王子維,黎宇輝,童宇星,舒灝,劉奔,徐耀威,劉志昌,高頌,劉雄斌
稠漿法煙草薄片試制設備及熱風定型質量控制
王子維1,2,3,黎宇輝4,童宇星1,2,3,舒灝1,2,3,劉奔1,2,3,徐耀威1,2,3,劉志昌1,2,3,高頌1,2,3,劉雄斌1,2,3
(1.湖北中煙工業有限責任公司,武漢 430040;2.湖北新業煙草薄片開發有限公司,武漢 430056;3.重組煙葉應用技術研究湖北省重點實驗室,武漢 430040;4.湖北工業大學 機械工程學院,武漢 430068)
開發一種新型煙草薄片成型試制設備,實現薄片自動成型、厚度可調、質量可控。改變鋼帶和稠漿盒的運動方式;改良傳統稠漿法煙草薄片成型工藝,包括剝離劑噴涂工藝、流漿成型工藝、熱–風干燥工藝。通過對設備熱–風干燥系統的工作過程進行流熱耦合分析,并根據結果對熱–風干燥系統的結構及參數進行優化,減少薄片在烘干過程中起皺、裂紋等缺陷的產生。開發的稠漿法煙草薄片試制設備可制備0.15~0.3 mm厚度的煙草薄片,且薄片厚度均勻性好。優化熱–風干燥系統前,烘干過程中煙草薄片主要區域的溫度區間為37.7~59.6 ℃,優化后為50.1~64.2 ℃。該設備減小了煙草薄片成型過程中薄片的尺寸波動,提高了薄片厚度均勻性。優化熱–風干燥系統提高了煙草薄片溫度分布均勻性,有利于煙草薄片成型質量的提高。
稠漿法;煙草薄片;試制設備;流熱耦合
煙草薄片又被稱為再造煙葉,是將殘次煙葉、廢棄的煙梗以及煙末等通過加工后制成的再生產物,可用于卷煙、雪茄等煙草制品的生產,是煙草生產中不可或缺的部分[1-4]。與傳統煙絲作為煙草材料相比,煙草薄片在保持自然煙葉有效成分的同時,具有可塑性較強、均質化及可調控水平較高的特點,可使卷煙具有不同理化性質[5-7]。
有關煙草薄片的成型方法,菲莫煙草公司開發了一種均質化煙草材料生產線及線上生產均質化煙草材料的方法[8],這種方法生產的均質化煙草材料可用于卷煙和加熱不燃燒煙草產品。該方法中煙草稠漿在支撐物上流延,并且支撐物沿輸送方向輸送均質化煙草材料,但煙草薄片在成形過程中受控程度較低,導致薄片成形質量不高。中國船舶工業總公司七一五研究所開發了一種稠漿薄片制作成型機[9],其稠漿澆筑盒設置在成型鋼帶上方,鋼帶隨輪轂運動,通過調整刮板與鋼帶的間隙調節薄片成型厚度。但由于鋼帶的尺寸誤差和輪轂的圓跳動誤差,導致刮板與鋼帶的間隙尺寸波動,對薄片厚度均勻性產生不利影響。目前市面上的煙草薄片成型設備多適用于大批量生產,用于實驗室進行煙草薄片生產試驗的設備較少。煙草薄片生產試驗對產量要求低,但要求薄片成型質量好、單次生產時間短且能快速改變薄片配方,現有的設備無法滿足要求。
針對以上問題,開發一種稠漿法煙草薄片試制設備,由大多數現有設備采取的鋼帶運動、稠漿盒固定的成型方式改為稠漿盒運動、鋼帶固定的方式,能減小刮板與鋼帶之間間隙的尺寸波動,提高薄片的厚度均勻性。設備的稠漿盒可拆卸,便于快速改變配方;通過熱–風干燥系統對稠漿進行快速烘干,縮短單次生產耗時。此外,結合熱–風干燥系統的模擬仿真,優化熱–風干燥系統以提高薄片溫度分布均勻性,減少薄片缺陷的產生。
稠漿法煙草薄片試制設備是用于在實驗室條件下進行煙草薄片生產試驗的設備,其采用稠漿法來制備煙草薄片,稠漿法的原理是將煙草原料制成煙粉,再將黏合劑、發煙劑、木漿纖維等物質與水混合,配制成具有一定黏度的液料,然后將煙粉與配置好的液料按一定的比例進行混合,制成具有一定流動性的稠漿。將制好的稠漿涂在不銹鋼帶上,稠漿經過加熱烘干后成型,最后將薄片剝離得到煙草薄片[10-11]。
稠漿法煙草薄片試制設備主要分為3個部分,分別是剝離劑噴涂單元、流漿成型單元、熱–風干燥系統。該設備能夠制備0.15~0.3 mm厚度的煙草薄片,稠漿法煙草薄片試制設備的示意圖見圖1。
制備煙草薄片時,首先剝離劑噴涂單元在作業鋼帶上噴涂剝離劑,流漿成型單元負責將制備好的稠漿流延并攤平至一定厚度,熱–風干燥系統負責烘干攤平好的稠漿直至形成煙草薄片,最后流漿成型單元將制成的煙草薄片剝離得到最終成品。

圖1 稠漿法煙草薄片試制設備示意圖
作業鋼帶作為煙草薄片成型的平臺,在開始制備煙草薄片前,需要預先在作業鋼帶上噴涂剝離劑,起到防粘作用,有助于薄片快速、完整的與作業鋼帶脫離。現有的設備大多采用人工噴涂剝離劑的方式,這種方式效率低下導致生產前準備時間長。為縮短薄片制備前的準備時間,設計了剝離劑噴涂單元來實現剝離劑的自動噴涂。剝離劑噴涂單元示意圖如圖2所示。設備采用油脂泵加噴嘴實現噴剝離劑工序,剝離劑預先盛裝在剝離劑存儲盒內,經由小型油脂泵抽取后注入噴嘴組件。為防止噴剝離劑工序結束后剝離劑繼續從噴嘴滴落,在噴嘴處安裝有接油槽,接油槽的張開與閉合由夾爪氣缸控制,配合噴嘴的啟停實現對剝離劑噴出的控制。
剝離劑噴涂單元安裝在上加熱滑臺上,可實現軸方向的運動,能覆蓋鋼帶上的作業區域。此外,為解決剝離劑噴到鋼帶上不夠均勻的問題,采用毛刷將剝離劑涂刷均勻。毛刷由直線模組帶動沿導軌伺服行走,配合上加熱滑臺的運動實現了涂剝離劑機構在鋼帶的向和向的水平覆蓋,毛刷與直線模組平臺通過滑臺氣缸轉接,實現涂剝離劑過程的毛刷升降動作,即涂剝離劑時下降,完成后縮回。

圖2 剝離劑噴涂單元示意圖
目前稠漿法煙草薄片生產中采用的布漿方式多為流漿箱固定、鋼帶運動的方式。這種方式能連續生產煙草薄片,但由于鋼帶自身的厚度誤差,以及帶動鋼帶運動的輪轂存在圓周跳動誤差,將導致鋼帶與用于控制稠漿厚度的刮板之間的尺寸產生波動[12],對薄片的厚度均勻性有一定影響。考慮到煙草薄片生產試驗產量要求低、薄片質量要求高的特點,將布漿方式改為鋼帶固定、流漿箱(刮板固定在流漿箱上)運動的方式,能避免鋼帶的運動誤差;但同時也引入了流漿箱運動平面與鋼帶之間的平行度誤差,后面將介紹減小該誤差造成的不利影響的方法。
稠漿法煙草薄片試制設備的流漿滑臺上集成了數顯高精度單軸滑臺、刮板、稠漿盒、壓輥、鏟刀氣缸、鏟刀和托輥,流漿滑臺示意圖如圖3所示。流漿滑臺可實現稠漿的自動流漿、指定薄片厚度制備和成型薄片的剝離等功能。滑臺由伺服電機驅動沿圓柱導軌左右直線運動,滑臺根據設定的運動參數來回行走,實現多種厚度和寬度的薄片制備。
流漿滑臺上的稠漿盒用于容納制備好的稠漿。設備制備薄片時,稠漿從稠漿盒的流漿口流出并落在鋼帶上,隨后流漿滑臺上的刮板將鋼帶上的稠漿攤成一定厚度的稠漿薄片,再經過熱–風干燥系統的烘干后形成煙草薄片。制備薄片的最后一道工序是脫片,該工序由吊裝在流漿滑臺上的鏟刀組件完成,脫片時鏟刀氣缸對鏟刀施加壓力使鏟刀與鋼帶緊密接觸,流漿滑臺帶動鏟刀將煙草薄片從鋼帶上剝離。
流漿滑臺的稠漿盒設計為可拆卸式,便于清洗和快速改變稠漿配方。數顯高精度單軸滑臺用于調節刮板離作業鋼帶的距離,以精確控制稠漿厚度。此外,由于鋼帶的變形以及流漿滑臺運動平面與鋼帶之間存在平行度誤差,將影響薄片時的厚度均勻性以及脫片時的連續性[13]。為此在流漿滑臺上增設壓輥和托輥,壓輥與托輥分別位于作業鋼帶的上方和下方,且兩輥與作業鋼帶相接觸。流漿滑臺運動布漿時,滑臺上的兩輥對鋼帶起承托作用,使兩輥附近的鋼帶保持較好的平面度,同時能減小流漿滑臺運動平面與鋼帶之間的平行度誤差。流漿滑臺上的兩輥使得刮板與鋼帶之間的尺寸波動減小,提高了薄片的厚度均勻性。當進行脫片工序時,壓輥與托輥也能提高薄片的脫片質量。

圖3 流漿滑臺示意圖
將制備好的稠漿流延在作業鋼帶上后,下一步是對稠漿進行烘干,稠漿的成型干燥過程是煙草薄片成型及品質形成的一個重要工序段[14]。
對于含水物料的烘干,熱風干燥技術是最常用的技術之一[15-16]。考慮到稠漿烘干的效果和效率,在作業鋼帶的上、下方均布置有加熱單元。上加熱滑臺設置在作業鋼帶上部,其采用熱–風干燥方式,熱管的熱輻射以及風扇產生的氣流共同用于烘干稠漿。上加熱滑臺可在軸向運動,通過圓柱導軌安裝在主機體上部,能夠對攤平的稠漿的各個區域進行烘干。上加熱滑臺示意圖如圖4所示。下加熱單元由碳纖維加熱管陣列構成,下加熱單元與機架直接相連,對鋼帶上的稠漿薄片底部進行烘烤加熱。下加熱單元示意圖如圖5所示。稠漿流延完畢后,伺服電機驅動上加熱滑臺根據設定線速度參數自左向右緩緩滑行,配合下加熱單元對稠漿薄片的雙面進行烘烤,促進稠漿中液態成分快速蒸發。

圖4 上加熱滑臺示意圖

圖5 下加熱單元示意圖
1)制備的煙草薄片厚度可調。設備使用了數顯高精度單軸滑臺來調節刮板與作業鋼帶之間的距離,能夠制備0.15~0.3 mm厚度的煙草薄片,滿足不同試驗要求。
2)制備的煙草薄片質量、厚度均勻性好。
3)設備結構緊湊,占地面積小。設備的長×寬×高為1 860 mm×880 mm×1 120 mm,相比現有的煙草薄片生產線,占地面積極大縮小。
4)單次生產時間、間隔時間短。將稠漿加入設備并啟動,設備按設定好的程序進行稠漿的流延和烘干,設備單次運行時間15 min,間隔時間15 min。單次生產時間、間隔時間短使得設備在相同時間內可以進行更多的生產試驗,測試不同薄片配方,能提高新型煙草薄片生產試驗的效率。
在煙草薄片的烘干過程中,起皺、裂紋為煙草薄片的常見缺陷,這主要是由于煙草薄片受熱不均導致的。根據工藝要求,煙草薄片最好在55~65 ℃的溫度下烘干,且烘干過程中煙草薄片的溫度分布應盡量均勻[17]。為達到以上要求,使用仿真軟件對煙草薄片的烘干過程進行仿真并得到煙草薄片的溫度分布情況,以此優化設備的熱–風干燥系統的結構及參數。
該設備的上加熱單元采用熱輻射加氣流對煙草薄片進行烘干,下加熱單元采用熱輻射烘干薄片,烘干過程中同時存在速度場和溫度場。使用三維軟件建立仿真模型,將模型導入到仿真軟件的Fluent分析模塊和穩態熱分析模塊進行流熱耦合分析,得到煙草薄片烘干時的溫度分布情況。
為簡化模型,去除設備的支撐結構只保留上加熱單元的U型加熱管、煙草薄片、作業鋼帶和碳纖維加熱管陣列,整體結構模型如圖6a所示。上加熱單元包含4個風扇以及2個U型加熱管,風扇出風口為圓形,直徑77 mm。建立流體域,U型加熱管和煙草薄片處于流體域內部,流體域模型如圖6b所示。
模型各部分的材料設置:U型加熱管采用銅材質,作業鋼帶采用304不銹鋼材質,下加熱管采用碳纖維材質。仿真模型的熱源為兩根U型加熱管以及7根碳纖維加熱管,其中每根U型加熱管的發熱功率設置為500 W,每根碳纖維加熱管的發熱功率設置為100 W。環境溫度為25 ℃,風扇出口風速為5 m/s,流體計算模型采用Realizable–模型。
煙草薄片上表面的溫度分布圖如圖7所示。從模擬結果可以看出煙草薄片中心溫度最高,達到59.6 ℃,沿中心向四周溫度逐漸降低,薄片4個頂角處溫度較低。從模擬結果來看,薄片大部分區域溫度在37.7~59.6 ℃,薄片在烘干過程中的溫度分布不夠均勻。分析其中原因,主要原因是氣流自上而下碰到煙草薄片和鋼帶后發生偏轉,隨后氣流向四周發散,在氣流發散過程中氣流將薄片水分和熱量帶走,而薄片中心受氣流影響較小從而熱量散失較少。且2個U型加熱管較為靠近薄片中心,使得薄片中心受到的熱輻射較強,薄片四周受到的熱輻射較弱,綜合導致薄片中心溫度高、四周溫度低。薄片在烘干過程中溫度分布不均勻容易導致薄片起皺、開裂,影響薄片質量,這表明目前的熱–風干燥系統無法滿足薄片的烘干工藝要求。

圖6 仿真模型三維圖

圖7 煙草薄片上表面溫度分布圖
從上述的仿真結果來看,設備目前的熱–風干燥系統烘干效果不夠理想,為改善烘干效果,對熱–風干燥系統的結構及參數進行優化,以獲得更好的溫度分布均勻性。優化后的仿真模型如圖8所示,上加熱管改為多個U型管相連的結構,相比之前的單U型加熱管,優化后的加熱管能更均勻地輻射煙草薄片。此外,在加熱單元中心增加一個風扇,防止薄片中心溫度過高。每個風扇直徑仍為77 mm,出口風速5 m/s。在結構方面除了上加熱管的結構改變以及風扇數量增加一個外,其他與原結構保持一致。

圖8 優化后的仿真模型三維圖
對優化后的熱–風干燥結構進行仿真,上加熱管功率設置為1 500 W,每根下加熱管的功率設置為100 W,模型材料及其他參數與上述仿真保持一致。薄片上表面新的溫度分布圖如圖9所示,從溫度分布圖可以看出最高溫度處仍然位于薄片中心,達到64.2 ℃。此外,薄片大部分區域的溫度在50.1~64.2 ℃,低溫區域位于薄片邊緣處。相較于優化前的結構,優化后的薄片的溫度分布均勻性有了較大提高,且薄片邊緣處的低溫區域面積也有所縮減。優化后的熱–風干燥系統能有效減少薄片在烘干過程中產生的缺陷,能夠提高煙草薄片的成型質量。

圖9 優化結構后的煙草薄片上表面溫度分布圖
通過研究新型煙草薄片的成型工藝,考慮了剝離劑的噴涂、稠漿的流延、薄片的烘干等問題,開發出了稠漿法煙草薄片試制設備,其相比傳統薄片生產線具有制備的薄片厚度均勻性好、厚度可調的特點。且該設備單次生產時間短、配方改變靈活,適用于煙草薄片的生產試驗。此外,從煙草薄片烘干時容易出現起皺、裂紋等缺陷入手,利用仿真軟件對設備的熱–風干燥系統進行流熱耦合分析,得到薄片烘干過程中的溫度分布情況。并利用仿真結果來優化設備的熱–風干燥系統,以提高薄片烘干時的溫度分布均勻性,對提高薄片成型質量有益。
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Trial Production Equipment for Slurry Processed Reconstituted Tobacco and Quality Control of Heat Air Forming Process
WANG Zi-wei1,2,3, LI Yu-hui4, TONG Yu-xing1,2,3, SHU HAO1,2,3, LIU Ben1,2,3, XU Yao-wei1,2,3, LIU Zhi-chang1,2,3, GAO Song1,2,3, LIU Xiong-bin1,2,3
(1. China Tobacco Hubei Industrial Co., Ltd., Wuhan 430040, China; 2. Hubei Xinye Tobacco Sheet Development Co., Ltd., Wuhan 430056, China; 3. Hubei Provincial Key Laboratory for Research of Reconstituted Tobacco Application Technology, Wuhan 430040, China; 4. School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)
The work aims to develop a new type of trial production equipment for reconstituted tobacco sheet forming to realize automatic sheet forming, adjustable thickness and controllable quality. The movement mode of steel belt and raw material box was changed. The traditional thick paste tobacco sheet forming process was improved, including stripping agent spraying process, slurry forming process and heat air drying process. The fluid-thermal coupling analysis of the working process of the equipment heat air drying system was carried out, and the structure and parameters of the heat air drying system were optimized according to the results, so as to reduce the occurrence of wrinkles, cracks and other defects in the process of sheet drying. The trial production equipment for reconstituted tobacco sheet could produce tobacco sheet with a thickness of 0.15-0.3 mm, and the thickness uniformity of the sheet was good. Before optimization of the heat air drying system, the temperature range of the main area of tobacco sheet in the drying process was 37.7-59.6 ℃, and after optimization, it was 50.1-64.2 ℃. The equipment can reduce the size fluctuation of tobacco sheet in the forming process and improve the thickness uniformity of tobacco sheet. Optimizing the heat air drying system improves the temperature distribution uniformity of tobacco sheet, which is conducive to the improvement of tobacco sheet forming quality.
slurry processed reconstituted tobacco; tobacco sheet; trial production equipment; fluid-thermal coupling
TS43
A
1001-3563(2022)17-0243-06
10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.032
2022–03–11
王子維(1993—),男,碩士,工程師,主要研究方向為再造煙葉工藝研究。
責任編輯:曾鈺嬋