基于篩分再切的葉片結(jié)構(gòu)調(diào)控工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉茂林，楊永鋒，趙森森，劉向真，尹志安，崔登科，梁淼，李慶祥，孫九喆，彭桂新*

1 河南省中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市經(jīng)開區(qū)第三大街8號(hào) 450000；2 天昌國(guó)際煙草有限公司寶豐復(fù)烤廠，平頂山市寶豐縣龍興中路1號(hào) 467400；3 鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，鄭州市科學(xué)大道136號(hào) 450002

葉片結(jié)構(gòu)是衡量打葉復(fù)烤加工質(zhì)量及水平的重要指標(biāo)，同時(shí)也是影響切后煙絲結(jié)構(gòu)及純凈度的重要因素[1,2]，而煙絲結(jié)構(gòu)又是影響卷煙空頭、單支重、端部落絲、煙絲密度分布等卷接質(zhì)量的關(guān)鍵[3-5]。目前打葉復(fù)烤企業(yè)成品片煙結(jié)構(gòu)比例不盡合理，常表現(xiàn)為大片偏多、中片偏少[6]，尤其是超大片煙比例可達(dá)25%以上，與當(dāng)前我國(guó)大品牌中式卷煙發(fā)展需求仍存在差距，特別是隨著中、細(xì)支卷煙的快速發(fā)展，其卷制質(zhì)量及穩(wěn)定性更是行業(yè)普遍關(guān)注的問題。為滿足卷煙生產(chǎn)對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的新需求，基于“降大片、提中片”理念，2016 版卷煙工藝規(guī)范也對(duì)打葉復(fù)烤后的片煙結(jié)構(gòu)提出了更高要求[7]。

為改善梗葉分離后片煙結(jié)構(gòu)，打葉復(fù)烤企業(yè)常通過(guò)調(diào)整來(lái)料狀態(tài)及打葉風(fēng)分環(huán)節(jié)的打輥轉(zhuǎn)速、框欄規(guī)格、風(fēng)分效率等工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)[6,8,9]，但調(diào)整過(guò)程相對(duì)復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)，片煙結(jié)構(gòu)控制精度低，煙葉造碎明顯，影響打葉復(fù)烤經(jīng)濟(jì)性。另外，通過(guò)對(duì)打后片煙進(jìn)行有效篩分，分選出其中的超大尺寸片煙，對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的尺寸縮減處理是提高葉片結(jié)構(gòu)均勻性的又一可行途徑?；诖怂悸罚ゅ\哲等[10]在一級(jí)打葉風(fēng)分單元后設(shè)置了滾筒式篩分裝置，將篩分出的超大尺寸煙葉送入打葉器復(fù)打，增加了最佳煙葉尺寸區(qū)間占比，改善了葉梗分離后煙葉片形結(jié)構(gòu)。本文在前期開發(fā)多輥撥動(dòng)式煙葉篩分裝置和雙輥多齒式煙片剪切裝置的基礎(chǔ)上[11-12]，提出并設(shè)計(jì)了打葉復(fù)烤環(huán)節(jié)的篩分再切工藝，基于此工藝開展了超大尺寸片煙的定向篩分與剪切應(yīng)用探索，旨在提高葉片結(jié)構(gòu)控制能力，減少二次造碎，提升打后片煙的葉片結(jié)構(gòu)均勻性。

1 工藝流程設(shè)計(jì)

多輥撥動(dòng)式煙葉篩分裝置能用于較大流量的生產(chǎn)線，研究中以打葉風(fēng)分匯總片煙為研究對(duì)象，在片煙匯總皮帶后增設(shè)篩分再切環(huán)節(jié)，旨在通過(guò)篩分裝置分選出超大尺寸片煙，對(duì)其進(jìn)行剪切處理，以降低大片率，提升中片率。如圖1 所示，煙葉經(jīng)預(yù)處理進(jìn)入打葉風(fēng)分環(huán)節(jié)，打葉去梗后的匯總煙片經(jīng)皮帶送至多輥撥動(dòng)式煙葉篩分設(shè)備，通過(guò)調(diào)整篩輥轉(zhuǎn)速等參數(shù)分離出其中的超大尺寸煙片，并將其送入煙葉剪切裝置進(jìn)行尺寸縮減，剪切后的煙片經(jīng)風(fēng)力浮選機(jī)去除含梗煙片，非含梗煙片均勻回?fù)竭M(jìn)經(jīng)篩分去除超大片的煙片內(nèi)，并送入下一道工序。

圖1 基于篩分再切的葉片結(jié)構(gòu)調(diào)控工藝流程Fig. 1 Technological process of tobacco strip structure control system based on screening and re-cutting technology

2 材料與方法

2.1 儀器、試劑與材料

試驗(yàn)原料為2018 年產(chǎn)河南洛陽(yáng)C3F 等級(jí)烤煙煙葉。打葉復(fù)烤生產(chǎn)線采用天昌國(guó)際煙草有限公司寶豐復(fù)烤廠“黃金葉”專線（生產(chǎn)流量為10000 kg/h）；煙片篩分設(shè)備，差速剪切裝置（詳見專利CN 207385892U 和CN 207383495U，河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，天昌國(guó)際煙草有限公司寶豐復(fù)烤廠）；CA8011 型片煙大小及分布測(cè)定系統(tǒng)（昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司，鄭州煙草研究院）。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法和條件

在如圖1 所示的增設(shè)了篩分再切環(huán)節(jié)的打葉復(fù)烤生產(chǎn)線上開展試驗(yàn)，將煙葉原料投入打葉復(fù)烤生產(chǎn)線，根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書設(shè)置打葉復(fù)烤工藝參數(shù)。篩分再切裝置的具體工作過(guò)程如圖2 所示，分別設(shè)定篩輥轉(zhuǎn)速（30 Hz、40 Hz、50 Hz）和剪切設(shè)備快慢輥轉(zhuǎn)速差（5 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz，通過(guò)固定快輥轉(zhuǎn)速50 Hz，調(diào)整慢輥轉(zhuǎn)速45 Hz、35 Hz、30 Hz、25 Hz實(shí)現(xiàn)），生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行后依次在圖2 所示的位置1、3、7、4、10、8 處采用截面取樣法，接取煙片樣品（每次取樣不少于3000 g），利用片煙大小及分布測(cè)定系統(tǒng)，根據(jù)YC/T 449—2012《煙葉片煙大小及其分布的測(cè)定葉面積法》[13]測(cè)定片煙面積及尺寸分布，并結(jié)合煙草行業(yè)對(duì)葉片結(jié)構(gòu)（大片率、中片率、碎片率等）的要求進(jìn)行換算[14]。

圖2 篩分再切裝置工作流程Fig. 2 Workflow diagram for the screening and re-cutting devices

3 結(jié)果與討論

3.1 篩分工藝參數(shù)對(duì)分離煙片尺寸分布影響

多輥撥動(dòng)式輥軸篩分技術(shù)是利用橫向排列帶有輥齒的輥軸，帶動(dòng)物料在軸面上以滾動(dòng)方式向前運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料的分選，尺寸較小的煙片物料在輥軸相鄰輥齒形成的動(dòng)態(tài)篩孔中落下，并實(shí)現(xiàn)物料的持續(xù)攤薄，其余物料在軸面上繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)并重復(fù)上述過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)不同尺寸煙片的分離。圖3 為不同篩輥轉(zhuǎn)速下，篩分設(shè)備上層大尺寸煙片及下層其余煙片的尺寸分布直方圖，從圖中可見，篩分后上層和下層煙片尺寸分布差異明顯，尤其是隨著篩輥轉(zhuǎn)速增加，超大尺寸煙片分離效果更優(yōu)。

圖3 不同篩輥轉(zhuǎn)速下篩輥上層及下層煙片的尺寸分布圖（a: 30 Hz; b: 40 Hz; c: 50 Hz）Fig. 3 The size distribution of tobacco strip at upper and lower layer of screen roll under different speed of screen roller (a: 30 Hz; b: 40 Hz; c: 50 Hz)

為進(jìn)一步詳細(xì)比較篩輥轉(zhuǎn)速對(duì)分離煙片尺寸分布的影響，將各特征區(qū)間的煙片比例統(tǒng)計(jì)列于表1，根據(jù)卷煙企業(yè)對(duì)最適宜結(jié)構(gòu)煙片的實(shí)際需求及復(fù)烤后片煙的皺縮效應(yīng)[15]，文中定義尺寸介于11 mm～41 mm的煙片為合適片，尺寸大于41 mm 的煙片為超大尺寸煙片。從表1 可見，在各篩輥轉(zhuǎn)速下，篩輥上層煙片主要是＞25.4 mm 的大片，這其中又以＞41 mm以上超大片煙為主；下層主要是包括中片在內(nèi)的11 mm～41 mm 的合適片；以上表明輥軸篩分能夠按尺寸分布對(duì)打后匯總煙片進(jìn)行有效分離，特別是對(duì)于＞41 mm 以上超大片煙的篩分效果明顯。另外，隨著篩輥轉(zhuǎn)速的提高，上層分選出煙片內(nèi)的大片及超大片比例逐漸增加，11 mm～41 mm 的合適片比例逐漸減??；同時(shí)篩輥下層煙片內(nèi)的中片比例有增加趨勢(shì)，合適片比例從67.55%升高至75.35%，誤篩的＞41 mm 超大片比例呈降低趨勢(shì)，數(shù)據(jù)表明，在滾軸上篩齒間距一定的前提下，篩輥轉(zhuǎn)速是影響篩分效果的重要因素，隨篩輥轉(zhuǎn)速增加，篩分效果明顯提升，如當(dāng)篩輥轉(zhuǎn)速增至50 Hz 時(shí)，篩輥上層煙片內(nèi)的大片比例為93.93%，其中超大片比例為68.70%，下層煙片內(nèi)的合適片比例為75.35%，分離效果最優(yōu)，這與較高的篩輥轉(zhuǎn)速有利于物料在篩輥上的攤薄有關(guān)，提高了分離質(zhì)量。

表1 不同篩輥轉(zhuǎn)速分離后各特征區(qū)間的煙片比例統(tǒng)計(jì)Tab. 1 The proportion of tobacco strips of different size after screening under different speed of screen roller %

另外，利用曾靜等[16]建立的煙片尺寸分布函數(shù)F（x）=1-exp（-axb）對(duì)輥軸篩網(wǎng)上層及下層的煙片尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以分析篩分后煙片的特征尺寸及其分布均勻性。煙片尺寸分布擬合結(jié)果如表2 所示，相關(guān)系數(shù)R2較高，表明篩分后各層的煙片尺寸符合該分布函數(shù)。在各篩輥轉(zhuǎn)速下，篩網(wǎng)上層煙片的特征尺寸（F（x）=0.5 時(shí)對(duì)應(yīng)的煙片面積）遠(yuǎn)大于下層煙片特征尺寸，并且隨著篩輥轉(zhuǎn)速?gòu)?0 Hz 增加至50 Hz，上層特征尺寸逐漸增加，從1504.18 mm2升高至2447.23 mm2，而下層特征尺寸從648.87 mm2逐漸降低至595.42 mm2，同時(shí)各層煙片的均勻性系數(shù)b 均隨篩輥轉(zhuǎn)速增加而變大，表明煙片尺寸分布集中度也逐漸提高，因此篩輥轉(zhuǎn)速50 Hz 時(shí)篩分效果最好，此時(shí)上層超大片比例高，尺寸分布集中。

表2 不同篩輥轉(zhuǎn)速分離煙片的特征面積及均勻性系數(shù)Tab. 2 Characteristic area and uniformity coefficient of tobacco strips after screening under different screen roller speed

3.2 剪切工藝參數(shù)對(duì)煙片尺寸分布的影響

對(duì)篩分出的超大尺寸煙片進(jìn)行剪切處理是降低大片率、提升中片率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本工藝?yán)秒p輥輥齒的差速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的撕扯力與剪切力對(duì)超大片進(jìn)行處理，而小于輥軸齒間距的煙片從輥齒間隙漏下避免破碎。圖4 為不同剪切輥轉(zhuǎn)速差下，剪切前后的煙片尺寸分布直方圖，從圖中可見，篩分出的上層煙片經(jīng)剪切后尺寸分布整體向小尺寸方向偏移，＞41 mm 的超大片均不同程度降低。

進(jìn)一步將各特征區(qū)間的煙片比例統(tǒng)計(jì)列于表3，在剪切輥不同的轉(zhuǎn)速差條件下，處理后煙片樣品內(nèi)中片比例均升高，11 mm～41 mm 的合適片比例升高，平均增幅為96.72%，同時(shí)＞25.4 mm 的大片比例降低，特別是＞41 mm 的超大片比例明顯降低，表明剪切處理將超大片轉(zhuǎn)化成了合適片。另外，不同的轉(zhuǎn)速差帶來(lái)的剪切效果有差異，轉(zhuǎn)速差為5 Hz 時(shí)，盡管合適尺寸煙片增加比例較大為105.20%，但較小的轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生的片煙破壞力較強(qiáng)，剪切處理后＜6.35 mm的煙片比例為5%，造碎程度較大；當(dāng)轉(zhuǎn)速差介于15 Hz 至25 Hz 時(shí)，合適片比例的增幅均大于60%，＞41 mm 超大片比例降幅均大于42%，特別當(dāng)轉(zhuǎn)速差為25 Hz 處理后的超大片降幅達(dá)75.04%，且該轉(zhuǎn)速差下所得合適片的增加比例最高（158.26%），中片比例也最高（31.45%）。此外，從煙片尺寸分布函數(shù)擬合結(jié)果（表4）可見，差速剪切處理后煙片特征尺寸減小，同時(shí)均勻性系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速差為25 Hz 剪切處理前后煙片特征面積分別為2458.29 mm2和804.40 mm2，降幅可達(dá)67.28%。這些數(shù)據(jù)均表明雙輥轉(zhuǎn)速差是影響超大片剪切效果的主要因素，生產(chǎn)中可針對(duì)來(lái)料及煙片結(jié)構(gòu)需求針對(duì)性地調(diào)整雙輥轉(zhuǎn)速差。

圖4 不同剪切輥轉(zhuǎn)速差下處理前后煙片的尺寸分布圖（a: 5Hz; b: 15Hz; c: 20Hz; d 25Hz ）Fig. 4 The size distribution of tobacco strips at different sizes after screening under different speed of shear roller (a: 5Hz; b: 15Hz; c: 20Hz; d:25Hz)

表3 不同剪切輥轉(zhuǎn)速差下處理前后煙片各特征區(qū)間的比例統(tǒng)計(jì)Tab. 3 The proportion of tobacco strips of different size before and after processing under different speed of shear roller %

表4 不同剪切輥轉(zhuǎn)速差下處理前后煙片的特征面積及均勻性系數(shù)Tab. 4 Characteristic area and uniformity coefficient of tobacco strips before and after processing under different speed of shear roller

3.3 葉片調(diào)控工藝應(yīng)用效果

圖5 兩種生產(chǎn)工藝匯總煙片的尺寸分布(a)及尺寸分布擬合結(jié)果(b)Fig. 5 Size distribution of tobacco strips under two different processes (a) and the fitting result of size distribution (b)

基于以上篩分及剪切工藝參數(shù)對(duì)煙片尺寸分布影響規(guī)律，確定了較優(yōu)的參數(shù)組合（篩輥轉(zhuǎn)速設(shè)置為50 Hz，剪切快慢輥轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為50 Hz 和25 Hz）開展工藝驗(yàn)證，對(duì)采用篩分再切工藝前后的打葉去梗匯總煙片進(jìn)行尺寸分布檢測(cè)及擬合，結(jié)果如圖5 所示?？梢钥闯鼋?jīng)篩分再切工藝調(diào)控后的煙片尺寸分布有所變化，具體表現(xiàn)為＞41 mm 的各尺寸區(qū)間煙片比例明顯降低，＜41 mm 的各區(qū)間比例均升高，煙片特征尺寸從785.18 mm2降低至603.32 mm2，均勻性系數(shù)增加，煙片尺寸分布集中度及均勻性有所提高。

圖6 統(tǒng)計(jì)了特征尺寸煙片及葉片結(jié)構(gòu)比例，可見超大片比例由25.14%降低為13.48%，降幅達(dá)46.38%，合適片的比例由63.71%升高至73.30%，大片率由55.90%降低至40.99%，能夠滿足2016 版工藝規(guī)范中＜45%的要求，中片率由32.99%升高至49.36%，增幅為49.62%，同時(shí)碎片率未明顯增加（由1.71%增至1.73%），結(jié)果表明篩分再切工藝較好的解決了打后大片率過(guò)高的問題，實(shí)現(xiàn)了降低大片率、提升中片率的目的。

該工藝流程簡(jiǎn)單，篩分及剪切處理能力強(qiáng)，設(shè)備參數(shù)及加工質(zhì)量可控性強(qiáng)，并能適應(yīng)較大流量的生產(chǎn)線。本文僅針對(duì)特定生產(chǎn)流量下的單等級(jí)煙葉進(jìn)行了葉片結(jié)構(gòu)調(diào)控研究，篩分剪切工藝參數(shù)與生產(chǎn)流量的適應(yīng)性及與模塊原料的煙片尺寸分布間的關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。

圖6 葉片結(jié)構(gòu)調(diào)控工藝參數(shù)設(shè)置Fig. 6 Parameter setting for tobacco strip structure control process

4 結(jié)論

基于自行開發(fā)的多輥撥動(dòng)式煙葉篩分裝置和雙輥多齒式煙片剪切裝置，設(shè)計(jì)了打葉復(fù)烤環(huán)節(jié)的篩分再切工藝，該葉片結(jié)構(gòu)調(diào)控工藝流程簡(jiǎn)單，能適應(yīng)較大流量的生產(chǎn)線。以河南洛陽(yáng)C3F 等級(jí)烤煙煙葉為研究對(duì)象，對(duì)打后匯總片煙進(jìn)行了超大片篩分與剪切處理，使大片縮減為合適尺寸的煙片，以提升片煙葉片結(jié)構(gòu)控制能力，結(jié)果表明：篩輥轉(zhuǎn)速是影響超大片分選效果的關(guān)鍵，篩輥轉(zhuǎn)速增至50 Hz 時(shí)，分選出的上層煙片內(nèi)大片比例為93.93%，其中超大片比例可達(dá)68.70%；篩分出的煙片經(jīng)剪切輥差速處理后超大片明顯降低，合適尺寸片增加明顯，煙片特征尺寸顯著降低；采用篩分再切工藝調(diào)控后，打后匯總煙片中的超大片比例降為13.48%，11 mm～41 mm 的合適片比例增加至73.30%，大片率由55.90%降低至40.99%，中片率由32.99%升高至49.36%，增幅達(dá)49.62%，篩分再切工藝的設(shè)計(jì)及應(yīng)用為葉片結(jié)構(gòu)調(diào)控提供了可行的途徑。