箱式格柵除鐵器有限元分析及在奶粉生產(chǎn)中的應(yīng)用

程健博 陳寶庫 李 輝 郭 林

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150076；2.黑龍江飛鶴乳業(yè)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005；3.德磁機(jī)電科技〔上?！秤邢薰?，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(yè)從業(yè)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(guī)定禁止生產(chǎn)經(jīng)營混有異物的食品。異物作為危害分析的關(guān)鍵控制點(diǎn)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(yán)重威脅生命安全[2]，在食品生產(chǎn)加工中必須進(jìn)行有效控制。但據(jù)公開資料顯示，中國質(zhì)量萬里行消費(fèi)投訴平臺(tái)每年都會(huì)接到近百名消費(fèi)者投訴奶粉中發(fā)現(xiàn)異物[3]，多家奶粉品牌也頻報(bào)疑似不明金屬類異物投訴事件[4-7]?！妒称飞a(chǎn)通用衛(wèi)生規(guī)范》中規(guī)定應(yīng)采取設(shè)置篩網(wǎng)、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(fēng)險(xiǎn)，《嬰幼兒配方乳粉生產(chǎn)許可審查細(xì)則(2013版)》中明確規(guī)定嬰配奶粉企業(yè)應(yīng)對(duì)不小于2 mm球徑金屬進(jìn)行有效控制。

除鐵器作為一種永磁設(shè)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(chǔ)[10]、固體飲料等食品深加工領(lǐng)域，尤其是在嬰兒配方奶粉行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但使用過程中對(duì)金屬異物的有效攔截率受各類因素影響，若無合理設(shè)計(jì)方案，很難達(dá)到預(yù)期攔截效果。目前關(guān)于除鐵器的科學(xué)研究主要集中在電子元件[11]、化工[12]、建筑[13]、礦石[14]等工業(yè)領(lǐng)域，在奶粉生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用研究鮮少有報(bào)道。

研究擬在完全模擬奶粉工廠真實(shí)生產(chǎn)條件下，基于有限元分析(finite element analysis，F(xiàn)EA)對(duì)除鐵器的磁場環(huán)境進(jìn)行模擬，進(jìn)而對(duì)其幾何和載荷工況進(jìn)行模擬[15]。同時(shí)，以生產(chǎn)線常見各類金屬體作為目標(biāo)測試物，通過單因素試驗(yàn)，探究不同物料下落高度、金屬種類、場強(qiáng)強(qiáng)度、磁棒凈距對(duì)除鐵器有效攔截率的影響，以期對(duì)箱式格柵除鐵器在奶粉行業(yè)中的實(shí)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(jù)。

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(yè)有限公司；

鑄鐵、304不銹鋼、316不銹鋼：德磁機(jī)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(jī)電科技(上海)有限公司；

高斯計(jì)：6010型，美國SYPRIS公司；

工業(yè)顯微鏡：ZQ-616型，上海致旗實(shí)業(yè)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(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司；

玻璃干燥器：350型，成都典銳實(shí)驗(yàn)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(guān)于永磁體的有限元分析模型[16-18]，利用ANSYS軟件對(duì)除鐵器中單根磁棒的最小完整單體(如圖1所示)進(jìn)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(duì)除鐵器吸附的金屬異物進(jìn)行長時(shí)間收集，發(fā)現(xiàn)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(nèi)壁焊接處脫落導(dǎo)致，扁片狀?yuàn)W氏體不銹鋼多為螺旋輸送器與管壁摩擦、管道焊接脫落導(dǎo)致。為最大限度模擬在真實(shí)生產(chǎn)條件下控制干擾因素，人為制作金屬碎片，然后利用工業(yè)顯微鏡挑選出規(guī)格統(tǒng)一的金屬模擬測試物(如圖2所示)。根據(jù)企業(yè)正常生產(chǎn)過程中的異物收集數(shù)據(jù)及消費(fèi)者相關(guān)投訴數(shù)據(jù)選取真實(shí)生產(chǎn)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(tái)搭建 搭建6層可調(diào)節(jié)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(yàn)時(shí)，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(duì)通過磁棒的物料進(jìn)行收集。

圖3 箱式格柵除鐵器

1.2.4 搭橋試驗(yàn)方法 將奶粉倒入一個(gè)內(nèi)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(tài)。如奶粉整體停留在兩根磁棒之間，則出現(xiàn)搭橋現(xiàn)象，表示生產(chǎn)過程中存在潛在堵料風(fēng)險(xiǎn)；如奶粉瞬間垮塌，從磁棒之間快速通過，則不存在堵料風(fēng)險(xiǎn)。

我所有的伙伴們都曾迷上過玩紙板游戲，或者學(xué)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(duì)于父母來說，這些統(tǒng)統(tǒng)是玩物喪志的具體體現(xiàn)。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(shí)沾染全身的塵土卻不好處理。無論是學(xué)校里還是放學(xué)回家的小路上，所有地面都是泥土的，風(fēng)一吹便塵土飛揚(yáng)。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(shù)落。

圖4 搭橋試驗(yàn)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(nèi)烘干，然后置于放有二氧化硅干燥劑的玻璃干燥器內(nèi)備用。投料試驗(yàn)結(jié)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(nèi)烘干。投料試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

(1)下落高度對(duì)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(tǒng)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(qiáng)磁環(huán)場強(qiáng)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(duì)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(tǒng)一使用6層磁棒，磁棒凈距30 mm，磁棒強(qiáng)磁環(huán)場強(qiáng)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(qiáng)對(duì)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(tǒng)一使用6層磁棒，磁棒凈距30 mm，分別換裝強(qiáng)磁環(huán)場強(qiáng)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(duì)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(tǒng)一使用6層磁棒，強(qiáng)磁環(huán)場強(qiáng)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(shí)進(jìn)行搭橋試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 除鐵器單體有限元分析結(jié)果

除鐵器是由數(shù)根規(guī)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(huán)、磁體、強(qiáng)磁環(huán)構(gòu)成，且磁體采用同極相對(duì)排列方式，其中磁體與強(qiáng)磁環(huán)可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求適當(dāng)增加數(shù)量。在ANSYS的Workbench模塊中，選用幾何結(jié)構(gòu)及Fluent(帶Fluent網(wǎng)格剖分)組件系統(tǒng)[19-21]，設(shè)置磁棒規(guī)格為磁體長度26 mm、磁環(huán)厚2 mm、端堵厚2 mm、直徑25 mm，以強(qiáng)磁環(huán)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)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(wǎng)格劃分見圖7。

圖6 有限元分析模型

圖7 模型整體網(wǎng)格劃分

由圖8可知，迭代數(shù)值設(shè)置為300，施加載荷后，強(qiáng)磁環(huán)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(yàn)也驗(yàn)證了載荷下強(qiáng)磁環(huán)處磁通量增加的結(jié)果(如圖10所示)，說明在奶粉實(shí)際生產(chǎn)加工過程中，磁棒的強(qiáng)磁環(huán)位置為最有效吸附位置。單因素試驗(yàn)中選取強(qiáng)磁環(huán)處場強(qiáng)進(jìn)行各因素影響分析。

圖8 磁棒內(nèi)部磁通量分布圖

圖9 磁通量分布矢量圖

圖10 單側(cè)飽和吸附圖

2.2 單因素試驗(yàn)分析

圖11 下落高度對(duì)攔截率的影響

2.2.2 金屬種類對(duì)攔截率的影響 由圖12可知，金屬種類對(duì)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(shù)的增加，攔截率差異明顯縮小，層數(shù)達(dá)到6時(shí)304、316不銹鋼顆粒攔截率分別提升至85.5%，76.9%。試驗(yàn)表明，不同金屬種類對(duì)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(shù)是有效提升攔截率的方法。

圖12 金屬種類對(duì)攔截率的影響

2.2.3 場強(qiáng)對(duì)攔截率的影響 由圖13可知，隨著磁棒強(qiáng)磁環(huán)場強(qiáng)增加，攔截率增加，其中1～2層時(shí)均達(dá)到比較理想的水平，但0.8 T場強(qiáng)下，1～6層攔截率僅為92.7%，這主要由于磁場對(duì)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(duì)于金屬顆粒的夾帶作用凸顯，逃逸率增加，與Ciosk[23]的結(jié)論一致。試驗(yàn)表明，場強(qiáng)對(duì)于攔截率的影響顯著，當(dāng)場強(qiáng)增強(qiáng)時(shí)，攔截率增加。

圖13 場強(qiáng)對(duì)攔截率的影響

2.2.4 磁棒凈距對(duì)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(shì)，其中凈距20 mm與凈距25 mm的攔截率無明顯差異，此時(shí)增加攔截層數(shù)改善意義不大，這主要由于磁棒間凈距增加，磁場薄弱區(qū)域增大，磁場對(duì)金屬顆粒的切向吸附力減小，導(dǎo)致攔截率降低。

圖14 磁棒凈距對(duì)攔截率的影響

但凈距過小可能會(huì)導(dǎo)致搭橋堵塞現(xiàn)象[24]發(fā)生。通過對(duì)每組進(jìn)行搭橋試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凈距為20 mm時(shí)，奶粉出現(xiàn)搭橋現(xiàn)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(shí)會(huì)產(chǎn)生搭橋堵料風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)出現(xiàn)搭橋現(xiàn)象時(shí)，需要在合理范圍內(nèi)適當(dāng)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(shè)計(jì)方案綜合分析

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合矩陣分析[25]?；谀恳暬山邮芩郊皻v史消費(fèi)者反饋數(shù)據(jù)，設(shè)奶粉質(zhì)量控制的最低標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果選擇最低可接受強(qiáng)磁環(huán)場強(qiáng)1.0 T 及設(shè)備合理制造上限1.4 T進(jìn)行矩陣分析(如表1所示)。臨界條件為當(dāng)磁棒強(qiáng)磁環(huán)場強(qiáng)為1.0 T時(shí)，物料下落高度≤100 mm，磁棒層數(shù)≥6層。當(dāng)磁棒強(qiáng)磁環(huán)場強(qiáng)1.4 T時(shí)，如下落高度≤100 mm，則磁棒層數(shù)≥4層；如100 m<物料下落高度≤300 mm，則磁棒層數(shù)≥6層。

表1 設(shè)計(jì)方案矩陣分析表?

3 結(jié)論

基于有限元仿真分析，從理論上證明了所設(shè)計(jì)的除鐵器工作原理的有效性，在完全模擬奶粉工廠真實(shí)生產(chǎn)條件下，通過單因素試驗(yàn)及矩陣分析，結(jié)果表明：假設(shè)最低可接受標(biāo)準(zhǔn)為對(duì)鑄鐵、304不銹鋼、316不銹鋼有效攔截率≥80%，則臨界設(shè)計(jì)條件為：① 當(dāng)磁棒強(qiáng)磁環(huán)場強(qiáng)為1.0 T時(shí)，下落高度≤100 mm，磁棒層數(shù)≥6層，凈距25 mm。② 當(dāng)磁棒強(qiáng)磁環(huán)場強(qiáng)為1.4 T時(shí)，如物料下落高度≤100 mm，則磁棒層數(shù)≥4層，凈距25 mm；如100 m<物料下落高度≤300 mm，則磁棒層數(shù)≥6層，凈距25 mm。

該研究成果所輸出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)箱式格柵除鐵器在奶粉行業(yè)中的實(shí)際選型、安裝及制定有效的金屬異物控制方案提供了依據(jù)，同時(shí)對(duì)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(yè)應(yīng)用價(jià)值。

后期可結(jié)合馬爾文激光粒度儀、DSC差熱掃描儀等設(shè)備繼續(xù)探索不同粉體形狀、粒徑、成分及玻璃轉(zhuǎn)化狀態(tài)等對(duì)除鐵器攔截效果。