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(zé)任公司，湖北大冶 435100）

引言

我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速，冶煉產(chǎn)業(yè)不僅注重產(chǎn)量提升，更注重產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展中重要的技術(shù)改進(jìn)之一。

磁選作業(yè)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(tuán)形成的顆粒直徑遠(yuǎn)大于粉碎形成的單個(gè)顆粒直徑[1]。在分級工與細(xì)篩工藝環(huán)節(jié)上，大顆粒容易夾帶雜質(zhì)，無法通過篩孔，影響產(chǎn)品質(zhì)量[2]，嚴(yán)重干擾選礦工序的正常進(jìn)行[3]。所以在分級工藝與細(xì)篩工藝之前，都需要對礦粉進(jìn)行消磁處理，消除礦粉聚團(tuán)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(shè)備，通常存在工作電流較大、發(fā)熱嚴(yán)重、線纜沉重、振蕩磁場頻率無法改變等問題，最終會(huì)導(dǎo)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(xiàn)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(shí)線圈中沒有電流和磁場，造成脫磁器有無磁區(qū)，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(xiàn)場條件發(fā)生變化時(shí)不便對頻率做出調(diào)整[5]。同時(shí)，由于大電容大電感的自身特性，在電壓不穩(wěn)定時(shí)，容易發(fā)生電容過壓損毀的故障。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展，IGBT 逐漸被應(yīng)用于脫磁器的電路。由于IGBT 集合了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和雙極結(jié)型晶體管的優(yōu)點(diǎn)[6]，即輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好，且驅(qū)動(dòng)電路簡單、驅(qū)動(dòng)電流小等特點(diǎn)，又具有通態(tài)壓降小、耐壓高及承受電流大等優(yōu)點(diǎn)。在要求快速、低損耗的領(lǐng)域，絕緣柵雙極型晶體管已經(jīng)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(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而控制電流方向來產(chǎn)生交變衰減磁場，并實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)。達(dá)到矯頑力強(qiáng)，節(jié)能可靠，適應(yīng)復(fù)雜現(xiàn)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(zhì)[7-8]。其磁化規(guī)律如圖1所示。

圖1 磁化曲線

鐵礦原料中磁性物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，隨磁選機(jī)磁場強(qiáng)度增加而逐漸增加至飽和狀態(tài)。當(dāng)鐵礦原料脫離磁選機(jī)后，外部施加的磁場強(qiáng)度消失，但鐵礦原料中的磁性物質(zhì)，并不會(huì)逆磁化曲線回歸原點(diǎn)，而是沿著外圍磁滯回線到達(dá)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(qiáng)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(diǎn)與磁場波峰相對應(yīng)。每次磁場變化，礦料磁化飽和點(diǎn)的磁場強(qiáng)度都在減小，最終趨近于零，以達(dá)到消除剩磁的目的[10]。

2 當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)中的問題

實(shí)際生產(chǎn)中，脫磁設(shè)備主要應(yīng)用于鐵礦石球磨后的分級作業(yè)。礦粉磁選后需要進(jìn)行細(xì)篩工序，如果礦粉仍具有磁性，則會(huì)形成聚團(tuán)，無法通過篩選，影響工序正常進(jìn)行。脫磁設(shè)備的作用就是去除礦粉的剩磁，保障細(xì)篩效率。

現(xiàn)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(shí)現(xiàn)方法是通過外加一個(gè)正弦交變磁場，并使其振幅從最大值逐漸減小到零，從而達(dá)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(nèi)徑線圈組、礦漿橡膠管、電容組和電源組。根據(jù)礦山行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、有關(guān)試驗(yàn)記錄以及物理原理，脫磁器最大的磁場強(qiáng)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(gè)周期可保證較好的脫磁效果。由于磁場衰減通過設(shè)置不同內(nèi)徑線圈實(shí)現(xiàn)，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(jīng)濟(jì)。工頻脫磁器的改進(jìn)型是中頻脫磁器，有更高的頻率使得礦漿可以經(jīng)過更多次的脫磁周期，但仍然有尺寸大、發(fā)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(qiáng)、頻率高、能耗低的優(yōu)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(shí)，脫磁線圈中并沒有電流，導(dǎo)致脫磁管道存在無磁時(shí)間，礦漿經(jīng)過脫磁線圈時(shí)不能接受盡可能多的脫磁次數(shù)，從而會(huì)降低脫磁效果。同時(shí)基于LC振蕩的特性，脈沖脫磁器的頻率不便調(diào)節(jié)，在應(yīng)對不同礦漿工況時(shí)無法達(dá)到最佳效果。并且調(diào)整脫磁周期會(huì)影響衰減程度，導(dǎo)致有可能無法完全包絡(luò)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(guān)系

這又導(dǎo)致了一些新問題。高矯頑力物質(zhì)中，每個(gè)磁疇的磁化作用被強(qiáng)烈的約束至特定的晶格方向，而不易在顆粒中旋轉(zhuǎn)?？梢允诡w粒產(chǎn)生足夠的力矩使之旋轉(zhuǎn)，直到它的凈磁化強(qiáng)度與外磁場一致。如顆粒旋轉(zhuǎn)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(tài)。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(fā)生改變，如圖4所示。

圖4 壓力管道內(nèi)流速分布

對于上述實(shí)際生產(chǎn)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(jié)構(gòu)

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(nèi)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(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 脫磁裝置結(jié)構(gòu)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(tǒng)、IGBT 驅(qū)動(dòng)電路以及采樣電路。DSP承擔(dān)程序運(yùn)行以及大量的信號發(fā)出與采集工作。對IGBT 輸出控制信號的驅(qū)動(dòng)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(jìn)入控制電路造成干擾，也防止大電流、大電壓對控制電路產(chǎn)生沖擊，損壞元器件。通過應(yīng)用DSP 的可編程功能與數(shù)字信號采樣功能，該脫磁設(shè)備可長時(shí)間自動(dòng)運(yùn)行，并實(shí)時(shí)檢測各部分運(yùn)行參數(shù)，發(fā)生異常時(shí)可自動(dòng)停止并報(bào)警，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高度自動(dòng)化，保障設(shè)備工作的安全與穩(wěn)定。

為保證在現(xiàn)場惡劣環(huán)境條件下，設(shè)備仍可正常、安全運(yùn)行，該裝置設(shè)計(jì)了各項(xiàng)保護(hù)功能。柜體采用防噴淋設(shè)計(jì)，柜體內(nèi)部使用風(fēng)機(jī)、散熱片組成的散熱通道，形成良好的散熱環(huán)境，防止IGBT 模塊過熱。柜體外部設(shè)有蜂鳴器聲光報(bào)警，系統(tǒng)故障時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號。IGBT 內(nèi)部集成有IPM 模塊，具有過電流、欠壓、過熱、短路等自我保護(hù)功能，在遇見短路等大電流沖擊或其他異常情況時(shí)能自我關(guān)斷保護(hù)，確?？刂齐娐凡皇軗p害，保證設(shè)備可靠穩(wěn)定運(yùn)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(gòu)成。整流橋?qū)⑼獠拷涣麟娬鳛樗柚绷麟娫?，兩個(gè)電阻Rb1與Rb2串聯(lián)形成回路，在電阻上各并聯(lián)有兩個(gè)大容量電容，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 主電路部分

脫磁裝置運(yùn)行時(shí)，外部交流供電通過整流橋?yàn)榇笕萘侩娙軨1～C4 充電，C1～C4 充滿后，第一個(gè)IGBT 導(dǎo)通，第二個(gè)IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)Rb1 兩端電壓加在線圈兩端，線圈中電流與磁場強(qiáng)度開始上升，IGBT保持導(dǎo)通，則線圈中電流將上升至最大值，同時(shí)線圈產(chǎn)生的磁場也將達(dá)到最強(qiáng)。在此過程中，大容量電容C1、C3 起到維持電壓的作用，穩(wěn)定線圈兩端電壓不下降。此過程結(jié)束，第一個(gè)IGBT 關(guān)斷，線圈中電流與磁場開始減弱，這時(shí)線圈與Rb2 與第二個(gè)IGBT的續(xù)流二極管構(gòu)成回路，直至耗盡線圈磁場儲(chǔ)存的能量。至此交變磁場的第一個(gè)上半周完成。隨后，第二個(gè)IGBT導(dǎo)通，第一個(gè)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)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(jié)束，第二個(gè)IGBT關(guān)斷，直至耗盡線圈磁場儲(chǔ)存的能量。交變磁場的第一個(gè)全波型完成。

交變磁場的第二個(gè)全波型與第一個(gè)全波型工作過程基本相同，但控制IGBT 導(dǎo)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(chǎn)生的磁場的最大值也相應(yīng)減弱。以此類推，IGBT控制信號的脈沖寬度不斷縮短，線圈每個(gè)全波過程產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度都在遞減，直至IGBT控制信號脈沖寬度減小至零。此時(shí)，一個(gè)完整的交變衰減磁場周期完成。一個(gè)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(yàn)數(shù)據(jù)

在礦山選礦作業(yè)實(shí)際生產(chǎn)工況環(huán)境下，對脫磁裝置進(jìn)行了各項(xiàng)測試。

對某礦山選礦作業(yè)一段時(shí)間內(nèi)，可變頻諧合波脫磁器工作的效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與該礦段歷史數(shù)據(jù)結(jié)合比對，結(jié)果如表1所列。

表1 篩分效率對比

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(xì)篩效率上，相較于未脫磁礦粉，使用工頻脫磁器脫磁后細(xì)篩效率提升約2%，使用脈沖脫磁器脫磁后細(xì)篩效率提升約6%，使用可變頻諧合波脫磁器脫磁后細(xì)篩效率提升約9%。前兩項(xiàng)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(zhì)。

幾種脫磁設(shè)備的功率，熱功率與矯頑力參數(shù)如表2所列?？勺冾l諧合波脫磁器在實(shí)際工況環(huán)境下試驗(yàn)測定的部分運(yùn)行參數(shù)如表3所列。

表2 脫磁設(shè)備參數(shù)對比

表3 脫磁裝置在380 V供電時(shí)的參數(shù)

通過表3 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在保持全周期時(shí)間相同且矯頑力達(dá)到要求時(shí)，此脫磁裝置頻率由200 Hz 上升至800 Hz 時(shí)，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(jīng)過更多次數(shù)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(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，可變頻諧合波脫磁器更節(jié)能，線圈發(fā)熱小，矯頑力強(qiáng)。

綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，在現(xiàn)有實(shí)際生產(chǎn)要求的工況下，可變頻諧合波脫磁器的優(yōu)勢充分體現(xiàn)。由于振蕩基于半導(dǎo)體器件產(chǎn)生，頻率完全可調(diào)，最大矯頑力可調(diào)，衰減斜率可調(diào)，該型脫磁器可以在不改變硬件的情況下，調(diào)整工作頻率，適應(yīng)各分級礦料粒度，使各選礦分級達(dá)到最佳工況。其不需要電容充電過程，可以自由調(diào)整衰減斜率，在保證包絡(luò)磁滯回線的前提下，盡可能縮短一個(gè)脫磁周期的時(shí)間使礦漿流過固定長度的脫磁管道時(shí)可以經(jīng)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(dāng)高的程度，可在相同矯頑力要求下達(dá)到更大的截面積或在相同截面積條件下達(dá)到更強(qiáng)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?？勺冾l諧合波脫磁器的優(yōu)勢還表現(xiàn)在功耗上，相比于脈沖脫磁設(shè)備，其工作時(shí)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(jié)語

針對傳統(tǒng)脫磁設(shè)備的不足之處，可變頻諧合波脫磁設(shè)備采用全新的磁場發(fā)生方法設(shè)計(jì)脫磁設(shè)備中的工作電路部分，充分應(yīng)用新興的半導(dǎo)體器件，大幅度提高系統(tǒng)效率。應(yīng)用光電隔離器件實(shí)現(xiàn)電信號隔離，使得主電路與控制電路互不干擾，設(shè)備抗干擾能力強(qiáng)。設(shè)備經(jīng)過試驗(yàn)測試與實(shí)際使用的檢驗(yàn)，可靠性好、故障率低、工作效率高、脫磁效果好，可以適應(yīng)市場需求。