切葉絲含水率精準(zhǔn)控制模式在卷煙制絲中的應(yīng)用

李思源，華一崑，劉繼輝，胡東東，趙佳成，馬曉龍，王玉真,楊晶津

(紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司，云南昆明 650231)

煙片在切絲工序前需要進(jìn)行相應(yīng)處理，特別是切葉絲含水率的控制等。切葉絲含水率作為葉絲膨脹與干燥工序的關(guān)鍵指標(biāo)，其控制水平對(duì)葉絲干燥過(guò)程中物料加工強(qiáng)度的均勻性有直接影響，進(jìn)而影響成品卷煙內(nèi)在質(zhì)量的均質(zhì)化水平。為了保證切絲后葉絲的含水率保持相對(duì)穩(wěn)定(標(biāo)準(zhǔn)偏差小、過(guò)程能力指數(shù)Cpk在1.33以上等)。現(xiàn)有工藝均是針對(duì)第一次松散回潮前葉片含水率的不同，控制加水量，即采用階梯式加水方式在松散回潮工序?qū)熑~水分進(jìn)行控制。當(dāng)煙葉經(jīng)過(guò)一次回潮、葉片含水率相對(duì)高時(shí)應(yīng)減少加水量，當(dāng)葉片含水率低時(shí)應(yīng)增加補(bǔ)水量；在一次回潮后，直接進(jìn)行二次回潮微調(diào)葉片含水率，并且將薄片松散后與二次回潮后的葉片按相應(yīng)的配方比例進(jìn)行摻配，經(jīng)過(guò)一級(jí)貯葉后，再經(jīng)過(guò)加料工序進(jìn)入二級(jí)貯葉工段，最后進(jìn)行切絲。切葉絲含水率傳統(tǒng)控制流程如圖1所示?，F(xiàn)有的生產(chǎn)工藝能夠通過(guò)松散回潮和二次回潮工序進(jìn)行加水，以保證切絲后含水率的穩(wěn)定。煙片經(jīng)過(guò)松散回潮和二次回潮后，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，煙片與薄片之間的水分交換時(shí)間過(guò)短，且經(jīng)過(guò)加料工序，不能很好地調(diào)整煙片含水率，從而造成切后煙絲含水率的穩(wěn)定性差(標(biāo)準(zhǔn)偏差過(guò)大、Cpk低于1.33等)。如何精準(zhǔn)控制切絲后含水率的穩(wěn)定性是煙草行業(yè)制絲過(guò)程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。筆者開(kāi)展了切葉絲含水率精準(zhǔn)控制模式研究，探究制絲過(guò)程中不同加水模式對(duì)切葉絲含水率精準(zhǔn)控制水平的影響，通過(guò)對(duì)卷煙制絲過(guò)程全批次數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)樣本分析，判定切葉絲工序控制的穩(wěn)定性。創(chuàng)新性地通過(guò)松散回潮工序恒加水，將此前的二次加料變?yōu)橐淮渭恿?，在二次回潮工序完成加料任?wù)，而加料工序僅作為補(bǔ)水工序，對(duì)前工序的物料水分在加料工序進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)而達(dá)到精準(zhǔn)控制切葉絲含水率的目的。切葉絲含水率新型控制流程如圖2所示。該研究的目的是為卷煙制造企業(yè)在制絲過(guò)程穩(wěn)定性控制和精準(zhǔn)性控制、減少制絲過(guò)程非穩(wěn)態(tài)時(shí)間占比等方面提供數(shù)據(jù)支撐和參考，為產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定提供技術(shù)保障。

1 材料與方法

紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司會(huì)澤卷煙廠云煙牌號(hào)A完整批次包括全批次煙片原料、薄片以及配套的全部糖香料。此外，煙草專用糖香料均通過(guò)特定高壓均質(zhì)技術(shù)處理，以保證糖香料的均質(zhì)化和穩(wěn)定性。

試驗(yàn)樣品的制備。備料投料：煙片、薄片備料投料按云煙牌號(hào)A大生產(chǎn)要求執(zhí)行，薄片摻配方式和批次摻配定量按大生產(chǎn)要求執(zhí)行。

煙片松散回潮：采用定量加水模式，松散回潮加水比例為4.0%～4.5%，即在試驗(yàn)批次料頭根據(jù)出料含水率的要求對(duì)加水比例進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。加水比例確定后，試驗(yàn)過(guò)程中不需要進(jìn)行頻繁調(diào)整，對(duì)試驗(yàn)批次松散回潮出料含水率不作穩(wěn)定性要求。其他工藝參數(shù)、質(zhì)量指標(biāo)按大生產(chǎn)要求執(zhí)行。

一次回潮：將原一次/二次回潮工序施加料液合并到一次回潮工序添加，加料比例按5.0%設(shè)置；此工序不加水，出料含水率以實(shí)際顯示值為準(zhǔn)。其余工藝參數(shù)、質(zhì)量指標(biāo)按大生產(chǎn)要求執(zhí)行。

圖1 切葉絲含水率傳統(tǒng)控制流程 Fig.1 The traditional control process of the moisture content of tobacco leaves

圖2 切葉絲含水率新型控制流程 Fig.2 New control process of the moisture content of tobacco leaves

箱式貯葉：將柜貯時(shí)間前移至箱貯，貯葉時(shí)間按36～72 h設(shè)置。

加料工序：作為試驗(yàn)批次煙片的水分調(diào)控工序，采用閉環(huán)控制模式對(duì)煙片含水率進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，以滿足切葉絲含水率要求。加料工序出料含水率中心值按21.0%進(jìn)行設(shè)置，批內(nèi)含水率允許誤差調(diào)整為±0.5；出料溫度按(50.0±3.0)℃設(shè)置。

煙片經(jīng)加料工序后放入貯葉柜進(jìn)行混配及平衡水分，柜貯時(shí)間控制在1 h以內(nèi)。

切葉絲含水率以及后序葉絲干燥、加香摻配等工序加工參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)均按大生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

根據(jù)試驗(yàn)樣品檢測(cè)及評(píng)價(jià)要求，按云煙牌號(hào)A正常大生產(chǎn)卷包標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)煙絲進(jìn)行卷制取樣，對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行感官評(píng)價(jià)及相關(guān)檢測(cè)，剩余試驗(yàn)煙絲根據(jù)檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行處理。

取樣檢測(cè)及過(guò)程數(shù)據(jù)分析。出料含水率檢測(cè)：取樣點(diǎn)為薄片松散回潮、一級(jí)松散回潮、二次回潮、加料、切葉絲、葉絲增溫增濕、薄板干燥、葉絲冷卻、加香、貯絲工序出料口(3個(gè)樣品)，每個(gè)工序檢測(cè)5個(gè)樣品，使用在線水分儀記錄水分?jǐn)?shù)據(jù)，檢測(cè)方法為烘箱失重法。

出料溫度檢測(cè)：取樣點(diǎn)為薄片松散回潮、一級(jí)松散回潮、二次回潮、加料、葉絲增溫增濕、薄板干燥、葉絲冷卻出料口，每個(gè)工序檢測(cè)5個(gè)樣品，使用在線溫度儀記錄溫度數(shù)據(jù)，檢測(cè)方法為手持紅外測(cè)溫儀在線檢測(cè)。

煙絲結(jié)構(gòu)及填充值：取樣點(diǎn)為混絲加香出料口，檢測(cè)3個(gè)樣品，分別使用煙絲振動(dòng)分選篩、填充值檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。

煙支物理指標(biāo)的測(cè)定按照成品煙支物理指標(biāo)取樣和檢測(cè)方法進(jìn)行；主流煙氣指標(biāo)的測(cè)定按照卷煙主流煙氣分析取樣和檢測(cè)方法進(jìn)行。

制絲在線數(shù)據(jù)：從MES系統(tǒng)提報(bào)，分別是基于原始數(shù)據(jù)的 “制絲歷史數(shù)據(jù)分析表”(數(shù)采頻率6 s /個(gè))和基于絕對(duì)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的“制絲參數(shù)/指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析”。

過(guò)程能力指數(shù)(Cpk)：當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程處于受控狀態(tài)時(shí)，Cpk反映過(guò)程波動(dòng)的大小和均值偏離的程度。

(1)

Cp是假定過(guò)程輸出的均值與規(guī)格中心重合時(shí)的過(guò)程能力之比,計(jì)算公式如下：

(2)

式中，USL為指標(biāo)設(shè)定上限值；LSL為指標(biāo)設(shè)定下限值；Mu為指標(biāo)設(shè)定中心值；為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與分析

按照切葉絲含水率傳統(tǒng)控制流程，切葉絲含水率實(shí)際中心值波動(dòng)大，且偏離標(biāo)準(zhǔn)中心值且貼近下限(圖3)，Cpk值為1.35；按照切葉絲含水率新型控制流程，切葉絲含水率實(shí)際中心值控制范圍波動(dòng)較小，圍繞標(biāo)準(zhǔn)中心值附近小幅波動(dòng)(圖4)，Cpk值為2.90。比較2種控制模式下切葉絲含水率的精準(zhǔn)控制水平，新型切葉絲含水率控制流程將切葉絲含水率Cpk值提高了1.55。

造成2種模式下切葉絲含水率Cpk產(chǎn)生差異的原因主要是過(guò)程控制中加水模式的改變。傳統(tǒng)控制流程是在松散回潮和一次回潮工序進(jìn)行加水，而二次回潮工序僅進(jìn)行加料；新型控制流程是在松散回潮工序進(jìn)行恒加水，在一次回潮工序進(jìn)行加料，而二次回潮工序僅進(jìn)行補(bǔ)水。由于煙片來(lái)料本身水分存在差異，且本身在加料過(guò)程中也會(huì)混入一些水分，因而當(dāng)來(lái)料水分差異較大時(shí)，傳統(tǒng)控制流程很難縮小煙片之間的水分變化，或者說(shuō)整批煙葉的水分波動(dòng)很難控制。然而，新型控制流程在二次回潮進(jìn)行補(bǔ)水相當(dāng)于在水分控制的最后一個(gè)環(huán)節(jié)增加了對(duì)水分調(diào)控的可能性，縮小了整批煙片水分的差異。此外，新型控制流程將薄片加入點(diǎn)前移，也減小了因薄片吸濕帶來(lái)的批內(nèi)水分差異。

圖3 按照傳統(tǒng)控制流程的切葉絲含水率控制情況Fig.3 The control of water content of tobacco leaf according to the traditional control process

圖4 按照新型控制流程的切葉絲含水率控制情況Fig.4 Control of water content of tobacco leaf according to the new control process

不同控制流程下薄板干燥工序筒壁溫度的控制情況如圖5～6所示。由于筒壁溫度的穩(wěn)定性與前一個(gè)工序物料的水分密切相關(guān)，因而采用傳統(tǒng)控制流程的筒壁溫度波動(dòng)較大，尤其在料頭階段。采用新型控制流程的筒壁溫度穩(wěn)定性波動(dòng)較小，基本在標(biāo)準(zhǔn)中心值附近，且料頭階段波動(dòng)也較小。

由于新型控制流程減小了物料水分的波動(dòng)，提高了物料水分的均勻性，因而在薄板干燥工序筒壁溫度的穩(wěn)定性提升是由于控制模式的改變。由于筒壁溫度反映了該工序的干燥強(qiáng)度，因而采用新型控制流程的薄板干燥工序加工強(qiáng)度更加穩(wěn)定。

試驗(yàn)樣品煙支物理指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果表明，試驗(yàn)樣品重量0.659 mg、圓周20.0 mm、長(zhǎng)度87.8 mm、吸阻1 300 Pa、硬度63.5%。試驗(yàn)樣品煙支煙氣指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)樣品煙支物理指標(biāo)與煙氣指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。工藝主管部門專家評(píng)委對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行感官質(zhì)量評(píng)價(jià)，結(jié)果表明試驗(yàn)樣品與大生產(chǎn)樣品香氣風(fēng)格特征無(wú)明顯差異，試驗(yàn)樣品的香氣清晰度、煙氣潤(rùn)感和細(xì)膩度略好于大生產(chǎn)樣品。由于新型控制流程批內(nèi)切葉絲含水率控制穩(wěn)定性、薄板干燥筒壁溫度控制穩(wěn)定性以及薄板干燥工序加工強(qiáng)度的穩(wěn)定性均優(yōu)于傳統(tǒng)控制流程，因而新型控制流程下生產(chǎn)的樣品在感官品質(zhì)方面優(yōu)于傳統(tǒng)控制流程。新型控制流程對(duì)物料化學(xué)成分的影響有待進(jìn)一步研究。

圖5 按照傳統(tǒng)控制流程的薄板干燥筒壁溫度控制情況 Fig.5 The control of cylinder wall temperature of thin-plate drying according to traditional control process

圖6 按照新型控制流程的薄板干燥筒壁溫度控制情況 Fig.6 The control of cylinder wall temperature of thin-plate drying according to new control process

表1 試驗(yàn)樣品煙支煙氣指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果 Table 1 The smoke indices detection results of test cigarette samples

3 討論

在煙絲制造過(guò)程中，煙絲的水分和溫度是整個(gè)制造環(huán)節(jié)中最重要的2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。準(zhǔn)確把控水分和溫度，關(guān)系到煙絲的內(nèi)在品質(zhì)及外觀表現(xiàn)。隨著煙草行業(yè)裝備技術(shù)水平的整體提升，制絲過(guò)程控制理念已由穩(wěn)定性控制向精準(zhǔn)控制方向轉(zhuǎn)變，主要體現(xiàn)在對(duì)煙絲水分和溫度的精準(zhǔn)控制。該研究通過(guò)改變制造工藝流程，通過(guò)加水模式的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)切葉絲含水率的精準(zhǔn)控制，即實(shí)現(xiàn)制絲過(guò)程中關(guān)鍵工序關(guān)鍵點(diǎn)的水分控制，為后面工序的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性控制提供了可能。然而，整個(gè)制絲過(guò)程是復(fù)雜的，除了與設(shè)備、工藝等密切相關(guān)外，與整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境也關(guān)系密切。在工藝上實(shí)現(xiàn)對(duì)切葉絲含水率的精準(zhǔn)控制后，下一步需要結(jié)合設(shè)備、環(huán)境等信息，對(duì)制絲過(guò)程最適合的切葉絲含水率進(jìn)行預(yù)測(cè)，這將會(huì)是行業(yè)智能控制的未來(lái)方向。

4 結(jié)論

該研究通過(guò)采用新型制絲過(guò)程控制流程，通過(guò)一次回潮、二次回潮工序進(jìn)行水分閉環(huán)調(diào)控后，試驗(yàn)樣品切葉絲含水率Cpk值為2.90，有效提高了過(guò)程控制精準(zhǔn)控制水平，實(shí)現(xiàn)了切葉絲含水率的精準(zhǔn)控制，同時(shí)試驗(yàn)樣品綜合質(zhì)量均滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。