响应面优化梗丝加香含水率西格玛水平的应用

张常记，关斌*，贾玉红，杨超，李品鹤

1. 四川中烟工业有限责任公司什邡卷烟厂（什邡 648400）；2. 红云红河烟草（集团）有限责任公司红河卷烟厂（弥勒 652399）；3. 四川中烟工业有限责任公司长城雪茄厂（什邡 648400）

在制梗丝过程中，梗丝干燥的控制直接影响梗丝加香含水率和梗丝的加工质量[5-9,15]。试验应用的工厂梗丝干燥设备是SH885流化床干燥，其采用下进风式对梗丝物料层进行干燥的模式，该设备的主要缺陷是干燥后水分分层较大，热风干燥热风横向进入流化床下部，热风急转90°弯纵向进人流化床底部，流化床面上靠近风机一侧的热风风速总是小于另一侧的热风风速，从而造成进入流化床底部的横向两侧风速存在较大差异，从而造成干燥后梗丝在横向截面上两侧的含水率差异较大[4,12]。先期工厂针对流化床设备造成的水分分层进行改造，通过风压仪测量流化床网孔的风压，根据风压分布情况，对热风管道进行改进，确保在各个区域内梗丝呈流化悬浮状态，解决水分分层的现象。但是3个区内热风压力不同，如果过程调节参数频繁，在区界面处很容易发生湍流，影响水分的稳定性[10-13]。通过单因素试验和响应面分析法对流化床工艺参数进行相应优化，建立工艺参数控制模型，减少各区界面处的湍流，确保梗丝加香含水率的均匀稳定[1-4]。

1 材料与方法

1.1 材料

11号梗（四川中烟配方烟梗）。

1.2 仪器与设备

SH885型流化床（江苏智思机械制造有限公司）。

1.3 梗丝加香含水率的西格玛水平的计算方法

1.3.1 数据采集

每隔30 s采集1个点的值，数据不作平滑处理。为保证采集的数据是生产过程中稳定状态的数据，采集的有效数据在起始点前后各删去3 min的数据。物料流量的起止点均为物料瞬时流量＞100 kg/h。出口含水率在起始点设置为＞8%，结束点设置为＜8%。一、三区温度起始点与工序出口含水率起始点同步，结束点与工序人口物料流量结束点同步。

1.3.2 西格玛水平计算方法

区间概率按（1）计算。

西格玛水平按式（2）计算。

式中：USL为关键质量特性的上规格限；LSL为关键质量特性的下规格限；μ为总体均值（用样本均值估计）；σ为总体标准偏差（用样本标准偏差估计）。

1.4 试验设计

1.4.1 单因素影响试验

主要考察加料出口含水率、二区风门开度、一区温度及三区温度等因素对梗丝加香含水率西格玛水平的影响。

1.4.2 响应面分析法试验设计

选择因素时，主要选择单因素试验中对响应值（梗丝加香含水率西格玛水平）有显著影响的因素。采用Design-Expert 7.0.2对试验数据进行回归分析[2-4]。每一自变量的低、中、高试验水平分别以-1，0和1进行编码，该模型通过最小二乘法拟合二次多项方程。

2 结果与分析

2.1 单因素分析

2.1.1 加料出口含水率对梗丝加香含水率西格玛水平的影响

在一区温度137 ℃、二区风门开度65%、三区温度70 ℃条件下，考察加料出口含水率对梗丝加香含水率西格玛水平的影响，试验结果如图1所示。加料出口含水率低于34%时，梗丝加香含水率的西格玛水平随加料出口含水率增加而增加，大于34%后，梗丝加香含水率的西格玛水平随加料出口含水率增加而降低。加料出口含水率33%～35%时，梗丝加香含水率西格玛水平变换不大，加料出口含水率34%时，梗丝加香含水率西格玛水平最大，因此最佳加料出口含水率选择34%。

图1 加料出口含水率对梗丝加香含水率西格玛水平的影响

2.1.2 二区风门开度对梗丝加香含水率西格玛水平的影响

在加料出口水分34%、一区温度137 ℃、三区温度70 ℃条件下，考察二区风门开度对梗丝加香含水率西格玛水平的影响，试验结果如图2所示。二区风门开度低于55%时，梗丝加香含水率的西格玛水平随二区风门开度增加而增加，大于55%后，梗丝加香含水率的西格玛水平随二区风门开度增加而降低。因此最佳二区风门开度选择55%。

图2 二区风门开度对梗丝加香含水率西格玛水平的影响

2.1.3 一区温度对梗丝加香含水率西格玛水平的影响

在加料出口水分34%、二区风门开度55%、三区温度70 ℃条件下，考察一区温度对梗丝加香含水率西格玛水平的影响，试验结果如图3所示。在一区温度低于137 ℃时，梗丝加香含水率的西格玛水平随一区温度升高而增加，大于137 ℃后，梗丝加香含水率的西格玛水平随一区温度升高而降低。

图3 一区温度对梗丝加香含水率西格玛水平的影响

2.1.4 三区温度对梗丝加香含水率西格玛水平的影响

在加料出口水分34%、二区风门开度55%、一区温度137 ℃条件下，考察三区温度对梗丝加香含水率的西格玛水平的影响，试验结果如图4所示。三区温度低于66 ℃时梗丝加香含水率的西格玛水平随三区温度升高而增加，大于66 ℃后，梗丝加香含水率的西格玛水平随三区温度升高而降低。

图4 三区温度对梗丝加香含水率西格玛水平的影响

2.2 响应面优化试验及结果分析

2.2.1 响应面分析试验

在上述单因素试验基础上，根据Box-Behnken的中心组合设计原理，以一区温度、二区风门开度、三区温度3个因素为自变量（分别以A、B、C为代表），以梗丝加香西格玛水平（以Y为代表）为响应值设计三因素三水平共17个试验点的响应面分析试验，其因素水平选取如表1所示，试验方案与结果如表2所示。

表1 响应面设计因素与水平

表2 响应面分析方案与试验结果

利用Design-Expert软件对表2数据进行二次多元回归拟合，得到梗丝加香含水率西格玛水平的二次多项回归方程：Y=3.136+0.015A-0.021 250B-0.006 25C+0.012 5AB-0.017 5AC+0.02BC-0.166 3A2-0.111 55B2-0.090 5C2。

对回归模型进行方差分析。回归模型方差分析结果见表3。结果表明，模型是显著的（p=0.000 2），回归模型的决定系数为0.998 7，说明该模型能够解释99.87%的变化，因此，可用该模型对梗丝加香含水率西格玛水平进行分析和预测。

表3 回归模型方差分析结果

2.2.2 梗丝加香含水率西格玛水平响应面分析优化

利用Design-Expert软件对表2数据进行二次多元回归拟合，所得到的二次回归方程的响应面及其等高线一区温度和二区风门开度交互作用对梗丝加香含水率西格玛水平的影响见图5，一区温度和三区温度交互作用对梗丝加香含水率西格玛水平的影响见图6，二区风门开度和三区温度交互作用对梗丝加香含水率西格玛水平的影响见图7。

从图5等高线图可以看出，三区温度66 ℃时，一区温度和二区风门开度对梗丝加香含水率西格玛水平交互作用显著。因为等高线的形状反映交互效应的强弱大小，椭圆形表示两因素交互作用显著。一区温度132 ℃时，得到较高梗丝加香含水率西格玛水平需要二区风门开度60%；一区温度提高到137 ℃时，二区风门开度只需要55%。表明在试验水平范围内，适当提高一区温度有利于梗丝加香含水率西格玛水平并可减少二区风门开度。

图5 一区温度和二区风门开度交互作用对梗丝加香含水率西格玛水平的影响

从图6可看出，二区风门开度55%时，一区温度和三区温度对梗丝加香含水率西格玛水平的交互作用显著。在一区温度132 ℃时，得到较高梗丝加香含水率西格玛水平需要三区温度71 ℃；一区温度提高到137 ℃时，三区温度只需要66 ℃。这表明，在试验水平范围内，适当提高一区温度有利于梗丝加香含水率的稳定出并可减少三区温度。

图6 一区温度和三区温度开度交互作用对梗丝加香含水率西格玛水平的影响

从图7可看出，一区温度137 ℃时，二区风门开度和三区温度比对梗丝加香含水率西格玛水平的交互作用显著。随着二区风门增加，达到梗丝加香含水率最大西格玛水平所需要的三区温度降低。在一定的二区风门开度范围内，二区风门开度的增大，梗丝加香含水率西格玛水平增加；二区风门开度超过60%时，梗丝加香含水率西格玛水平反而下降。

图7 二区风门开度和三区温度交互作用对梗丝加香含水率西格玛水平的影响

2.3 验证试验

通过梗丝加香含水率西格玛水平的二次多项数学模型解逆矩阵，得出在一区温度137 ℃，二区风门开度55%，三区温度66 ℃的工艺条件下，梗丝加香含水率最大西格玛水平预测值为3.14。考虑到加料出口含水率的波动，梗丝干燥工艺参数修正为加料出口含水率34%±1%，一区温度137±5 ℃，二区风门开度55%±5%，三区温度66±5 ℃。来料含水率34%±1%波动时，微调时调整三区温度或一区温度，快速调整时调整二区风门开度。选取2020年1—5月的所有牌号的梗丝对梗丝加香水分西格玛水平进行验证，结果如图8所示，从图8可以看出，改进后梗丝加香含水率的西格玛水平从原来的2.57提高到3.2以上。

图8 改进前后对比

3 结论

1) 此次研究通过单因素试验和响应面分析法对流化床工艺参数进行了优化，建立的梗丝加香水分西格玛水平的二次多项数学模型具有显著性（p＜0.000 1），决定系数为0.968 1。由模型解逆矩阵得到：在一区温度137 ℃、二区风门开度55%、三区温度66 ℃条件下，梗丝加香水分西格玛水平预测值为3.14。

考虑到来料水分的波动，梗丝干燥工艺参数修正为加料出口含水率34%±1%、一区温度137±5 ℃、二区风门开度55%±5%时，三区温度为66±5 ℃，在此工艺条件下，梗丝加香水分西格玛水平从原来的2.57提高到3.2以上。