钢琴用板材干燥工艺与设备技术研究

冯岳飞

(森鹤乐器股份有限公司，浙江 慈溪 315323)

在漫长的人类社会发展进程中，木材与人们的日常生活息息相关，密不可分。为了获取火源，人们发明了钻木取火技术；为了营造固定的居住环境，人们采伐大量木材建造房屋；为了营造美好的家居生活，人们又使用大量木质材料装饰房间；随着生活水平和精神享受需求的提高，根据木材易加工、纹理天然美丽等特点制造了各种器具，还选用音质较好的木材制作各类乐器，如钢琴、吉他、提琴。钢琴作为一种结构复杂、生产加工技术含量高的乐器，与其他乐器相比，木材用量占比最大，因此，钢琴制造被列入木材工业范畴[1]。木材干燥是木制品加工过程中必不可少的一环，若处理不当，会出现开裂、变色等现象，不利于后续制作钢琴。因此，通过概述常规木材干燥工艺及其技术，基于实践经验提出一种更适用于钢琴用板材的干燥技术，以期为钢琴制造业提供新思路。

1 木材干燥工艺

随着科技的快速发展，木材在社会的各领域得到了广泛的应用；而大量木材在使用前需要进行干燥处理，这是木材加工中较为重要的一环[2-3]；查阅相关木材干燥技术的文献，目前工业中常见板材干燥工艺主要有两种，分别为自然干燥法和辐射高温干燥法。

1.1 自然干燥法

自然干燥法是一种木材常规的干燥工艺，根据自然气温条件和环境的温湿度情况，把木材堆放在外面，让其水分在大气中自然挥发。此类处理方法较为传统，干燥温度小于100 ℃，干燥介质是湿空气，不需要任何设备投资，不受场地局限，但是干燥周期长，特别是不易干燥充分的阔叶树种木材，一般需要多个昼夜[4]。同时其干燥质量难以保证，木材开裂现象严重，降低了出材率，同时也无法满足工业生产的需求。

1.2 辐射高温干燥法

辐射高温干燥法通过控制干球温度表温度在100 ℃～135 ℃范围内，湿球温度表温度在98 ℃～100 ℃范围内，常压下将饱和温度继续加热至窑内形成常压过热蒸汽，从而干燥木材[5]。高温干燥过程中过热蒸汽可以快速干燥板材，大大缩短了干燥周期，但干燥后板材残余应力高，含水量低，脆性高，材料颜色暗，影响产品质量，必须进行湿度控制处理。当表层温度高于100 ℃时，控湿效果不佳，因此一般采用蒸汽前冷却的方法。在冷却过程中，在温度梯度和含水量梯度的共同作用下，板材的含水量将进一步降低。随后通过冷却过程进行干燥，与全过程高温干燥相比，能够节约能源、降低成本，同时有助于减少干燥后板材的残余应力，减少木材的流动性和脆弱性，提高木材干燥质量[6-7]。

由于在钢琴制造中，对钢琴制造所使用的木材要求较高，上述自然干燥法和辐射高温干燥法都无法满足钢琴用木材干燥处理的质量要求，因此本研究基于木材规律表征手段，设计了一种新的对钢琴用板材进行干燥处理的方法，对其技术参数进行规定，并采用上述表征方法进行检验。

2 木材干燥规律的表征方法

2.1 木材内部温度场的测量

准确测量木材内部温度场也是揭示木材干燥规律的重要步骤。目前主要是通过在木材干燥过程中对木材的不同深度加入热电偶，并将用于测量的热电偶按编号顺序连接到浸油中，要获得测量温度的参考点，将出口的一端放在冰点罐中。冰点罐用于向热水瓶中注入冷水混合物，确保冷端温度为0℃。干燥过程中，应定期记录与木材层温度相对应的电位差，通过热电势的变化即可了解木材内部的温度场的变化规律，建立温度与水分之间的关系，从而揭示木材的干燥规律[8-9]。

此外，由于热电偶是自制的，测量前应进行校准，以确定热电势与温度之间的关系。校准时，将热电偶测量端和标准温度计插入电加热箱中，测量不同温度下相应的热电势和温度值，发现热电势和温度之间的关系。在测试过程中，热电势的相应差异非常小，通常在0.1%～0.4%之间，表明热电偶材料均匀，材料变化非常小，测量点温度的主要误差是由于小热电偶的存在导致的。

2.2 木材含水量的测定

木材干燥过程中涉及水分在木材中的扩散，因此许多学者从水的扩散角度揭示木材的干燥规律，由于其研究起点不同，对水分扩散的理解也不同。在木材干燥过程中，水在木材中的扩散实际上是一种不稳定的扩散，目前已经得到木材干燥过程中不稳定水的等温扩散规律。虽然该规律已应用于生产实践，但不适用于所有的干燥工艺，其中辐射松板高温干燥后冷却过程中水的扩散属于不稳定水对温度的不均匀扩散。因此，水的不均匀扩散理论被用来描述水在干燥过程中的运动。测量木材含水率的方法主要有两种，当木材含水量较高时，可直接用称重法进行测量。当木材含水量较低时，可直接用电阻式湿度计测量，湿度计显示的数值便是木材的实际含水量。

用计重器测量样品的初始重量，从湿度计中读取初始读数后，将其置于恒温恒湿培养箱中。然后取出样品，将其包裹在新鲜塑料袋中，置于培养箱中1 h，使含水量样品的厚度均匀分布，从而探究含水量对降低含水量梯度的影响。1 h后，取新鲜塑料，称重样品并从湿度计读取。在试验中，当含水量大于100%时，相对湿度培养箱的湿度为85%，培养箱的相对湿度为40%，低于湿度，培养箱的相对湿度为66%，当水分不再变化时，将样品放入窑中干燥。最后，测量绝对干重，通过相位重量分析法获得水分含量。

2.3 恒温、高温和ESA条件下木材含水量和温度的变化

高温下径向不稳定扩散系数和径向非不稳定切向扩散系数差异较大，因此在干燥试验中需要分别对径向板和弦切板进行处理，通过测试含水率分布和温度分布，计算出温度与含水率的关系，与干燥过程中测得的温度相对应的含水量。在干燥过程中，应定期记录与木材层温度相对应的电位差，并测量木材各层的含水量。

3 钢琴用板材干燥新工艺与评估

3.1 工艺步骤

一种钢琴用板材干燥新工艺流程包括三个主要阶段：预热阶段、干燥阶段和平衡阶段。

(1)预热阶段：将板材分隔层堆叠置入干燥窑内，从室温缓慢加热升至干球温度达到55 ℃～60 ℃、湿球温度达到47 ℃～52 ℃时，对板材进行预热；

(2)干燥阶段：以干球温度20 ℃/h、湿球温度16 ℃/h的速度升温到预定处理温度，恒温干燥板材4～8 h。

(3)平衡阶段：恒温干燥结束后开始降温，待干球温度降至65 ℃～70 ℃、湿球温度57 ℃～62 ℃时保持此介质条件，进行调湿平衡处理，至板材含水率调整在7%～9%时降温出窑。

3.2 工艺参数优化

以辐射松木板为研究对象，对其进行恒温干燥和高温干燥，在恒温和高温干燥过程中，测定中心层的含水量和平均含水量，得到中心层温度和中心层含水量之间的联系。根据中心层温度和中心层含水量之间的关系，以中间层温度为控制参数，当温度开始下降时，选择合适中间层的含水量值。以合适的冷却速率冷却和干燥板材后，与仅进行恒温干燥和高温干燥的板材相比，板材厚度中的水分分布更均匀，干燥时间明显缩短，干燥速度总体较快。

以此为标准，优选了以下5种工艺参数以供参考，如表1所示。

表1 工艺参数的优化

此外，依据板材实际干燥情况，干燥前应确认板材无裂纹、内部皱褶等缺陷。同时，干燥过程中，木材发生凹陷是正常现象。值得注意的是，干燥质量也与板材的堆放质量密切相关。将板材在堆栈中堆放均匀，有利于避免明显的干燥缺陷。同时，在干燥过程中，垫片之间的间距也应控制相对较近，且两个接缝间相互分离，可有效避免上部板材变形[10-11]。

3.3 干燥工艺评估

从干燥质量方面来看，此种方法干燥后的板材初始裂纹扩展范围小，根据国家干燥质量标准，干燥后板材质量可达到Ⅱ级或更高级别，提高了材料的利用率。

从干燥效率方面来看，在恒温高温初期和后期冷却干燥阶段，串联切割板比恒温高温干燥快3 h，径向切割板比弦向切割板快4 h，干燥效率分别提高了11.15%和12.92%。干燥效率的提高不仅能够减少木材的浪费，提高木材利用和产品的质量，更能够减少能耗，保护资源及生态环境，获得更好的社会效益和经济效益。

4 结论

通过分析常规板材干燥工艺的特点和劣势，基于木材干燥规律提出一种创新型的钢琴用板材干燥工艺，并对其工艺参数进行优化，以期提高钢琴用板材的质量，提高木材利用率。为了解决自然干燥法处理的板材开裂问题严重、辐射高温干燥法处理板材内部会残余应力的问题，更好地满足钢琴用木材的干燥处理的质量要求，提出一种“预热—干燥—平衡”三步走的钢琴用干燥工艺技术，并对其主要工艺参数进行了规定与优化。经过实验检验，此方法处理的板材裂纹扩散范围小，干燥质量可达到Ⅱ级或更高级别，同时能够大大减少干燥时间，具有更好的经济效益和环保效益。