Konditionering av virke vid olika fuktkvoter studier i tomograf

Transkript

1 Konditionering av virke vid olika fuktkvoter studier i tomograf Margot Sehlstedt-Persson, LTU Lars Hansson, LTU José Couceiro, LTU Tommy Vikberg, RISE

2 Om TräCentrum Norr TräCentrum Norr finansieras av de deltagande parterna tillsammans med medel från Europeiska Utvecklingsfonden (Mål 2) och Länsstyrelserna i Västerbottens och Norrbottens län. Deltagande parter i TräCentrum Norr är: Holmen Skog, Lindbäcks Bygg AB, Luleå tekniska universitet, Martinsons Group AB, Norra Skogsägarna, Finndomo AB, SCA Forest Products AB, Setra Group AB, Skellefteå kommun, Sveaskog AB, SÅGAB, Sågverken Mellansverige och RISE.

3 FÖRORD Denna studie ingår i TiiN (Träinnovation I Norr) projektet Utveckling av industriell torkning och har utförts vid avdelningen träteknik, LTU i Skellefteå. Vi vill rikta ett varmt tack till projektets finansiärer. Vi vill också rikta ett stort tack till de industrier som funnits representerade i delprojektets arbetsgrupp: SCA Timber, Norra Timber, Martinsons, Stenvalls Trä, Setra och Valutec. Ett varmt tack riktas till Roger Bergman Stenvalls Trä AB samt Andreas Jonsson Martinsons, som ingår i den industriella arbetsgrupp som är knuten till TiiN torkprojektet, för värdefulla diskussioner i försöksupplägg samt som ställt försöksmaterial till förfogande. Skellefteå januari

4 INNEHÅLLSFÖRTECKNING FÖRORD... 3 BAKGRUND... 5 MATERIAL OCH METODER... 6 RESULTAT OCH DISKUSSION... 9 SAMMANFATTNING FORTSATT ARBETE BILAGA

5 BAKGRUND Konditionering av virke efter torkning görs för att utjämna fuktgradienter och torkspänningar i virkets tvärsnitt som uppstått under torkningsprocessen. Konditionering är speciellt viktig för grövre virkesdimensioner som ska klyvas efter torkning. Spänningstillståndet i virkets tvärsnitt i slutet av torkningen är tryckspänningar i virkesytorna och dragspänningar i virkets inre delar som vid klyvning resulterar i kupade virkeshalvor. Detta spänningstillstånd illustreras tydligt i ett s.k. klyvprov, figur 1. Figur 1. Vänster: Klyvprov från okonditionerat virke med stor klyvspalt. Höger: Klyvprov från väl konditionerat virke med utjämnade spänningar och fuktgradient. Stora fuktgradienter kommer att utjämnas med tiden även om virket inte konditioneras men för att utjämna torkspänningar i virket krävs en konditioneringsfas vid högre temperatur. Konditioneringssteget görs i direkt anslutning till torkningsprocessen och innebär att relativa fuktigheten (RH) i torken höjs kraftigt, helst vid bibehållen temperatur. Basningen dvs. uppfuktningen under konditioneringssteget samt även under uppvärmningsfas - i dagens torkar sker främst med högtrycksbasning där varmt vatten finfördelas till dimma i fina munstycken. Även basning med mättad vattenånga förekommer; en mycket snabb och effektiv metod som dock kräver hög effekt. Konditioneringssteget förlänger den totala torktiden och önskvärt är att den kan utföras så snabbt och effektivt som möjligt. Erfarenheter från industrin säger att konditionering tar bättre på virke nedtorkat till lägre fuktkvot jämfört med om fuktkvoterna är högre. SYFTE Syftet med denna studie har varit att undersöka hur konditionering kan optimeras och göras så effektiv som möjligt för olika dimensioner av furu och granvirke vid olika fuktkvotsnivåer. Fuktvandring i virke under pågående konditionering har aldrig tidigare studerats i tomograf. Fokus har varit att studera fuktförändringar inom virkets tvärsnitt under konditionering. Observera att torkspänningar inte utvärderats i denna studie. PROJEKTETS GENOMFÖRANDE Studien har gjorts på grundläggande labbnivå i den klimatanläggning kombinerad med medicinsk datortomograf (CT) som finns vid avdelning träteknik, LTU, Skellefteå. Försöksdesign vad gäller virkesval, fuktkvotsnivå, torkscheman och konditioneringsklimat har gjorts i samråd med Roger Bergman, Stenvalls Trä AB och Andreas Jonsson, Martinsons som båda ingår i den industriella arbetsgrupp som finns knuten till TiiN torkprojektet. Fuktanalys av CT-data från tomograferade virkestvärsnitt har gjorts med hjälp av Lars Hanssons utvecklade algoritmer som matematiskt kompenserar för virkets geometriska formförändring under torkningsprocessen genom s.k. Image registration. Metoden finns beskriven i (Hansson and Cherepanova 2012, Hansson and Cherepanova 2012, Hansson 2007, Hansson and Fjellner 2013 and Hansson et al. 2016). 5

6 MATERIAL OCH METODER Tre stycken nysågade granplank 47x150 mm ur centrumsågat virke (sågdatum 2/ ) från Martinsons, Kroksjön samt tre stycken nysågade furuplank 31x124 mm ur centrumsågat virke (sågdatum 5/4 2018) från Stenvalls, Lövholmen har använts i studien. Ett noggrant urval av plankorna gjordes vad gäller märgplacering, splint/kärnvedsandel, kvistfördelning mm för att ha så idealt material som möjligt. Varje plank delades i tre 0,7 m långa prov markerade A, B, C från toppändan och ändtätates med Sikaflex 221. Alla ytor sprayades med vatten varefter varje prov lindades med plastfilm och placerades i frys. Torrviktsprov kapades i anslutning till varje prov på vilka även ungefärlig kärnvedsandel bestämdes. En CT scanning gjordes längs samtliga prov innan nedfrysning för att välja och markera lämpliga kvistfria områden i längsled för det CT-skann som senare skulle göras under torkning/konditionering - särskilt viktigt för gran som inte har samma tydliga kvistvarv som furu. Figur 2. Tvärsnitt av samtliga prover före ändtätning som visar kärna/splint andel. Övre rad granplank 47x150 mm, undre rad furuplank 31x124. Försöksupplägg Totalt gjordes fyra konditioneringsförsök, försök 1 och 2 för gran och försök 3 och 4 för furu, med virke torkat till två olika fuktkvotsnivåer en hög och en låg. I varje försök ingick tre prover - ett från varje individuell planka utvalt utifrån om splintvedssidan innehöll kärnved eller inte. 6

7 Inför varje körning togs 3 utvalda prover direkt från frys och placerades på högkant i torktuben, sida vid sida med ett avstånd på minst 25 mm mellan varandra, och i längsled matchade så att en kvistfri position för CT-skannet under försöket var möjlig i alla tre prov. Ett CT-skann av ett tvärsnitt med 5 mm tjocklek gjordes innan torkningen startade och därefter varje timme under uppvärmning och torkning. När konditioneringen startade CT-skannades var 15:e minut så länge konditioneringen pågick. Efter konditionering och avsvalning ugnstorkades samtliga prover vid 103 C till konstant vikt varefter gjordes ett sista torrt CT-skann gjordes i samma position som tidigare, det sistnämnda för att möjliggöra fuktkvotsberäkningar baserat på torrvikt. Torkning och konditionering Vid torkning av gran i försök 1 och 2 användes ett industriellt torkningsschema med maxtemp 70 C men med olika långa tider, 89 resp. 71 timmar, där tidsskillnaden ligger i den avslutande diffusionsfasen. Konditionering i båda fall gjordes under ca 7 timmar vid konstant klimat 70 C/68 C, motsvarande jämviktsfuktkvot 16,8%. Vid torkning av furu, försök 3 och 4, användes ett industriellt torkningsschema med konstant våttemp 60 C och maxtemp 70 C med olika långa torktider, 48 resp. 89 timmar med tidsskillnad i diffusionsfas. Konditionering i båda fall gjordes under 7 resp. 8,6 timmar vid samma klimat som i grankörningarna, 70 C/68 C, motsvarande jämviktsfuktkvot 16,8%. Klimatdata från de fyra försöken ses i figur 3. Figur 3. Övre: Tork- och konditioneringstrender i försök 1 och 2 för gran 45x150mm. Undre: Tork- och konditioneringstrender i försök 3 och 4 för furu 31x124 mm. (I försök 2 saknas tempdata under perioden 5-23 timmar). I tabell 1 visas en sammanställning över samtliga fyra försök, med utvalda prover, beräknade medelfuktkvoter (från CT-data), torkningstider mm. 7

8 Tabell 1 Översikt över samtliga körningar Försök Träslag Dimension Prov Före tork Efter tork Δ_MC tork Tork Konditionering Total (mm) ID MC (%) MC (%) (%) tid (h) tid (h) tid (h) 1 Gran 45x150 A1 89,2 14,2 75,0 88,9 7,7 96,5 1 Gran 45x150 B1 69,9 15,5 54,4 88,9 7,7 96,5 1 Gran 45x150 C2 67,6 16,0 51,6 88,9 7,7 96,5 Medelv. 75,6 15,2 60,3 2 Gran 45x150 A3 56,6 15,6 41,0 70,6 7,3 77,9 2 Gran 45x150 B3 67,0 18,0 49,0 70,6 7,3 77,9 2 Gran 45x150 C3 53,9 16,0 37,9 70,6 7,3 77,9 Medelv. 59,2 16,5 42,6 3 Furu 31x124 A1 78,5 16,3 62,2 48,1 8,0 56,1 3 Furu 31x124 B1 134,5 23,1 111,4 48,1 8,0 56,1 3 Furu 31x124 C1 125,7 19,7 106,0 48,1 8,0 56,1 Medelv. 112,9 19,7 93,2 4 Furu 31x124 A2 68,6 9,8 58,8 89,0 7 96,0 4 Furu 31x124 B2 117,4 10,9 106,5 89,0 7 96,0 4 Furu 31x124 C2 133,3 11,5 121,7 89,0 7 96,0 Medelv. 106,4 10,7 95,7 Notera att det inte blev så stor skillnad som planerat i medelfuktkvot efter torkning i försök 1 och 2 (15,2 resp. 16,5%). Efter MC-beräkningar baserad på CT-data i försök 1 kortades torktiden i försök 2 för att nå en målfuktkvot på ca18% men MC beräkningar av CT-data i efterhand visar att startfuktkvoten i försök 2 var betydligt lägre (59%) än i försök 1 (76%). Beräkning av fuktkvotsförändring Vid beräkning av fuktkvotsförändringen, har utifrån CT-data medelfuktkvot vid varje tidssteg beräknats i fyra individuella skal med tjockleken ca 3 mm, från virkesytan och inåt samt i den resterande innervolymen för samtliga prover. Förändringarna har beräknats för splintved och kärnved, se figur 4. Medelfuktkvot för hela tvärsnittet har även beräknats. Figur 4. Övre raden visar ett granprov, undre raden ett furuprov. De olika färgmarkeringarna visar utvalda områden i splintved (till vänster) samt i kärnved (till höger). Medelfuktkvot har beräknats i fyra skal med tjocklek ca 3 mm med yttersta skalet i blått, följt av rött, gult och violett samt resterande innervolym i grönt. Dessa två exempel visar hur försöksmaterialet varierar beroende på kärnvedsandel: granprovet med hög kärnvedsandel har kärnved på båda flatsidorna medan furuprovet med liten kärnvedsandel har en ren splintvedsida (jämför med figur 2). 8

9 RESULTAT OCH DISKUSSION Medelfuktkvot Sammanställning av ökningen av medelfuktkvot under konditionering visas i Tabell 2. Försök 1 och 2 har, som tidigare beskrivits, liten skillnad i startfuktkvot när konditioneringen börjar medan furu i försök 3 och 4 har tydligt åtskilda nivåer. Ökning i medelfuktkvot är något högre i försök 1 jämfört med försök 2 för samtliga granprover, i medeltal 1,2% fuktkvotsökning jämfört med 0,9%. Furukörningarna med tydligt åtskilda fuktkvotsnivåer efter torkning (19,7% resp. 10,7%) visar större skillnad i fuktkvotsökning mellan försöken: Vid lägre fuktkvotsnivån i försök 4 är ökningen i medelfuktkvot betydligt högre, 2,6% jämfört med 0,7% i försök 3. Av samtliga prov visar det prov med högst MC efter torkning (B1 i Försök 3) den lägsta medelfuktkvotsökningen under konditionering. Virkesytorna har tagit upp fukt under konditioneringen även i detta prov men en sannolikt stor fuktkvotsskillnad inom tvärsnittet efter torkning har även inneburit att virkets inre delar har torkat vidare under konditioneringssteget. De lägsta medelfuktkvoterna efter torkning visar störst medelfuktkvotsökning under konditionering (försök 4) men även i försök 1-3: Försök 1: Gran A1, Försök 2 Gran A3 samt försök 3: Furu A1. Tabell 2 Medelfuktkvoter i samtliga prover efter torkning och efter konditionering. Försök Träslag Prov Efter tork Efter kond. Δ_MC kond ID MC (%) MC (%) (%) 1 Gran A1 14,22 15,63 1,41 1 Gran B1 15,53 16,65 1,12 1 Gran C2 15,97 17,16 1,19 Medelv. 15,24 16,48 1,24 2 Gran A3 15,59 16,60 1,01 2 Gran B3 18,01 18,77 0,76 2 Gran C3 16,02 16,84 0,83 Medelv. 16,54 17,40 0,87 3 Furu A1 16,25 17,62 1,37 3 Furu B1 23,07 23,38 0,31 3 Furu C1 19,68 20,22 0,54 Medelv. 19,67 20,41 0,74 4 Furu A2 9,77 12,37 2,60 4 Furu B2 10,89 13,63 2,74 4 Furu C2 11,52 14,06 2,54 Medelv. 10,73 13,35 2,63 I följande diagram, figur 5, visas hur medelfuktkvoten förändras under tiden konditionering utfördes. I försök 1, 2 och 4 ökar medelfuktkvoten i virket under hela tiden som konditioneringen pågår och allra mest den första halvtimmen. I försök 3 med högsta fuktkvotsnivåerna sker en ökning fram till ca 2-3 timmar och därefter planar kurvorna ut. I prov B1 med allra högst MC vid start sker en ökning den första timmen för att efter ca 4 timmar minska eftersom virkets inre delar torkar vidare under hela konditioneringen. 9

10 Figur 5. Medelfuktkvot under konditionering i de fyra försöken. Figur 6. Höjning av medelfuktkvot under konditionering i klimat 70 C/68 C i de olika försöken. I varje diagram anges i diagramrubriken medelfuktkvoten av de tre proven när konditionering startade. 10

11 I figur 6 visas höjningen av medelfuktkvot under pågående konditionering i de fyra försöken. I försök 3 och 4 framgår tydligt hur höjningen sker effektivare vid lägre startfuktkvot. Exemplen ger en god fingervisning om hur länge konditionering bör pågå för en viss önskad medelfuktkvotshöjning i klimat 70/68. Vill man ex höja medelfuktkvoten från 10 12% (försök 4) visar dessa resultat att 4 timmars konditionering är tillräckligt för furuvirket i konstant konditioneringsklimat 70/68. Att i samma konditioneringsklimat höja medelfuktkvoten 2% vid högre startfuktkvoter (mellan 14-23%) har inte i något fall varit möjligt för vare sig gran eller furu. Viktigt är att påpeka att konditioneringsklimatet i dessa labbförsök har uppnått börvärden mycket snabbt (figur 3) vilket inte är fallet vid stora virkeslaster i industriskala där basningskapacitet och blåsdjup påverkar tid till uppnådda börvärden. Fuktkvotsförändring inom tvärsnitt Medelfuktkvoten i fyra individuella ca 3 mm tjocka skal i splint och kärnved, har beräknats för varje tidssteg från virkesytan och inåt samt i den resterande innervolymen. (Det innebär att medelvärdet för varje skal baseras på olika vedvolym beroende på såväl virkesdimension som varje provs splint- /kärnvedsfördelning, se exempel i figur 4). I figur 7 och 8 visas fuktkvotsförändringen, (derivatan eller ändringen i varje skals medelfuktkvot per tidssteg) under pågående konditionering, med yttersta skalet i blått, följt av rött, gult och violett samt resterande innervolym i grönt för splintved och kärnved i samtliga försök. OBSERVERA: I bilaga 1 finns samtliga diagram med bättre läsbarhet. GRAN 45x150 Försök 1 Splint Försök 1 Kärna Försök 2 Splint Försök 2 Kärna Figur 7. Fuktkvotsförändringen per tidssteg i varje skals medelfuktkvot under konditionering av gran i försök 1 och 2 i splintved och kärnved. I bilaga 1 finns samtliga diagram med bättre läsbarhet. 11

12 FURU 31x124 Försök 3 Splint Försök 3 Kärna Försök 4 Splint Försök 4 Kärna Figur 8. Fuktkvotsförändringen per tidssteg i varje skals medelfuktkvot under konditionering av furu i försök 3 och 4 i splintved och kärnved. I bilaga 1 finns samtliga diagram med bättre läsbarhet. Kommentarer till figur 7 och 8 Som förväntat sker den största förändringen i det yttersta skalet. Generellt ses en utplaning i samtliga försök efter 3 4 timmar. Vid start framgår hur splintved ändras mer än kärnved vilket sannolikt förklaras av splintvedens högre diffusivitet. Det bör beaktas att volymer för analyserade kärnvedsskal har varierat kraftigt, se figur 9, och vidare att juvenilvedsandel med avvikande vedegenskaper kan påverka resultatet. Figur 9. Exempel på hur volymen för utvärderade kärnvedsskal har varierat i Försök 4. 12

13 Genomgående höga startvärden i försök 4 ses för både splint och kärnved. Det är också dessa prover som har lägst medelfuktkvot när konditioneringen börjar (10,7%) (se Tabell 2). Vid en jämförelse med försök 3 som hade högst medelfuktkvot när konditioneringen börjar (19,7%) framgår tydligt hur fuktkvotsnivån spelar roll för den inledande gradientutvecklingen: ju torrare virke desto snabbare förändring. I granförsöken 1 och 2 där skillnaden i medelfuktkvot efter torkning var liten (15,2 resp. 16,5%) ses inte samma mönster. I figur 10 visas exempel på densitet i två prover med olika startfuktkvot längs en diagonal genom tvärsnittet. Årsringarnas densitetsvariationer framgår tydligt med högre sommarvedsdensitet. Bruna linjer visar konditioneringsstart och blå linjer när konditioneringen slutar. I prov C1 går diagonalen huvudsakligen genom splintved medan diagonalen genom A2 definitivt passerar kärnved. I båda diagrammen ser man hur provens centrala delar torkar under konditioneringen (när blå linjer ligger under de bruna) och då betydligt mer i prov C1 med hög startfuktkvot. I övre högre hörn av proven ser man hur fukt har vandrat in i virket under konditionering och höjt densiteten (blå linjer ligger över bruna linjer). Båda dessa fuktförändringar bidrar till en total utjämning av fukten i provens tvärsnitt vilket är huvudsyftet med konditionering. Figur 10. Densitetsvariationer längs en diagonal linje genom tvärsnitt från vänster nedre hörn (0 i på x- skalan som visar pixlar.) till höger övre hörn i furuprov C1 och A2 med olika startfuktkvot. Bruna linjer visar densitet vid konditioneringsstart och blå linjer när konditioneringen slutar. Undre foton visar kärnvedsfördelningen i proven. 13

14 SAMMANFATTNING Fuktförändringar i virke under pågående konditionering har aldrig tidigare studerats i tomograf. Resultat av denna labbstudie av diffusionsbaserad, icke-kondenserande jämviktskonditionering vid olika fuktkvotsnivåer sammanfattas enligt följande: (Notera att torkningsspänningar inte utvärderats i denna studie utan enbart fuktförändringar.) Studien styrker industriella erfarenheter att konditionering tar bättre på virke nedtorkat till lägre fuktkvot jämfört än om fuktkvoterna är högre. Försöken ger en god fingervisning om hur länge konditionering bör pågå för en viss önskad medelfuktkvotshöjning i ett industriellt vanligt förekommande klimat 70 C och psykrometerskillnad 2 vilket motsvarar en jämviktsfuktkvot på 16,8%. Vill man ex höja medelfuktkvoten från 10 12% visar resultaten att 4 timmars konditionering är tillräckligt för furuvirket. Att i samma klimat höja medelfuktkvoten 2% vid högre startfuktkvoter (mellan 14 23%) har inte i något fall varit möjligt för vare sig gran eller furu under de 8 timmar som konditionering pågick. Det är också viktigt att påpeka att konditioneringsklimatet i dessa labbförsök har uppnått börvärden mycket snabbt (figur 3) vilket inte är fallet vid stora virkeslaster i industriskala där basningskapacitet och blåsdjup påverkar tid till uppnådda börvärden. Vad gäller fuktkvotsskillnad nära ytorna ses generellt en utplaning av fuktförändringar i samtliga försök efter 3 4 timmar. Fuktkvotsnivån spelar roll för den inledande fuktkvotsförändringen inom tvärsnittet: ju torrare virke desto snabbare förändring. När konditioneringen startar är fuktvandringen i splintved effektivare än i kärnved vilket sannolikt förklaras av splintvedens högre diffusivitet. Vad gäller eventuella skillnad mellan träslag är det inte möjligt att dra några slutsatser. Metodstudien visar att upplösningen i tomografen är tillräcklig för att kunna utvärdera fuktkvotsförändringar nära virkesytorna i ca 3 mm tjocka skal. FORTSATT ARBETE Eftersom metodstudien visar att upplösningen i tomografdata är tillräcklig för analys av fuktgradienter nära ytor finns en rad intressanta frågeställningar: Studien med unika experimentella data utgör en utmärkt grund för en generell diffusionsbaserad modellering av jämviktskonditionering. I labbstudien har ett idealiserat konditioneringsklimat använts där börvärden uppnåtts mycket snabbt. Genom mätningar i industriskala av verkliga konditioneringsklimat i virkeslastens blåsdjup kan kontrollerade typfall studeras i CT vid verkliga industriklimat i olika paketpositioner. Analys om det i CT-data är möjligt att detektera virkets dimensionsförändringar under konditionering och avsvalning för att undersöka hur detta påverkar virkets måttnoggrannhet och yttre form som kupning, bredd och tjocklek. Detta mot bakgrund av att tidigare projekt har visat att torkningsrelaterade kvalitetsfrågor som fuktkvotsträff, fuktkvotsspridning, fuktgradient och konditionering många gånger överskuggar inverkan av de råa sågmåttens noggrannhet och trämaterialets krymptalsvariationer på produkternas slutliga måttprecision Undersöka om det är möjligt att med bildbehandlingsanalys beräkna tvärsnittets fuktkvotsgradient, dvs fuktkvotsförändringens riktning inom tvärsnittet. 14

15 BILAGA1 15

16 Konditionering av virke vid olika fuktkvoter studier i tomograf TiiN DP3 Utveckling av industriell virkestorkning Bilaga till rapport

17 Försök 1 gran 45x150 splintved A1 B1 C2

18 Försök 1 gran 45x150 kärnved A1 B1 C2

19 Försök 1 gran 45x150, medelfuktkvot i 3 mm skal från ytan A1 B1 C2 A1 B1 C2 Splintved Kärnved Before kond. Before kond. Before kond. Shell Shell Shell Shell Reminder Before kond. Before kond. Before kond. Shell Shell Shell Shell Reminder

20 Försök 2 gran 45x150 splintved A3 B3 C3

21 Försök 2 gran 45x150 kärnved A3 B3 C3

22 Försök 2 gran 45x150, medelfuktkvot i 3 mm skal från ytan Splintved Kärnved Before kond. A3 B3 C3 Before kond. Before kond. Shell Shell Shell Shell Reminder Before kond. A3 B3 C3 Before kond. Before kond. Shell Shell Shell Shell Reminder

23 Försök 3 furu 31x124 splintved A1 B1 C1

24 Försök 3 furu 31x124 kärnved A1 B1 C1

25 Försök 3 furu 31x124, medelfuktkvot i 3 mm skal från ytan A1 B1 C1 A1 B1 C1 Before kond. Before kond. Before kond. Shell Shell Shell Shell Reminder Splintved Before kond. Before kond. Before kond. Shell Shell Shell Shell Reminder Kärnved

26 Försök 4 furu 31x124 splintved A2 B2 C2

27 Försök 4 furu 31x124 kärnved A2 B2 C2

28 Försök 4 furu 31x124, medelfuktkvot i 3 mm skal från ytan A2 B2 C2 Before kond. Before kond. Before kond. Shell Shell Shell Shell Reminder Splintved A2 B2 C2 Kärnved Before kond. Before kond. Before kond. Shell Shell Shell Shell Reminder