箱式格柵除鐵器有限元分析及在奶粉生產中的應用

程健博 陳寶庫 李 輝 郭 林

(1.哈爾濱商業大學食品工程學院食品科學與工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150076；2.黑龍江飛鶴乳業有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005；3.德磁機電科技〔上海〕有限公司，上海 200120)

保證食品安全，保障公眾身體健康和生命安全是所有食品行業從業人員需要始終秉承的原則。《中華人民共和國食品安全法》第十三條第四款明確規定禁止生產經營混有異物的食品。異物作為危害分析的關鍵控制點管理體系(HACCP)中典型的物理性危害[1]，尤其金屬類異物可能嚴重威脅生命安全[2]，在食品生產加工中必須進行有效控制。但據公開資料顯示，中國質量萬里行消費投訴平臺每年都會接到近百名消費者投訴奶粉中發現異物[3]，多家奶粉品牌也頻報疑似不明金屬類異物投訴事件[4-7]。《食品生產通用衛生規范》中規定應采取設置篩網、捕集器、磁鐵、金屬檢查器等有效措施降低金屬或其他異物污染食品的風險，《嬰幼兒配方乳粉生產許可審查細則(2013版)》中明確規定嬰配奶粉企業應對不小于2 mm球徑金屬進行有效控制。

除鐵器作為一種永磁設備，可將非磁性物料中的鐵磁性金屬類異物清除[8]。近年來箱式格柵除鐵器在制糖[9]、糧食收儲[10]、固體飲料等食品深加工領域，尤其是在嬰兒配方奶粉行業得到廣泛應用，但使用過程中對金屬異物的有效攔截率受各類因素影響，若無合理設計方案，很難達到預期攔截效果。目前關于除鐵器的科學研究主要集中在電子元件[11]、化工[12]、建筑[13]、礦石[14]等工業領域，在奶粉生產中的實際應用研究鮮少有報道。

研究擬在完全模擬奶粉工廠真實生產條件下，基于有限元分析(finite element analysis，FEA)對除鐵器的磁場環境進行模擬，進而對其幾何和載荷工況進行模擬[15]。同時，以生產線常見各類金屬體作為目標測試物，通過單因素試驗，探究不同物料下落高度、金屬種類、場強強度、磁棒凈距對除鐵器有效攔截率的影響，以期對箱式格柵除鐵器在奶粉行業中的實際選型、安裝及制定有效的金屬異物控制方案提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

配方奶粉：星飛帆4段，黑龍江飛鶴乳業有限公司；

鑄鐵、304不銹鋼、316不銹鋼：德磁機電科技(上海)有限公司；

二氧化硅干燥劑：分析純，河南諾恒生物科技有限公司；

箱式格柵除鐵器：GHS型，德磁機電科技(上海)有限公司；

高斯計：6010型，美國SYPRIS公司；

工業顯微鏡：ZQ-616型，上海致旗實業有限公司；

精密天平：ME型，梅特勒托利多科技(中國)有限公司；

恒溫烘箱：HPG-280B型，哈爾濱東聯電子技術開發有限公司；

玻璃干燥器：350型，成都典銳實驗儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 除鐵器單體有限元分析 為更直觀了解除鐵器單體的磁通量及磁感線分布，基于磁場基本方程及已有關于永磁體的有限元分析模型[16-18]，利用ANSYS軟件對除鐵器中單根磁棒的最小完整單體(如圖1所示)進行有限元仿真分析。

圖1 除鐵器最小完整單體

1.2.2 金屬模擬測試物制備 對除鐵器吸附的金屬異物進行長時間收集，發現除鐵器吸附的異物主要為鑄鐵(橢球狀)、304奧氏體不銹鋼(扁片狀)、316奧氏體不銹鋼(扁片狀)三類。橢球狀鑄鐵多為管道內壁焊接處脫落導致，扁片狀奧氏體不銹鋼多為螺旋輸送器與管壁摩擦、管道焊接脫落導致。為最大限度模擬在真實生產條件下控制干擾因素，人為制作金屬碎片，然后利用工業顯微鏡挑選出規格統一的金屬模擬測試物(如圖2所示)。根據企業正常生產過程中的異物收集數據及消費者相關投訴數據選取真實生產條件下占比最大的(≥87%)異物尺寸確定金屬模擬測試物的大小。

圖2 金屬模擬測試物

1.2.3 除鐵器測試平臺搭建 搭建6層可調節箱式格柵除鐵器(如圖3所示)，除鐵器上端連接不同長度的物料管線，下端連接物料收集袋，磁棒直徑25 mm。試驗時，將混有金屬模擬測試物的奶粉物料由物料管線開口處倒入，收集袋對通過磁棒的物料進行收集。

圖3 箱式格柵除鐵器

1.2.4 搭橋試驗方法 將奶粉倒入一個內壁光滑的容器中，輕輕向下震蕩，將墊片置于容器上方，然后連同容器一起倒扣至磁棒表面(如圖4所示)，快速抽出墊片，觀察奶粉狀態。如奶粉整體停留在兩根磁棒之間，則出現搭橋現象，表示生產過程中存在潛在堵料風險；如奶粉瞬間垮塌，從磁棒之間快速通過，則不存在堵料風險。

我所有的伙伴們都曾迷上過玩紙板游戲，或者學校里流行的那些亂七八糟的各種簡易玩具，比如彈弓啊，玻璃珠啊，紙牌啊，等等。對于父母來說，這些統統是玩物喪志的具體體現。為了躲避父母的棍棒，我們想了很多辦法來藏玩具。但是玩具好藏，玩耍時沾染全身的塵土卻不好處理。無論是學校里還是放學回家的小路上，所有地面都是泥土的，風一吹便塵土飛揚。玩游戲的孩子不可避免地磨蹭得渾身都是灰塵，因此也往往是一回家便被火眼金睛的父母一頓數落。

圖4 搭橋試驗示意圖

1.2.5 攔截率測定 采用重量法。首先將金屬模擬測試物沖洗干凈后置于60 ℃烘箱內烘干，然后置于放有二氧化硅干燥劑的玻璃干燥器內備用。投料試驗結束后，用軟毛刷將磁棒表面的奶粉去除，用擦鏡紙輕輕擦下金屬模擬測試物并收集，沖洗干凈后置于60 ℃烘箱內烘干。投料試驗收集到的金屬模擬測試物重量與測試初始添加量的比值即為攔截率。

1.2.6 單因素試驗設計

(1)下落高度對攔截率的影響：分別將0.02 kg鑄鐵金屬模擬測試物與9.98 kg奶粉充分混合，分別安裝100，300，500，700 mm高度的物料管線，統一使用6層磁棒，磁棒凈距(凈距=中心距-磁棒直徑，如圖5所示)30 mm，強磁環場強1.4 T，依次將混有金屬模擬測試物的奶粉物料由物料管線開口處勻速倒入，記錄每層除鐵器攔截率。

圖5 磁棒凈距示意圖

(2)金屬種類對攔截率的影響：分別將0.02 kg鑄鐵、304不銹鋼、316不銹鋼金屬模擬測試物與9.98 kg奶粉充分混合，安裝500 mm高度的物料管線，統一使用6層磁棒，磁棒凈距30 mm，磁棒強磁環場強1.4 T，依次將混有金屬模擬測試物的奶粉物料由物料管線開口處勻速倒入，記錄每層除鐵器攔截率。

(3)場強對攔截率的影響：分別將0.02 kg鑄鐵金屬模擬測試物與9.98 kg奶粉充分混合，安裝500 mm高度的物料管線，統一使用6層磁棒，磁棒凈距30 mm，分別換裝強磁環場強0.8，1.0，1.2，1.4 T磁棒，依次將混有金屬模擬測試物的奶粉物料由物料管線開口處勻速倒入，記錄每層除鐵器攔截率。

(4)磁棒凈距對攔截率的影響：分別將0.02 kg鑄鐵金屬模擬測試物與9.98 kg奶粉充分混合，安裝500 mm高度的物料管線，統一使用6層磁棒，強磁環場強1.4 T磁棒，分別換裝磁棒凈距20，25，30，35 mm，依次將混有金屬模擬測試物的奶粉物料由物料管線開口處勻速倒入，記錄每層除鐵器攔截率，每組同時進行搭橋試驗。

2 結果與分析

2.1 除鐵器單體有限元分析結果

除鐵器是由數根規律穿插排列的磁棒組成，而每根磁棒最小完整單體由端堵、半磁環、磁體、強磁環構成，且磁體采用同極相對排列方式，其中磁體與強磁環可根據實際設計需求適當增加數量。在ANSYS的Workbench模塊中，選用幾何結構及Fluent(帶Fluent網格剖分)組件系統[19-21]，設置磁棒規格為磁體長度26 mm、磁環厚2 mm、端堵厚2 mm、直徑25 mm，以強磁環中心為坐標原點進行模擬分析。最小完整單體有限元分析模型見圖6，模型整體網格劃分見圖7。

圖6 有限元分析模型

圖7 模型整體網格劃分

由圖8可知，迭代數值設置為300，施加載荷后，強磁環處磁通量明顯增高(如圖8所示)，而與磁體平行的磁感線位置，磁通量非常弱(如圖9所示)。飽和吸附試驗也驗證了載荷下強磁環處磁通量增加的結果(如圖10所示)，說明在奶粉實際生產加工過程中，磁棒的強磁環位置為最有效吸附位置。單因素試驗中選取強磁環處場強進行各因素影響分析。

圖8 磁棒內部磁通量分布圖

圖9 磁通量分布矢量圖

圖10 單側飽和吸附圖

2.2 單因素試驗分析

圖11 下落高度對攔截率的影響

2.2.2 金屬種類對攔截率的影響 由圖12可知，金屬種類對于1～2層攔截率影響較大，鑄鐵顆粒幾乎可以被完全捕獲，而304、316不銹鋼顆粒攔截率僅為57.0%，39.7%，但隨著除鐵器攔截層數的增加，攔截率差異明顯縮小，層數達到6時304、316不銹鋼顆粒攔截率分別提升至85.5%，76.9%。試驗表明，不同金屬種類對于攔截率的影響非常顯著，304、316不銹鋼顆粒相比于鑄鐵顆粒更難被吸附，增加除鐵器攔截層數是有效提升攔截率的方法。

圖12 金屬種類對攔截率的影響

2.2.3 場強對攔截率的影響 由圖13可知，隨著磁棒強磁環場強增加，攔截率增加，其中1～2層時均達到比較理想的水平，但0.8 T場強下，1～6層攔截率僅為92.7%，這主要由于磁場對金屬顆粒的切向吸附力較小，格柵除鐵器雖然采用交叉式排列，但速度損失較小，奶粉顆粒對于金屬顆粒的夾帶作用凸顯，逃逸率增加，與Ciosk[23]的結論一致。試驗表明，場強對于攔截率的影響顯著，當場強增強時，攔截率增加。

圖13 場強對攔截率的影響

2.2.4 磁棒凈距對攔截率的影響 如圖14所示，隨著磁棒凈距增加，攔截率呈下降趨勢，其中凈距20 mm與凈距25 mm的攔截率無明顯差異，此時增加攔截層數改善意義不大，這主要由于磁棒間凈距增加，磁場薄弱區域增大，磁場對金屬顆粒的切向吸附力減小，導致攔截率降低。

圖14 磁棒凈距對攔截率的影響

但凈距過小可能會導致搭橋堵塞現象[24]發生。通過對每組進行搭橋試驗發現，當凈距為20 mm時，奶粉出現搭橋現象(如圖15所示)。綜上，雖然隨著磁棒凈距減小，攔截率明顯增加，但過小時會產生搭橋堵料風險。當出現搭橋現象時，需要在合理范圍內適當放大磁棒凈距以保證物料良好的通過性。

圖15 奶粉搭橋圖

2.3 設計方案綜合分析

在單因素試驗的基礎上，對不同設計方案進行綜合矩陣分析[25]。基于目視化可接受水平及歷史消費者反饋數據，設奶粉質量控制的最低標準為鑄鐵、304不銹鋼、316不銹鋼有效攔截率≥80%，凈距25 mm(避免搭橋堵料)，結合單因素試驗結果選擇最低可接受強磁環場強1.0 T 及設備合理制造上限1.4 T進行矩陣分析(如表1所示)。臨界條件為當磁棒強磁環場強為1.0 T時，物料下落高度≤100 mm，磁棒層數≥6層。當磁棒強磁環場強1.4 T時，如下落高度≤100 mm，則磁棒層數≥4層；如100 m<物料下落高度≤300 mm，則磁棒層數≥6層。

表1 設計方案矩陣分析表?

3 結論

基于有限元仿真分析，從理論上證明了所設計的除鐵器工作原理的有效性，在完全模擬奶粉工廠真實生產條件下，通過單因素試驗及矩陣分析，結果表明：假設最低可接受標準為對鑄鐵、304不銹鋼、316不銹鋼有效攔截率≥80%，則臨界設計條件為：① 當磁棒強磁環場強為1.0 T時，下落高度≤100 mm，磁棒層數≥6層，凈距25 mm。② 當磁棒強磁環場強為1.4 T時，如物料下落高度≤100 mm，則磁棒層數≥4層，凈距25 mm；如100 m<物料下落高度≤300 mm，則磁棒層數≥6層，凈距25 mm。

該研究成果所輸出的試驗數據，對箱式格柵除鐵器在奶粉行業中的實際選型、安裝及制定有效的金屬異物控制方案提供了依據，同時對其他粉末狀食品物料，例如蛋白類原料、粉末油脂、淀粉、食品添加劑等，均具有工業應用價值。

后期可結合馬爾文激光粒度儀、DSC差熱掃描儀等設備繼續探索不同粉體形狀、粒徑、成分及玻璃轉化狀態等對除鐵器攔截效果。