基于“卓越”理念鋼鐵冶金仿真實訓教學創新性研究

嚴軍 曹海蓮 馬曉藝

摘 要 將虛擬仿真實訓系統應用到鋼鐵冶金教學中，在虛擬環境中模擬鋼鐵冶金生產過程，為鋼鐵冶金學課程教學提供了一個新思路。將虛擬仿真系統引入教學，讓學生形象、直觀的體會真實的生產環境，從而達到提高課堂教學效果，激發學生學習興趣的目的，給學生帶來全新的學習體驗。

關鍵詞 鋼鐵冶金學 虛擬仿真系統 創新教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

鋼鐵冶金學是冶金工程專業本科生必修的專業主干課程，國內各大冶金院校在教學中都非常重視鋼鐵冶金學課程。作為專業基礎課程與工業過程的橋梁，該課程旨在向學生全面講授鋼鐵冶金學的基本理論、冶金工藝的原理及技術特點，并通過典型工藝及技術的分析，培養學生運用所學基礎理論知識解決冶金工藝問題的思維方法，使學生具備解決基本工程問題的能力。

冶金工程專業是青海大學特色專業之一，國家第三批“卓越工程師教育培養計劃”試點專業。目前，在鋼鐵冶金學的教學過程中，燒結、煉鐵、轉爐以及電爐煉鋼、精煉、連鑄等工藝過程主要依靠課堂講授完成，由于牽涉到的大型冶金設備較多，僅依賴教師課堂上的語言描述與動畫、錄像展示，不足以讓學生直觀的認識設備構造，掌握生產過程和工藝參數，從而導致課堂氣氛枯燥、乏味，學生學習效率低下，甚至對鋼鐵冶金學產生厭煩，達不到預期的教學效果。為了改變上述情況，參照TRIZ創新原理中的機械系統替代原理，嘗試在鋼鐵冶金學課程中引入鋼鐵生產仿真實訓系統，通過軟件交互界面，讓學生更形象、直觀的體會真實的生產過程，在虛擬環境中開展實訓，調動學生學習的積極性，鞏固理論知識并提高實踐能力。

1鋼鐵生產仿真實訓系統簡介

虛擬現實是綜合利用計算機圖形學、光電成像技術、傳感技術、計算機仿真、人工智能等多種技術，創建一個逼真的、具有視、聽、觸、嗅、味等多種感知的計算機系統。鋼鐵生產仿真實訓系統將虛擬現實應用于冶金類教學，通過虛擬現場的真實環境，數學模型支持模擬真實的生產工藝過程，構建高度仿真的虛擬實訓環境。實訓系統包括：煉鐵生產仿真實訓系統、煉鋼生產仿真實訓系統、教學課件系統與工廠3D漫游三個部分，鋼鐵生產仿真實訓系統的界面如圖1所示。

1.1煉鐵生產仿真實訓系統

近年來煉鐵設備大型化趨勢明顯，國內新增高爐容量基本都是1000m3以上，煉鐵生產仿真實訓系統的高爐容量設計為1750m3，在目前國內屬主流和先進設備，基于主流或先進工藝設備的仿真訓練，更有益于學生學習和就業。

仿真系統的核心模型來自現場的實際應用系統，通過3D模型可展示新建高爐的內部結構和3D煉鐵生產過程，實現槽下配料、爐頂布料、高爐本體、熱風爐鼓風、爐前出鐵五部分的高爐動態連續冶煉，學生可通過本系統熟練的掌握高爐煉鐵的整個冶煉過程。

1.2煉鋼生產仿真實訓系統

煉鋼生產仿真實訓系統利用3D動畫技術模擬煉鋼完整工藝流程的設備和場景，包括：鐵水預處理、轉爐煉鋼、LF精煉、板坯連鑄；其中轉爐容量為120噸。系統仿真制作了全工藝流程的自動化二級監控系統和操控硬件設備，即仿真現場操作臺（如圖2所示）；采用虛擬現實技術將生產現場的自動化操控系統進行仿真，通過網絡通訊實現與虛擬場景和設備的完全互動；在物理模型、工藝模型驅動下實現符合真實煉鋼工藝過程訓練。

1.3教學課件系統與工廠3D漫游

鋼鐵生產仿真實訓系統配套有教案生成平臺，可利用現代多媒體技術開發，借助專業素材庫制作出靈活、多樣、生動有針對性的個性化教案，縮短教師的備課時間，提高備課效率。同時為幫助學生更快更好地了解設備及其工作原理，開發了以第一人稱視角在工廠車間內通過鍵盤操作行走的3D漫游程序，多角度、全方位、全視角的展示了現場設備的結構。教案生成平臺和3D漫游演示如圖3所示。

學生通過鋼鐵生產仿真實訓系統的監控界面進行操作，能夠完整的按工藝操作規程進行，時間上與現場達到1：1的匹配，更形象、直觀的體會真實的生產環境，掌握工藝過程及其操作方法。系統完善的操作評價體系及自動打分功能，可以讓學生在不斷地考核和練習過程中，實現理論知識水平和實際操作能力的緊密結合。學生在享受豐富和高度互動的體驗過程中，可提高對鋼鐵冶金學課程的興趣。

2虛擬教學仿真實例

2.1高爐冶煉工藝

青海大學開設的鋼鐵冶金學專業課程

按照《煉鐵部分》和《煉鋼部分》分開講授。在學習煉鐵部分時，復雜的高爐冶煉工藝是學生學習的難點之一，學生僅僅依靠理論知識，無法根據生產的具體條件確定合理的高爐操作制度。使用煉鐵生產仿真實訓系統中的高爐本體模塊，實現了爐溫控制操作、高爐順行控制操作、高爐配料操作、休風操作、復風操作以及懸料處理等操作的仿真模擬。涉及到高爐冶煉過程中風量、風溫、噴煤量、富氧、頂壓等參數的控制調節，如圖4所示。通過煉鐵生產工藝的仿真模擬，可以使學生更加直觀的了解整個高爐冶煉過程中的運行情況，加深學生對高爐煉鐵參數調節作用的理解。

2.2頂吹轉爐煉鋼法模擬

實訓系統中轉爐煉鋼仿真操作控制模塊可以模擬頂吹氣體轉爐煉鋼工藝。通過仿真模擬，學生可全面認識各工序主要原料及設備，熟悉現代頂吹轉爐煉鋼工藝流程和工藝布置；加深對轉爐煉鋼操作中裝料、鐵水量、副料、槍位、氧氣流量等的控制及出鋼、出渣等狀態的認識與理解。通過煉鋼工藝模擬，能夠直觀地向學生演示冶煉時氧槍的升降（如圖5），解釋槍位對冶煉過程的影響；通過監控轉爐冶煉爐況，可動態展示各參數的變化趨勢（如圖6），通過與理論知識對比，使學生更加深刻的理解各項參數的含義。

2.3動態輕壓下技術

輕壓下技術是指在連鑄坯凝固末端附近，通過改變輥縫對鑄坯施加壓力所產生的一定壓下量來補償鑄坯的凝固收縮量，主要用于改善鑄坯中心疏松和中心偏析。動態輕壓下就是指在澆鑄過程中，隨著澆鑄工藝的進行輕壓下的壓下區間、壓下量隨之發生改變，以達到不同澆鑄工藝下均可保證鑄坯質量的目的。如何準確找到連鑄坯凝固終點的位置，選擇合適的壓下區間和壓下量，是動態輕壓下技術的關鍵，此項技術的核心就是利用數學模型對鑄坯溫度場進行實時熱跟蹤。連鑄坯凝固傳熱的數學模型除做必要的假設外還需建立差分方程，由于求解過程涉及到數值法，其繁瑣的推導過程使學生感覺索然無味。

通過煉鐵生產仿真實訓系統中的連鑄機動態輕壓下仿真系統，學生可以對澆鑄過程進行動態熱跟蹤，對跟蹤片的溫度變化進行實時反饋，根據溫度反饋系統可以模擬出凝固坯殼厚度沿鑄坯長度方向的變化情況（如圖7）。依托系統已有的數學模型，學生可以通過改變工藝參數來研究坯殼和凝固終點的影響因素。

3問題與建議

應用鋼鐵生產仿真實訓系統，學生可在操作界面上進行“還原現場”的實訓操作，通過訓練加深學生對鋼鐵冶金學課程知識的理解，也彌補了課堂教學理論聯系實際不緊密的不足。為了充分發揮鋼鐵生產仿真實訓系統的作用，基于青海大學該門課程的教學現狀，以下方面有待加強：

（1）構建以鋼鐵生產仿真實訓系統為基礎的實踐教學平臺。鋼鐵生產仿真實訓系統目前已經開發出高爐煉鐵、鐵水預處理、轉爐煉鋼、爐外精煉、連鑄、軋鋼等模塊，幾乎覆蓋鋼鐵生產全流程，如能將鋼鐵生產仿真實訓系統作為實踐教學平臺的載體，將理論教學外的課程實驗、實習、課程設計、生產實習、畢業設計等實踐環節引入這個大平臺，引導教師與學生正確運用該平臺進行操作，不僅能加深學生對整個鋼鐵生產課程體系的理解，擴展知識面，提高學生實踐能力，還可以節省部分傳統實踐環節中的費用，體現教學經濟性。

（2）實現仿真訓練過程的連續性，確保學生認知的完整性。為了保證能夠完整的按工藝操作規程進行仿真訓練，系統設計時在時間上實現了與現場生產1：1的匹配，所以完成一個周期的仿真訓練需要較長時間。目前青海大學1學時的教學時間為45分鐘，每次課為2學時即90分鐘。學生由于操作不熟練，無法在90分鐘內完成整個訓練過程。為了滿足模擬教學的要求，實現訓練過程的連續性，保證學生對模擬過程認知的完整性，建議在安排本門課程的教學時間時，采用大課授課的方式進行，安排3～4學時連續授課。

（3）理論結合實踐，提高教師工程素養。鋼鐵生產仿真實訓系統為教師的教學提供了學習和發展的空間。為了取得更好的教學效果，冶金工程專業教師可通過仿真模擬系統熟悉專業知識、了解實際生產環境，在熟悉、消化、吸收新軟件的過程中，理論結合實踐，提高自身的工程素養。

4結論

將鋼鐵生產仿真實訓系統應用到鋼鐵冶金學的教學中，改變了傳統的教學方式，可以激發學生的學習興趣，提高課堂教學效果，增強學生動手能力。做為教學改革的一種探索手段，對冶金工程專業課程的教學起到了積極作用。為了進一步發揮鋼鐵生產仿真實訓系統的作用，提高教學質量和教師的教學水平，教學工作者需要不斷學習，提升自身業務素質；教學管理者亦需要合理計劃、科學安排、嚴格管理。

作者簡介：嚴軍：（1971—），男，青海西寧人，教授。通訊作者：曹海蓮：（1985—），女，青海民和人，講師。

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