Цель и способы тепловой обработки. Тонкий слой древесины, срезаемый при лущении с цилиндрического отрезка чурака, должен быть достаточно плотным, не иметь трещин и разрывов. Но вследствие того, что во время срезания он подвергается выпрямлению, в нем возникают растягивающие напряжения поперек волокон древесины. Величина этих напряжений может быть определена из следующего выражения:

E * S / ( 2 * r )

где:

• E - модуль упругости шпона поперек волокон древесины, кг/см2;
• S - толщина шпона, см;
• r - первоначальный радиус кривизны слоя древесины до снятия его с поверхности чурака, см.

Из выражения видно, что чем больше толщина срезаемого шпона и чем меньше радиус чурака, тем больше напряжения в шпоне. Подсчеты показывают, что даже при толщине шпона 1,5 мм и радиусе чурака 10 см напряжения в нем достигают не допустимо больших значений. Если не принять мер, на левой стороне шпона, обращенной к чураку, образуются трещины и разрывы. Для их предотвращения перед лущением чураки подвергаются тепловой обработке с целью усиления упругих свойств древесины. Непременным условием при этом является достаточно высокая влажность древесины и нагрев ее до определенной температуры. Минимальной температурой для березовой древесины является 20° С, сосновой 15° С, осиновой 10° С, дубовой 40° С, ясеневой 50° С, красного дерева 30° С. Нагрев древесины до слишком высоких температур нежелателен вследствие ухудшения качества поверхности изготовляемого из нее шпона. Гидротермическая обработка чураков может производиться путем их проваривания или пропаривания. Проваривание чураков заключается в выдерживании их в течение определенного времени в горячей воде, а пропаривание - в обработке чураков насыщенным паром. Наиболее распространенным из указанных способов является первый, применяемый и при изготовлении клееной фанеры. Он отличается сравнительной простотой и не требует значительных затрат. Расход пара на нагрев 1 м3 чураков составляет 90-130 кг. Пропаривание применяется при изготовлении строганой фанеры, когда недопустима варка сырья некоторых пород древесины из-за изменения их цвета.

Летом при достаточно увлажненной древесине для изготовления тонкого шпона сырье можно не нагревать.

Бассейны и парильные камеры. Для гидротермической обработки ранее указанными способами могут использоваться разного рода бассейны, парильные камеры и металлические котлы (автоклавы) соответствующих размеров, как на этом рисунке. Наиболее часто для этой цели применяют бассейны, конструкция которых показана на секции а. Бассейн представляет собой вырытую в земле яму, стенки которой выполняют из кирпича, бетона или подобного материала и оштукатурены цементным раствором. При работе на сравнительно мелком сырье (23-30 см) бассейн для облегчения загрузки и выгрузки оборудуется мотовилом. На дне бассейна укладывается несколько дугообразных рельсов, что способствует перемещению в нем чураков при поворачивании мотовила. Выгрузка чураков из бассейна осуществляется путем размещения некоторого дополнительного их количества на одном из крыльев мотовила со стороны загрузки, благодаря чему возникает разница в весе чураков, расположенных по обе стороны вертикальной оси, проходящей через центр вращения мотовила, что и заставляет поворачиваться его на некоторый угол. Трудозатраты при этом способе термообработки составляют около 1,7 чел-ч на 1 м2 фанеры.

В последнее время указанные устройства несколько модернизировали. Мотовилу сообщено принудительное движение от электродвигателя или гидропривода с помощью зубчатой передачи. Благодаря увеличению разницы в уровнях загрузочной и разгрузочной сторон загрузка и выгрузка чураков значительно облегчены. Объем бассейна увеличен в 1,8 раза.

Для нагрева сырья могут служить и обычные бассейны (без мотовил), в которые чураки загружаются с помощью специальных металлических контейнеров, перемещаемых подъемным краном. Это позволяет освободить обслуживающий персонал от сравнительно тяжелой физической работы, благодаря чему производительность труда увеличивается в несколько раз.

Сырье крупного диаметра помещается в бассейн и выгружается из него с помощью подъемного крана без применения контейнеров, будучи увязанным в пучок.

На некоторых предприятиях предполагается осуществить гидротермическую обработку сырья в кряжах в открытых или подземных бассейнах. Стоимость гидротермической обработки (по А. В. Смирнову) в бассейнах различного типа, если принять проварку в бассейнах с мотовилами за 100%, составит: в закрытых варочных бассейнах с контейнерами (чураков) 109%, в подземных бассейнах (кряжей) 83%, в открытых бассейнах (кряжей) 92%.

В некоторых странах, например в Финляндии, гидротермическая обработка сырья производится в специально выделенных частях естественных водоемов, на берегах которых располагаются заводы, изготовляющие клееную слоистую древесину. Этот участок водоема отделяют стенками из шпунтованных досок или другого материала. Заключенная в нем вода с помощью специальных устройств подогревается до 35-40° С конденсатом, отработанным паром, горячим воздухом или дымовыми газами от роликовых сушил или других агрегатов. Равномерный нагрев кряжей в таких устройствах осуществляется за 2-3 суток. Этот способ отличается высокой экономичностью.

Чураки могут пропариваться в парильных камерах, автоклавах или парильных ямах. В первых двух случаях сырье загружается с помощью вагонеток, а в последнем - укладывается на дно ямы. Нагрев древесины ведется насыщенным паром, нагнетаемым внутрь указанных устройств. Парильные камеры, отличаясь простотой устройств, из-за трудности надежной теплоизоляции стенок и неплотного закрытия дверей дают большие потери тепла. Несколько удобней металлические автоклавы, теплоизоляция которых может быть достаточно хорошей, а закрытие крышек - плотным. Парильные ямы располагаются в земле, их объем может доходить до 20-25 м3. На дне ямы устраивается решетка, предохраняющая сырье от соприкосновения с конденсатом. Для создания мягких режимов пропарки на дно ямы наливается вода. Сырье загружается и выгружается с помощью подъемных кранов, талей, тельферов и т. д.

Режим тепловой обработки. Качество тепловой обработки определяется ее режимами, основным фактором которых является длительность нагрева, зависящая от размера чураков, начальной их температуры, температуры нагревающей среды, физических свойств древесины, требуемой степени нагрева и т. д.

Установлено, что коэффициент 2k является функцией некоторого безразмерного коэффициента, называемого критерием, который в свою очередь зависит от коэффициента температуропроводности а, продолжительности тепловой обработки г, радиуса чурака и отношения расстояния от центра до интересующей нас точки г к радиусу нагреваемого чурака.

Графическая зависимость коэффициента 2k от критерия п представлена на этом рисунке. Каждая из приведенных на рисунке кривых соответствует определенному отношению

t = t₁ - 2 * k * ( t₁ - t₀ )

Коэффициент температуропроводности является мерой скорости, с которой древесина изменяет температуру в процессе ее нагревания и охлаждения; величина его зависит от породы древесины, ее температуры и влажности, детали в этой таблице.

Из выражения

z = n * R² / 2

видно, что продолжительность нагрева чураков пропорциональна квадрату их радиуса и обратно пропорциональна коэффициенту температуропроводности. Первое говорит о необходимости сортировки чураков по диаметрам и их раздельной тепловой обработки. Весьма желательна также выдержка чураков перед загрузкой в лущильные станки в течение 1-2 ч для выравнивания температуры по их сечению.

Чурак нагревается тем быстрее, чем меньше разница между начальной его температурой и температурой нагревающей среды и чем выше температура последней. Температура теплоносителя может быть: в варочном бассейне с мотовилом в весенне-осенний период 50-70° С; в зимний 70-90° С; в открытых варочных бассейнах 30-40° С; в парильных ямах 100-105° С; в автоклавах 130-140° С.

Приведенные выше выражения для t и z, а также графическая зависимость коэффициента 2k от критерия п позволяют:

1. определять время нагрева чураков до желаемой температуры t в интересующей нас точке поперечного сечения чурака;
2. определять температуру в любой точке поперечного сечения при заданном времени его нагрева.

Решение первой задачи следующее:

1. По заданной температуре t нагрева интересующей нас точки поперечного сечения чурака (например, лежащей на поверхности карандаша), температуре нагревающей среды t₁ и начальной температуре чурака t₀, определяют 2k = ( t₁ - t ) / ( t₁ - t₀ )
   
2. Определяют критерии n.
3. Выбрав коэффициент температуропроводности а в зависимости от породы древесины и ее влажности, а также зная радиус чурака, по формуле определяют время нагрева в часах.

Для березовых чураков диаметром 20-35 см при начальной их температуре 10-20°С и указанной ранее температуре среды время нагрева может составить от 1,5 до 12 ч.

Существует также второй метод определения времени гидротермической обработки чураков перед лущением.

В холодное время года, когда температура древесины ниже нуля, с помощью второго метода можно определить время полного оттаивания древесины, т. е. достижения в центре чурака температуры 0°:

z = D² * q * k * r / ( 16 * mu * t₁ )

где:

• D - диаметр нагреваемого сортимента, м;
• q - удельный расход тепла на оттаивание древесины;
• t₁ - коэффициент теплопроводности оттаявшей древесины, ккал/м;
• mu - температура нагревающей среды;
• k - коэффициент, учитывающий начальную температуру древесины;

Удельный расход тепла на оттаивание древесины

q = 80 * nu_усл * ( W - 15 ) / 100

где:

• W - влажность древесины, %;
• nu_усл - условный объемный вес древесины, кг/м3 (смотрите эту таблицу).

Продолжительность пропарки ванчесов зависит от породы древесины, размера ванчесов, температуры (давления) пара и желаемой температуры нагрева сортимента. Время пропарки ванчесов в парильных ямах может составлять 10-144 ч, а в автоклавах- 2,5-6,5 ч. Режим пропарки ступенчатый, смотрите этот рисунок.

Пропаренные сортименты рекомендуется перед строганием выдерживать в цехе под брезентом в течение 2-4 ч. Знание продолжительности тепловой обработки позволяет определить производительность применяемых для этой цели устройств. Сменная. производительность варочного бассейна с мотовилом определяется следующим образом:

количество проваренных чураков (шт.),

A₀ = n_ч * T / z = 2 * R_м² *T * k₁ * k₂ / ( d_ч² * z )

объем древесины (м3) где:

A = A₀ * V_ч

• R_м - радиус крестовины (мотовила), равный 1,9-2,4 м;
• d_ч - средний диаметр чураков, м;
• n_ч - число чураков, загружаемых одновременно в бассейн;
• Т - продолжительность смены, ч;
• z- продолжительность нагрева чураков, ч;
• k₁ - коэффициент плотности укладки; 0,7-0,75;
• k₂ - коэффициент загрузки бассейна; 0,7-0,8;
• V_ч - объем чурака, м3.

Производительность парильной ямы или варочного бассейна без мотовила может быть определена следующим образом:

количество пропаренных чураков или ванчесов. (шт.)

A₀ = B * H * T * k₁ * k₂ / ( F * ( z + z_в ) )

объем древесины (м3) где:

A = A₀ * V_в

• В - ширина парильной ямы (бассейна), м;
• Н - полезная высота ямы (бассейна), м;
• F - площадь поперечного сечения чурака или ванчеса, м2;
• V_в - объем ванчеса, м3;
• z_в - продолжительность вспомогательных операций по загрузке и выгрузке ванчеса из ямы (бассейна), ч.

Загрузку и выгрузку чураков производят двое рабочих, успевающих обслужить несколько варочных бассейнов. Во избежание несчастных случаев варочные бассейны обязательно должны ограждаться с боковых сторон металлическими заборами.