной сушке увеличивается на 20-30% по сравнению с низкотемпературными режимами. Как определить момент начала второй стадии конечной ВТО? Переход ко второй стадии осуществляют после достижения заданной температуры и психрометрической разности на первой стадии и выдержки материала в течение расчётного времени. Признаком готовности является увлажнение поверхности пиломатериалов до появления заметного конденсата. Инструментальный контроль проводят психрометром с фиксацией разности показаний сухого и мокрого термометров на уровне 1,0-2,0°C. Влияет ли начальная влажность древесины на режим ВТО? Начальная влажность влияет на интенсивность развития напряжений в процессе сушки, но не на режим конечной ВТО. Параметры влаготеплообработки определяются конечной влажностью, породой и толщиной материала. При начальной влажности более 60% повышается вероятность образования внутренних трещин, что требует более тщательного соблюдения режима промежуточной ВТО. К началу страницы