一种基于IGBT的可变频谐合波脱磁装置

林毓昊

（大冶有色金属有限责任公司，湖北大冶 435100）

引言

我国钢铁工业发展迅速，冶炼产业不仅注重产量提升，更注重产品质量提升，工艺升级，追求高效。在这样的情形下，矿料除杂的工艺提升成为了钢铁产业高质量发展中重要的技术改进之一。

磁选作业通常要将矿石粉碎至粉末状，矿粉通过磁选后仍具有剩磁，因磁性矿粉聚团形成的颗粒直径远大于粉碎形成的单个颗粒直径[1]。在分级工与细筛工艺环节上，大颗粒容易夹带杂质，无法通过筛孔，影响产品质量[2]，严重干扰选矿工序的正常进行[3]。所以在分级工艺与细筛工艺之前，都需要对矿粉进行消磁处理，消除矿粉聚团带来的问题。

最初脱磁原理基于交流去磁法，即在线圈中通入正弦波形交流电，并使此交流电的幅值逐渐减小至零[4]。使用这种方法的脱磁设备，通常存在工作电流较大、发热严重、线缆沉重、振荡磁场频率无法改变等问题，最终会导致脱磁效率不足而耗电量较大。为了解决交流去磁法的不足，出现了基于LC振荡电路的脱磁器，由于此方式使用电容给线圈供电，不可避免地在电容充电时线圈中没有电流和磁场，造成脱磁器有无磁区，脱磁效果不理想。而且基于LC振荡电路的脱磁器在流速、矿浆浓度等现场条件发生变化时不便对频率做出调整[5]。同时，由于大电容大电感的自身特性，在电压不稳定时，容易发生电容过压损毁的故障。

随着半导体技术飞速发展，IGBT 逐渐被应用于脱磁器的电路。由于IGBT 集合了金属氧化物半导体场效应晶体管和双极结型晶体管的优点[6]，即输入阻抗高、速度快、热稳定性好，且驱动电路简单、驱动电流小等特点，又具有通态压降小、耐压高及承受电流大等优点。在要求快速、低损耗的领域，绝缘栅双极型晶体管已经成为主流器件之一。

基于IGBT搭建可变频谐合波脱磁装置，它通过控制IGBT通断与导通时间，进而控制电流方向来产生交变衰减磁场，并实现频率可调。达到矫顽力强，节能可靠，适应复杂现场工况的效果。

1 脱磁原理

铁矿石一般具备天然磁性，通常的铁矿石中含铁化合物均为磁性材料，具有可被磁化的性质[7-8]。其磁化规律如图1所示。

图1 磁化曲线

铁矿原料中磁性物质的磁感应强度，随磁选机磁场强度增加而逐渐增加至饱和状态。当铁矿原料脱离磁选机后，外部施加的磁场强度消失，但铁矿原料中的磁性物质，并不会逆磁化曲线回归原点，而是沿着外围磁滞回线到达BI位置，即保留一定的剩磁。因此，想要消除剩磁，就必须使铁矿原料中磁性材料的磁滞回线包围面积缩小至趋近于零[9]。具体方法是对磁性材料施加强度方向不断变化，幅值不断减小的外部磁场。磁性材料消磁过程中磁滞回线变化如图2所示。

图2 消磁过程中的磁滞回线变化

图2中，上部是磁滞回线变化曲线，下部是外加磁场变化曲线，磁滞回线饱和点与磁场波峰相对应。每次磁场变化，矿料磁化饱和点的磁场强度都在减小，最终趋近于零，以达到消除剩磁的目的[10]。

2 当前实际生产中的问题

实际生产中，脱磁设备主要应用于铁矿石球磨后的分级作业。矿粉磁选后需要进行细筛工序，如果矿粉仍具有磁性，则会形成聚团，无法通过筛选，影响工序正常进行。脱磁设备的作用就是去除矿粉的剩磁，保障细筛效率。

现有的脱磁器普遍采用交流去磁与脉冲去磁。交流去磁法，其实现方法是通过外加一个正弦交变磁场，并使其振幅从最大值逐渐减小到零，从而达到对矿石脱磁的目的。采用交流去磁法的工频脱磁器主要部件包括变内径线圈组、矿浆橡胶管、电容组和电源组。根据矿山行业生产实践经验、有关试验记录以及物理原理，脱磁器最大的磁场强度为矿物矫顽磁力的5 倍以上可以得到较好的退磁效果，对于天然磁铁矿，12 个周期可保证较好的脱磁效果。由于磁场衰减通过设置不同内径线圈实现，工频脱磁方式仅能完成一次完整的脱磁周期，脱磁效果不佳。并且线圈尺寸大、电流大，还需要水冷却，能耗高，不经济。工频脱磁器的改进型是中频脱磁器，有更高的频率使得矿浆可以经过更多次的脱磁周期，但仍然有尺寸大、发热与脱磁效率低的缺陷。

脉冲去磁法基于LC 振荡原理，具有矫顽磁场强、频率高、能耗低的优势。虽然脉冲脱磁相比之前的工频、中频脱磁器有了较大的提升，但是仍有不足之处。脉冲脱磁器在电容充电时，脱磁线圈中并没有电流，导致脱磁管道存在无磁时间，矿浆经过脱磁线圈时不能接受尽可能多的脱磁次数，从而会降低脱磁效果。同时基于LC振荡的特性，脉冲脱磁器的频率不便调节，在应对不同矿浆工况时无法达到最佳效果。并且调整脱磁周期会影响衰减程度，导致有可能无法完全包络矿石磁滞回线。

矿物分级筛选，随着粒度尺寸减小，矿粉矫顽力增加，如图3所示。

图3 粒度与矫顽力的关系

这又导致了一些新问题。高矫顽力物质中，每个磁畴的磁化作用被强烈的约束至特定的晶格方向，而不易在颗粒中旋转。可以使颗粒产生足够的力矩使之旋转，直到它的净磁化强度与外磁场一致。如颗粒旋转的足够快使它与外磁场同步，该颗粒将不能得到有效脱磁，因此，它将保持充分磁化状态。要解决这一问题需要提高脱磁的频率。此外，影响脱磁效果的外部原因还包括：压力管路管道中心的矿浆流速要快于外层、管路直径变化流量发生改变，如图4所示。

图4 压力管道内流速分布

对于上述实际生产中的问题，工频脱磁器、中频脱磁器和脉冲脱磁器没有较好的解决方案。

3 基于IGBT的可变频谐合波脱磁器

3.1 装置结构

可变频谐合波脱磁装置主要由控制柜和脱磁管组成。控制柜内主要由控制器、电源、IGBT 模块等组成，脱磁管主要由线圈、管道和法兰组成。结构如图5所示。

图5 脱磁装置结构图

该脱磁装置采用以DSP 为核心组成部分的控制器。控制器含有DSP 最小系统、IGBT 驱动电路以及采样电路。DSP承担程序运行以及大量的信号发出与采集工作。对IGBT 输出控制信号的驱动电路使用光电耦合元件，将大电流与控制电路隔离，防止杂波进入控制电路造成干扰，也防止大电流、大电压对控制电路产生冲击，损坏元器件。通过应用DSP 的可编程功能与数字信号采样功能，该脱磁设备可长时间自动运行，并实时检测各部分运行参数，发生异常时可自动停止并报警，实现控制系统的高度自动化，保障设备工作的安全与稳定。

为保证在现场恶劣环境条件下，设备仍可正常、安全运行，该装置设计了各项保护功能。柜体采用防喷淋设计，柜体内部使用风机、散热片组成的散热通道，形成良好的散热环境，防止IGBT 模块过热。柜体外部设有蜂鸣器声光报警，系统故障时，发出声光报警信号。IGBT 内部集成有IPM 模块，具有过电流、欠压、过热、短路等自我保护功能，在遇见短路等大电流冲击或其他异常情况时能自我关断保护，确保控制电路不受损害，保证设备可靠稳定运行。

3.2 工作原理

工作电路主要由整流桥、电容、电阻、线圈与IGBT 构成。整流桥将外部交流电整流为所需直流电源，两个电阻Rb1与Rb2串联形成回路，在电阻上各并联有两个大容量电容，其结构如图6所示。

图6 主电路部分

脱磁装置运行时，外部交流供电通过整流桥为大容量电容C1～C4 充电，C1～C4 充满后，第一个IGBT 导通，第二个IGBT 处于关断状态，此时Rb1 两端电压加在线圈两端，线圈中电流与磁场强度开始上升，IGBT保持导通，则线圈中电流将上升至最大值，同时线圈产生的磁场也将达到最强。在此过程中，大容量电容C1、C3 起到维持电压的作用，稳定线圈两端电压不下降。此过程结束，第一个IGBT 关断，线圈中电流与磁场开始减弱，这时线圈与Rb2 与第二个IGBT的续流二极管构成回路，直至耗尽线圈磁场储存的能量。至此交变磁场的第一个上半周完成。随后，第二个IGBT导通，第一个IGBT处于关断状态，此时Rb2两端电压加在线圈两端，与之前过程类似，但方向相反。此过程结束，第二个IGBT关断，直至耗尽线圈磁场储存的能量。交变磁场的第一个全波型完成。

交变磁场的第二个全波型与第一个全波型工作过程基本相同，但控制IGBT 导通的脉冲宽度缩短，因此线圈上的电流未上升至之前的最大值，线圈产生的磁场的最大值也相应减弱。以此类推，IGBT控制信号的脉冲宽度不断缩短，线圈每个全波过程产生的磁场强度都在递减，直至IGBT控制信号脉冲宽度减小至零。此时，一个完整的交变衰减磁场周期完成。一个周期中的线圈电流波形与IGBT 控制信号如图7所示。

图7 线圈电流波形与IGBT控制信号

4 试验数据

在矿山选矿作业实际生产工况环境下，对脱磁装置进行了各项测试。

对某矿山选矿作业一段时间内，可变频谐合波脱磁器工作的效果进行统计，并与该矿段历史数据结合比对，结果如表1所列。

表1 筛分效率对比

通过试验数据对比可以看出，在二段分级效率上，相较于未脱磁矿粉，使用工频脱磁器脱磁后分级效率提升约6%，使用脉冲脱磁器脱磁后分级效率提升约7%，使用可变频谐合波脱磁器脱磁后分级效率提升约8.5%。在细筛效率上，相较于未脱磁矿粉，使用工频脱磁器脱磁后细筛效率提升约2%，使用脉冲脱磁器脱磁后细筛效率提升约6%，使用可变频谐合波脱磁器脱磁后细筛效率提升约9%。前两项最终使得精矿品位分别提升约4%、7%、9%。由此可见，与工频脱磁器和脉冲脱磁器相比，可变频谐合波脱磁器有更好的脱磁效果，可以增加选矿段工作效率，提升精矿品质。

几种脱磁设备的功率，热功率与矫顽力参数如表2所列。可变频谐合波脱磁器在实际工况环境下试验测定的部分运行参数如表3所列。

表2 脱磁设备参数对比

表3 脱磁装置在380 V供电时的参数

通过表3 的试验数据可以看出，在保持全周期时间相同且矫顽力达到要求时，此脱磁装置频率由200 Hz 上升至800 Hz 时，在变压器原边上的电流从1.1 A 下降至0.6 A。而频率越高，通过管道的矿料就能经过更多次数的衰减振荡磁场，矿料的脱磁效果也就越好。对比表2 中的数据可以发现，可变频谐合波脱磁器更节能，线圈发热小，矫顽力强。

综合试验数据对比，在现有实际生产要求的工况下，可变频谐合波脱磁器的优势充分体现。由于振荡基于半导体器件产生，频率完全可调，最大矫顽力可调，衰减斜率可调，该型脱磁器可以在不改变硬件的情况下，调整工作频率，适应各分级矿料粒度，使各选矿分级达到最佳工况。其不需要电容充电过程，可以自由调整衰减斜率，在保证包络磁滞回线的前提下，尽可能缩短一个脱磁周期的时间使矿浆流过固定长度的脱磁管道时可以经过更多次的脱磁周期。其不受限于电容大小，脱磁器线圈电流相比于脉冲脱磁器可上升至相当高的程度，可在相同矫顽力要求下达到更大的截面积或在相同截面积条件下达到更强的矫顽力，对焙烧铁矿等高矫顽力磁铁矿有更好的脱磁效果。可变频谐合波脱磁器的优势还表现在功耗上，相比于脉冲脱磁设备，其工作时的输入电流明显减小，并且在通常工作频率上有更小的输入电流，工作效率高。

5 结语

针对传统脱磁设备的不足之处，可变频谐合波脱磁设备采用全新的磁场发生方法设计脱磁设备中的工作电路部分，充分应用新兴的半导体器件，大幅度提高系统效率。应用光电隔离器件实现电信号隔离，使得主电路与控制电路互不干扰，设备抗干扰能力强。设备经过试验测试与实际使用的检验，可靠性好、故障率低、工作效率高、脱磁效果好，可以适应市场需求。