Luyện kim là một trong những ngành công nghiệp nặng quan trọng của nền kinh tế quốc dân. Công nghiệp luyện kim cung cấp nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp khác như: cơ khí chế tạo máy, giao thông vận tải, xây dựng v.v… Kinh tế càng phát triển thì nhu cầu về kim loại đen (gang, thép) và kim loại màu càng lớn, vì vậy sản lượng gang thép hàng năm tính cho một đầu người là một trong những chỉ tiêu chủ yếu để đánh giá tiềm lực kinh tế của đất nước.

Theo nghĩa rộng công nghiệp luyện kim bao gồm ba giai đoạn lớn:

  • giai đoạn thứ nhất là khai thác, tuyển chọn và làm giàu quặng;
  • giai đoạn thứ hai là luyện kim loại;
  • giai đoạn thứ ba là giai đoạn tạo thành sản phẩm như đúc, cán, kéo dát kim loại.

Do đặc điểm của quá trình công nghệ luyện kim, thông thường người ta xây dựng một số xí nghiệp thuộc các giai đoạn kể trên ở gần nhau và tạo thành khu liên hợp luyện kim. Các khu liên hợp luyện kim như vậy có đặc điểm là có phụ tải điện rất lớn, yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện cao. Do trong quá trình làm việc các xí nghiệp luyện kim. Các khu liên hợp luyện kim như vậy có đặc điểm là có phụ tải điện rất lớn, yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện cao. Do trong quá trình làm việc các xí nghiệp luyện kim thải nhiều bụi và khí độc nên chúng thường được xây dựng ở xa các thành phố lớn đồng thời gần các khu mỏ để tiện việc vận tải chuyên chở quặng và nhiên liệu. Các xí nghiệp luyện kim đen và màu có đặc điểm riêng của mình. Bài viết sau đây chỉ tập trung giới thiệu hệ thống cung cấp điện cho một loại xí nghiệp tương đối phổ biến và điển hình là xí nghiệp liên hợp gang thép.

Đặc điểm của quá trình công nghệ

Sắt thép chiếm 90% kim loại dùng hiện nay vì chúng có đặc tính bền, ổn định, dễ gia công và có dự trữ lớn trong thiên nhiên. Xí nghiệp liên hợp gang thép thường có dây chuyền công nghệ như hình sau.

Dây chuyền công nghệ của xí nghiệp liên hợp gang thép

Giai đoạn đầu tiên của dây chuyền công nghệ là giai đoạn luyện gang trong lò cao. Nguyên liệu của lò cao là quặng sắt (đã được tuyển chọn và đập nhỏ để có kích thước ø = 80 ÷ 100 mm), than cốc, chất chảy (để làm chảy chất bẩn quặng tạo thành xỉ) và các chất phụ gia khác. Trong lò cao, than cốc cháy tạo thành axit cacbon – Oxit cacbon khử oxit sắt (quặng) cho ta sắt và khí cacbonic bay lên. Sắt được tạo thành trong lò cao hóa hợp với cacbon, mănggan, silic v.v… tạo thành một hợp kim gọi là gang.

Gang ở lò cao được đúc thành gang thỏi để cung cấp cho công nghệ cơ khí chế tạo máy hoặc gang lỏng từ 15 cao được đưa vào lò chứa để đưa sang giai đoạn luyện thép tiếp theo.

Lò cao được xây bằng gạch chịu lửa và bọc bằng thép, có thể cao tới 40 m hoặc hơn nữa, dung lượng hàng trăm mét khối và trong một ngày đêm có thể sản xuất hàng ngàn tấn gang. Lò cao hoạt động liên tục từ khi khai lò cho đến khi phải ngừng hẳn để sửa chữa.

Nguyên liệu và nhiên liệu được máy nạp liệu đưa vào miệng lò. Trong lò nhiệt độ rất cao, ở đáy lò khoảng 180oC và ở miệng lò nhiệt độ cũng còn tới 450oC. Khí miệng lò còn nóng và có nhiều khí cháy nên được đưa vào tháp sấy không khí để đốt nóng không khí lên 600 – 800oC .Không khí nóng này được thổi vào lò cao để tăng khả năng cháy của than cốc và tăng nhanh các phản ứng tạo thành gang. Những máy quạt công suất lớn dùng để thổi khí vào lò phải làm việc liên tục vì nếu thiếu không khí nóng quá trình luyện gang sẽ bị ngưng trệ.

Nhiệt độ trong lò cao rất cao, đồng thời lò làm việc liên tục, vì vậy để tránh cho vỏ lò khỏi bị biến dạng gây hỏng lò người ta phải dùng nước chảy trong các ống dẫn để làm mát vỏ lò. Trạm bơm nước làm lạnh phải có nhiều máy bơm và làm việc liên tục.

Giai đoạn hai là giai đoạn luyện thép. Thép là hợp kim phức tạp của sắt với cacbon và một số nguyên tố khác, trong đó lượng cacbon chiếm từ 0,01 đến 2%. Người ta luyện thép từ gang bằng cách lấy ra khỏi gang phần lớn cacbon (cacbon ở trong gang chiếm 3,9 – 4,3%) và một số nguyên tố khác như silic, mangan, phôtpho. Trong các lò luyện thép, người ta cho gang nóng chảy và thổi không khí giàu oxy vào để oxy hóa các chất này. Để có được những loại thép đặc biệt người ta pha vào thép những nguyên tố kết hợp như crôm, niken, vonfram, silic v.v… Ngày nay có nhiều loại lò để luyện thép, ớ quy mô nhỏ, người ta dùng lò Betxơme lò điện hồ quang, ở quy mô lớn, người ta dùng lò Mactanh. Do có thể dễ dàng khống chế quá trình tạo ra thép ở trong lò Mactanh, nên dùng loại lò này có thể luyện được những loại thép theo ý muốn. Thép luyện xong được đúc thành thỏi để đưa sang giai đoạn cán.

Cũng như ở lò cao, các lò luyện thép cũng cần có những máy quạt lớn để thổi không khí giàu oxy vào lò. Để rót nước thép vào khuôn đúc người ta phải dùng các cầu trục công suất lớn và làm việc tin cậy.

Giai đoạn cuối của quá trình luyện gang là giai đoạn cán thép. Các thỏi thép được nung nóng rồi đưa vào các máy cán để cán thành các loại thép sợi, thép hình (góc, chữ U, đường ray) thép tấm hoặc thép ống. Truyền động các máy cán thường là các động cơ điện một chiều công suất lớn và giải điều chỉnh tốc độ tương đối rộng.

Trong xí nghiệp liên hợp luyện gang thép, ngoài các phân xưởng chính như luyện gang, thép và cán còn có nhiều phân xưởng phụ trợ khác như luyện cốc, cấp nước, khí nén, điện cơ, vận tải v.v…

Xí nghiệp liên hợp gang thép thường được xây dựng thành một khu riêng biệt và xa các khu dân cư lớn để tránh ô nhiễm không khí.

Đặc điểm của các thiết bị điện – phân loại phụ tải

Đặc điểm của quá trình luyện gang thép là làm việc liên tục cả ba ca trong ngày và các thiết bị điện làm việc với tải gần định mức. Vì vậy đồ thị phụ tải hàng ngày thường chỉ dao động trong khoảng 75 đến 100% và có tính chất chu kỳ phù hợp với chu kỳ làm việc của các lò lớn. Đồ thị phụ tải hàng năm có hệ số điện kín rất cao, do đó thời gian sử dụng công suất lớn nhất của xí nghiệp liên hợp luyện gang thép thường rất cao và nằm trong khoảng Tmax = 6000 ÷ 8000 h

Đồ thị phụ tải xí nghiệp liên hợp gang thép

Những hộ tiêu thụ nhiều điện năng trong xí nghiệp liên hợp gang thép là cán, cấp nước, sản xuất ôxy, luyện gang v.v…  vì vậy áp dụng các biện pháp tiết kiệm điện năng đối với các hộ tiêu thụ này có ý nghĩa rất quan trọng.

Phân phối điện năng giữa các phân xưởng của xí nghiệp liên hợp gang thép

Phân phối điện năng giữa các phân xưởng của xí nghiệp liên hợp gang thép

Công nghiệp luyện gang, thép đòi hỏi nhiều điện năng chủ yếu là đối với các sản phẩm cán và luyện thép bằng lò điện. Đối với kim loại màu suất tiêu hao điện năng còn cao hơn nữa, ví dụ dùng phương pháp điện phân để luyện nhôm phải mất 1700 ~ 1900 kWh cho một tấn sản phẩm.

Suất tiêu hao điện năng của các sản phẩm luyện kim đen

Suất tiêu hao điện năng của các sản phẩm luyện kim đen

Mặc dầu đã có nhiều phương pháp lọc bụi nhưng các loại lò cao luyện gang, lò luyện thép vẫn thải ra ngoài không khí rất nhiều bụi. Vì vậy môi trường làm việc của các thiết bị điện trong xí nghiệp luyện gang, thép nhìn chung là không thuận lợi: nhiều bụi than, tro, nhiệt độ cao, nhiều khí ăn mòn. Do đó các thiết bị điện phải dùng kiểu kín, các thiết bị điều khiển bằng linh kiện điện tử phải đặt trong phòng kín có điều hòa nhiệt độ.

Đứng về toàn bộ mà xét thì xí nghiệp liên hợp gang thép thuộc hệ loại một vì trong xí nghiệp có nhiều phụ tải lớn và giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Vì vậy, những loại xí nghiệp này tuy số lượng không nhiều nhưng phải được ưu tiên cung cấp điện.

Ở phân xưởng luyện cốc, phụ tải loại 1 có: máy nạp liệu, quạt gió. Ở phân xưởng luyện gang, phụ tải loại 1 có: máy nạp liệu, quạt gió thổi không khí nóng, bơm nước làm mát vỏ lò. Để đảm bảo cho vỏ lò luôn luôn được làm mát người ta phải đặt nhiều máy bơm để dự phòng cho nhau, bên cạnh các máy bơm điện còn phải đặt thêm một máy bơm dầu phòng khi sự cố mất điện toàn bộ.

Ở phân xưởng luyện thép, phụ tải loại 1 có quạt gió, bơm nước làm mát và cầu trục rót nước thép. Ở phân xưởng cán, phụ tải loại 1 có: lò nung phôi cán, các máy cán. Các phụ tải loại 1 nhất thiết phải được cung cấp bằng hai nguồn, một số thiết bị quan trọng như bơm nước làm mát, quạt thổi không khí nóng ngoài việc đặt dự phòng về nguồn điện phải có dự phòng về thiết bị nữa.

Hệ thống cung cấp điện

a) Dòng điện và điện áp

Xí nghiệp liên hợp gang thép có phụ tải điện rất lớn, vì vậy thường phải đặt trạm biến áp trung gian có cấp điện áp 110 – 220/35 – 6 kV. Mạng phân phối trong xí nghiệp thường dùng cấp điện áp 6 – 10 kV, trường hợp dùng phương pháp dẫn sâu có thể dùng đến 35 kv. Mạng phân xưởng phổ biến cung cấp điện áp 380/220 V.

Phần lớn các động cơ dùng trong xí nghiệp là các động cơ xoay chiều đồng bộ hoặc không đồng bộ (máy bơm, quạt gió), các loại động cơ này dùng dòng xoay chiều ba pha có tần số 50 Hz.

Dòng điện một chiều được dùng ở một số máy có yêu cầu điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng như hệ thống các máy cán liên tục, cầu trục rót nước gang, thép.

b) Hệ thống cung cấp điện

Xí nghiệp liên hợp gang thép thuộc hộ loại 1 và có phụ tải lớn vì vậy thường phải có trạm biến áp trung gian, trạm phải có từ hai máy biến áp trở lên và được cung cấp bằng các đường dây khác nhau. Trong nhiều trường hợp, xí nghiệp phải đặt thêm trạm phát điện để làm nguồn dự phòng sự cố và phát điện vào giờ cao điểm để hỗ trợ cho hệ thống.

Sơ đồ cung cấp điện cho xí nghiệp liên hợp gang thép điển hình được trình bày như hình sau:

Hệ thống cung cấp điện cho xí nghiệp liên hợp gang thép

Để sơ đồ cung cấp điện được đơn giản và tăng tính linh hoạt trong vận hành, sau trạm biến áp trung gian người ta đặt các trạm phân phối. Cứ khoảng 3000 – 5000 kVA phụ tải nên đặt một trạm phân phối.

Vị trí của trạm biến áp trung gian cần phải được nghiên cứu cẩn thận. Vì trong khu vực của xí nghiệp có nhiều bụi và khí ăn mòn do đó trạm biến áp trung gian nên đặt ở phía trên chiều gió để tránh ảnh hưởng xấu đến các thiết bị phân phối ngoài trời của trạm. Trạm biến áp trung gian cố gắng đặt càng gần trung tâm phụ tải xí nghiệp càng tốt, thường người ta đặt nó gần phân xưởng cán là phân xưởng tiêu thụ nhiều điện năng, đồng thời cũng là vùng ít bụi nhất trong xí nghiệp (xem hình a). Cần chú ý rằng không nên đưa trạm biến áp trung gian vào quá sâu trong xí nghiệp, vì dưới đường dây điện áp cao (110 – 220 kV) không được xây dựng các công trình khác nên đường dây sẽ chiếm mất nhiều đất của xí nghiệp.

Trạm biến áp trung gian thường đặt máy biến áp làm việc song song. Để tăng thêm độ tin cậy cung cấp điện người ta còn đặt thêm trạm phát điện dự phòng nối vào phía điện áp thấp của trạm biến áp trung gian. Công suất của trạm phát điện dự phòng thường được chọn trong khoảng 10 – 20% phụ tải của xí nghiệp.

c) Mạng điện phân xưởng

Trạm biến áp của những phân xưởng có phụ tải loại 1 như phân xưởng luyện cốc, luyện gang, luyện thép, cán, trạm bơm v.v… phải đặt hai máy biến áp làm việc song song, thanh cái phía hạ áp phải được phân đoạn. Sơ đồ mạng phân xưởng chủ yếu dùng sơ đồ hình tia để tăng độ tin cậy cung cấp điện.

Mạng điện phân xương luyện gang

Quặng sắt sau khi đã chọn lọc, rửa sạch và thiêu kết thì được chứa vào các phễu quặng 1 nằm dọc theo các lò cao. Than cốc được chứa vào các phễu 2. Xe cân 3 chở quặng, than cố trợ dung và phụ gia theo tỷ lệ nhất định đổ vào các xe kíp 4 của máy nạp liệu để đưa lên lò cao. Khí lò cao được đưa sang các tháp sấy không khí 6. Không khí sau khi qua tháp sấy thành không khí nóng có nhiệt độ 600 – 800oC được quạt gió 8 thổi vào lò cao. Bơm nước 9 bơm nước làm mát vách lò.

Phụ tải tiêu thụ nhiều điện năng nhất ở phân xưởng luyện gang là hệ thống nạp liệu – thường chiếm tới 40% điện năng tiêu thụ của phân xưởng, tiếp theo là quạt gió, thiết bị vận chuyển quặng, bơm nước làm mát v.v… Các phụ tải này đều được cấp điện bằng hai đường dây lấy từ hai phân đoạn của trạm biến áp.

Trạm chỉnh lưu U = 230 V cung cấp cho một số phụ tải dùng dòng một chiều ở hệ thống nạp liệu, cân liệu v.v… Nguồn một chiều trước đây thường dùng máy phát một chiều, ngày nay chúng được thay thế dần bằng các thiết bị bán dẫn điện tử.

Chiếu sáng cho phân xưởng luyện gang dùng loại đèn có công suất từ 200 đến 500W bố trí có chọn lọc để tránh tạo ra các mảng tối. Ở sàn ra gang và chiếu sáng phía ngoài lò cao phải dùng đèn pha để có cường độ sáng lớn và khoảng chiếu rộng.

Mạng điện phân xưởng luyện thép bằng lò Mactanh

Gang từ lò cao 1 được chuyển đến lò chứa 3, ở đây gang được trộn theo những tỷ lệ cần thiết. Từ lò chứa, gang được đổ vào các thùng rót 4, sau đó một cầu trục cỡ lớn 5 đổ gang vào lò Mactanh. Khí lò cao 1 và khí lò cao 2 được đưa đến lò Mactanh để làm nhiên liệu cháy. Không khí giàu ôxy được quạt gió 6 thổi vào lò. Thép luyện xong được đổ vào thùng rót 7, cầu trục 8 chuyển các thùng rót 7 đến gian đúc thép.

Trong phân xưởng luyện thép thường đặt từ hai cho đến mười lò Mactanh có dung lượng 100 – 200t. Tuỳ theo số lò ít hay nhiều mà trạm biến áp phân xưởng đặt từ hai đến bốn máy biến áp. Phía điện áp cao và điện áp thấp của trạm đều có phân đoạn. Các phụ tải quan trọng đều được cung cấp bằng hai đường dây hình tia lấy từ hai phân đoạn.

Các động cơ dùng trong phân xưởng luyện thép chủ yếu là các động cơ xoay chiều không đồng bộ có điện áp 380/220 V.

Trong phân xưởng có các cầu trục rót nước gang, nước thép cỡ lớn thường xuyên hoạt động gây sụt áp trên mạng động lực. Vì vậy mạng động lực và mạng chiếu sáng của nhân xưởng luyện thép nên tách rời nhau, do đó cần phải đặt riêng máy biến áp chiếu sáng có điện áp phía thứ cấp là 127 V. Đèn chiếu sáng dùng loại đèn sợi đốt, công suất 200 w và có chao bảo vệ chống bụi.

Hình dưới trình bày sơ đồ mạng điện phân xưởng cán thép.

Mạng điện phân xưởng cán thép

Phân xưởng cán là phân xưởng tiêu thụ nhiều điện năng (chiếm khoảng 35% tổng số điện năng của toàn xí nghiệp liên hợp), các máy cán làm việc theo dây chuyền đồng bộ, vì vậy yêu cầu liên tục cung cấp điện rất cao. Trong quá trình làm việc nếu một máy bị mất điện sẽ làm dòng thép đang cán bị ùn lại, gây nhiều phế phẩm, phải mất nhiều thời gian để tháo gỡ thép hỏng và khởi động lại dây chuyền cán.

Thép thỏi được đưa vào lò nung 1 để nung lớn đến nhiệt độ khoảng 1150 – 1200°C. Sau đó thỏi thép được băng lăn chuyển đến dao cắt mặt đầu 2 để cắt phân thép nguội ở đầu thỏi thép. Tiếp đó thỏi thép đi vào các trục cán của máy cán. Nếu là máy cán thuận nghịch thì thỏi thép được đưa qua đưa lại giữa các trục cán có kích thước lỗ cán ngày càng nhỏ và định hình theo sản phẩm. Nếu là máy cán liên tục thì các máy cán được đặt liên tiếp nhau và lỗ cán trên các trục sẽ nhỏ dần và định hình theo sản phẩm. Ớ cuối dây chuyền kéo bay 5 cắt thép ra từng đoạn theo yêu cầu của sản phẩm. Sản phẩm cán được băng lăn đưa đến sàn làm nguội 6, sau đó các máy cắt cuốn xếp và phân loại sản phẩm và cầu trục 9 chuyển chúng vào kho 10.

Dòng thép cán ngày càng được vuốt nhỏ dần nên tốc độ các trục cán ở phía sau phải ngày càng nhanh so với phía trước. Vì vậy các máy cán phải được điều chỉnh tốc độ một cách chính xác để đảm bảo cho dòng thép cán không bị kéo dãn quá mức hoặc chùn lại gây ra phế phẩm. Do yêu cầu đó nên động cơ truyền động máy cán thường là các động cơ một chiều có công suất khoảng 3000 – 5000 kW điện cung cấp nguồn một chiều cho động cơ máy cán có thể là tổ máy phát điện một chiều hay chỉnh lưu.

Động cơ sơ cấp của máy phát một chiều có thể là động cơ đồng bộ hoặc không đồng bộ có công suất P = 5000 ÷ 8000 kW, điện áp 6 – 10 kV. Do phụ tải của máy cán thường thay đổi đột ngột (lúc thỏi thép ra khỏi trục cán phụ tải giảm xuống bằng không) nên động cơ quay máy phát điện thường có thêm bánh xe đà để tích trữ năng lượng khi phụ tải giảm.

Hiện nay người ta thường dùng chỉnh lưu bán dẫn thay cho tổ máy phát điện một chiều vì chỉnh lưu có tuổi thọ lớn, vận hành tin cậy. Các thiết bị bảo vệ và điều khiển dùng nguồn một chiều có điện áp 230 V do tủ chỉnh lưu bán dẫn cung cấp. Trừ máy cán các thiết bị điều khiển, bảo vệ dùng nguồn một chiều, các thiết bị điện khác như băng lăn, quạt gió, cầu trục v.v… đều dùng động cơ xoay chiều.

Chiếu sáng cho phân xưởng cán không yêu cầu cao vì dòng thép cán được nung đỏ và không yêu cầu phân biệt các chi tiết nhỏ. Thường dùng đèn chiếu sâu có chao bảo vệ bụi bặm, phân bố đều, đảm bảo mặt bằng làm việc có độ rọi nằm trong khoảng 20 – 30 Ix.

d) Chiếu sáng trong xí nghiệp liên hợp gang thép

Đặc điểm của xí nghiệp gang là diện tích sản xuất lớn, nhà xưởng cao, nhiều công trình to lớn như lò cao, tháp sấy khí nóng, nhiều bụi bặm, trong phân xưởng thường có kim loại nóng chảy phát ra ánh sáng, không đòi hỏi phải phân biệt các chi tiết tỷ. Vì vậy yêu cầu về chiếu sáng không cao lắm và thường dùng phương pháp chiếu sáng chung trong toàn phân xưởng. Đặc điểm chiếu sáng cho từng phân xưởng đã được trình bày trong các phần trên. Vì trong các phân xưởng thường có kim loại nóng chảy, nhiều cầu thang cao, nhiều hố sâu nên ngoài chiếu sáng làm việc nhất thiết phải có chiếu sáng sự cố để có thể sơ tán công nhân ra khỏi nơi nguy hiểm khi mất điện.

Xí nghiệp liên hợp thường chiếm một vùng đất rộng, trong xí nghiệp có nhiều đường giao thông vận chuyển, nhiều bãi làm việc ngoài trời như bãi than, bãi quặng v.v… vì vậy vấn đề chiếu sáng ngoài trời phải dùng các đèn pha công suất 500 – 1000 W. Các đèn pha cũng còn được dùng để chiếu sáng các công trình cao lớn như lò cao, tháp sấy không khí, tháp nước, ống khói v.v…

Các biện pháp sử dụng điện hợp lý và tiết kiệm điện năng

Xí nghiệp liên hợp gang thép là một phụ tải lớn vì vậy áp dụng các biện pháp sử dụng điện hợp lý và tiết kiệm điện năng sẽ có ý nghĩa rất lớn. Thông thường xí nghiệp có nhiều máy bơm, máy quạt công suất lớn và vận hành liên tục. Trong nhiều trường hợp người ta dùng động cơ đồng bộ để quay các máy quạt, máy bơm vì như vậy sẽ góp phần cải thiện hệ số công suất của xí nghiệp. Cần phải phối hợp giữa tốc độ quay, áp lực và năng suất để đạt được chế độ làm việc tối ưu của bơm và quạt.

Việc áp dụng quy trình công nghệ tiên tiến các biện pháp tự động hoá sẽ có tác dụng tiết kiệm điện rất lớn. Ví dụ nhờ áp dụng máy tính để tự động phân tích thành phần kim loại nên đã rút ngắn được thời gian luyện một mẻ thép đồng thời nâng cao chất lượng thép, do đó tiết kiệm được nhiều điện năng nhất là đối với các lò điện. Nhờ tận dụng khí lò để sấy không khí trước khi đưa vào lò nên đã tiết kiệm được nhiều nhiên liệu và rút ngắn thời gian luyện gang thép. Xí nghiệp liên hợp luyện gang thép là một phụ tải lớn đối với hệ thống điện. Nó tiêu thụ nhiều phụ tải tác dụng và phản kháng vì vậy thường người ta phải đặt các thiết bị bù (máy bù đồng bộ hoặc tụ điện) để bù công suất phản kháng và nâng cao hệ số công suất của xí nghiệp.

Trích: Hệ thống cung cấp điện của xí nghiệp công nghiệp đô thị và nhà cao tầng

Xem thêm: Hệ thống cung cấp điện của xí nghiệp hóa chất

Hệ thống cung cấp điện của các xí nghiệp luyện kim
5 (100%) 2 votes