1 鋼鐵工業流程簡述

      鋼鐵工業是材料工業，由于鋼鐵具有良好的物理和化學性能，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，規模大，產量高而成本低，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），但國內外都是以大型化、新工藝、新設備、臨海鋼鐵廠、自動化和電子計算機的應用等手段，使鋼鐵工業不斷技術進步，而保持多年價格不變，故鋼鐵是現代工業中應用最廣，發展最快的金屬材料，是建筑、汽車、鐵路、航運、電器、電力、食品等工業不可缺少的材料。

      鋼鐵企業大都由一系列工廠組成，規模大。鋼鐵工業如圖1所示，是聯合企業型式，包括采礦、選礦、然后把選得的精礦燒結或制成球團，造成適合于高爐所需塊度的原料，經高爐煉成鋼，鑄成錠以后，經各式軋機軋成板材、管材、型材和線材等，生產過程十分復雜，設備極其不同。

      由礦石到鋼材的生產有多種流程，但主要是下列兩種流程 [1]：燒結球團和焦化-高爐-轉爐-軋機流程、直接還原或熔融還原-電爐-軋機流程。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、球團、焦化（或煉焦、化工）、煉鐵、煉鋼（含鐵水預處理、轉爐、爐外精煉、連續鑄鋼）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在鋼鐵廠內。后者沒有燒結、球團、焦化分廠（圖1 中直接還原以下的流程）。

      2 交流調速及變頻器在鋼鐵工業應用簡介

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

      鋼鐵企業使用的電動機有直流電動機和交流電動機，由于有許多要求調速的生產機械對電氣控制系統有一定的要求，如調速范圍、動態響應、靜差度等，過去由于交流電動機控制系統不能滿足這些要求，因此直流電動機一直占主導地位，但直流電動機有一系列缺點，如結構上有換向器及電刷使日常維護量增加、電刷與整流子經常產生火花而要求較好的安裝環境及不能用于易燃易爆和環境惡劣的場所、與同容量交流電動機比體積和重量及轉動慣量都較大價格也較高、效率低比交流電動機低2~3%等，而交流電動機近十多年隨著電力電子技術、微電子技術發展和現代控制理論應用，使交流調速迅速發展，它克服了直流電動機的缺點，且調速特性與直流調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驅動和交流調速，特別是新建的機組，甚至大功率（單機達9000kW）、要求嚴格的帶鋼熱連軋機也使用交流電動機驅動和交流調速（參看表1）。

      交流調速有多種方法（異步電動機的變極調速、調壓調速、轉子串電阻調速、電磁轉差離合器調速，液力耦合器調速、機械差動調速、變頻調速等），但主流是變頻調速。變頻調速的變頻電源有旋轉變頻機組和靜止變頻裝置。前者由異步或同步電動機-支流發電機和直流電動機-同步發電機兩套機組組成。后者則由電力電子器件和微電子器件組成，吳可動部分。由于旋轉變頻機組設備龐大、有可動部分、維護量大、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、脈沖寬度調制型等。其主回路的拓撲、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，是一種新型半導體功率器件，在GTO的基礎發展起來的）等；主回路的拓撲結構可選擇兩電平、三電平、負載換相式SCR電流型變頻器等，控制策略可選擇V/f控制、矢量控制、直接轉矩控制、脈沖寬度控制（PWM）或脈沖幅度調制（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）、中壓或低壓（如一般的小功率380V和軋鋼輔傳動的電動機）等，一般地說，1000kW以下的電動機較適合采用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各種容量、不同電壓的通用變頻器可供選用，選擇時可適當參照其業績及在類似或同樣機組使用情況和經驗與效果。

      變頻所用電動機也需注意，一般1000kW以下的電動機，采用異步電動機性能價格比較好，對于容量較大的可采用同步電動機或異步電動機。異步電動機一般采用線繞電機，而容量較小的電動機一般采用鼠籠電機。由于傳動控制系統一般采用PWM變頻器，故電機也須特殊設計，以滿足PWM變頻調速的要求（按不同機組情況，包括允許過載%、過載時間、工作制、絕緣等級、保護等級、額定電壓等）。

      鋼鐵企業許多機械要求調速，傳統的用閥門調節流量的風機、水泵為節能也要求調速，此外，不要求調速的大功率的同步電動機（如功率達40000kW的高爐電動鼓風機，功率超過7600kW的燒結主抽鼓風機等）和異步電動機（如選礦的球磨機等）也需要使用調速的軟啟動和停車，因此要求調速的電動機，特別從容量來說，占絕大部分（據統計，鋼鐵工業要求調速的電動機從數量上說大致為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主要機組典型應用地點。