连铸水处理控制系统安全性优化研究

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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ....................................................... 1
§1.1 概述 ....................................................... 1
§1.2 工艺背景简介 ............................................... 1
§1.3 课题背景和研究内容 ......................................... 2
第二章 安全性和 FMEA 理论 ............................................ 4
§2.1 控制系统安全性的概念 ....................................... 4
§2.2 FMEA 理论 ................................................... 6
§2.3 运用 FMEA 分析影响系统安全性的因素 .......................... 7
第三章 各连铸水处理控制系统的构成 ................................... 9
§3.1 高压电源系统的构成 ......................................... 9
§3.2 低压控制电源系统的构成 .................................... 12
§3.3 PLC 控制系统的配置 ......................................... 14
§3.4 安全供水系统 .............................................. 20
§3.5 直送泵的控制方式 .......................................... 27
第四章 提高系统安全性的改进措施 .................................... 34
§4.1 高压系统结构方面 .......................................... 34
§4.2 控制电源构成方面 .......................................... 36
§4.3 PLC 硬件系统构成方面 ....................................... 39
§4.4 安全供水系统方面 .......................................... 40
§4.5 直送泵的控制方面 .......................................... 44
第五章 优化方案和维护措施 .......................................... 48
§5.1 提高系统安全性的优化方案 .................................. 48
§5.2 系统的维护建议 ............................................ 50
第六章 结束语 ...................................................... 52
参考文献 ...................................................... 53
第一章 绪 论
- 1 -
第一章 绪 论
§1.1 概述
上海宝钢股份有限公司是国内一流的钢铁企业，目前在炼钢生产线上有六台
连铸机，其中一期建设了 2台连铸机，为 1＃、2＃连铸机（1930mm 连铸机），统
称一连铸（1CC），于 1989 年投产，一连铸水处理的所有设计、设备均从日本新日
铁公司引进。二期也建设了 2 台连铸机，为 5＃、6＃连铸机（1450mm 连铸机），
统称二连铸（2CC），于 1998 年投产，二连铸水处理的工厂设计由国外引进，详细
设计由国内完成，设备则部分由国外引进、部分国内供货。目前宝钢还规划建设
了 3＃、4＃连铸机，3＃连铸机是为宝钢的宽厚板配套的连铸机，称三连铸（3CC）
已于 2005 年投产，4＃连铸机即四连铸（4CC）在建设中，将于 2007 年投产，并
于 2005 年起对原投运的四台连铸机（1CC、2CC）逐步进行改造，以扩张产能和提
升设备技术，这些建设和改造项目将全部由国内自主完成，甚至部分设计将由宝
钢股份公司自行完成。可以看出，宝钢连铸水处理的建设和生产经历了由国外全
套引进到国内自主建成的过程。
板坯连铸循环水担负着连铸主体结晶器、二次喷淋、设备间冷等的循环冷却
水的供水任务，水处理电气控制系统是所有生产的设备的中心，其作用类似于人
类的大脑和心脏，因此其安全可靠是主作业线的必要保证。一旦发生故障，将直
接威胁到主体的生产和设备的安全。因此本课题就是对连铸水处理电气控制系统
的安全性进行优化研究，提出可靠的系统优化方案，在合理有效的投资范围内提
高系统的安全性、可靠性，并形成一种通用的系统构成方案，为 3#连铸机、4#连
铸机的建设以及其它连铸机的改造等提供技术依据。
§1.2 工艺背景简介
1. 连铸工艺简介
把高温钢水连续不断地浇铸成具有一定断面形状和一定尺寸规格铸坯的生产
工艺过程叫做连续铸钢（Continuous Cast），简称连铸（CC）。
在钢铁厂的整体制造工艺过程中，连铸属于炼钢生产线范畴内，将前段工序
产生的钢水铸造成板坯，作为轧钢生产线（如热轧板机）的坯料。
连铸的主要工艺流程是：钢水中间包预热装置 → 结晶器 → 结晶器振动 →
喷雾冷却及蒸汽排出 →火焰切割 →四面火焰清理机 →火焰电除尘 → 手工火焰
连铸水处理控制系统安全性优化研究
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清理 → 运出。
连续铸钢是一项节能工艺，它具有降低能量消耗、节省工序、缩短流程、提
高金属收得率、生产过程机械化和自动化程度高、钢种扩大、产品质量高等许多
传统模铸技术不可比拟的优点。自 20 世纪 50 年代起，连续铸钢技术进入工业性
应用阶段，20 世纪 70 年代以后，连铸技术发展迅猛，特别是板、方坯连铸机的
发展对加速连铸技术替代传统的模铸技术起到了决定性作用。截止到 2002 年底，
中国共有 551 台(1749 流)连铸机，其中板、方坯连铸机分别为 101 台(130 流)、
429 台(1564 流)，圆坯、异形坯连铸机分别为 20 台(52 流)、1 台(3 流)。
2. 连铸水处理工艺
连铸设备都是高温高耗能设备，为帮助钢水冷却成型、保护生产设备，需要
大量的冷却用水。对于一台年生产板坯能力为 400 万吨的连铸机来说，其循环冷
却用水量约为 1.3 万 m3/h，这样的用水量如果用直流水显然是不可能的，因此都
采用循环用水，一台连铸机的工业新水补水量一般在 300m3/h，循环率约在 97%以
上。水处理的生产工艺目标即是保证连续稳定地供应水质合格的循环水。主要用
水点有：
（1）结晶器冷却水。钢水在结晶器内经过水的热交换，在结晶器内水将大量
热量迅速带走，将钢水从液态初步凝结成具有一定断面尺寸坯壳的铸坯。
（2）喷雾冷却和辊道的直接冷却。结晶器至扇形段的铸坯经喷雾冷却后表面
温度下降，使铸坯成型。
（3）火焰切割装置的枪头冷却用水。火焰切割是将连铸机出来的板坯自动切
成规定长度，它使用精制高压焦炉煤气和氧气作为切割气体，与连铸机同步速度。
每台切割机有两把主枪为切割板坯用，两把副枪为切割试样用。
（4）火焰清理机喷嘴冷却。火焰清理机是对铸坯进一步精练，其反应温度在
900℃左右，需要冷却强度大的冷却水。
以上各用水点所用的水量、水压、水质要求、温度均不相同。因此，水处理
工艺生产上一般划分为：纯水处理系统、清循环水处理系统、污循环水处理系统、
火焰清理循环水处理系统、含油排水处理系统、泥浆处理系统、安全供水系统等。
§1.3 课题背景和研究内容
1. 课题背景
随着宝钢连铸机的不断建设，水处理设施也随之不断地发展，尤其从 20 世纪
八十年代起，电气控制系统也有了突破性的飞跃。但从实际应用情况来看，连铸
水处理控制系统的运行安全性稳定性却不是很高，尤其近年来，二连铸投产已近
第一章 绪 论
- 3 -
10 年，随着投运时间的增加，设备使用逐步进入寿命周期后，原设计的问题和不
足之处逐步显现出来。尤其是其系统配置的缺陷安全系数较低，多处薄弱环节导
致连铸生产中止，进入事故状态，造成了不必要的经济损失，亟待进行改进。连
铸发生一次停止浇铸事故的事故成本约为 68 万元/次。根据统计，由于水处理电
气系统方面的故障导致连铸终浇的事故次数为：一连铸 1989 年～2005 年共发生 7
次，二连铸 1996 年～2005 年共发生 8 次。导致事故的故障点分析见下图：
本课题的目的就是要理清楚各个连铸循环水电气控制系统的关键环节，通过
对这些影响系统安全性的关键因素的分析比较，得出其优劣点，找出提高其安全
性的方式，一方面对现有系统进行改进，同时也可形成一种最优化的控制系统，
指导今后连铸机的建设和改造工程。
2. 研究目标
（1） 通过各系统的控制方式比较分析，找出其中影响系统安全可靠性的
因素，对其存在的缺陷提出整改措施。
（2） 使原系统中单体设备的缺陷或故障对整体系统安全性造成的损失概
率下降。
（3） 得出一种最优化方案。该方案具有通用性，对今后连铸水处理电气
控制系统的设计具有指导性。
3
1
1
3
1
3
1
1
1
1
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
次数
高压电源 控制电源 PLC控制元件 直送泵组 保安设备
故障点
图1.1 连铸终浇事故次数表
1CC
2CC
连铸水处理控制系统安全性优化研究
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第二章 安全性和 FMEA 理论
§2.1 控制系统安全性的概念
1. 一般自动控制系统的构成
自动控制的目的就是要在人不直接参加的情况下实现同样的控制目的。一个
自动控制系统主要由以下基本元件构成：
整定元件：也称给定文件，给出了被控量应取的值。
测量元件：检测被控量的大小，如热电耦，测速电机等。
比较元件：用来得到给定值与被控量之间的误差，常用差动放大器、电桥等。
计算机控制系统中，由于直接进行数值计算,不需要特定的比较元件。
放大元件：用来将误差信号放大，用以驱动执行机构。它可以是电子元件网
络，也可以是电机放大器等。
执行元件：用来执行控制命令，推动被控对象。电机是典型的执行元件。
校正元件：用来改善系统的动、静态性能，它可以用模拟/数字电路来实现，
也可以用计算机程序来实现。
能源元件：用来提供控制系统所需的能量。
下图以一个加热炉的炉温控制系统为例作说明。
第二章 安全性和 FMEA 理论
- 5 -
2. 本次研究对象的构成
研究连铸水处理电气控制系统，显然不同于一个单体的设备的控制系统，而
是从整体工艺的角度出发，挑选会对整体控制系统的安全性产生影响的因素进行
分析研究。
连铸水处理电气控制系统类似于上述自动控制系统中除了执行元件以外的所
有元件的功能。而执行元件则相当于供水设备，与连铸生产线直接密切相关的水
处理设备主要有直送泵组（如结晶器冷却水送水泵组、二次喷淋冷却水泵组等）、
保安设备（如紧急阀门、柴油机泵组等）、加药设备等等。为让执行元件可靠动作，
控制系统需完成供能（即高低压配电）、检测与计算并输出执行指令（PLC 控制系
统）的工作。我们在排除执行设备本身的安全可靠性的前提下，仅就电气控制系
统的能力进行分析。
连铸水处理生产系统由多个设备及其控制系统构成，如图 2.4 所示，是一台
设备的主体和控制系统的构成示意图，对于一台设备而言，开关、接触器、保护
继电器、电机等都是执行元件，而电源的配置及动作的条件等构成了其控制元件。
多个设备的控制元件则构成了控制系统。
图 2.2 手动控制电加热炉
图 2.3 自动控制电加热炉
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.......................................................1§1.1概述.......................................................1§1.2工艺背景简介...............................................1§1.3课题背景和研究内容.........................................2第二章安全性和FMEA理论........................................

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