基于確定性篩選設(shè)計(jì)的膨脹煙絲填充值優(yōu)化研究

摘 要：在膨脹煙絲生產(chǎn)工藝中，填充值一直是重點(diǎn)關(guān)注的物理指標(biāo)。本文以提升膨脹煙絲填充值為研究目標(biāo)，選用干冰法膨脹煙絲生產(chǎn)線為研究對象，主要針對預(yù)處理和熱端工序進(jìn)行工藝參數(shù)梳理與數(shù)據(jù)分析，最終確定以預(yù)處理松散回潮工序、熱端工序參數(shù)為突破口。結(jié)果表明，松散回潮加水比例、松散回潮回風(fēng)溫度、松散回潮拔風(fēng)罩壓力、松散回潮加蒸汽比例、冷卻回潮含水率以及膨脹葉絲風(fēng)選負(fù)壓對填充值均值均有一定影響，通過確定性篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定最優(yōu)參數(shù)組合，最終提升了成品膨脹煙絲填充值水平。

關(guān)鍵詞：膨脹煙絲；工藝參數(shù)；填充值；確定性篩選

中圖分類號：TS 43" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

膨脹煙絲在卷煙配方中具有重要作用[1]，其填充性能與填充值密切相關(guān)。膨脹煙絲有提升卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的潛力，能夠改善整體質(zhì)量，同時(shí)提升低級煙草的品質(zhì)和煙葉的使用水平。膨脹煙絲技術(shù)的發(fā)展為低焦油卷煙生產(chǎn)提供了新的可能性，并在降低煙草對吸煙者健康的危害方面發(fā)揮了積極作用[2]。

膨脹煙絲生產(chǎn)過程中存在膨脹煙絲填充值偏低、影響后續(xù)卷接質(zhì)量的問題。常規(guī)的卷煙工藝優(yōu)化方法主要采用2步試驗(yàn)設(shè)計(jì)。首先，通過篩選關(guān)鍵工藝參數(shù)來確定對響應(yīng)值有顯著影響的因子。其次，基于篩選出的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如BBD設(shè)計(jì)（Box-Behnken Design，BBD），其目的是確定一組滿足預(yù)設(shè)響應(yīng)值標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵工藝參數(shù)的操作范圍[3]。每個(gè)膨脹煙絲生產(chǎn)批次的產(chǎn)量均較大，需要投入大量材料成本[4]。因此，選擇合適的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對快速提高成品膨絲填充值具有重要意義。

本文將進(jìn)一步解析膨脹煙絲優(yōu)質(zhì)制造核心因素，在有效落實(shí)生產(chǎn)流程、設(shè)備和工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上[5]，采用確定性篩選設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法[6]，持續(xù)提升成品膨脹煙絲填充值水平。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本文所用膨脹煙絲原料為中華牌號煙草，由上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司提供。該煙葉原料性能良好，經(jīng)初制工序處理后得到的煙絲纖維結(jié)構(gòu)松散，含水率均勻，適合進(jìn)行膨脹工藝。

本文所用生產(chǎn)線為上海卷煙廠1140kg/h規(guī)格的膨脹煙絲生產(chǎn)線，整線由卷煙機(jī)械國內(nèi)外知名企業(yè)所制造，主要包括浸漬系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)和冷卻回潮系統(tǒng)3個(gè)部分。其中浸漬系統(tǒng)的主要設(shè)備由德國Scholz公司提供，工藝氣體風(fēng)機(jī)由德國REITZ公司提供，壓縮機(jī)由德國Neuman公司提供。該生產(chǎn)線配套精良，工藝過程可控，能夠滿足本文對產(chǎn)品質(zhì)量和過程控制的需求。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程分析

膨脹煙絲生產(chǎn)線主要由制絲預(yù)處理和浸漬、膨脹和冷卻回潮系統(tǒng)組成。制絲預(yù)處理包括開箱計(jì)量、切片松散回潮、風(fēng)選除雜、預(yù)配、增溫增濕以及切絲工序。膨脹煙絲生產(chǎn)的核心工藝是在密閉的金屬浸漬器內(nèi)，利用高壓狀態(tài)的液態(tài)二氧化碳對煙絲進(jìn)行浸漬，通過松散器、振動(dòng)柜和干冰皮帶秤將含有一定量二氧化碳的干冰煙絲送入膨脹塔中。通過高溫、高流速工藝氣體吹掃，使煙絲內(nèi)的二氧化碳迅速汽化，實(shí)現(xiàn)煙絲組織結(jié)構(gòu)膨脹。后經(jīng)冷卻回潮裝置進(jìn)行煙絲降溫和煙絲定型，經(jīng)過一定量加水回潮和膨脹葉絲風(fēng)選雜物過濾，最終形成成品膨脹煙絲。

煙絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化的環(huán)節(jié)主要在煙絲浸漬、煙絲膨脹和冷卻回潮工序中。其中，含水率的控制貫穿整個(gè)膨絲工序，在不同的含水率、溫度控制條件下，膨脹煙絲對液態(tài)二氧化碳的吸收能力有差異，會(huì)影響膨脹工序、冷卻回潮環(huán)節(jié)的膨脹和冷縮效果。在對原料的強(qiáng)加工工序中，預(yù)處理段含水率、溫度的控制會(huì)直接影響物料對液態(tài)二氧化碳的吸收能力，因此對填充值的影響進(jìn)行研究時(shí)，浸漬前工序可以從物料含水率、溫度控制著手，膨脹工序的脫水量慧直接影響膨脹工序膨脹煙絲細(xì)胞中干冰迅速升華和水分迅速蒸發(fā)的效果。冷卻回潮環(huán)節(jié)的加水對溫度相對較高的膨脹煙絲有一定的冷縮效果。因此，對填充值的影響進(jìn)行研究要同時(shí)考慮浸漬工序前物料含水率、溫度的控制、冷卻回潮以及風(fēng)選環(huán)節(jié)含水率控制。

1.2.2 因子關(guān)聯(lián)分析

收集上海卷煙廠中華牌膨脹煙絲生產(chǎn)線2022年11月～2023年4月從預(yù)處理段至膨脹煙絲暫存段的設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)和檢測數(shù)據(jù)，以生產(chǎn)批次號為索引，將膨脹煙絲全工序參數(shù)進(jìn)行整理和關(guān)聯(lián)分析。其中，對填充值影響較顯著的因子的分析如下。1）成品膨脹煙絲含水率與膨脹煙絲填充值呈中等強(qiáng)度負(fù)相關(guān)關(guān)系，皮爾遜相關(guān)系數(shù)（Pearson correlation coefficient，PCC）為-0.492，相關(guān)系數(shù)0.1～0.3為弱相關(guān)，0.3～0.5為中等相關(guān)，0.5～1.0為強(qiáng)相關(guān)。由于成品膨脹煙絲含水率屬于最終結(jié)果指標(biāo)，無法直接控制，因此需要通過控制前道工序的含水率、溫度，以達(dá)到間接控制成品膨脹煙絲含水率和填充值的目的。2）前道工序冷卻回潮工序含水率的設(shè)定和膨脹葉絲風(fēng)選負(fù)壓的控制決定了成品膨脹煙絲含水率。冷卻回潮含水率與膨脹煙絲填充值呈中等強(qiáng)度負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.405；膨脹葉絲風(fēng)選負(fù)壓與膨脹煙絲填充值呈弱負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.177。3）在浸漬工序前，膨脹煙絲的含水率、溫度控制主要在于松散回潮工序加水量、松散回潮回風(fēng)溫度、松散回潮拔風(fēng)罩壓力和松散回潮加蒸汽比例等的設(shè)置。作為膨脹煙絲過程的主要加工工序，松散回潮是膨脹煙片吸收水分的首道工序，煙片對水分的吸收能力是影響后續(xù)工序產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)。因此將松散回潮主要控制參數(shù)即松散回潮加水比例、松散回潮回風(fēng)溫度、松散回潮拔風(fēng)罩壓力以及松散回潮加蒸汽比例等作為填充值的懷疑因子并進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。松散回潮加水比例與填充值呈中等強(qiáng)度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.402；松散回潮回風(fēng)溫度與填充值呈強(qiáng)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.548；松散回潮拔風(fēng)罩壓力與填充值呈中等強(qiáng)度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.327；松散回潮加蒸汽比例與填充值呈弱負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.233。

通過上述對比和梳理，本文發(fā)現(xiàn)膨脹煙絲生產(chǎn)線預(yù)處理和熱端工序工藝參數(shù)存在一定的關(guān)聯(lián)性，對填充值有一定的可優(yōu)化空間。

2 確定性篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

作為一種小型設(shè)計(jì)方法，確定性篩選設(shè)計(jì)的試驗(yàn)次數(shù)約為因子數(shù)的2倍，適用于含6個(gè)或6個(gè)以上因子的多因素過程優(yōu)化。本文將填充值的相關(guān)連續(xù)因子設(shè)定3個(gè)水平，可以識別參數(shù)對填充值的非線性效應(yīng)。而在標(biāo)準(zhǔn)篩選設(shè)計(jì)中，連續(xù)因子僅含2個(gè)水平。確定性篩選設(shè)計(jì)可以估計(jì)主效應(yīng)、二次效應(yīng)和二階交互效應(yīng)，同時(shí)可避免不同效應(yīng)間的混雜，僅需要較少試驗(yàn)次數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。本文的目標(biāo)是消除填充值過程中參數(shù)效應(yīng)的不確定性，明確各因子對填充值的具體影響，并在此基礎(chǔ)上識別關(guān)鍵因子。放寬非關(guān)鍵參數(shù)范圍、縮小關(guān)鍵參數(shù)范圍，既可降低試驗(yàn)成本，又能提高產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，可以明確操作方法，指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化的參數(shù)調(diào)節(jié)，提高生產(chǎn)效率。最終可以找到填充值過程的最佳參數(shù)組合，以達(dá)到質(zhì)量優(yōu)化的目的。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

上文對填充值有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了單因子試驗(yàn)，結(jié)合上述關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，為了進(jìn)一步優(yōu)化這些參數(shù)，本文設(shè)計(jì)了確定性篩選試驗(yàn)。共選用6個(gè)因子，每個(gè)因子設(shè)置高、中、低3個(gè)水平，松散回潮加水比例（U加水比例）、松散回潮回風(fēng)溫度（T回風(fēng)溫度）、松散回潮拔風(fēng)罩壓力（P拔風(fēng)壓力）、松散回潮加蒸汽比例（U蒸汽比例）、冷卻回潮工序含水率（S冷卻含水率）以及膨脹葉絲風(fēng)選負(fù)壓（P風(fēng)選負(fù)壓），以填充值（Y，cm3/g）為響應(yīng)，利用JMP軟件的確定性篩選設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。采用方差分析（ANOVA）確定模型、效應(yīng)的顯著性（P）以及效應(yīng)的大小，即估計(jì)值，并根據(jù)雙側(cè)P值對因子效應(yīng)進(jìn)行排序。

根據(jù)確定性篩選試驗(yàn)方案，關(guān)鍵因子數(shù)量k=6（次），確定性篩選設(shè)計(jì)中的最小試驗(yàn)次數(shù)為2k+1=13（次）。為了生成額外試驗(yàn)，向設(shè)計(jì)中添加2個(gè)假因子，生成4個(gè)額外試驗(yàn)，因此需要做17個(gè)批次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)要求膨絲線操作人員按照確定性篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，調(diào)整各參數(shù)水平（低水平代碼為-1，高水平代碼為1，中心點(diǎn)為0）。參數(shù)設(shè)定后，在每個(gè)生產(chǎn)批次中取成品膨脹煙絲樣品，測量3次填充值并取平均值，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見表1。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

確定性篩選擬合得到的填充值預(yù)測模型擬合分析結(jié)果顯示（如圖1所示），模型預(yù)測范圍為5.8cm3/g～6.4cm3/g的R2（RSq）gt;0.95，P值lt;0.05，說明該模型對樣本點(diǎn)的解釋能力較強(qiáng)，擬合模型具有較大的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

參數(shù)估計(jì)值按照概率大于|t|升序排名前8位（見表2）排序，其中概率gt;|t|表示雙側(cè)P值。分析結(jié)果表明，上述因素對Y的影響不是單一線性關(guān)系，還存在多因素交互項(xiàng)和二次項(xiàng)，如P拔風(fēng)壓力的二次項(xiàng)因子排序排在第3位且與Y呈明顯負(fù)相關(guān)，說明P拔風(fēng)壓力對Y的影響存在明顯彎曲，

T回風(fēng)溫度與S冷卻含水率間存在交互作用。

因子對Y的影響并非簡單的線性關(guān)系，試錯(cuò)法和傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要耗費(fèi)大量時(shí)間且結(jié)果不確定，因此需要使用預(yù)測刻畫器。預(yù)測刻畫器具有良好的交互性，可使因子刻畫更形象、直觀，進(jìn)行因子重要性分析時(shí)更方便，更快了解每個(gè)參數(shù)的改變對Y造成的影響，進(jìn)而輕松地優(yōu)化參數(shù)，達(dá)到提升Y的目的。

2.3 因子優(yōu)化

對試驗(yàn)參數(shù)的水平范圍進(jìn)行調(diào)整可以得到對應(yīng)的成品膨脹煙絲填充值最佳的預(yù)測值和置信區(qū)間（如圖2所示）。

第一步，觀察預(yù)測刻畫器，預(yù)測刻畫器清楚顯示出每個(gè)因子的參數(shù)水平和Y的關(guān)系。P拔風(fēng)壓力、U加水比例、U蒸汽比例、

S冷卻含水率與Y的刻畫圖均存在一定的彎曲現(xiàn)象；T回風(fēng)溫度對Y呈比較明顯的線性關(guān)系；P風(fēng)選負(fù)壓對Y的影響有限，可以綜合考慮參數(shù)設(shè)置水平和生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行推薦設(shè)置。

第二步，拖動(dòng)X軸各因子參數(shù)水平控制線，Y會(huì)隨各參數(shù)水平的調(diào)整而變動(dòng)。以Y望大為控制方向，通過不斷調(diào)整預(yù)測刻畫器的控制線，推算最優(yōu)參數(shù)組合設(shè)置。將

U加水比例設(shè)置為中心點(diǎn)（代碼0），T回風(fēng)溫度設(shè)置為高水平（代碼1），P拔風(fēng)壓力設(shè)置為中心點(diǎn)（代碼0），U蒸汽比例設(shè)置為低水平（代碼-1），S冷卻含水率設(shè)定值設(shè)置為中心點(diǎn)（代碼0），P風(fēng)選負(fù)壓設(shè)置為低水平（代碼-1），此時(shí)Y的預(yù)測值為最高。該條件下的參數(shù)組合可推薦為最優(yōu)參數(shù)組合。

根據(jù)確定性篩選設(shè)計(jì)推算最優(yōu)參數(shù)組合并進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，成品膨脹煙絲填充值均值為6.20cm3/g，證明了上述試驗(yàn)結(jié)果的可用性。確定性篩選試驗(yàn)改善效果明顯，達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期。

3 結(jié)論

本文基于確定性篩選設(shè)計(jì)方法，通過分析松散回潮、膨脹和冷卻回潮3個(gè)關(guān)鍵工序的多參數(shù)影響，對填充值進(jìn)行了多因素優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)全因素試驗(yàn)需要大量試驗(yàn)次數(shù)限制的問題。研究發(fā)現(xiàn)，填充值控制的關(guān)鍵在于合理設(shè)置如下2個(gè)方面的參數(shù)。第一，松散回潮工序參數(shù)可以直接調(diào)節(jié)物料的含水率和溫度，從而影響后續(xù)膨脹效果。第二，冷卻回潮工序參數(shù)可以直接調(diào)控冷卻效果和成品含水率。通過優(yōu)化這2個(gè)工序的多個(gè)參數(shù)，最終提升了成品膨脹煙絲填充值。本文成功應(yīng)用確定性篩選設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了成品煙絲填充值的多參數(shù)優(yōu)化，僅通過較少試驗(yàn)次數(shù)就完成了工藝因素的篩選和優(yōu)化，為類似多參數(shù)過程優(yōu)化提供了可靠實(shí)用的方法論，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

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