箱式格栅除铁器有限元分析及在奶粉生产中的应用

程健博 陈宝库 李 辉 郭 林

(1.哈尔滨商业大学食品工程学院食品科学与工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150076；2.黑龙江飞鹤乳业有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161005；3.德磁机电科技〔上海〕有限公司，上海 200120)

保证食品安全，保障公众身体健康和生命安全是所有食品行业从业人员需要始终秉承的原则。《中华人民共和国食品安全法》第十三条第四款明确规定禁止生产经营混有异物的食品。异物作为危害分析的关键控制点管理体系(HACCP)中典型的物理性危害[1]，尤其金属类异物可能严重威胁生命安全[2]，在食品生产加工中必须进行有效控制。但据公开资料显示，中国质量万里行消费投诉平台每年都会接到近百名消费者投诉奶粉中发现异物[3]，多家奶粉品牌也频报疑似不明金属类异物投诉事件[4-7]。《食品生产通用卫生规范》中规定应采取设置筛网、捕集器、磁铁、金属检查器等有效措施降低金属或其他异物污染食品的风险，《婴幼儿配方乳粉生产许可审查细则(2013版)》中明确规定婴配奶粉企业应对不小于2 mm球径金属进行有效控制。

除铁器作为一种永磁设备，可将非磁性物料中的铁磁性金属类异物清除[8]。近年来箱式格栅除铁器在制糖[9]、粮食收储[10]、固体饮料等食品深加工领域，尤其是在婴儿配方奶粉行业得到广泛应用，但使用过程中对金属异物的有效拦截率受各类因素影响，若无合理设计方案，很难达到预期拦截效果。目前关于除铁器的科学研究主要集中在电子元件[11]、化工[12]、建筑[13]、矿石[14]等工业领域，在奶粉生产中的实际应用研究鲜少有报道。

研究拟在完全模拟奶粉工厂真实生产条件下，基于有限元分析(finite element analysis，FEA)对除铁器的磁场环境进行模拟，进而对其几何和载荷工况进行模拟[15]。同时，以生产线常见各类金属体作为目标测试物，通过单因素试验，探究不同物料下落高度、金属种类、场强强度、磁棒净距对除铁器有效拦截率的影响，以期对箱式格栅除铁器在奶粉行业中的实际选型、安装及制定有效的金属异物控制方案提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

配方奶粉：星飞帆4段，黑龙江飞鹤乳业有限公司；

铸铁、304不锈钢、316不锈钢：德磁机电科技(上海)有限公司；

二氧化硅干燥剂：分析纯，河南诺恒生物科技有限公司；

箱式格栅除铁器：GHS型，德磁机电科技(上海)有限公司；

高斯计：6010型，美国SYPRIS公司；

工业显微镜：ZQ-616型，上海致旗实业有限公司；

精密天平：ME型，梅特勒托利多科技(中国)有限公司；

恒温烘箱：HPG-280B型，哈尔滨东联电子技术开发有限公司；

玻璃干燥器：350型，成都典锐实验仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 除铁器单体有限元分析 为更直观了解除铁器单体的磁通量及磁感线分布，基于磁场基本方程及已有关于永磁体的有限元分析模型[16-18]，利用ANSYS软件对除铁器中单根磁棒的最小完整单体(如图1所示)进行有限元仿真分析。

图1 除铁器最小完整单体

1.2.2 金属模拟测试物制备 对除铁器吸附的金属异物进行长时间收集，发现除铁器吸附的异物主要为铸铁(椭球状)、304奥氏体不锈钢(扁片状)、316奥氏体不锈钢(扁片状)三类。椭球状铸铁多为管道内壁焊接处脱落导致，扁片状奥氏体不锈钢多为螺旋输送器与管壁摩擦、管道焊接脱落导致。为最大限度模拟在真实生产条件下控制干扰因素，人为制作金属碎片，然后利用工业显微镜挑选出规格统一的金属模拟测试物(如图2所示)。根据企业正常生产过程中的异物收集数据及消费者相关投诉数据选取真实生产条件下占比最大的(≥87%)异物尺寸确定金属模拟测试物的大小。

图2 金属模拟测试物

1.2.3 除铁器测试平台搭建 搭建6层可调节箱式格栅除铁器(如图3所示)，除铁器上端连接不同长度的物料管线，下端连接物料收集袋，磁棒直径25 mm。试验时，将混有金属模拟测试物的奶粉物料由物料管线开口处倒入，收集袋对通过磁棒的物料进行收集。

图3 箱式格栅除铁器

1.2.4 搭桥试验方法 将奶粉倒入一个内壁光滑的容器中，轻轻向下震荡，将垫片置于容器上方，然后连同容器一起倒扣至磁棒表面(如图4所示)，快速抽出垫片，观察奶粉状态。如奶粉整体停留在两根磁棒之间，则出现搭桥现象，表示生产过程中存在潜在堵料风险；如奶粉瞬间垮塌，从磁棒之间快速通过，则不存在堵料风险。

我所有的伙伴们都曾迷上过玩纸板游戏，或者学校里流行的那些乱七八糟的各种简易玩具，比如弹弓啊，玻璃珠啊，纸牌啊，等等。对于父母来说，这些统统是玩物丧志的具体体现。为了躲避父母的棍棒，我们想了很多办法来藏玩具。但是玩具好藏，玩耍时沾染全身的尘土却不好处理。无论是学校里还是放学回家的小路上，所有地面都是泥土的，风一吹便尘土飞扬。玩游戏的孩子不可避免地磨蹭得浑身都是灰尘，因此也往往是一回家便被火眼金睛的父母一顿数落。

图4 搭桥试验示意图

1.2.5 拦截率测定 采用重量法。首先将金属模拟测试物冲洗干净后置于60 ℃烘箱内烘干，然后置于放有二氧化硅干燥剂的玻璃干燥器内备用。投料试验结束后，用软毛刷将磁棒表面的奶粉去除，用擦镜纸轻轻擦下金属模拟测试物并收集，冲洗干净后置于60 ℃烘箱内烘干。投料试验收集到的金属模拟测试物重量与测试初始添加量的比值即为拦截率。

1.2.6 单因素试验设计

(1)下落高度对拦截率的影响：分别将0.02 kg铸铁金属模拟测试物与9.98 kg奶粉充分混合，分别安装100，300，500，700 mm高度的物料管线，统一使用6层磁棒，磁棒净距(净距=中心距-磁棒直径，如图5所示)30 mm，强磁环场强1.4 T，依次将混有金属模拟测试物的奶粉物料由物料管线开口处匀速倒入，记录每层除铁器拦截率。

图5 磁棒净距示意图

(2)金属种类对拦截率的影响：分别将0.02 kg铸铁、304不锈钢、316不锈钢金属模拟测试物与9.98 kg奶粉充分混合，安装500 mm高度的物料管线，统一使用6层磁棒，磁棒净距30 mm，磁棒强磁环场强1.4 T，依次将混有金属模拟测试物的奶粉物料由物料管线开口处匀速倒入，记录每层除铁器拦截率。

(3)场强对拦截率的影响：分别将0.02 kg铸铁金属模拟测试物与9.98 kg奶粉充分混合，安装500 mm高度的物料管线，统一使用6层磁棒，磁棒净距30 mm，分别换装强磁环场强0.8，1.0，1.2，1.4 T磁棒，依次将混有金属模拟测试物的奶粉物料由物料管线开口处匀速倒入，记录每层除铁器拦截率。

(4)磁棒净距对拦截率的影响：分别将0.02 kg铸铁金属模拟测试物与9.98 kg奶粉充分混合，安装500 mm高度的物料管线，统一使用6层磁棒，强磁环场强1.4 T磁棒，分别换装磁棒净距20，25，30，35 mm，依次将混有金属模拟测试物的奶粉物料由物料管线开口处匀速倒入，记录每层除铁器拦截率，每组同时进行搭桥试验。

2 结果与分析

2.1 除铁器单体有限元分析结果

除铁器是由数根规律穿插排列的磁棒组成，而每根磁棒最小完整单体由端堵、半磁环、磁体、强磁环构成，且磁体采用同极相对排列方式，其中磁体与强磁环可根据实际设计需求适当增加数量。在ANSYS的Workbench模块中，选用几何结构及Fluent(带Fluent网格剖分)组件系统[19-21]，设置磁棒规格为磁体长度26 mm、磁环厚2 mm、端堵厚2 mm、直径25 mm，以强磁环中心为坐标原点进行模拟分析。最小完整单体有限元分析模型见图6，模型整体网格划分见图7。

图6 有限元分析模型

图7 模型整体网格划分

由图8可知，迭代数值设置为300，施加载荷后，强磁环处磁通量明显增高(如图8所示)，而与磁体平行的磁感线位置，磁通量非常弱(如图9所示)。饱和吸附试验也验证了载荷下强磁环处磁通量增加的结果(如图10所示)，说明在奶粉实际生产加工过程中，磁棒的强磁环位置为最有效吸附位置。单因素试验中选取强磁环处场强进行各因素影响分析。

图8 磁棒内部磁通量分布图

图9 磁通量分布矢量图

图10 单侧饱和吸附图

2.2 单因素试验分析

图11 下落高度对拦截率的影响

2.2.2 金属种类对拦截率的影响 由图12可知，金属种类对于1～2层拦截率影响较大，铸铁颗粒几乎可以被完全捕获，而304、316不锈钢颗粒拦截率仅为57.0%，39.7%，但随着除铁器拦截层数的增加，拦截率差异明显缩小，层数达到6时304、316不锈钢颗粒拦截率分别提升至85.5%，76.9%。试验表明，不同金属种类对于拦截率的影响非常显著，304、316不锈钢颗粒相比于铸铁颗粒更难被吸附，增加除铁器拦截层数是有效提升拦截率的方法。

图12 金属种类对拦截率的影响

2.2.3 场强对拦截率的影响 由图13可知，随着磁棒强磁环场强增加，拦截率增加，其中1～2层时均达到比较理想的水平，但0.8 T场强下，1～6层拦截率仅为92.7%，这主要由于磁场对金属颗粒的切向吸附力较小，格栅除铁器虽然采用交叉式排列，但速度损失较小，奶粉颗粒对于金属颗粒的夹带作用凸显，逃逸率增加，与Ciosk[23]的结论一致。试验表明，场强对于拦截率的影响显著，当场强增强时，拦截率增加。

图13 场强对拦截率的影响

2.2.4 磁棒净距对拦截率的影响 如图14所示，随着磁棒净距增加，拦截率呈下降趋势，其中净距20 mm与净距25 mm的拦截率无明显差异，此时增加拦截层数改善意义不大，这主要由于磁棒间净距增加，磁场薄弱区域增大，磁场对金属颗粒的切向吸附力减小，导致拦截率降低。

图14 磁棒净距对拦截率的影响

但净距过小可能会导致搭桥堵塞现象[24]发生。通过对每组进行搭桥试验发现，当净距为20 mm时，奶粉出现搭桥现象(如图15所示)。综上，虽然随着磁棒净距减小，拦截率明显增加，但过小时会产生搭桥堵料风险。当出现搭桥现象时，需要在合理范围内适当放大磁棒净距以保证物料良好的通过性。

图15 奶粉搭桥图

2.3 设计方案综合分析

在单因素试验的基础上，对不同设计方案进行综合矩阵分析[25]。基于目视化可接受水平及历史消费者反馈数据，设奶粉质量控制的最低标准为铸铁、304不锈钢、316不锈钢有效拦截率≥80%，净距25 mm(避免搭桥堵料)，结合单因素试验结果选择最低可接受强磁环场强1.0 T 及设备合理制造上限1.4 T进行矩阵分析(如表1所示)。临界条件为当磁棒强磁环场强为1.0 T时，物料下落高度≤100 mm，磁棒层数≥6层。当磁棒强磁环场强1.4 T时，如下落高度≤100 mm，则磁棒层数≥4层；如100 m<物料下落高度≤300 mm，则磁棒层数≥6层。

表1 设计方案矩阵分析表†

3 结论

基于有限元仿真分析，从理论上证明了所设计的除铁器工作原理的有效性，在完全模拟奶粉工厂真实生产条件下，通过单因素试验及矩阵分析，结果表明：假设最低可接受标准为对铸铁、304不锈钢、316不锈钢有效拦截率≥80%，则临界设计条件为：① 当磁棒强磁环场强为1.0 T时，下落高度≤100 mm，磁棒层数≥6层，净距25 mm。② 当磁棒强磁环场强为1.4 T时，如物料下落高度≤100 mm，则磁棒层数≥4层，净距25 mm；如100 m<物料下落高度≤300 mm，则磁棒层数≥6层，净距25 mm。

该研究成果所输出的试验数据，对箱式格栅除铁器在奶粉行业中的实际选型、安装及制定有效的金属异物控制方案提供了依据，同时对其他粉末状食品物料，例如蛋白类原料、粉末油脂、淀粉、食品添加剂等，均具有工业应用价值。

后期可结合马尔文激光粒度仪、DSC差热扫描仪等设备继续探索不同粉体形状、粒径、成分及玻璃转化状态等对除铁器拦截效果。