王 震，游 敏*，李 青，張玉海，李 斌，王 樂(lè)，于小紅，韓麗萍，周禮冬，姚光明

1.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司淮陰卷煙廠，江蘇省淮安市清江浦區(qū)一品梅路32號(hào)223001 2.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號(hào)450001

近年來(lái)，細(xì)支卷煙在生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)煙支質(zhì)量和吸阻波動(dòng)大、空頭煙支多、煙支被刺破、燃燒錐落頭率高等問(wèn)題［1］，其主要原因是來(lái)料中片煙的中大片率較高，進(jìn)而造成切絲過(guò)程中中長(zhǎng)絲比例較高。針對(duì)此，王亮等［2］研究了細(xì)支卷煙煙絲結(jié)構(gòu)與燃燒錐落頭率之間的關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)卷接工序中平準(zhǔn)盤的類型來(lái)優(yōu)化煙絲結(jié)構(gòu)分布，降低卷煙燃燒過(guò)程中燃燒錐落頭率。楚晗等［3］研究了不同規(guī)格卷煙煙絲結(jié)構(gòu)與物理質(zhì)量的差異性，發(fā)現(xiàn)提高中短絲比例能夠提高短支卷煙的物理質(zhì)量。李洪濤等［4］采用帶約束條件的混料均勻設(shè)計(jì)方法對(duì)細(xì)支卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示相關(guān)物理指標(biāo)在最小值時(shí)，煙絲結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳比例。堵勁松等［5］研究了煙絲結(jié)構(gòu)對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)提高中長(zhǎng)絲比例、減少煙絲造碎能夠穩(wěn)定卷煙物理指標(biāo)。王天怡等［6］基于灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)短支卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)提高中短絲比例后，質(zhì)量標(biāo)偏、吸阻標(biāo)偏、硬度標(biāo)偏、端部落絲量等指標(biāo)均顯著降低。朱文魁等［7］研究了傳統(tǒng)切絲和定長(zhǎng)切絲兩種模式對(duì)煙絲結(jié)構(gòu)和卷制質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)在40 mm定長(zhǎng)切絲模式下，短絲比例及均勻性得到顯著提升，提高了煙支單支質(zhì)量的穩(wěn)定性，但單箱（5萬(wàn)支）耗絲量有所增加。朱成文等［8］研究了定長(zhǎng)切絲技術(shù)在細(xì)支卷煙生產(chǎn)中的應(yīng)用，與常規(guī)切絲相比，定長(zhǎng)切絲能夠顯著提高中短絲率，隨著煙絲結(jié)構(gòu)特征尺寸下降，煙絲結(jié)構(gòu)的均勻性得到提升。上述研究結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)平準(zhǔn)盤和切絲刀片類型可以調(diào)控?zé)熃z結(jié)構(gòu)的中短絲率，有利于提升細(xì)支卷煙品質(zhì)，但這些方法均存在碎絲率不可控等問(wèn)題。

柔性斷絲技術(shù)主要是利用柔性滾動(dòng)篩分裝置和煙絲鍘切裝置，在動(dòng)輥與挑刀的配合作用下實(shí)現(xiàn)煙絲的柔性滾動(dòng)篩分，長(zhǎng)絲被輸送至煙絲鍘切裝置，并在旋轉(zhuǎn)刀和定刀的共同作用下轉(zhuǎn)化為中短絲［9］。為此，以江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司淮陰卷煙廠6 000 kg/h生產(chǎn)線為研究對(duì)象，對(duì)比分析了常規(guī)切絲技術(shù)和柔性斷絲技術(shù)兩種模式在細(xì)支卷煙生產(chǎn)中的應(yīng)用效果，以期為提升細(xì)支卷煙品質(zhì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備和儀器

材料：“南京”牌細(xì)支卷煙配方煙絲（江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司淮陰卷煙廠）。

設(shè)備和儀器：PROTOS70-ZJ17D卷接機(jī)組（德國(guó)HAUNI公司）；GDX2包裝機(jī)組（意大利GD公司）；YQ-2型煙絲振動(dòng)分選篩（中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院）；SD5型切絲機(jī)（意大利GARBUIO公司）；B-KC型綜合測(cè)試臺(tái)（北京歐美利華科技有限公司）；RM200型轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)（德國(guó)Borgwaldt KC公司）；HP7890氣相色譜儀（美國(guó)Agilent公司）；MW3200型煙支密度檢測(cè)儀（中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院）；CFP800A型煙支落頭檢測(cè)儀（中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院）；AL204型電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；柔性斷絲設(shè)備由柔性滾動(dòng)篩分裝置和煙絲鍘切裝置組成，統(tǒng)稱為JM-A型旋轉(zhuǎn)鍘切機(jī)（江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司）。

1.2 切絲模式與煙支取樣點(diǎn)

常規(guī)切絲模式：片煙從儲(chǔ)葉柜輸出后經(jīng)SD5型切絲機(jī)切絲，切絲寬度為0.9 mm。柔性斷絲模式：在HXD（High Expansion Dryer）干燥工序后，采用柔性滾動(dòng)篩分裝置對(duì)短絲和碎絲進(jìn)行篩分，以降低碎絲率；篩分后的中長(zhǎng)絲通過(guò)煙絲鍘切裝置，部分長(zhǎng)絲經(jīng)鍘切后轉(zhuǎn)化為中短絲［10］。

制絲實(shí)驗(yàn)在江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司淮陰卷煙廠6 000 kg/h生產(chǎn)線上進(jìn)行，2018年采用常規(guī)切絲模式，2019年改用柔性斷絲模式，兩種切絲模式所采用的配方等級(jí)結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、煙用輔材等均保持一致。分別在制絲線的冷卻定型（VAS）、加香以及卷接機(jī)組煙槍3個(gè)工序出口處取樣，對(duì)兩種切絲模式下的煙絲結(jié)構(gòu)、煙支物理指標(biāo)和煙氣化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，各取20批次，取平均值。

1.3 方法

1.3.1 煙絲結(jié)構(gòu)分布的測(cè)定

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 178—2003［11］測(cè)定煙絲結(jié)構(gòu)分布情況，即長(zhǎng)絲率、中絲率、短絲率、碎絲率的分布，取20批次樣品的平均值。

1.3.2 煙絲結(jié)構(gòu)傳遞系數(shù)的表征

依據(jù)參考文獻(xiàn) ［12］的方法對(duì)煙絲結(jié)構(gòu)傳遞系數(shù)進(jìn)行表征。將經(jīng)過(guò)VAS、加香、卷接機(jī)組煙槍3個(gè)工序之后的煙絲結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)絲率、中絲率、短絲率、碎絲率）分別記為向量X（xm,）j=（x1，x2，x3，x4）、Y（ym,）j=（y1，y2，y3，y4）、Z（zm,）j=（z1，z2，z3，z4）（m表示煙絲結(jié)構(gòu)的測(cè)試次數(shù)），X與Y之間的傳遞系數(shù)K（ki,）j=（k1，k2，k3，k4）（i，j=1，2，3，4），Y與Z之間的傳遞系數(shù)L（li,）j=（l1，l2，l3，l4）（i，j=1，2，3，4），X、Y、Z、K、L滿足以下關(guān)系：

式中：X、Y、Z表示由煙絲結(jié)構(gòu)組成的列向量；K、L表示工序之間煙絲結(jié)構(gòu)的傳遞系數(shù)。

在3個(gè)工序出口處取樣，將各樣品的煙絲結(jié)構(gòu)升序排列，利用五分法取5組數(shù)據(jù)（m=5），采用具有約束條件的最小二乘法求其傳遞系數(shù)。

1.3.3 切絲模式對(duì)生產(chǎn)過(guò)程消耗的影響

生產(chǎn)消耗主要產(chǎn)生在制絲過(guò)程和煙支卷制過(guò)程中。制絲過(guò)程的消耗包含風(fēng)選工序的梗簽剔除質(zhì)量以及加香前后的煙末質(zhì)量。煙支卷制過(guò)程的消耗體現(xiàn)為煙支空頭率和殘次品剔除量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)，其中空頭煙支是殘次品剔除的一部分；設(shè)備有效作業(yè)率和停機(jī)次數(shù)也間接反映了卷制過(guò)程的消耗。分別取2018年1—12月和2019年1—9月的生產(chǎn)過(guò)程消耗數(shù)據(jù)，計(jì)算煙支空頭率P空頭和設(shè)備有效作業(yè)率P效率：

1.3.4 切絲模式對(duì)細(xì)支卷煙卷制質(zhì)量的影響

依據(jù)參考文獻(xiàn) ［8］的方法測(cè)定細(xì)支卷煙的物理指標(biāo)，包括煙支單支質(zhì)量、吸阻和硬度。依據(jù)參考文獻(xiàn)［13］的方法，利用MW3200型煙支密度檢測(cè)儀測(cè)量煙支軸向填充密度并繪制密度曲線（取20包×20支煙的平均值），計(jì)算填充密度的均勻性，測(cè)試參數(shù)：煙支直徑5.41 mm，長(zhǎng)度97 mm，濾嘴長(zhǎng)30 mm，開始位置0 mm，停止位置67 mm，密度校正系數(shù)0.78。依據(jù)參考文獻(xiàn)［14-15］的方法，利用CFP800A型煙支落頭檢測(cè)儀測(cè)定煙支落頭分布狀況，測(cè)試參數(shù)：施力力度32 N，作用時(shí)間0.03 s，夾持力度16 N，煙支長(zhǎng)度97 mm，夾持位置19 mm，施力位置32 mm，煙蒂長(zhǎng)度47 mm。依據(jù)參考文獻(xiàn)［8］的方法，利用RM200型轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)抽吸煙支樣品，記錄抽吸口數(shù)，采用配套的HP7890氣相色譜儀測(cè)定其主流煙氣中的焦油、煙堿以及CO釋放量。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種切絲模式下煙絲結(jié)構(gòu)分布及傳遞系數(shù)比較

2.1.1 煙絲結(jié)構(gòu)分布

由圖1可見，柔性斷絲模式下VAS工序后的煙絲長(zhǎng)絲率約為70%，與常規(guī)切絲模式相比下降約7百分點(diǎn)，中短絲率提高約6百分點(diǎn)，碎絲率基本無(wú)變化；在卷接工序后，長(zhǎng)絲率下降幅度顯著。可見，柔性斷絲技術(shù)能夠在保證碎絲率可控的前提下，降低長(zhǎng)絲率，提升中短絲比例。

圖1 兩種切絲模式下煙絲結(jié)構(gòu)分布Fig.1 Distribution of cut tobacco structure under the two cutting modes

2.1.2 煙絲結(jié)構(gòu)傳遞系數(shù)

由表1可見，與常規(guī)切絲模式相比，柔性斷絲模式下經(jīng)過(guò)卷接工序的長(zhǎng)絲率傳遞系數(shù)由0.78下降至0.57，從而提高了中短絲比例。結(jié)合圖1可以看出，柔性斷絲模式下從加香工序到卷接工序的長(zhǎng)絲率下降幅度較大，中絲率上升明顯。主要原因可能是平準(zhǔn)盤對(duì)煙絲結(jié)構(gòu)分布的影響存在拐點(diǎn)，當(dāng)來(lái)料煙絲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，平準(zhǔn)盤對(duì)煙絲結(jié)構(gòu)的影響存在差異性。

表1 兩種切絲模式下煙絲結(jié)構(gòu)傳遞系數(shù)的變化Tab.1 Variations of transfer coefficients of cut tobacco structure under the two cutting modes

2.1.3 煙絲結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性

利用煙絲結(jié)構(gòu)傳遞系數(shù)可以預(yù)測(cè)經(jīng)過(guò)各工序的煙絲結(jié)構(gòu)分布情況，預(yù)測(cè)結(jié)果見圖2。可見，常規(guī)切絲和柔性斷絲的煙絲結(jié)構(gòu)計(jì)算值與其原樣值的中心偏差最大不超過(guò)5%，符合設(shè)計(jì)要求，表明預(yù)測(cè)結(jié)果具有準(zhǔn)確性。

圖2 兩種切絲模式下煙絲結(jié)構(gòu)分布預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.2 Predicted distribution results of cut tobacco structure under the two cutting modes

2.2 兩種切絲模式下生產(chǎn)過(guò)程消耗比較

2.2.1 制絲過(guò)程

由表2可知，兩種模式下制絲過(guò)程的總體消耗差異較小，但在柔性斷絲模式下，VAS工序后風(fēng)選環(huán)節(jié)的梗簽剔除量上升27.04%。這是因?yàn)榻档烷L(zhǎng)絲率能夠減少煙絲對(duì)梗簽的纏繞，從而有效剔除梗簽，進(jìn)一步降低成品卷煙的殘次品剔除量。

表2 兩種切絲模式下制絲過(guò)程消耗Tab.2 Tobacco consumption during primary processing under the two cutting modes（kg·批次-1）

2.2.2 卷制過(guò)程

由表3可知，與常規(guī)切絲模式相比，柔性斷絲模式下煙支空頭率下降至0.18%，下降比例為43.75%，殘次品剔除量下降比例為25.71%。主要原因是降低長(zhǎng)絲率和提高中短絲率可以在煙條切割過(guò)程中壓實(shí)煙支，使煙支端部不易出現(xiàn)空頭現(xiàn)象，同時(shí)還可提高設(shè)備運(yùn)行效率，減少停機(jī)次數(shù)。

表3 兩種切絲模式下煙支卷制過(guò)程消耗Tab.3 Consumption during cigarette making process under the two cutting modes

2.3 兩種切絲模式下煙支物理指標(biāo)比較

由圖3可見，柔性斷絲模式下煙支單支質(zhì)量、吸阻、硬度的標(biāo)偏均低于常規(guī)切絲模式，且煙支硬度均值也有所提升。兩種切絲模式下煙支單支質(zhì)量、吸阻、硬度等指標(biāo)的總體分布見表4。可見，柔性斷絲模式下，單支質(zhì)量標(biāo)偏降低約10.83%，吸阻標(biāo)偏降低10.25%；硬度均值由56.167%提高至60.085%，標(biāo)偏由3.628%下降至3.067%，下降幅度達(dá)15.46%。表明采用柔性斷絲技術(shù)能夠提高細(xì)支卷煙煙支物理指標(biāo)的穩(wěn)定性。

圖3 兩種切絲模式下煙支的單支質(zhì)量（a）、吸阻（b）及硬度（c）變化Fig.3 Variations of stick weight(a),draw resistance(b)and hardness(c)of a single cigarette under the two cutting modes

表4 兩種切絲模式下煙支物理指標(biāo)分布①Tab.4 Distribution of physical indexes of cigarette under the two cutting modes

2.4 兩種切絲模式下煙支填充密度比較

兩種切絲模式下煙支軸向填充密度變化曲線見圖4，通過(guò)計(jì)算得到的煙支填充密度及其均勻性系數(shù)的平均值見表5。可見，均勻性系數(shù)越小，煙絲結(jié)構(gòu)分布越均勻。結(jié)合表4數(shù)據(jù)可知，應(yīng)用柔性斷絲技術(shù)后，煙絲填充密度增大，密度均勻性提高，進(jìn)而提高了吸阻和單支質(zhì)量的穩(wěn)定性。圖4中顯示，硬度測(cè)量點(diǎn)位于煙支煙絲段的中間部位，即33.5 mm處，柔性斷絲模式下硬度測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的填充密度大于常規(guī)模式。原因可能是應(yīng)用柔性斷絲技術(shù)后，長(zhǎng)絲率降低，中短絲率提高，使煙支煙絲段中間部位的填充密度上升，進(jìn)而提高了煙支硬度及其穩(wěn)定性。

圖4 兩種切絲模式下煙支軸向填充密度變化曲線Fig.4 Variation curves of axial filling density of cigarette under the two cutting modes

表5 兩種切絲模式下煙支軸向填充密度及其均勻性系數(shù)Tab.5 Axial filling density and uniformity coefficient of cigarette under two cutting modes

2.5 兩種切絲模式下煙支燃燒錐落頭傾向比較

依據(jù)軸向填充密度將煙支劃分為4個(gè)區(qū)域，a段為0～6 mm，b段為6～20 mm，c段為20～50 mm，d段為50～65 mm，見圖5。將b段高點(diǎn)與c段低點(diǎn)之間的密度差記為Δρ，Δρ值越大，燃燒錐落頭率越高［2］。兩種切絲模式下各選取240支卷煙進(jìn)行燃燒錐落頭試驗(yàn)，結(jié)果（表6）顯示：兩種切絲模式下煙支的Δρ值差異較小，均為66 mg/cm3左右，且燃燒錐落頭傾向極低，落頭煙支數(shù)均為0；柔性斷絲模式下煙支的Δρ值標(biāo)偏顯著低于常規(guī)切絲模式。為探究煙支燃燒錐落頭率與Δρ值的關(guān)系，兩種切絲模式下各選取5 000支卷煙，挑選出密度異常煙支進(jìn)行燃燒錐落頭試驗(yàn)，結(jié)果（表7）顯示：柔性斷絲模式下，煙支密度異常率為0.32%，由煙支密度異常導(dǎo)致的燃燒錐落頭率為0.021%，與常規(guī)切絲模式相比分別下降33.3%和58.8%。原因在于應(yīng)用柔性斷絲技術(shù)后，煙支填充密度均勻性提高，降低了煙支密度異常的概率，進(jìn)而降低了煙支燃燒錐落頭率。

圖5 煙支軸向填充密度區(qū)域劃分Fig.5 Regional division of axial filling density of cigarette

表6 兩種切絲模式下煙支燃燒錐落頭指標(biāo)Tab.6 Burning cone fallout index of cigarette under the two cutting modes

表7 兩種切絲模式下因填充密度異常引起的煙支落頭數(shù)量Tab.7 Fallout number of cigarette burning cone caused by abnormal filling density under the two cutting modes

2.6 兩種切絲模式下煙氣化學(xué)成分比較

兩種切絲模式下煙支主流煙氣中，焦油、煙堿、CO釋放量均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，見表8。可見，應(yīng)用柔性斷絲技術(shù)后主流煙氣化學(xué)成分未發(fā)生明顯變化，但總體均值有所上升。這是因?yàn)閼?yīng)用柔性斷絲技術(shù)后，中短絲率提高，使得煙支填充密度更加均勻，降低了煙支燃燒速度，增加了抽吸口數(shù)，進(jìn)而增加了主流煙氣化學(xué)成分的釋放量。

表8 兩種切絲模式下煙支主流煙氣化學(xué)成分與抽吸口數(shù)Tab.8 Chemical components in mainstream smoke of cigarette under the two cutting modes

3 結(jié)論

對(duì)比分析了常規(guī)切絲和柔性斷絲兩種模式在細(xì)支卷煙生產(chǎn)中的應(yīng)用效果，結(jié)果表明：與常規(guī)切絲模式相比較，應(yīng)用柔性斷絲技術(shù)能夠降低長(zhǎng)絲率、提高中短絲率并確保碎絲率無(wú)明顯變化；在卷接工序后將部分長(zhǎng)絲轉(zhuǎn)化為中短絲，降低了長(zhǎng)絲率，提升了風(fēng)選工序出口的梗簽剔除量，卷制后煙支殘次品剔除量降低25.71%，空頭率下降43.75%，并減少了設(shè)備停機(jī)次數(shù)；煙支單支質(zhì)量和吸阻的標(biāo)偏降幅均超過(guò)10%，煙支硬度由56.167%提升至60.085%，煙支軸向填充密度的均勻性顯著提升，燃燒錐落頭率由0.051%下降至0.021%；卷制后卷煙抽吸口數(shù)有所增加，煙氣化學(xué)成分均值也有所上升。由此可見，采用柔性斷絲技術(shù)可提高細(xì)支卷煙工藝品質(zhì)，降低生產(chǎn)消耗，提高設(shè)備運(yùn)行效率。