1 鋼鐵工業(yè)流程簡述

      鋼鐵工業(yè)是材料工業(yè)，由于鋼鐵具有良好的物理和化學(xué)性能，生鐵堅硬，耐磨，鑄造性能好，但生鐵脆，不能鍛壓。鋼有較高的機(jī)械強度和韌性，耐熱，耐腐蝕，耐磨，電磁性能好，容易焊接加工，可滿足多方面需要和特殊性能要求。此外，鋼鐵價格便宜，儲量豐富（鐵元素的地殼豐度為5.6%），加之冶煉和加工方法簡單，效率高，規(guī)模大，產(chǎn)量高而成本低，雖然面臨其他材料激烈競爭（包括代用材料和塑料、水泥和鋁等競爭），但國內(nèi)外都是以大型化、新工藝、新設(shè)備、臨海鋼鐵廠、自動化和電子計算機(jī)的應(yīng)用等手段，使鋼鐵工業(yè)不斷技術(shù)進(jìn)步，而保持多年價格不變，故鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣，發(fā)展最快的金屬材料，是建筑、汽車、鐵路、航運、電器、電力、食品等工業(yè)不可缺少的材料。

      鋼鐵企業(yè)大都由一系列工廠組成，規(guī)模大。鋼鐵工業(yè)如圖1所示，是聯(lián)合企業(yè)型式，包括采礦、選礦、然后把選得的精礦燒結(jié)或制成球團(tuán)，造成適合于高爐所需塊度的原料，經(jīng)高爐煉成鋼，鑄成錠以后，經(jīng)各式軋機(jī)軋成板材、管材、型材和線材等，生產(chǎn)過程十分復(fù)雜，設(shè)備極其不同。

      由礦石到鋼材的生產(chǎn)有多種流程，但主要是下列兩種流程 [1]：燒結(jié)球團(tuán)和焦化-高爐-轉(zhuǎn)爐-軋機(jī)流程、直接還原或熔融還原-電爐-軋機(jī)流程。前者被稱為長流程（見圖1，是目前的主流程），后者則被稱為短流程。兩者都是由一系列分廠或車間組成的鋼鐵總廠，前者一般分為原料場，燒結(jié)、球團(tuán)、焦化（或煉焦、化工）、煉鐵、煉鋼（含鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐、爐外精煉、連續(xù)鑄鋼）和各類軋鋼（鋼管、熱軋帶鋼、冷軋板帶、線棒材、型鋼、軌梁、中厚板等）等分廠；此外還有一些輔助分廠，如動力部（包括發(fā)電、供電、煤氣、氧氣、給水等分廠）。選礦廠一般在礦山附近（一般與采礦合為礦山公司），只有礦山較近時才設(shè)在鋼鐵廠內(nèi)。后者沒有燒結(jié)、球團(tuán)、焦化分廠（圖1 中直接還原以下的流程）。

      2 交流調(diào)速及變頻器在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用簡介

      我國電工產(chǎn)品耗電約占全國發(fā)電量的70%，而冶金系統(tǒng)年耗電量約占全國發(fā)電量的9.3%左右（包括電弧爐、鐵合金電爐等），而驅(qū)動的電動機(jī)占很大一部分，因此其有效操作和節(jié)能降耗是至關(guān)重要的。

      鋼鐵企業(yè)使用的電動機(jī)有直流電動機(jī)和交流電動機(jī)，由于有許多要求調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械對電氣控制系統(tǒng)有一定的要求，如調(diào)速范圍、動態(tài)響應(yīng)、靜差度等，過去由于交流電動機(jī)控制系統(tǒng)不能滿足這些要求，因此直流電動機(jī)一直占主導(dǎo)地位，但直流電動機(jī)有一系列缺點，如結(jié)構(gòu)上有換向器及電刷使日常維護(hù)量增加、電刷與整流子經(jīng)常產(chǎn)生火花而要求較好的安裝環(huán)境及不能用于易燃易爆和環(huán)境惡劣的場所、與同容量交流電動機(jī)比體積和重量及轉(zhuǎn)動慣量都較大價格也較高、效率低比交流電動機(jī)低2~3%等，而交流電動機(jī)近十多年隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)代控制理論應(yīng)用，使交流調(diào)速迅速發(fā)展，它克服了直流電動機(jī)的缺點，且調(diào)速特性與直流調(diào)速性能完全一樣甚至超過，如過渡過程快等。故近來主要是使用交流電動機(jī)驅(qū)動和交流調(diào)速，特別是新建的機(jī)組，甚至大功率（單機(jī)達(dá)9000kW）、要求嚴(yán)格的帶鋼熱連軋機(jī)也使用交流電動機(jī)驅(qū)動和交流調(diào)速（參看表1）。

      交流調(diào)速有多種方法（異步電動機(jī)的變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，液力耦合器調(diào)速、機(jī)械差動調(diào)速、變頻調(diào)速等），但主流是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的變頻電源有旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組和靜止變頻裝置。前者由異步或同步電動機(jī)-支流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)-同步發(fā)電機(jī)兩套機(jī)組組成。后者則由電力電子器件和微電子器件組成，吳可動部分。由于旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組設(shè)備龐大、有可動部分、維護(hù)量大、效率低和性能差，故已被靜止變頻裝置代替。

      靜止變頻裝置就是現(xiàn)在廣泛使用的變頻裝置，可分為交-直-交變頻和交-交變頻兩大類，交-直-交變頻又可分為電壓型和電流型兩大類，交-交變頻多位電壓型、也有少量使用電流型。變頻控制方式分為電壓型、電流型、脈沖寬度調(diào)制型等。其主回路的拓?fù)?、控制策略都有多種方式可以選擇，如功率器件有SCR(晶閘管，Thyristor)、GTO(門極關(guān)斷晶閘管，Gate Turn-Off Thyristor)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管，Insulated-Gate Bipolar Transistor)、IGCT（集成門極換流晶閘管，Integrated Gate Commutated Thyristor，是一種新型半導(dǎo)體功率器件，在GTO的基礎(chǔ)發(fā)展起來的）等；主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可選擇兩電平、三電平、負(fù)載換相式SCR電流型變頻器等，控制策略可選擇V/f控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、脈沖寬度控制（PWM）或脈沖幅度調(diào)制（PAM）等，電壓也有高壓（3~6kV，主要是大容量的同步或異步電動機(jī)）、中壓或低壓（如一般的小功率380V和軋鋼輔傳動的電動機(jī)）等，一般地說，1000kW以下的電動機(jī)較適合采用IGBT的通用變頻器。國外電氣公司，如德國西門子、法國阿爾斯通、瑞典ABB、美國GE、意大利ANSOLDO、日本日立、日本三菱、日本安川等公司都生產(chǎn)各種容量、不同電壓的通用變頻器可供選用，選擇時可適當(dāng)參照其業(yè)績及在類似或同樣機(jī)組使用情況和經(jīng)驗與效果。

      變頻所用電動機(jī)也需注意，一般1000kW以下的電動機(jī)，采用異步電動機(jī)性能價格比較好，對于容量較大的可采用同步電動機(jī)或異步電動機(jī)。異步電動機(jī)一般采用線繞電機(jī)，而容量較小的電動機(jī)一般采用鼠籠電機(jī)。由于傳動控制系統(tǒng)一般采用PWM變頻器，故電機(jī)也須特殊設(shè)計，以滿足PWM變頻調(diào)速的要求（按不同機(jī)組情況，包括允許過載%、過載時間、工作制、絕緣等級、保護(hù)等級、額定電壓等）。

      鋼鐵企業(yè)許多機(jī)械要求調(diào)速，傳統(tǒng)的用閥門調(diào)節(jié)流量的風(fēng)機(jī)、水泵為節(jié)能也要求調(diào)速，此外，不要求調(diào)速的大功率的同步電動機(jī)（如功率達(dá)40000kW的高爐電動鼓風(fēng)機(jī)，功率超過7600kW的燒結(jié)主抽鼓風(fēng)機(jī)等）和異步電動機(jī)（如選礦的球磨機(jī)等）也需要使用調(diào)速的軟啟動和停車，因此要求調(diào)速的電動機(jī)，特別從容量來說，占絕大部分（據(jù)統(tǒng)計，鋼鐵工業(yè)要求調(diào)速的電動機(jī)從數(shù)量上說大致為20%，而容量上說，卻占80%）。

      表2列出了交流變頻裝置在鋼鐵工業(yè)主要機(jī)組典型應(yīng)用地點。