响应曲面法优化滤棒成形工艺研究

徐吉铭

摘 要：以滤棒压降变异系数指标为参考，在单因素试验基础上，运用四因素三水平响应曲面分析法，研究滤棒生产过程中滤棒成形工艺参数对吸阻变异系数的影响。结果表明，稳定辊压力、空气喷嘴压力、辊速比、螺纹辊压力对吸阻变异系数影响显著，并建立了二次回归方程模型，模型显著且有效；滤棒成形过程最佳工艺参数为稳定辊压力0.063 MPa，空气喷嘴压力0.16 MPa，辊速比1.26，螺纹辊压力0.196 MPa。该条件下，滤棒压降变异系数最低。

关键词：滤棒压降；变异系数；响应曲面法

中图分类号 TQ320.66 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）08-124-04

研究表明，滤棒的压降波动是影响卷烟焦油量的主要因素[1]，在成形设备和加工原料一定的情况下，研究和确定成形工艺条件是保证滤棒质量的关键[2]。目前行业在滤棒成形工艺参数优化方面采用正交试验[3]较多，不能找出影响滤棒压降变异系数最佳工艺参数[4]。本试验利用响应曲面分析法研究滤棒成形生产过程中工艺参数对滤棒压降变异系数的影响及参数最佳配置，为滤棒成形生产过程工艺参数设置提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与设备 3.0Y/35 000醋纤丝束（美国Celeanese公司）；KDF-2型滤棒成型机组（沈阳飞机制造公司）；DT综合测试台（美国BORGWALDT KC公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 取样方法 为排除不同机组、不同丝束包对结果的影响，所有工艺参数调整在同一机组、同一丝束包完成，各项参数稳定且滤棒压降在标准范围后在卸盘机处取样。

1.2.2 样品的制备 （1）生产正常时，每进行一项工艺参数试验，待过程稳定后取样。每项参数取样3次，每次100支，混合作为1个样品。（2）将现场取得的试验样品，放置30min后，在环境温度22℃±5℃，相对湿度60%±2%的实验室内，用综合测试台测定滤棒的压降。每个样品测定30支。

1.2.3 样品的评价标准 以滤棒压降变异系数（Y）作为评价指标。

1.2.4 工艺参数选择 在增塑剂喷加量36mg/支，成型车速4 100支/min，滤棒圆周24.05mm，滤棒长度120mm前提下，通过改变稳定辊压力、空气喷嘴压力、辊速比、螺纹辊压力4个工艺变量，以滤棒压降变异系数指标为依据，确定最佳工艺参数。

2 结果与分析

2.1 滤棒压降变异系数的单因素试验

2.1.1 稳定辊压力对滤棒压降变异系数的影响 在增塑剂喷加量36mg/支，成型车速4 100支/min，滤棒圆周24.05mm，滤棒长度120mm前提下，分别设置稳定辊压力0.03，0.04，0.05，0.06，0.07MPa，其它参数（空气喷嘴压力0.12MPa、辊速比1.2、螺纹辊压力0.2MPa）不变条件下，考察稳定辊压力对滤棒压降变异系数的影响，结果见图1。由图1可知，稳定辊压力0.05MPa，滤棒压降变异系数最小，因此选择稳定辊压力0.05MPa。

2.1.2 空气喷嘴压力对滤棒压降变异系数的影响 在增塑剂喷加量36mg/支，成型车速4 100支/min，滤棒圆周24.05mm，滤棒长度120mm前提下，分别设置空气喷嘴压力0.1，0.12，0.14，0.16，0.18MPa，其它参数（稳定辊压力0.05MPa、辊速比1.2、螺纹辊压力0.2MPa）不变条件下，考察稳定辊压力对滤棒压降变异系数的影响，结果见图2。由图2可知，滤棒压降变异系数随着空气喷嘴压力的增加而增加。这与余振华等的研究结果[5]一致。当空气喷嘴压力超过0.16MPa以后，滤棒压降变异系数的变化趋于稳定。考虑到生产实际情况，故选择空气喷嘴压力0.12MPa为宜。

2.1.3 辊速比对滤棒压降变异系数的影响 在增塑剂喷加量36mg/支，成型车速4 100支/min，滤棒圆周24.05mm，滤棒长度 120mm前提下，分别设置辊速比1.15，1.2，1.25，1.3，1.35，其它参数（稳定辊压力0.05MPa、空气喷嘴压力0.12MPa、螺纹辊压力0.2MPa）不变条件下，考察辊速比对滤棒压降变异系数的影响，结果见图3。由图3可知，滤棒压降变异系数在辊速比1.2时最小，当辊速比在1.2～1.3时，滤棒压降变异系数变化不大。这与余振华等的研究结果[6]一致。因此选择辊速比1.2。

2.1.4 螺纹辊压力对滤棒压降变异系数的影响 在增塑剂喷加量36mg/支，成型车速4 100支/min，滤棒圆周24.05mm，滤棒长度120mm前提下，分别设置螺纹辊压力0.18，0.19，0.2，0.21，0.22MPa，其它参数（稳定辊压力0.05MPa、空气喷嘴压力0.12MPa、辊速比1.2）不变条件下，考察辊速比对滤棒压降变异系数的影响，结果见图4。由图4可知，随着螺纹辊压力增加，滤棒压降变异系数先下降后增加，在0.2时最低。因此选择螺纹辊压力为0.2MPa。

2.2 响应曲面法优化梗预处理工艺参数 在上述单因素试验基础上，采用Box-Behnken试验设计，利用Box-Behnken中心设计原理，对影响滤棒压降变异系数的稳定辊压力、空气喷嘴压力、辊速比、螺纹辊压力四因素，采用Minitab-16软件设计一个四因素三水平中心组合设计，中心点重复试验3次，试验因素水平设计及结果分别见表1、表2。

2.2.1 试验各因素对回透率的影响分析 为分析各因素对回透率的影响，以滤棒压降变异系数为指标（Y），利用Minitab-16数据分析软件对表2的试验结果进行分析，得到4个因素与回透率之间的回归方程：

对试验回归模型进行方差分析，结果见表3。由表3可知，回归模型回归项P<0.05，表明本模型总体有效。从拟合的总效果看，试验误差小，说明可以用本回归方程替代真实试验进行分析。可以看出，X1、X2、X3和X4及它们的平方项均高度显著，说明稳定辊压力、空气喷嘴压力、辊速比、螺纹辊压力对滤棒压降变异系数均有显著影响。根据F值的大小，对影响滤棒压降变异系数的大小因素排序为辊速比>稳定辊压力>空气喷嘴压力>螺纹辊压力。

2.2.2 各因素及交互作用对回透率的影响 各因素及交互作用对回透率的影响见图5～10。

响应曲面图反应了各个因素对响应值的影响，从各因素与响应值所构成的三维空间图可以看出：图5表明稳定辊压力对压降CV的影响比空气喷嘴压力显著，曲面较陡；图6表明辊速比比稳定辊压力影响显著；图7表明稳定辊压力比螺纹辊压力影响更显著；图8表明辊速比比空气喷嘴压力影响更显著；图9表明空气喷嘴压力比螺纹辊压力影响更显著；图10表明辊速比比螺纹辊压力影响更显著；辊速比和螺纹辊压力之间的交互作用对压降CV影响最大。

2.2.3 最佳工艺条件优化及试验模型验证 为确定各因素的最佳工艺设置，利用Minitab-16软件找出回归模型Y的最大估计值，最大点（X1，X2，X3，X4）的代码值为（0.63，1，0.62，-0.19），与之对应的实际值为稳定辊压力0.063MPa、空气喷嘴压力0.16MPa，辊速比1.26，螺纹辊压力0.196MPa，理论上压降CV为1.991%，在最佳工艺条件下根据生产实际情况进行了3次验证性实验，压降CV平均为2.011%，与理论值基本一致，说明该试验的回归方程可靠。

3 结论

本试验结果表明，对于梗预处理段的稳定辊压力、空气喷嘴压力、辊速比、螺纹辊压力4个关键工艺参数，均对烟梗回透率有影响显著。其中贮梗时间对回透率影响程度最大，其次是浸梗时间，再者是蒸梗温度，最后是浸梗水温。结合生产实际，最佳工艺条件设置为浸梗时间70s、浸梗水温60℃，贮梗时间3.5h，蒸梗温度60℃，该条件下烟梗回透率99.50%，烟梗回透效果好。本试验为梗预处理段最佳工艺参数的设置和试验方法提供了一定的理论参考。

参考文献

[1]朱令宇，李永杰. 滤棒重量、压降稳定性对卷烟重量、吸阻稳定性的影响[J]. 福建分析测试，2009，18（2）：83-85.

[2]汪旭，吉德祥. 优化成型工艺参数与检测方法提高滤棒质量控制水平[J]. 上海烟业，2005（4）：40-43.

[3]魏步建，李清华，常纪恒，等. 滤棒成型工艺参数优化研究[J]. 烟草科技，2007（10）：14-17.

[4]常纪恒，赵荣，余振华，等. 滤棒成型工艺参数与质量稳定性的关系[J]. 烟草科技，2007（1）：5-9.

[5]余振华，詹建波，李庚，等. 空气喷嘴压力与滤棒质量稳定性研究[J]. 云南烟草，2007（3）：25-30.

[6]余振华，徐若飞，张承明. 辊速比与滤棒质量的关系研究[J]. 烟草科学研究，2005（2）：44-50.

（责编：张宏民）