基于參數(shù)標準化的片煙葉片結(jié)構(gòu)管控

皮亮，劉威，萬明宇，王戈，馬建勛，竇家宇，張浩，陳康康

(1.上海煙草集團有限責任公司,上海 200082； 2.華環(huán)國際煙草有限公司，安徽 滁州 233100)

打葉復烤是卷煙制造鏈中銜接農(nóng)業(yè)、工業(yè)的重要環(huán)節(jié)，是卷煙工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)原料組織、提升原料利用率、形成模塊化配方、保障質(zhì)量穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)[1]。近年來，打葉復烤通過產(chǎn)線改造、技術(shù)創(chuàng)新、精益管理，使得技術(shù)及管理水平上了一個新臺階。但與卷煙工業(yè)相比，打葉復烤企業(yè)對產(chǎn)品的關(guān)注更集中于最終成品質(zhì)量上，對過程質(zhì)量管控要求比較粗放。

近年來，中國煙草公司大力推進卷煙重點品牌原料均質(zhì)化復烤加工，明確提出要進一步提升成品片煙核心質(zhì)量指標的均勻性水平。面對新的形勢和要求，復烤企業(yè)在卷煙工業(yè)的支持下，大力開展各類攻關(guān)研究，促使片煙產(chǎn)品的煙堿、總糖、水分等指標的均勻性顯著提升。楊凱等[2-4]以煙堿為調(diào)節(jié)因子提出了配方均勻性控制模式，有效將成品片煙煙堿含量變異系數(shù)控制到4%以下。王戈等[5]在此基礎(chǔ)上引入顏色和光譜特征值，構(gòu)建了多因素組合調(diào)控模式，實現(xiàn)成品煙堿、總糖、總氮含量均勻性共同提升。李善蓮等[6]提煉固化了片煙水分控制的優(yōu)異操作，以此指導生產(chǎn)實現(xiàn)成品片煙水分均勻性的顯著提升。何結(jié)望等[7]構(gòu)建了一種打葉復烤片煙質(zhì)量均勻性評價標準，將片煙葉片結(jié)構(gòu)、化學成分、含水率進行灰度關(guān)聯(lián)，聚類形成綜合性評價模型。相比而言，片煙葉片結(jié)構(gòu)均勻性的控制研究尚未達成普遍共識，因此，本研究借鑒中國煙葉公司印發(fā)的打葉復烤5項關(guān)鍵技術(shù)指引中的參數(shù)化控制技術(shù)，以某重點品牌3個模塊煙葉原料為對象，開展基于參數(shù)標準化的片煙葉片結(jié)構(gòu)管控研究，分析比較管控前后3個模塊成品片煙葉片結(jié)構(gòu)的變換情況。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇2020年某品牌3個模塊(A、B、C)的烤煙原料，在一潤、二潤、打葉等工序開展主要參數(shù)指標的區(qū)間控制。參數(shù)區(qū)間獲取是通過對相關(guān)參數(shù)指標2016—2018年的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析獲得。

1.2 參數(shù)指標選擇

打葉復烤過程中，對打后片煙葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有顯著影響的工序是熱風潤葉和葉梗分離，其中2個關(guān)鍵工序關(guān)鍵參數(shù)指標和工藝指標如表1所示。

1.3 統(tǒng)計方法

對表1指標，按照葉片結(jié)構(gòu)評價優(yōu)異為標準篩選出相匹配的歷史參數(shù)數(shù)據(jù)，然后利用統(tǒng)計分析方法計算獲得參數(shù)指標的適宜區(qū)間范圍，最后綜合行業(yè)標準、加工經(jīng)驗、原料年度變化、環(huán)境溫濕度變化對參數(shù)區(qū)間進行微調(diào)，確定重點工序關(guān)鍵參數(shù)指標的管控區(qū)間。

表1 打葉過程關(guān)鍵工藝指標和參數(shù)指標

歷史數(shù)據(jù)清洗。導出的參數(shù)數(shù)據(jù)采集頻次為每分鐘1個，主要是刪除數(shù)據(jù)中缺失空白數(shù)據(jù)、噪聲異常數(shù)據(jù)(≤0)和非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)(停機斷料前后10 min內(nèi)數(shù)據(jù))。

優(yōu)異片煙葉片結(jié)構(gòu)標準確定和匹配篩選。首選按班次統(tǒng)計各班大中片率、碎片碎末率、葉中含梗率的均值和標準偏差，然后篩選出3個指標均值符合加工指標要求，且大中片率標準偏差≤2.0%、碎片碎末率標準偏差≤0.8%的班次。此時對應(yīng)班次的參數(shù)指標和工藝指標數(shù)據(jù)即為過程優(yōu)良操作數(shù)據(jù)。

區(qū)間范圍統(tǒng)計。采用統(tǒng)計方法計算各指標的四分位數(shù)，按公式(1)和(2)計算各指標的區(qū)間[8]。

下限=max{Q1-1.5IQR，最小值}； (1)

上限=min{Q3+1.5IQR，最大值}。 (2)

式中：Q1為第一四分位數(shù)；Q3為第三四分位數(shù)；IQR為四分位間距。

參數(shù)區(qū)間范圍確定。參數(shù)指標在行業(yè)標準中尚未有明確范圍規(guī)定，其確認主要是依據(jù)上述區(qū)間統(tǒng)計的結(jié)果，并根據(jù)烤煙原料質(zhì)量特性與歷史統(tǒng)計差異性，在某些參數(shù)指標上做一定微調(diào)。在行業(yè)標準YC/T 146—2010[9]和卷煙工藝規(guī)范[10]中潤后水分區(qū)間范圍允差是3%，潤后溫度中，一潤允差是10 ℃，二潤允差是15 ℃，在此基礎(chǔ)上依據(jù)上述區(qū)間統(tǒng)計結(jié)果和烤煙原料素質(zhì)綜合確定，原則上最終確定范圍要求工藝指標區(qū)間的水分允差為2%，溫度允差6 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 指標區(qū)間

除烤煙原料自身不可控因素外，打葉復烤加工中片煙葉片結(jié)構(gòu)符合性與潤后煙葉水分、溫度狀態(tài)、葉梗分離中打葉和風分參數(shù)設(shè)定密切相關(guān)，然而在以往加工中由于管控只注重結(jié)果，且結(jié)果又是望大目標或望小目標，導致結(jié)果穩(wěn)定性和過程穩(wěn)定性受到忽視。本研究通過穩(wěn)定重點工序的工藝和參數(shù)，從而促使產(chǎn)品質(zhì)量(葉片結(jié)構(gòu))穩(wěn)定性提升。

2.1.1 熱風潤葉

熱風潤葉(一次潤葉和二次潤葉)主要通過加水、加蒸汽、加溫等方式調(diào)節(jié)滾筒內(nèi)的溫濕度環(huán)境，再由環(huán)境改變烤煙煙葉自身的水分和溫度狀態(tài)，優(yōu)良操作的標準是潤后煙葉柔韌性好、抗造碎、表面無水漬、無潮紅。熱風潤葉中工藝指標是潤后水分和溫度，而保持工藝指標穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)指標是物料流量、加水流量、增溫增濕開度、熱風溫度。歷史數(shù)據(jù)中通過清洗、篩選和區(qū)間計算的結(jié)果如表2和表3所示。由于相同模塊不同年度間烤煙煙葉質(zhì)量存在一定差異，因此，在區(qū)間計算基礎(chǔ)上，根據(jù)當年烤煙煙葉質(zhì)量特性(身份、油份、糖含量、拉力等)變化進行一定微調(diào)，從而形成表4和表5所示區(qū)間標準。

表5 二次熱風潤葉工序關(guān)鍵工藝和參數(shù)指標區(qū)間標準

表3 二次熱風潤葉工序關(guān)鍵工藝和參數(shù)指標區(qū)間范圍

表2 一次熱風潤葉工序關(guān)鍵工藝和參數(shù)指標區(qū)間范圍

2.1.2 葉梗分離

葉梗分離主要通過打葉器將葉片從煙梗上撕裂下來，然后通過風分篩選實現(xiàn)葉與梗的分離，通常為充分保障葉與梗的有效分離，打葉復烤企業(yè)均配置多級打葉和風分設(shè)備。優(yōu)良操作的標準是不僅葉與梗能夠充分分離，同時要保持較好的大中片率、較低的碎片碎末率和葉含梗率，以利于后續(xù)片煙的切絲使用。而優(yōu)良操作主要是由打葉器打滾轉(zhuǎn)、框欄尺寸形狀、風分頻率等關(guān)鍵參數(shù)的適度設(shè)定調(diào)整實現(xiàn)。因此，對上述3個模塊的歷史參數(shù)數(shù)據(jù)進行清洗、篩選和區(qū)間計算的結(jié)果如表6所示(由于數(shù)據(jù)量較大，主要顯示1、2級打葉頻率和1～8風分頻率設(shè)定)，然后同樣根據(jù)當年烤煙煙葉質(zhì)量特性變化進行一定微調(diào)，從而形成表7所示區(qū)間標準。

表7 葉梗分離工序關(guān)鍵參數(shù)指標區(qū)間標準

表6 葉梗分離工序部分關(guān)鍵參數(shù)指標區(qū)間范圍

2.2 生產(chǎn)應(yīng)用驗證

將表4、5、7中明確的工藝指標和參數(shù)指標區(qū)間標準應(yīng)用到2020年的3個模塊的生產(chǎn)加工中，最終所得到片煙產(chǎn)品葉片結(jié)構(gòu)各指標(表8)，可見與2019年相比，3個模塊大中片率均值略有提升(望大目標)，碎片碎末率均值降低明顯(望小目標)，葉含梗率均值也略有降低(望小目標)，表明在原有加工評價標準框架下也有明顯的質(zhì)量提升。更重要的是大中片率和碎片碎末率的標準偏差平均下降均接近50%，表明2個質(zhì)量指標的穩(wěn)定性提升極顯著。

表4 一次熱風潤葉工序關(guān)鍵工藝和參數(shù)指標區(qū)間標準

表8 成品片煙葉片結(jié)構(gòu)指標統(tǒng)計結(jié)果

3 小結(jié)與討論

通過熱風潤葉和葉梗分離2個工序關(guān)鍵工藝和參數(shù)的調(diào)控以控制片煙葉片結(jié)構(gòu)是行業(yè)公認的既定事實。但原有加工過程中僅關(guān)注質(zhì)量結(jié)果是否符合望大或望小目標，會造成質(zhì)量指標均勻性不受控。本文以過程工藝和參數(shù)標準化為切入點，有效控制過程質(zhì)量穩(wěn)定性，從而促使最終產(chǎn)品質(zhì)量指標穩(wěn)定性顯著提升。工藝和參數(shù)標準化是通過制定和執(zhí)行區(qū)間標準實現(xiàn)，而區(qū)間標準主要是通過歷史數(shù)據(jù)清洗、篩選和統(tǒng)計分析獲得，并依據(jù)烤煙原料年度間質(zhì)量特征變化略作調(diào)整。從上述分析可見，通過工藝和參數(shù)標準化，葉片結(jié)構(gòu)中各指標的既有符合性得到一定提升，均勻性得到顯著提升，如大中片率和碎片碎末率的標準偏差平均降幅在50%以上。因此，該管控方法對改善片煙葉片結(jié)構(gòu)質(zhì)量穩(wěn)定性有顯著的幫助。