一種基于IGBT的可變頻諧合波脫磁裝置

林毓昊

（大冶有色金屬有限責任公司，湖北大冶 435100）

引言

我國鋼鐵工業發展迅速，冶煉產業不僅注重產量提升，更注重產品質量提升，工藝升級，追求高效。在這樣的情形下，礦料除雜的工藝提升成為了鋼鐵產業高質量發展中重要的技術改進之一。

磁選作業通常要將礦石粉碎至粉末狀，礦粉通過磁選后仍具有剩磁，因磁性礦粉聚團形成的顆粒直徑遠大于粉碎形成的單個顆粒直徑[1]。在分級工與細篩工藝環節上，大顆粒容易夾帶雜質，無法通過篩孔，影響產品質量[2]，嚴重干擾選礦工序的正常進行[3]。所以在分級工藝與細篩工藝之前，都需要對礦粉進行消磁處理，消除礦粉聚團帶來的問題。

最初脫磁原理基于交流去磁法，即在線圈中通入正弦波形交流電，并使此交流電的幅值逐漸減小至零[4]。使用這種方法的脫磁設備，通常存在工作電流較大、發熱嚴重、線纜沉重、振蕩磁場頻率無法改變等問題，最終會導致脫磁效率不足而耗電量較大。為了解決交流去磁法的不足，出現了基于LC振蕩電路的脫磁器，由于此方式使用電容給線圈供電，不可避免地在電容充電時線圈中沒有電流和磁場，造成脫磁器有無磁區，脫磁效果不理想。而且基于LC振蕩電路的脫磁器在流速、礦漿濃度等現場條件發生變化時不便對頻率做出調整[5]。同時，由于大電容大電感的自身特性，在電壓不穩定時，容易發生電容過壓損毀的故障。

隨著半導體技術飛速發展，IGBT 逐漸被應用于脫磁器的電路。由于IGBT 集合了金屬氧化物半導體場效應晶體管和雙極結型晶體管的優點[6]，即輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好，且驅動電路簡單、驅動電流小等特點，又具有通態壓降小、耐壓高及承受電流大等優點。在要求快速、低損耗的領域，絕緣柵雙極型晶體管已經成為主流器件之一。

基于IGBT搭建可變頻諧合波脫磁裝置，它通過控制IGBT通斷與導通時間，進而控制電流方向來產生交變衰減磁場，并實現頻率可調。達到矯頑力強，節能可靠，適應復雜現場工況的效果。

1 脫磁原理

鐵礦石一般具備天然磁性，通常的鐵礦石中含鐵化合物均為磁性材料，具有可被磁化的性質[7-8]。其磁化規律如圖1所示。

圖1 磁化曲線

鐵礦原料中磁性物質的磁感應強度，隨磁選機磁場強度增加而逐漸增加至飽和狀態。當鐵礦原料脫離磁選機后，外部施加的磁場強度消失，但鐵礦原料中的磁性物質，并不會逆磁化曲線回歸原點，而是沿著外圍磁滯回線到達BI位置，即保留一定的剩磁。因此，想要消除剩磁，就必須使鐵礦原料中磁性材料的磁滯回線包圍面積縮小至趨近于零[9]。具體方法是對磁性材料施加強度方向不斷變化，幅值不斷減小的外部磁場。磁性材料消磁過程中磁滯回線變化如圖2所示。

圖2 消磁過程中的磁滯回線變化

圖2中，上部是磁滯回線變化曲線，下部是外加磁場變化曲線，磁滯回線飽和點與磁場波峰相對應。每次磁場變化，礦料磁化飽和點的磁場強度都在減小，最終趨近于零，以達到消除剩磁的目的[10]。

2 當前實際生產中的問題

實際生產中，脫磁設備主要應用于鐵礦石球磨后的分級作業。礦粉磁選后需要進行細篩工序，如果礦粉仍具有磁性，則會形成聚團，無法通過篩選，影響工序正常進行。脫磁設備的作用就是去除礦粉的剩磁，保障細篩效率。

現有的脫磁器普遍采用交流去磁與脈沖去磁。交流去磁法，其實現方法是通過外加一個正弦交變磁場，并使其振幅從最大值逐漸減小到零，從而達到對礦石脫磁的目的。采用交流去磁法的工頻脫磁器主要部件包括變內徑線圈組、礦漿橡膠管、電容組和電源組。根據礦山行業生產實踐經驗、有關試驗記錄以及物理原理，脫磁器最大的磁場強度為礦物矯頑磁力的5 倍以上可以得到較好的退磁效果，對于天然磁鐵礦，12 個周期可保證較好的脫磁效果。由于磁場衰減通過設置不同內徑線圈實現，工頻脫磁方式僅能完成一次完整的脫磁周期，脫磁效果不佳。并且線圈尺寸大、電流大，還需要水冷卻，能耗高，不經濟。工頻脫磁器的改進型是中頻脫磁器，有更高的頻率使得礦漿可以經過更多次的脫磁周期，但仍然有尺寸大、發熱與脫磁效率低的缺陷。

脈沖去磁法基于LC 振蕩原理，具有矯頑磁場強、頻率高、能耗低的優勢。雖然脈沖脫磁相比之前的工頻、中頻脫磁器有了較大的提升，但是仍有不足之處。脈沖脫磁器在電容充電時，脫磁線圈中并沒有電流，導致脫磁管道存在無磁時間，礦漿經過脫磁線圈時不能接受盡可能多的脫磁次數，從而會降低脫磁效果。同時基于LC振蕩的特性，脈沖脫磁器的頻率不便調節，在應對不同礦漿工況時無法達到最佳效果。并且調整脫磁周期會影響衰減程度，導致有可能無法完全包絡礦石磁滯回線。

礦物分級篩選，隨著粒度尺寸減小，礦粉矯頑力增加，如圖3所示。

圖3 粒度與矯頑力的關系

這又導致了一些新問題。高矯頑力物質中，每個磁疇的磁化作用被強烈的約束至特定的晶格方向，而不易在顆粒中旋轉。可以使顆粒產生足夠的力矩使之旋轉，直到它的凈磁化強度與外磁場一致。如顆粒旋轉的足夠快使它與外磁場同步，該顆粒將不能得到有效脫磁，因此，它將保持充分磁化狀態。要解決這一問題需要提高脫磁的頻率。此外，影響脫磁效果的外部原因還包括：壓力管路管道中心的礦漿流速要快于外層、管路直徑變化流量發生改變，如圖4所示。

圖4 壓力管道內流速分布

對于上述實際生產中的問題，工頻脫磁器、中頻脫磁器和脈沖脫磁器沒有較好的解決方案。

3 基于IGBT的可變頻諧合波脫磁器

3.1 裝置結構

可變頻諧合波脫磁裝置主要由控制柜和脫磁管組成。控制柜內主要由控制器、電源、IGBT 模塊等組成，脫磁管主要由線圈、管道和法蘭組成。結構如圖5所示。

圖5 脫磁裝置結構圖

該脫磁裝置采用以DSP 為核心組成部分的控制器。控制器含有DSP 最小系統、IGBT 驅動電路以及采樣電路。DSP承擔程序運行以及大量的信號發出與采集工作。對IGBT 輸出控制信號的驅動電路使用光電耦合元件，將大電流與控制電路隔離，防止雜波進入控制電路造成干擾，也防止大電流、大電壓對控制電路產生沖擊，損壞元器件。通過應用DSP 的可編程功能與數字信號采樣功能，該脫磁設備可長時間自動運行，并實時檢測各部分運行參數，發生異常時可自動停止并報警，實現控制系統的高度自動化，保障設備工作的安全與穩定。

為保證在現場惡劣環境條件下，設備仍可正常、安全運行，該裝置設計了各項保護功能。柜體采用防噴淋設計，柜體內部使用風機、散熱片組成的散熱通道，形成良好的散熱環境，防止IGBT 模塊過熱。柜體外部設有蜂鳴器聲光報警，系統故障時，發出聲光報警信號。IGBT 內部集成有IPM 模塊，具有過電流、欠壓、過熱、短路等自我保護功能，在遇見短路等大電流沖擊或其他異常情況時能自我關斷保護，確保控制電路不受損害，保證設備可靠穩定運行。

3.2 工作原理

工作電路主要由整流橋、電容、電阻、線圈與IGBT 構成。整流橋將外部交流電整流為所需直流電源，兩個電阻Rb1與Rb2串聯形成回路，在電阻上各并聯有兩個大容量電容，其結構如圖6所示。

圖6 主電路部分

脫磁裝置運行時，外部交流供電通過整流橋為大容量電容C1～C4 充電，C1～C4 充滿后，第一個IGBT 導通，第二個IGBT 處于關斷狀態，此時Rb1 兩端電壓加在線圈兩端，線圈中電流與磁場強度開始上升，IGBT保持導通，則線圈中電流將上升至最大值，同時線圈產生的磁場也將達到最強。在此過程中，大容量電容C1、C3 起到維持電壓的作用，穩定線圈兩端電壓不下降。此過程結束，第一個IGBT 關斷，線圈中電流與磁場開始減弱，這時線圈與Rb2 與第二個IGBT的續流二極管構成回路，直至耗盡線圈磁場儲存的能量。至此交變磁場的第一個上半周完成。隨后，第二個IGBT導通，第一個IGBT處于關斷狀態，此時Rb2兩端電壓加在線圈兩端，與之前過程類似，但方向相反。此過程結束，第二個IGBT關斷，直至耗盡線圈磁場儲存的能量。交變磁場的第一個全波型完成。

交變磁場的第二個全波型與第一個全波型工作過程基本相同，但控制IGBT 導通的脈沖寬度縮短，因此線圈上的電流未上升至之前的最大值，線圈產生的磁場的最大值也相應減弱。以此類推，IGBT控制信號的脈沖寬度不斷縮短，線圈每個全波過程產生的磁場強度都在遞減，直至IGBT控制信號脈沖寬度減小至零。此時，一個完整的交變衰減磁場周期完成。一個周期中的線圈電流波形與IGBT 控制信號如圖7所示。

圖7 線圈電流波形與IGBT控制信號

4 試驗數據

在礦山選礦作業實際生產工況環境下，對脫磁裝置進行了各項測試。

對某礦山選礦作業一段時間內，可變頻諧合波脫磁器工作的效果進行統計，并與該礦段歷史數據結合比對，結果如表1所列。

表1 篩分效率對比

通過試驗數據對比可以看出，在二段分級效率上，相較于未脫磁礦粉，使用工頻脫磁器脫磁后分級效率提升約6%，使用脈沖脫磁器脫磁后分級效率提升約7%，使用可變頻諧合波脫磁器脫磁后分級效率提升約8.5%。在細篩效率上，相較于未脫磁礦粉，使用工頻脫磁器脫磁后細篩效率提升約2%，使用脈沖脫磁器脫磁后細篩效率提升約6%，使用可變頻諧合波脫磁器脫磁后細篩效率提升約9%。前兩項最終使得精礦品位分別提升約4%、7%、9%。由此可見，與工頻脫磁器和脈沖脫磁器相比，可變頻諧合波脫磁器有更好的脫磁效果，可以增加選礦段工作效率，提升精礦品質。

幾種脫磁設備的功率，熱功率與矯頑力參數如表2所列。可變頻諧合波脫磁器在實際工況環境下試驗測定的部分運行參數如表3所列。

表2 脫磁設備參數對比

表3 脫磁裝置在380 V供電時的參數

通過表3 的試驗數據可以看出，在保持全周期時間相同且矯頑力達到要求時，此脫磁裝置頻率由200 Hz 上升至800 Hz 時，在變壓器原邊上的電流從1.1 A 下降至0.6 A。而頻率越高，通過管道的礦料就能經過更多次數的衰減振蕩磁場，礦料的脫磁效果也就越好。對比表2 中的數據可以發現，可變頻諧合波脫磁器更節能，線圈發熱小，矯頑力強。

綜合試驗數據對比，在現有實際生產要求的工況下，可變頻諧合波脫磁器的優勢充分體現。由于振蕩基于半導體器件產生，頻率完全可調，最大矯頑力可調，衰減斜率可調，該型脫磁器可以在不改變硬件的情況下，調整工作頻率，適應各分級礦料粒度，使各選礦分級達到最佳工況。其不需要電容充電過程，可以自由調整衰減斜率，在保證包絡磁滯回線的前提下，盡可能縮短一個脫磁周期的時間使礦漿流過固定長度的脫磁管道時可以經過更多次的脫磁周期。其不受限于電容大小，脫磁器線圈電流相比于脈沖脫磁器可上升至相當高的程度，可在相同矯頑力要求下達到更大的截面積或在相同截面積條件下達到更強的矯頑力，對焙燒鐵礦等高矯頑力磁鐵礦有更好的脫磁效果。可變頻諧合波脫磁器的優勢還表現在功耗上，相比于脈沖脫磁設備，其工作時的輸入電流明顯減小，并且在通常工作頻率上有更小的輸入電流，工作效率高。

5 結語

針對傳統脫磁設備的不足之處，可變頻諧合波脫磁設備采用全新的磁場發生方法設計脫磁設備中的工作電路部分，充分應用新興的半導體器件，大幅度提高系統效率。應用光電隔離器件實現電信號隔離，使得主電路與控制電路互不干擾，設備抗干擾能力強。設備經過試驗測試與實際使用的檢驗，可靠性好、故障率低、工作效率高、脫磁效果好，可以適應市場需求。