Производство шпона и фанеры. Часть 3

Сушка шпона

Производство шпона и фанеры. Часть 1. Подготовка сырья к лущению
Производство шпона и фанеры. Часть 2. Лущение шпона
Производство шпона и фанеры. Часть 4. Сортирование и обработка сухого шпона
Производство шпона и фанеры. Часть 5. Технологии склеивания фанеры
Производство шпона и фанеры. Часть 6. Прессование и послепрессовая обработка фанеры

В производстве древесных материалов сушка древесины является той операцией, без качественного проведения которой невозможно получение качественного конечного продукта. В полной мере это относится и к сушке шпона, начальная влажность которого может быть очень высокой.

Напомним, что влажность древесины определяется наличием в ее клетках связанной и свободной влаги. Свободная влага занимает полости клеток древесины, и ее удаление не изменяет размеров материала. При снижении влажности примерно до 30% в древесине остается только связанная влага, которая находится в стенках клеток, и ее удаление, во­-первых, вызывает усушку древесины, а, во­-вторых, требует значительных энергозатрат, превышающих необходимые для удаления свободной влаги.

В технологическом процессе сушки древесных материалов всегда различают два периода: сначала нужно удалять свободную влагу при повышенной температуре, а в течение второго периода - при более мягком режиме - связанную влагу и снижать влажность материала до заданной величины.

Графически процесс сушки в координатах «время - влажность» показан на рис. 1.

Как следует из графика, представленного на рис. 1, в диапазоне от W_н до 30%, то есть в период удаления свободной влаги, процесс протекает с постоянной скоростью N, %/мин. (график изменения влажности во времени есть наклонная прямая). В диапазоне от 30% до W_к удаляется связанная влага, и процесс представлен экспоненциальной кривой. Для характеристики скорости сушки в этом случае применяют показатель, называемый коэффициентом скорости сушки К_с. Оба эти показателя (N и К_с) рассчитываются по эмпирическим формулам, в которых главными переменными являются температура агента сушки, скорость его движения и толщина материала.

У сушки тонкого листового материала в сравнении с сушкой пиломатериалов имеются следующие особенности:

• значительно возрастает скорость сушки. Продолжительность сушки измеряется в минутах, так как площадь испарения влаги велика, а толщина шпона мала;
• режим сушки может быть очень жестким: максимальная температура в сырой части сушильной камеры до 300^оС, допускается большой перепад влажности по толщине листового материала;
• сушка приводит к значительному короблению шпона;
• для сушки шпона, как правило, используется оборудование проходного типа.

Существуют три способа подвода тепла к твердому телу:

• конвективный - тепло передается циркулирующим агентом сушки (воздухом или топочными газами), который является и влагопоглотителем;
• кондуктивный (контактный) - тепло шпону передается при контакте с поверхностью, например, плиты пресса, нагретой до 120-180^оС. Влага поглощается окружающим воздухом;
• радиационный - тепловая энергия распространяется в окружающей среде в виде электромагнитных колебаний в инфракрасном диапазоне. ИК-лучи прогревают шпон на 1-2 мм в глубину, причем температура на некоторой глубине листа шпона выше, чем на его поверхности. Используют излучатели с температурой излучения 130-250^оС.

Комбинированный способ представляет собой сочетание разных методов. Почти в каждой сушильной камере неизбежно реализуются все три способа сушки в различном сочетании - все зависит от конструкции оборудования.

Сырой шпон, полученный на лущильном станке, необходимо сразу же высушить во избежание биологического заражения древесины и снижения качества шпона. Начальная влажность шпона перед сушкой колеблется в широких пределах (от 60 до 200%) и зависит от породы древесины, времени и способа доставки сырья, условий его хранения, подготовки сырья к лущению и режима лущения. В результате обжима влажность шпона снижается на 10-12% по сравнению с влажностью чурака. Ввиду большого разброса начальной влажности необходима подсортировка сырого шпона, например, ядрового отдельно от заболонного и т. д.

Конечная влажность шпона W_к зависит от вида клея, используемого при горячем склеивании в прессе, и колеблется от 7 до 12%. Меньшие значения относятся к фенольным связующим низкой концентрации, так как они сильнее, чем карбамидные, увлажняют шпон в момент нанесения клея. Определяют влажность весовым способом с абсолютной погрешностью 0,25% или электровлагомером с погрешностью 1-2%.

Важнейшими параметрами процесса сушки шпона являются:

• Температура агента сушки (Т)

Установлено, что наибольшая скорость сушки наблюдается в первом периоде при температуре не ниже 250⁰С, а во втором периоде - при температуре не выше 180-200⁰С (при сохранении качества шпона). В расчетах используют среднюю температуру как полусумму температур на входе и выходе воздуха из сушилки.

• Направление потока и скорость движения агента сушки (v)

Относительно движения листа шпона в сушилке различают продольную и поперечную циркуляцию агента сушки, а также вариант, называемый «сопловое дутье» (рис. 2).

В первом случае скорость циркуляции агента сушки составляет 1-3 м/с, во втором 2-4 м/с при более равномерном распределении скоростей по высоте сушилки. При сопловом дутье воздух падает на шпон под углом 90^о со скоростью 10-14 м/с, слой влажного воздуха на поверхности шпона интенсивно разрушается и влагоотдача увеличивается. При этом способе продолжительность сушки сокращается в 2-2,5 раза.

• Относительная влажность воздуха (j)

При температуре воздуха выше 100^оС его относительная влажность, которая колеблется от 1 до 16%, оказывает незначительное влияние на продолжительность сушки.

• Толщина шпона (S_ш)

Влияние толщины шпона на продолжительность сушки может быть выражено формулой

τ = a * S_ш^1,3,

где а - эмпирический коэффициент.

• Порода древесины

Плотность древесины оказывает влияние на продолжительность сушки. Для учета этого фактора вводится коэффициент поправки на породу, равный отношению базисной плотности конкретной породы к базисной плотности древесины березы, равной 510 кг/м³.

Рекомендуемые ЦНИИ фанеры параметры продолжительности сушки шпона при различных режимах можно найти в справочной литературе.

Усушка шпона минимальна вдоль волокон (0,25-0,35%). В радиальном направлении (то есть по толщине шпона) она составляет 5-6%, в тангенциальном направлении (по ширине листа) - 7-11%. По площади листа усушка неравномерна из­за неоднородностей строения древесины, что приводит к гофристости, короблению и растрескиванию шпона.

Основным фактором, влияющим на усушку, является температура агента сушки. Увеличение температуры со 110 до 180^°С снижает степень усушки с 7,5 до 5%. Имеет значение и толщина шпона: с ее увеличением степень усушки по ширине резко уменьшается, а по толщине - увеличивается.

Оборудование для сушки шпона

Сушильное оборудование для шпона можно классифицировать по следующим признакам:

• по способу передачи тепла: конвективные, контактные, радиационные и комбинированные сушилки;
• по типу циркуляции агента сушки: с продольной, с поперечной циркуляцией и с сопловым дутьем;
• по способу обогрева: воздушные сушилки с обогревом паром или горячей водой и газовые сушилки с обогревом топочными газами;
• по месторасположению калориферов: между этажами сушилки или в верхней части сушилки;
• по типу высушиваемого материала: для сушки листов шпона или ленты шпона;
• по числу этажей: от 1 до 8;
• по числу листов шпона, подаваемых по ширине сушилки: от одного до четырех;
• по методу работы: периодического или непрерывного действия.

Наиболее распространены сегодня агрегаты комбинированной сушки, где основной тип теплопереноса - конвекционный, с долей контактного нагрева. Это роликовые сушилки с паровым или газовым обогревом.

У паровых роликовых сушилок типа СУР (рис. 3) следующие основные узлы:

• каркас, который состоит из металлических секций, одним концом укрепленных на фундаменте, а другим - опирающихся на катки (для обеспечения свободной деформации металла при нагреве и охлаждении);
• ограждение. По потолку камеры уложены листы из гофрированного стального листа и слой шлаковаты толщиной 80 мм. Сбоку корпуса установлены подвесные двери, которые также теплоизолированы шлаковатой;
• система подачи шпона. Сос­тоит из рядов парных роликов, вращающихся в противоположных направлениях (рис. 3). Диаметр роликов - 104 мм, они изготовлены из цельнотянутых труб. Нижние ролики являются ведущими, на одном конце у них звездочка, на другом - шестерня. У верхних роликов только шестерня на одном конце, по вертикали они могут перемещаться в зависимости от толщины шпона. Ролики легко вынимаются для замены или ремонта. По ширине сушилки подаются два листа шпона, поэтому длина роликов - примерно 3,8 м. Парные ролики (их более 1 тыс. шт.) с шагом 162 мм образуют пять этажей сушилки.
• привод роликов. Он состоит из электродвигателя, вариатора, лебедки с ведущими звездочками, коробки с ведомыми звездочками и натяжного приспособления;
• система нагрева и циркуляции воздуха. Включает в себя калориферы, воздуховоды и вентиляторы. Калориферы располагаются в межэтажном пространстве сушилки;
• система подачи шпона в сушилку. Для равномерной загрузки сушилки сырым шпоном на всех пяти этажах предназначено типпельное устройство с качающейся рамой. Подача шпона также может быть механизирована с помощью специальных устройств, например, качающейся рамы с пневмоприсосками.

На фанерных заводах России и СНГ работают паровые сушилки марок СУР-3, СУР-4, СУР-5, СУР-6, различающиеся рабочей длиной и производительностью.

Разновидностью паровых сушилок являются сушилки с сопловым дутьем, например модель СУР-8 (рис. 4). Она отличается тем, что тепло шпону передается не только от внешних калориферов, но и от поверхности труб, вмонтированных в сопловые короба. Шаг роликов в радиационно­сопловой сушилке увеличен вдвое по сравнению с шагом базовой модели - со 162 до 324 мм, число роликов тоже сокращено в два раза.

В сушилке с сопловым дутьем модели VMS (рис. 5) расстояние от среза сопла до поверхности шпона составляет 20-30 мм, скорость циркуляции воздуха 12-15 м/с. Ширина щели сопла 5-10 мм, длина сопла равна ширине листа шпона. Воздушный поток способствует продвижению листов шпона и препятствует возникновению заломов. Поскольку сопловые короба занимают много места, у сушилок VMS только три этажа при высоте сушилки до 5 м и длине 25,5 м.

Газовые роликовые сушилки отличаются от паровых тем, что температура агента сушки в них составляет не 150-160^°С, а 250-300^°С благодаря использованию смеси топочных газов с воздухом. Сушилки снабжаются топками, в которых сжигается твердое, жидкое или газовое топливо, а топочные газы в смеси с атмосферным воздухом подаются непосредственно в зону сушки. Поэтому в газовых сушилках нет калориферов и при таких же габаритах каркаса, как у паровых, можно сделать вместо пяти этажей восемь.

Расчеты показывают, что в газовых сушилках на процесс сушки расходуется 59% тепла от сжигаемого топлива (в паровых только 32%). Кроме того, устройство газовых сушилок значительно проще и для их изготовления требуется меньше металла.

Завод «Пролетарская свобода» (г. Ярославль) выпускает сушилки СРГ-25МЭ, работающие на топочных газах от теплогенераторов типа ТГСГ на древесном топливе. Сушилка отличается усиленным каркасом, что позволило разместить газоходы, дымососы и вентиляторы на крыше сушильной установки и обеспечить экономию производственных площадей и энергозатрат на транспортировку топочных и отработанных газов. У сушилки 14 горячих секций и одна холодная. Ее производительность примерно на 20% выше производительности сушилки СРГ-25М.

Один из мировых лидеров в производстве оборудования для фанерных производств - фирма Raute (Финляндия) - выпускает роликовые сопловые сушилки нового поколения, в конструкции которых использованы новшества, позволяющие существенно повысить производительность оборудования и качество сушки. К нововведениям относятся:

GreCon. Системы искрогашения и измерительные
системы


Raute. Оборудование для производства фанеры и LVL


Plytec. Оборудование для производства фанеры

• автоматическая подача шпона, позволяющая повысить равномерность загрузки шпона по всем этажам сушилки;
• секции с различными режимами сушки, размещенные по длине сушилки, обеспечивают оптимизацию процесса удаления влаги из шпона. В сушилке предусмотрены четыре рабочие зоны: нагрева шпона, удаления свободной влаги, удаления связанной влаги, охлаждения шпона. У каждой зоны свое управление влажностью и температурой агента сушки;
• в зоне удаления связанной влаги используется воздух повышенной влажности, что предотвращает пересыхание и растрескивание шпона, а также обеспечивает снижение расхода энергии;
• в калориферах использованы эллиптические трубы, что позволяет создать оптимальный ламинарный поток горячего воздуха вдоль соплового короба и повысить равномерность сушки;
• устройства быстрой смены стоп шпона обеспечивают сокращение периода холостой работы сушилок.

Сушка шпона в ленте используется в линии лущения, сушки, рубки и сортировки шпона. Плюсы этого способа в том, что потери шпона при его рубке и транспортировке в сухом виде снижаются на 3-5%, а трудозатраты по сравнению с сушкой форматных листов шпона сокращаются в 2-2,5 раза. За рубежом применяют двух- и четырехэтажные сетчатые (ленточные) сушилки для сушки шпона в ленте. Шпон транспортируется с помощью металлической сетки и передается с этажа на этаж. На нижнем этаже имеются камеры охлаждения, а на выходе из сушилки - ножницы для рубки шпона. Схема ленточной сушилки с сопловым дутьем показана на рис. 6.

Недостатками сетчатых сушилок являются: значительное коробление шпона, так как отсутствует проглаживание шпона роликами; появление разрывов шпона при незначительной неравномерности скорости движения ленты шпона по длине сушилки, так как шпон движется здесь в направлении поперек волокон. Кроме того, газовая ленточная сушилка может работать только на природном газе, ибо использование любых других видов топлива ведет к загрязнению шпона.

Контактные сушилки для шпона распространены значительно меньше, чем сушилки других типов, хотя контактный способ нагрева является наиболее интенсивным. К таким сушилкам относится в первую очередь дыхательный пресс. Рабочим органом являются полые стальные плиты, внутри которых циркулирует пар. Плиты периодически сжимают листы шпона, находящиеся между ними. Если в прессе 32 плиты (31 промежуток), то сушка происходит в 16 нечетных или 15 четных промежутках, а в других промежутках шпон загружается или выгружается.

Продолжительность контакта плит составляет примерно 50% от продолжительности одного «дыхания», т. е. одного рабочего такта. Сушилки СУД-4 и СУД-7 в настоящее время уже не выпускаются, но сохранились на некоторых предприятиях, где используются для сушки наиболее высококачественного шпона. К их недостаткам относится низкая производительность, тяжелые условия труда.

В практике фанерных предприятий США известна контактная проходная сушилка MVP (рис. 7), в которой шпон при движении огибает два полированных цилиндра, обогреваемых термомаслом (280°С). По сравнению с роликовыми сушилками продолжительность сушки сокращается на 25%, меньше усушка и покоробленность шпона.

У каждой сушилки для шпона на выходе имеются одна­две секции охлаждения. Охлаждение шпона - необходимая операция перед нанесением клея, так как горячий шпон может вызвать интенсивное впитывание клея, его преждевременное отверждение. Оптимальная температура шпона составляет 40-50°С. В паровых сушилках охлаждение шпона достаточно проводить в течение 50-70 с, а длина секций зоны охлаждения составляет примерно 10% общей длины сушилки. В газовых сушилках продолжительность периода охлаждения составляет 30-40 с, так как скорость движения шпона выше. Сопловая подача воздуха позволяет сократить время охлаждения до 20 с.

Кроме отечественных и финских сушилок, на российском рынке сегодня имеются предложения от американской фирмы USNR, китайской «Шаньдун» и некоторых других фирм. 

Владимир ВОЛЫНСКИЙ

Продолжение