切葉絲含水率精準控制模式在卷煙制絲中的應用

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)有限責任公司，云南昆明 650231)

煙片在切絲工序前需要進行相應處理，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鍵指標，其控制水平對葉絲干燥過程中物料加工強度的均勻性有直接影響，進而影響成品卷煙內在質量的均質化水平。為了保證切絲后葉絲的含水率保持相對穩定(標準偏差小、過程能力指數Cpk在1.33以上等)。現有工藝均是針對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對煙葉水分進行控制。當煙葉經過一次回潮、葉片含水率相對高時應減少加水量，當葉片含水率低時應增加補水量；在一次回潮后，直接進行二次回潮微調葉片含水率，并且將薄片松散后與二次回潮后的葉片按相應的配方比例進行摻配，經過一級貯葉后，再經過加料工序進入二級貯葉工段，最后進行切絲。切葉絲含水率傳統控制流程如圖1所示。現有的生產工藝能夠通過松散回潮和二次回潮工序進行加水，以保證切絲后含水率的穩定。煙片經過松散回潮和二次回潮后，根據生產實際情況，煙片與薄片之間的水分交換時間過短，且經過加料工序，不能很好地調整煙片含水率，從而造成切后煙絲含水率的穩定性差(標準偏差過大、Cpk低于1.33等)。如何精準控制切絲后含水率的穩定性是煙草行業制絲過程的重點和難點。筆者開展了切葉絲含水率精準控制模式研究，探究制絲過程中不同加水模式對切葉絲含水率精準控制水平的影響，通過對卷煙制絲過程全批次數據的穩態數據樣本分析，判定切葉絲工序控制的穩定性。創新性地通過松散回潮工序恒加水，將此前的二次加料變為一次加料，在二次回潮工序完成加料任務，而加料工序僅作為補水工序，對前工序的物料水分在加料工序進行微調，進而達到精準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在制絲過程穩定性控制和精準性控制、減少制絲過程非穩態時間占比等方面提供數據支撐和參考，為產品質量的穩定提供技術保障。

1 材料與方法

紅云紅河煙草(集團)有限責任公司會澤卷煙廠云煙牌號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特定高壓均質技術處理，以保證糖香料的均質化和穩定性。

試驗樣品的制備。備料投料：煙片、薄片備料投料按云煙牌號A大生產要求執行，薄片摻配方式和批次摻配定量按大生產要求執行。

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%，即在試驗批次料頭根據出料含水率的要求對加水比例進行適當調整。加水比例確定后，試驗過程中不需要進行頻繁調整，對試驗批次松散回潮出料含水率不作穩定性要求。其他工藝參數、質量指標按大生產要求執行。

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%設置；此工序不加水，出料含水率以實際顯示值為準。其余工藝參數、質量指標按大生產要求執行。

圖1 切葉絲含水率傳統控制流程 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：將柜貯時間前移至箱貯，貯葉時間按36～72 h設置。

加料工序：作為試驗批次煙片的水分調控工序，采用閉環控制模式對煙片含水率進行精準調控，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%進行設置，批內含水率允許誤差調整為±0.5；出料溫度按(50.0±3.0)℃設置。

煙片經加料工序后放入貯葉柜進行混配及平衡水分，柜貯時間控制在1 h以內。

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和質量指標均按大生產標準執行。

根據試驗樣品檢測及評價要求，按云煙牌號A正常大生產卷包標準對試驗煙絲進行卷制取樣，對試驗樣品進行感官評價及相關檢測，剩余試驗煙絲根據檢測評價結果進行處理。

取樣檢測及過程數據分析。出料含水率檢測：取樣點為薄片松散回潮、一級松散回潮、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個樣品)，每個工序檢測5個樣品，使用在線水分儀記錄水分數據，檢測方法為烘箱失重法。

出料溫度檢測：取樣點為薄片松散回潮、一級松散回潮、二次回潮、加料、葉絲增溫增濕、薄板干燥、葉絲冷卻出料口，每個工序檢測5個樣品，使用在線溫度儀記錄溫度數據，檢測方法為手持紅外測溫儀在線檢測。

煙絲結構及填充值：取樣點為混絲加香出料口，檢測3個樣品，分別使用煙絲振動分選篩、填充值檢測儀進行檢測。

煙支物理指標的測定按照成品煙支物理指標取樣和檢測方法進行；主流煙氣指標的測定按照卷煙主流煙氣分析取樣和檢測方法進行。

制絲在線數據：從MES系統提報，分別是基于原始數據的 “制絲歷史數據分析表”(數采頻率6 s /個)和基于絕對穩態數據的“制絲參數/指標統計分析”。

過程能力指數(Cpk)：當生產過程處于受控狀態時，Cpk反映過程波動的大小和均值偏離的程度。

(1)

Cp是假定過程輸出的均值與規格中心重合時的過程能力之比,計算公式如下：

(2)

式中，USL為指標設定上限值；LSL為指標設定下限值；Mu為指標設定中心值；為指標標準偏差。

2 結果與分析

按照切葉絲含水率傳統控制流程，切葉絲含水率實際中心值波動大，且偏離標準中心值且貼近下限(圖3)，Cpk值為1.35；按照切葉絲含水率新型控制流程，切葉絲含水率實際中心值控制范圍波動較小，圍繞標準中心值附近小幅波動(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產生差異的原因主要是過程控制中加水模式的改變。傳統控制流程是在松散回潮和一次回潮工序進行加水，而二次回潮工序僅進行加料；新型控制流程是在松散回潮工序進行恒加水，在一次回潮工序進行加料，而二次回潮工序僅進行補水。由于煙片來料本身水分存在差異，且本身在加料過程中也會混入一些水分，因而當來料水分差異較大時，傳統控制流程很難縮小煙片之間的水分變化，或者說整批煙葉的水分波動很難控制。然而，新型控制流程在二次回潮進行補水相當于在水分控制的最后一個環節增加了對水分調控的可能性，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前移，也減小了因薄片吸濕帶來的批內水分差異。

圖3 按照傳統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。由于筒壁溫度的穩定性與前一個工序物料的水分密切相關，因而采用傳統控制流程的筒壁溫度波動較大，尤其在料頭階段。采用新型控制流程的筒壁溫度穩定性波動較小，基本在標準中心值附近，且料頭階段波動也較小。

由于新型控制流程減小了物料水分的波動，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度，因而采用新型控制流程的薄板干燥工序加工強度更加穩定。

試驗樣品煙支物理指標檢測結果表明，試驗樣品重量0.659 mg、圓周20.0 mm、長度87.8 mm、吸阻1 300 Pa、硬度63.5%。試驗樣品煙支煙氣指標檢測結果如表1所示。試驗樣品煙支物理指標與煙氣指標均符合標準要求。工藝主管部門專家評委對試驗樣品進行感官質量評價，結果表明試驗樣品與大生產樣品香氣風格特征無明顯差異，試驗樣品的香氣清晰度、煙氣潤感和細膩度略好于大生產樣品。由于新型控制流程批內切葉絲含水率控制穩定性、薄板干燥筒壁溫度控制穩定性以及薄板干燥工序加工強度的穩定性均優于傳統控制流程，因而新型控制流程下生產的樣品在感官品質方面優于傳統控制流程。新型控制流程對物料化學成分的影響有待進一步研究。

圖5 按照傳統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 試驗樣品煙支煙氣指標檢測結果 Table 1 The smoke indices detection results of test cigarette samples

3 討論

在煙絲制造過程中，煙絲的水分和溫度是整個制造環節中最重要的2個關鍵指標。準確把控水分和溫度，關系到煙絲的內在品質及外觀表現。隨著煙草行業裝備技術水平的整體提升，制絲過程控制理念已由穩定性控制向精準控制方向轉變，主要體現在對煙絲水分和溫度的精準控制。該研究通過改變制造工藝流程，通過加水模式的改變，實現對切葉絲含水率的精準控制，即實現制絲過程中關鍵工序關鍵點的水分控制，為后面工序的穩定性、精準性控制提供了可能。然而，整個制絲過程是復雜的，除了與設備、工藝等密切相關外，與整個生產環境也關系密切。在工藝上實現對切葉絲含水率的精準控制后，下一步需要結合設備、環境等信息，對制絲過程最適合的切葉絲含水率進行預測，這將會是行業智能控制的未來方向。

4 結論

該研究通過采用新型制絲過程控制流程，通過一次回潮、二次回潮工序進行水分閉環調控后，試驗樣品切葉絲含水率Cpk值為2.90，有效提高了過程控制精準控制水平，實現了切葉絲含水率的精準控制，同時試驗樣品綜合質量均滿足產品設計要求。