卷煙制絲過(guò)程物料質(zhì)量穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

祁林，喬俊峰，唐習(xí)書，楊露，金強(qiáng)，資文華

1.紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司 會(huì)澤卷煙廠，云南 曲靖 654200；2.云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500

0 引言

卷煙產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性控制是卷煙生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。受氣候條件、土壤質(zhì)地、栽培措施和品種差異等因素的影響，卷煙配方原料存在較大的差異[1]，在卷煙制絲生產(chǎn)過(guò)程中，卷煙物料的混合均勻程度將直接影響著成品卷煙質(zhì)量的穩(wěn)定性。采用客觀、準(zhǔn)確的方法對(duì)卷煙加工過(guò)程的物料混合均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于提升加工設(shè)備的混合能力和穩(wěn)定卷煙產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。王躍昆等[2]利用色差法，基于色差空間值的穩(wěn)定程度對(duì)打葉復(fù)烤成品片煙質(zhì)量穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過(guò)計(jì)算物料混合均勻度驗(yàn)證了該方法的科學(xué)性；劉棟等[3]建立了一種以CO2膨脹梗絲作為示蹤物來(lái)評(píng)價(jià)配方煙絲均勻性的方法，通過(guò)比較混合前后膨脹梗絲的含量變化，可有效評(píng)判煙絲混合均勻性；高川川等[4]利用控制圖的控制規(guī)則以過(guò)程能力指數(shù)判定的方法對(duì)煙草中鉀含量的檢測(cè)不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)利用該方法可以對(duì)煙草鉀含量質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行有效控制。

在打葉復(fù)烤和卷煙制絲過(guò)程中，煙草原料經(jīng)過(guò)各工序的加工，煙草化學(xué)成分的變化較為顯著[5-7]，煙草行業(yè)相應(yīng)地提出了以特性值變異系數(shù)和煙草混合均勻度表征原料加工質(zhì)量穩(wěn)定性的方法。趙科文等[8]利用糖堿比與鉀含量的乘積作為特性值來(lái)評(píng)價(jià)煙草物料參配均勻性，提出一種基于近紅外的煙草均勻度快檢方法，但并沒(méi)有結(jié)合具體的生產(chǎn)工序加以驗(yàn)證。由此可見(jiàn)，前人對(duì)煙草混合均勻程度的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了多方面探索，然而結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)對(duì)卷煙制絲全流程關(guān)鍵工序進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)的研究較少。

控制圖是一種能直觀反映工序加工中的正常波動(dòng)和異常波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)圖形，常被用于鑒別控制工序是否存在系統(tǒng)問(wèn)題[9]。過(guò)程能力指數(shù)可表示某一工序保證產(chǎn)品加工質(zhì)量的能力，經(jīng)常用來(lái)對(duì)特定工序的加工穩(wěn)定性進(jìn)行判定以便作出相應(yīng)的改進(jìn)[10]。卷煙制絲工序及影響各工序加工質(zhì)量的參數(shù)比較復(fù)雜，采用單一方法往往難以全面評(píng)價(jià)卷煙制絲過(guò)程中在制品的質(zhì)量均勻性和穩(wěn)定性。鑒于此，本文擬利用煙草混合均勻度測(cè)定方法，以煙草樣本中糖堿比與鉀含量的乘積作為化學(xué)成分特性值，結(jié)合控制圖和過(guò)程能力指數(shù)分析卷煙制絲生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量穩(wěn)定性[11]，以期為卷煙制絲關(guān)鍵工序在制品質(zhì)量穩(wěn)定方面的優(yōu)化改進(jìn)和控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要材料：某牌號(hào)卷煙制絲生產(chǎn)線中的煙絲，由會(huì)澤卷煙廠提供。

主要儀器：AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀，德國(guó)SEAL公司產(chǎn)；LDO-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海龍躍儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)；DFY-400 D型搖擺式高速粉碎機(jī)，溫嶺市林大機(jī)械有限公司產(chǎn)；60目標(biāo)準(zhǔn)篩，紹興市上虞區(qū)道墟五四儀器廠產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 取樣方法某牌號(hào)卷煙制絲生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。依據(jù)生產(chǎn)工藝流程，分別在松散回潮(A)、一級(jí)加料預(yù)混柜(B)、一級(jí)加料箱儲(chǔ)(C)、二級(jí)加料儲(chǔ)柜(D)、儲(chǔ)絲(E)、卷包(F)6個(gè)關(guān)鍵工序點(diǎn)采集樣本。選取同批次物料，待設(shè)備和物料運(yùn)行穩(wěn)定后，采用連續(xù)取樣的方法，在每個(gè)取樣點(diǎn)跟蹤采樣，每隔2～3 min取樣1次，每個(gè)工序點(diǎn)連續(xù)采集45個(gè)樣本，每個(gè)樣本質(zhì)量約500 g，樣本分別混合均勻后備用。

圖1 制絲生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of wire making workshop

1.2.2 常規(guī)化學(xué)成分分析將混合均勻后的樣本于45 ℃烘箱干燥2 h，粉碎后過(guò)篩(孔徑0.42 mm)，然后參照煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煙草及煙草制品 總植物堿的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》(YC/T 160—2002)[12]、《煙草及煙草制品 水溶性糖的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》(YC/T 159—2019)[13]、《煙草及煙草制品 鉀的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》(YC/T 217—2007)[14]測(cè)定樣本的煙堿、總糖、總鉀含量。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

1)正態(tài)分布檢驗(yàn)

正態(tài)分布檢驗(yàn)是統(tǒng)計(jì)判決中一種重要的特殊擬合優(yōu)度假設(shè)檢驗(yàn)，用以分析正常情況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布，為了控制各工序的樣本數(shù)據(jù)，常以上、下警戒值作為上、下控制值[15]。為進(jìn)一步研究煙草樣本特性值分布規(guī)律，采用SPSS 26對(duì)各個(gè)工序內(nèi)全部樣本特性值進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，選用夏皮羅-威爾克檢驗(yàn)法(Shapiro-Wilktest)進(jìn)行判定。根據(jù)文獻(xiàn)[16]計(jì)算各工序各實(shí)驗(yàn)樣本的特性值，計(jì)算公式如下。

①

其中，PV為樣本的特性值/%，TS為樣本中總糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，TA為樣本中總植物堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，K為樣本中鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%。

2)物料混合均勻性評(píng)價(jià)

根據(jù)文獻(xiàn)[16]計(jì)算各工序各實(shí)驗(yàn)樣本的混合均勻度(H)，通過(guò)比較H的大小及其變化規(guī)律來(lái)評(píng)價(jià)物料混合均勻性。為了減少誤差，將每個(gè)取樣間隔時(shí)間內(nèi)的3個(gè)平行樣本取均值進(jìn)行分析。H計(jì)算公式如下：

3)卷煙制絲加工過(guò)程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

針對(duì)各個(gè)工序的質(zhì)量控制能力，利用SPSS 26對(duì)各個(gè)工序的樣本特性值構(gòu)建個(gè)體移動(dòng)范圍控制圖，使用Origin 2021規(guī)范繪圖，用于分析和檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)樣本是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)控制圖和PV值求得各個(gè)工序的過(guò)程能力指數(shù)CP值，進(jìn)一步對(duì)制絲過(guò)程關(guān)鍵工序的均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，量化各工序的煙草加工過(guò)程的穩(wěn)定性程度，并直觀反映各工序煙草特性值的正常波動(dòng)和異常波動(dòng)[17]。過(guò)程能力指數(shù)CP計(jì)算公式如下。

CP=(TU-TL)/6σ=(TU-TL)/(UCL-LCL)

其中，TU、TL是指令客戶滿意的PV的允差值，每個(gè)化學(xué)指標(biāo)的上下偏差值分別為各自平均值的±10%，根據(jù)公式①并結(jié)合誤差傳遞公式即可得出特性值PV的允差值；σ為過(guò)程統(tǒng)計(jì)量的總體標(biāo)準(zhǔn)差，可以在過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)時(shí)得到；UCL和LCL為控制圖的上下限控制范圍值，分別為控制圖中心線±3σ。

4)卷煙制絲過(guò)程混合能力分析

在連續(xù)混合和一些帶有預(yù)混設(shè)備的間歇式混合生產(chǎn)中，進(jìn)口物料的均勻程度對(duì)混合效果有重要影響[18]。劉棟[18]認(rèn)為混合的目的是降低入口組分波動(dòng)，因而提出了方差降低指數(shù)(VRR)，即加工設(shè)備入口與出口組分方差之比，本文引入該指數(shù)用于衡量各工序設(shè)備的混合能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 卷煙制絲過(guò)程樣本特性值正態(tài)分布檢驗(yàn)

各工序樣本特性值正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示，頻率直方圖如圖2所示。由表1和圖2可知，工序A、B、C、D、E、F的P值均大于0.05，且峰度和偏度均小于1.96，概率分布直方圖趨勢(shì)線也基本符合正態(tài)性分布的鐘形規(guī)律，這說(shuō)明卷煙制絲過(guò)程6個(gè)關(guān)鍵工序樣本特性值均滿足正態(tài)分布。

表1 各工序樣本特性值正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 S-W normality test results of each process sample characteristic value

圖2 各工序樣本特性值頻率直方圖Fig.2 Normal distribution of each process

2.2 卷煙制絲過(guò)程物料混合均勻性評(píng)價(jià)

各工序物料混合均勻度評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。由表2可知，工序A后的煙草混合均勻度(H)為67.04%，均勻性較差，特性值標(biāo)準(zhǔn)差(SD)為5.55%，特性值變異系數(shù)(CV)為32.96%，且經(jīng)單因素方差分析，只有工序A的特性值波動(dòng)達(dá)到非常顯著水平(P<0.01)，其余工序均不顯著，這表明松散回潮工序出口的煙草化學(xué)成分穩(wěn)定性較差。工序B后的H達(dá)到94.30%，均勻性較好，且特性值SD為1.32%，特性值CV為5.70%，說(shuō)明物料經(jīng)一級(jí)加料預(yù)混處理后的特性值波動(dòng)較小，穩(wěn)定性較好。同樣地，經(jīng)C、D、E、F這4個(gè)工序后，H均達(dá)到95%以上，特性值CV均小于5%，單因素方差分析也顯示，工序B、C、D、E、F煙草特性值差異不顯著，進(jìn)一步表明在卷煙生產(chǎn)過(guò)程中，隨制絲工序的推進(jìn)煙草物料混合均勻性逐漸提高。

表2 工序物料混合均勻度評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation result of the mixing uniformity of process material %

這主要是因?yàn)樗缮⒒爻惫ば虻呐浞綗熑~來(lái)料呈現(xiàn)多品種、多產(chǎn)地、多等級(jí)和多模組的特征，不同煙葉原料的化學(xué)成分差異較大；配方中的再造煙葉與煙片的物化性質(zhì)也存在較大差異，摻配時(shí)對(duì)加料均勻性和摻配均勻性均有一定影響。按葉組配方原料的投料順序，松散回潮過(guò)程物料基本以先進(jìn)先出的加工模式運(yùn)轉(zhuǎn)，滾筒攪拌松散和蒸汽回潮可使煙葉更均勻地吸收水分，以提高耐加工能力。但受投料方式的影響，物料混合均勻性難以保障，進(jìn)而表現(xiàn)出該工序物料特性值波動(dòng)較大，混合均勻度偏低[19]。一級(jí)加料后，物料通過(guò)預(yù)混柜，往復(fù)式鋪料方式有效改善了各品種、產(chǎn)地、等級(jí)煙葉原料的混配均勻性，因此經(jīng)過(guò)一級(jí)加料預(yù)混后物料混合均勻性大幅提升。相應(yīng)地，隨著后續(xù)箱式貯葉、柜式貯葉和柜式貯絲反復(fù)混配，卷煙配方原料混合均勻度逐漸呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，進(jìn)而表現(xiàn)為二級(jí)加料儲(chǔ)柜工序D、儲(chǔ)絲工序E、卷接包裝工序F中煙草混合均勻度依次提高，并最終達(dá)到97.81%[20]。

2.3 卷煙制絲加工過(guò)程穩(wěn)定性分析

各工序控制圖構(gòu)建結(jié)果如圖3所示。根據(jù)控制圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)所在位置的不同可以判斷實(shí)驗(yàn)樣本的穩(wěn)定性：1)1點(diǎn)或多點(diǎn)落在控制限外；2)最后3個(gè)點(diǎn)中有2個(gè)點(diǎn)在±2σ之外；3)最后5個(gè)點(diǎn)中有4個(gè)點(diǎn)在中心區(qū)(±σ之間)以外；4)8個(gè)連續(xù)點(diǎn)在中心線同側(cè)；5)連續(xù)6個(gè)點(diǎn)上升或下降；6)一行中有14個(gè)點(diǎn)交替上下，呈現(xiàn)周期性。以上情況出現(xiàn)得越多，表明樣本穩(wěn)定性越差。

由圖3可知，工序C、D、E、F的控制圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)未出現(xiàn)上述情況，因此可以初步判定實(shí)驗(yàn)樣本在工序C、D、E、F加工后處于穩(wěn)定狀態(tài)。工序松散回潮和一級(jí)預(yù)混柜工序都不滿足控制限條件，松散回潮工序的樣本特性值波動(dòng)范圍過(guò)大，主要是因?yàn)槭馨磿r(shí)間順序模塊化投料方式的影響；隨著時(shí)間變化，一級(jí)預(yù)混柜樣本特性值波動(dòng)范圍有較為明顯的變化，這主要是因?yàn)樵摴ば虻念A(yù)混方式為往復(fù)平鋪式混合，其垂直方向的煙草特性值還是會(huì)受到出料時(shí)間推移的影響而出現(xiàn)聚集性的變化。

綜上可知，在一定時(shí)間范圍里，工序C—F的加工過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此對(duì)其過(guò)程能力指數(shù)(Cp)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。由表3可知，工序D和工序E的Cp大于1.67但小于2.0，表示工序過(guò)程能力優(yōu)秀，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)保持；工序C和工序F的Cp均大于2.0，表明工序C和F加工過(guò)程能力特優(yōu)，則可判定工序C、D、E、F的煙草加工質(zhì)量穩(wěn)定性極佳，同時(shí)也客觀反映出煙草混合均勻性極佳。

表3 各工序過(guò)程能力指數(shù)Table 3 Process capacity index of each process

2.4 卷煙制絲過(guò)程混合能力分析

計(jì)算卷煙制絲過(guò)程6個(gè)關(guān)鍵工序煙草特性值方差降低指數(shù)，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，由于各卷煙品牌配方復(fù)雜，且各原料之間的物化性質(zhì)差異較大，投料量通常為200 kg/箱，生產(chǎn)投料過(guò)程難以進(jìn)行均勻取樣，以致于無(wú)法客觀評(píng)價(jià)卷煙配方來(lái)料混合均勻度，因此暫無(wú)法量化松散回潮工序進(jìn)料時(shí)的物料混合均勻度。

表4 各工序方差降低指數(shù)Table 4 Variance reduction index of each process

松散回潮工序的滾筒加溫加濕處理可有效對(duì)卷煙配方原料進(jìn)行松散，為配方原料的均勻混合提供保障，但邊進(jìn)邊出的加工方式無(wú)法改變投料方式對(duì)物料均勻性的影響，相較于工序B—F，工序A的煙草特性值方差較大，說(shuō)明該工序的煙草物料混合均勻度和質(zhì)量穩(wěn)定性欠佳，可通過(guò)增加煙塊切刀次數(shù)改善該工序物料的混合均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性。

與工序C—F相比，工序B的方差降低指數(shù)明顯偏高，其值達(dá)到17.59，說(shuō)明通過(guò)預(yù)混柜可有效提高煙草物料的混合均勻度。但結(jié)合圖3可知工序B質(zhì)量穩(wěn)定性欠佳，可通過(guò)增加預(yù)混柜的方式提高物料質(zhì)量穩(wěn)定性。

隨著卷煙制絲各工序的推進(jìn)，煙草混合均勻性始終保持升高的趨勢(shì)。由方差降低指數(shù)也可以看出，工序B—D混合能力不斷降低，而工序E又有顯著提高，其指數(shù)由1.19升至1.93，這是由于工序A—D中樣本均為煙葉，而工序E和F樣本均為煙絲，通常固體物料的形態(tài)越小其混合均勻度越好，因此，工序E的特性值方差降低明顯，表現(xiàn)為其方差降低指數(shù)較之前工序升高。

3 結(jié)論

本文基于卷煙制絲過(guò)程關(guān)鍵工序煙草物料特性值，通過(guò)混合均勻度、質(zhì)量控制圖、過(guò)程能力指數(shù)、方差降低指數(shù)等分析討論了卷煙制絲過(guò)程物料的質(zhì)量穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論：松散回潮工序后的物料混合均勻度較差，通過(guò)預(yù)混、儲(chǔ)葉和儲(chǔ)絲等混合方式均能有效提升煙草物料混合均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性，預(yù)混柜對(duì)其混合能力提升顯著，混合均勻度由67.04%提升至94.30%，并隨卷煙制絲工序推進(jìn)，混合均勻度逐漸提升至97.81%。建立控制圖可進(jìn)一步確認(rèn)松散回潮工序和一級(jí)加料預(yù)混柜的物料混合均勻度和加工質(zhì)量穩(wěn)定性較差，后續(xù)4個(gè)工序的物料混合均勻度均在95%以上，過(guò)程能力指數(shù)Cp值均在2.0左右及以上，加工質(zhì)量穩(wěn)定性較好。依據(jù)本文中得到的結(jié)果可為提高卷煙制絲各工序的工藝提升提供理論依據(jù)，具體的可在卷煙制絲過(guò)程采用增加煙塊切刀次數(shù)、增加預(yù)混柜等方式改善物料的混合均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性。