减压自动煮茧机工艺参数设置与调试

减压自动煮茧机采用“真空+”技术,实现了低温吐水、蒸煮时茧层含水、茧腔不含水[1]的理想状态,解决了蚕茧内外层煮熟不均匀的技术难题,实现了煮茧生产过程的自动化。减压煮茧机能够显著提高生丝品质、降低茧耗、提高产量,原料适应性强,不仅适宜干茧煮茧,同样适宜鲜茧煮茧[2]。

1 工作原理及技术特征

1.1 工作原理及结构

减压自动煮茧机以罐盖可启闭的密闭式罐体为结构主体,采用PLC程序控制[3],水环泵、罗茨泵产生真空,利用真空、水、蒸汽复合管道系统,通过电磁阀的开闭,在机内完成真空渗透,蒸汽在真空导流下进行吐水、蒸煮,因热传递采用负压状态下对流方式,提高了蒸汽热交换能力和均匀程度。负压状态下调整吸水[4]、保护出茧等工艺,实现煮茧生产过程的全封闭、真空渗透与煮茧一体化结构、自动化运行。

减压自动煮茧机的结构如图1所示,主罐是蚕茧煮熟的场地,设加茧、煮茧、出茧三个工作位置并自动运行,自动控制工艺流程:煮茧主罐内加入蚕茧后,按电控箱“启动”按钮,主罐旋转至煮茧处理位,压盖压紧,然后按照程序进行煮茧。辅罐的作用是将主罐蚕茧吐出的水,利用主罐、辅罐位置落差及电磁阀开启将水存储并保持适当真空度。设渗透水箱、调整水箱和常温水箱三个水箱,常温水箱根据工艺要求向主罐注水、洒水,向渗透水箱、调整水箱补水,由管路系统通过水泵、电磁阀开闭执行。主罐上设置上、下观察视镜,用于观察渗透后蚕茧状况、吐水程度及蚕茧在整个煮茧过程中颜色的变化情况。

图1 减压自动煮茧机
Fig.1 The equipment of decompressed automatic cocoon-cooking

1.2 技术特征

减压自动煮茧机可以全自动完成蚕茧真空渗透、茧腔减压吐水、蚕茧双向减压蒸煮、煮熟平衡、调整保护等全套煮茧工艺,操作简单,维修方便。减压煮茧方法是将蚕茧放置到主罐中,蚕茧煮茧过程静置,采用双向进汽管设计,蒸煮时采用双向交替进汽方式进行蒸煮,边减压(抽真空)边进蒸汽,强制蒸汽对流传导,罐内蒸汽温度迅速均匀,如图2所示。采用“真空+”技术,可完成低温(50～75 ℃)负压茧腔吐水、高温(90～102 ℃)负压蚕茧双向蒸煮受热(特殊原料需要达到正压),蒸汽能量传导迅速,能满足不同茧质、不同地域的煮茧生产需要,达到了少煮蛹体,减少了蛹酸浸出;丝胶膨润、溶失均衡适当,煮熟内层、保护外层、充分均匀煮熟茧层的目的[5]。在缫丝时茧丝可以很顺利依次离解,减少蚕茧跳动机率。采用程序控制,工艺调试方便,参数控制更加直观精确。

图2 双向蒸煮示意
Fig.2 The schematic diagram of bidirectional cooking

2 工艺设置

2.1 煮茧程序

减压自动煮茧机采用程序控制,煮茧工艺以温度、时间为参数进行设置并控制,自动运行。每个煮茧程序对应的工作状态不同。在煮茧机程序研发过程中,基于设备的结构及要解决的生产问题,进行煮茧工艺研究、程序修改、工厂试验、修正总结,煮茧的程序以发明时间为编号。现以JYZJ-20190530程序为例,介绍和分析减压自动煮茧机的工艺流程及工艺参数设置。该程序具有广泛的适用性,能很好地提高吐水、蒸煮的均匀程度,提高清洁、洁净成绩,减少万米吊糙、降低缫折。

温度和时间工艺参数根据原料茧及生产需要进行调整。温度设置包括渗透水箱温度、调整水箱温度、吐水温度、蒸煮温度。渗透、调整保护等采用时间设置。时间控制精度0.1 s,温度控制精度0.1 ℃,设置界面如图3所示。

图3 工艺参数设置界面
Fig.3 The setting interface of parameters

2.2 煮茧流程

减压自动煮茧机煮茧有8个流程,每个煮茧流程包含若干个时段,JYZJ-20190530程序设置40个时序,即T1～T40,煮茧流程及时段如表1所示。

表1 煮茧流程及作用
Tab.1 The process and effect of cocoon cooking

2.3 工艺参数设置

煮茧工艺的设置及范围建立在原料茧质量调查基础上,因此要以工厂的工艺调查数据为依据,对蚕茧质量全面了解分析,要参考的工艺指标为茧丝长、解舒率、解舒光折、茧层率、茧丝纤度、万米吊糙、清洁、洁净及烘茧、冷藏冷冻情况,同时结合以往生产庄口工艺参数进行设置。

2.3.1 渗透水箱、调整水箱水温

渗透水箱、调整水箱的温度应根据原料特性设置,主要参考解舒率、茧层率,并进行优选。渗透水箱温度25～45 ℃;调整水箱温度30～55 ℃。

2.3.2 渗 透

渗透使蚕茧充分吸水,渗透后的蚕茧呈水玉色,无浮茧、无白斑,茧腔气泡小于2 mm,时间设置范围如表2所示。

表2 真空渗透时间设置范围
Tab.2 The range of time setting for vacuum infiltration

渗透过程的要点为:1)一次渗透T4、T5、T6设置为0;2)二次渗透适宜茧层厚、烘炕偏老、解舒率差、丝胶膨润难的蚕茧;3)复压时主罐的真空度从最高值到零的时间一般为35 s,解舒率好(65%)的原料时间设置短,如设置40 s,解舒率差的原料时间设置可以延长,如60～80 s。

2.3.3 排 水

将主罐的水抽回到渗透水箱里,主罐产生一定的真空度,为吐水做好准备工作,其时间设置范围如表3所示。

表3 主罐排水时间设置范围
Tab.3 The range of time setting for main tank drainage

2.3.4 吐 水

在“减压+蒸汽”作用下,将茧腔的水吐出,通过上、下视镜可以观察到蚕茧吐水程度及茧色变化情况,吐水时序控制采用时间及温度跳转设计,即在时间范围内(设置时间稍微长于实际运行时间)温度达到设置要求即转入下个时序运行,如图4所示。

图4 吐水时序显示及下视镜观察镜
Fig.4 The sequential display and the lower view window of cocoon cavity guttation

控制茧腔的水吐出并保持茧层含水,在蒸煮时蒸汽的热能才能充分进入茧层中内层,将丝胶充分膨润膨化。采用负压状态下主罐上、下进蒸汽方法达到吐水均匀要求,工艺设置范围如表4所示。

吐水工艺的要点为:1)蚕茧的解舒率高低影响到吐水快慢程度,解舒率高吐水快,不同庄口吐水温度差别大,要注意观察吐水程度及蚕茧颜色变化情况修正设置温度;2)在T12运行到后期,有明显的吐水现象发生,T13结束前茧腔大吐水;3)在T15运行期间,要注意观察下视镜,不能有水漫上淹没蚕茧,如果产生淹没情况须提高T13温度,适当延长T14时长。

表4 吐水工艺参数设置
Tab.4 The parameter setting of cocoon cavity guttation

2.3.5 蒸 煮

从“减压+蒸汽”状态变为“蒸汽”状态,真空度逐步减少,充分煮熟蚕茧,工艺设置范围如表5所示。

表5 蒸煮工艺参数设置
Tab.5 The parameter setting of cocoon cooking

蒸煮工艺的要点为:1)T13、T15、T17、T19、T20设置了温度自动跳转功能,达到设置温度值时程序进入下一个时段,T20的温度设置对煮熟程度影响大;2)蒸煮升温快慢可以判断吐水程度,进一步优化吐水温度值;3)鲜茧吐水、蒸煮温度比干茧减少3～20 ℃(冷藏茧与冷冻茧差别很大)。

2.3.6 真空降温

通过真空降温,可以快速均衡降低主罐蚕茧温度,同时使茧腔有一定真空度,防止调整吸水时产生瘪茧,一般情况下,瘪茧率少可以减少真空降温时间,反之延长时间。真空降温工艺参数设置如表6所示。

表6 真空降温工艺参数设置
Tab.6 The parameter setting of vacuum cooling

2.3.7 真空调整吸水

在真空状态下茧腔吸水,茧丝丝胶软化,茧腔吸水饱满。采用依次进入不同温度的水,便于温差的形成,起到凝固丝胶、保护外层的作用,工艺设置如表7所示。

表7 真空调整吸水工艺设置
Tab.7 The parameter setting of adjustment and water absorption in vacuum

真空调整的要点为:1)T26进常温水箱水,冬、夏季温度开差较大,可以通过T24、T25、T26时间组合设置来达到需要的工艺参数范围;2)T27、T28的设置针对有绪率较高的庄口使用,有利于减少绪丝量;3)茧腔内吸入较高温度的水,有利于丝胶膨润;蚕茧外层吸入常温水有利于丝胶凝固,形成调整温差,减少万米吊糙。

2.3.8 保 护

通过置换主罐的高温水对蚕茧降温,达到工艺设计的出茧温度,其工艺设置如表8所示。

表8 保护工艺设置
Tab.8 The parameter setting of protection

保护工艺的要点为:1)T30、T31主要用于出茧温度调整;2)根据出茧温度要求进行时间组合设置,一般情况解舒率大于65%的庄口出茧温度控制在32～35 ℃,解舒率低于55%的庄口出茧温度控制在35～40 ℃。

2.3.9 出 茧

T34声控提示,“再启动”按钮按下出茧,T35主罐压盖松开,T36主罐正转出茧,T37主罐反转归位。T38、T39根据需要向低温水箱、高温水箱补水,时间设置0～N s。N值为水箱满水,并有少量溢出。

3 工艺调试

工艺参数设置经实际生产运行后,要根据煮熟茧的外观质量及缫丝生产的测试数据进一步优化调试。减压自动煮茧机主要调试温度和时间。

3.1 温度调试

需要调整的参数主要为渗透水箱水温、调整水箱水温、吐水温度及蒸煮温度。蚕茧的解舒率及茧层率关系到蚕茧的通水性和通气性[6],一般而言,解舒率高通水性好,丝胶容易膨润膨化,表现为蚕茧渗透充分,吐水速度快,蒸煮时温度提升快,热能容易达到蚕茧中内层。一般情况下,在同等解舒率情况下,茧层率增厚要适当提高温度,煮茧过程中的渗透、煮熟、调整,既相互作用又相对独立,在煮茧中要把设置的工艺参数与煮茧过程观察的现象结合起来进行分析判断,如在渗透中茧丝丝胶只能膨润而不能膨化,渗透过程使用水温高会提高渗透效果,但会增加吐水难度,因此可以通过观察吐水难易程度对渗透温度进行适当修正调整。吐水程度不够,会使蒸汽热能集中在蚕茧外层,严重影响中内层煮熟均匀程度,影响洁净成绩(主要表现为环颣增多),增加万米吊糙。对解舒率不高、茧层率厚的庄口就要提高吐水温度,一般情况下可以每次提高1～2 ℃,反之如果吐水过快,须降低吐水温度,避免茧层失水发干影响洁净成绩(雪糙增多)。蒸煮温度上升的速度快慢可以反映出吐水程度,蒸煮时的最高温度设置,即T20设置值对煮熟茧的解舒率、万吊、清洁、洁净有非常大的影响。生产实践证明,最高蒸煮温度发生正负0.3～0.5 ℃的温度调整都会对煮茧质量产生明显作用和变化。通过真空降温时序运行观察,可以辅助判断吐水、蒸煮质量高低。一般情况下,如果通过下视镜看到有积水,说明吐水程度不好,如果茧色变得太白,说明茧层失水。减压自动煮茧机的调整吸水是在真空状态下完成的,因此可以大幅降低吸水温度,避免瘪茧产生。通过观察车头索理绪情况、缫丝运转率、黑板成绩等情况进一步优选工艺参数。

通过生产实践,对比测试分析,总结出茧层率为47～49%时温度工艺设置范围(表9),茧层率降低1%,温度降低1～1.5 ℃,反之亦然。其中吐水和蒸煮分别采用两个温度点控制。

表9 不同解舒率的原料煮茧温度参数
Tab.9 The cooking temperature of the cocoon with different reel ability

3.2 时间调试

大部分时间工艺参数在主罐装茧量确定后基本为定值,一般不需要调整。主要调整的是调整吸水及保护的时间,确定好适宜的出茧温度。重点是T24、T25、T26的组合,如解舒率良好的庄口,可以减少T24、T25时间,增长T26时间;解舒率差的庄口,可以增加T24、T25时间,减少T26时间。

3.3 吐水、蒸煮温度优化

煮茧的吐水蒸煮温度对煮茧质量起到关键作用[7]。吐水程度主要由T12、T13、T15跳转温度决定。T12、T15对下层茧子吐水有明显作用,T13对主罐上层茧吐水影响较大,通过三者的优选组合才能使上下层的茧子都有适当的茧层含水率;T14的时间也对吐水程度有一定影响。吐水程度的控制,直接影响到茧子煮熟的充分性、均匀性,对净度成绩有明显影响。T17的跳转温度优选,对均匀煮熟有一定影响,煮熟程度主要由T20跳转温度的优选决定。煮熟程度的控制,对提高解舒、万吊、缫折、清洁、洁净成绩有明显影响,重点为T13、T20温度优选。主要参数优选顺序及方法如下:

先优选T20跳转温度,此时可将其他几个参数暂时固定:如T11为30 s,T12为25 s,T13为66 ℃,T15为69 ℃,T17为86 ℃,T14为15 s,T16为0 s,T19为0 s,调整水箱温度48 ℃,渗透水箱温度36 ℃。根据原料情况,初步确定T20跳转温度值。然后试煮,根据生产现场情况,判断煮茧生熟状况,如果判断偏生,下一次T20跳转温度提高0.5 ℃,如果提高跳转温度后现场效果更好,就继续提高T20跳转温度。优选后期每次提高跳转温度幅度控制在0.2～0.3℃,直到生产现场变差,再根据优选记录,选择一个最佳的跳转温度。每调整一次工艺,时间间隔在2～3 h,调整参数2 h以后开始在车间测试煮茧效果,主要测解舒率、万米吊糙、索绪效率,每一个参数调整后测试2次以上,对应每一次参数调整做好详细记录。

T20跳转温度选定后,再优选T13跳转温度,方法同上。每次调整幅度1～2 ℃,T15一般比T13高3～5 ℃,优选方法同上。T17温度在82～90 ℃,每次调整幅度1 ℃。然后优选调整水箱温度、渗透水箱温度,水温调整幅度每次增减2～3 ℃。

多因素工艺条件对煮茧质量的影响,可以采用正交试验方法进行[8-9],然后进行200粒茧质调查及清洁、洁净试样,根据试样结果优选工艺参数。

2016—2019年部分庄口煮茧温度工艺优选结果如表10所示。

表10 不同地区部分庄口煮茧温度设置
Tab.10 The cooking temperature setting of some cocoon in different regions

3.4 典型特征庄口的工艺调试

在制丝生产中,原料茧质量千变万化,针对不同的原料情况及生产实践,总结了具有典型特征的原料的工艺调试方法,如表11所示。

表11 典型特征庄口的工艺调试方法
Tab.11 The method of adjustment for the cocoon with representative characters

3.5 煮熟茧的鉴别

减压自动煮茧机的丝胶溶失率一般为2%～3%[10],各地区由于水质情况不一样,因此手感会有一定的差异。煮熟茧的质量需要与自动缫车头工艺管理相结合,对于生丝等级要求达到5A级以上的煮茧方法,煮熟程度可以适当偏熟,以利于清洁、洁净、抱合成绩的提高。茧煮熟后主要表现为色泽呈白灰色,手感滑带弹性,气泡直径小于2.0 mm,丝胶溶失率小于3.5%,蛹体硬度偏硬。

4 结 语

减压自动煮茧机由于采用PLC程序控制,极大地提高了煮茧的精准程度和稳定性,工艺调试方便、快捷、准确。特别是蒸煮的最高温度T20的设置,多数原料对于0.5 ℃的调整幅度在缫丝生产中都会有显著的变化和作用。因此,对设备的性能及工艺全面掌握有利于提高煮茧质量。