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)與工程重點實驗室，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?！吨腥A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)量萬里行消費投訴平臺每年都會接到近百名消費者投訴奶粉中發(fā)現(xiàn)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(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，《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[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，但使用過程中對金屬異物的有效攔截率受各類因素影響，若無合理設(shè)計方案，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)中的實際應(yīng)用研究鮮少有報道。

研究擬在完全模擬奶粉工廠真實生產(chǎn)條件下，基于有限元分析(finite element analysis，F(xiàn)EA)對除鐵器的磁場環(huán)境進(jìn)行模擬，進(jìn)而對其幾何和載荷工況進(jìn)行模擬[15]。同時，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，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(yè)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(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：6010型，美國SYPRIS公司；

工業(yè)顯微鏡：ZQ-616型，上海致旗實業(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(guān)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(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 對除鐵器吸附的金屬異物進(jìn)行長時間收集，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(dǎo)致。為最大限度模擬在真實生產(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)及消費者相關(guān)投訴數(shù)據(jù)選取真實生產(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(jìn)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(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；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。

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(shè)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(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，每組同時進(jìn)行搭橋試驗。

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排列方式，其中磁體與強(qiáng)磁環(huán)可根據(jù)實際設(shè)計需求適當(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)。飽和吸附試驗也驗證了載荷下強(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(shù)的增加，攔截率差異明顯縮小，層數(shù)達(dá)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(shù)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(qiáng)對攔截率的影響 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(jié)論一致。試驗表明，場強(qiáng)對于攔截率的影響顯著，當(dāng)場強(qiáng)增強(qiáng)時，攔截率增加。

圖13 場強(qiáng)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(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 磁棒凈距對攔截率的影響

但凈距過小可能會導(dǎo)致搭橋堵塞現(xiàn)象[24]發(fā)生。通過對每組進(jìn)行搭橋試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凈距為20 mm時，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，但過小時會產(chǎn)生搭橋堵料風(fēng)險。當(dāng)出現(xiàn)搭橋現(xiàn)象時，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)計方案綜合分析

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，對不同設(shè)計方案進(jìn)行綜合矩陣分析[25]?；谀恳暬山邮芩郊皻v史消費者反饋數(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，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，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(chǎn)條件下，通過單因素試驗及矩陣分析，結(jié)果表明：假設(shè)最低可接受標(biāo)準(zhǔn)為對鑄鐵、304不銹鋼、316不銹鋼有效攔截率≥80%，則臨界設(shè)計條件為：① 當(dāng)磁棒強(qiáng)磁環(huán)場強(qiáng)為1.0 T時，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，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數(shù)據(jù)，對箱式格柵除鐵器在奶粉行業(yè)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(jù)，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(yè)應(yīng)用價值。

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)等對除鐵器攔截效果。