煉銅PS轉爐吹煉仿真模擬系統在冶金教學中的應用

摘 要：本文結合臥式轉爐的生產現場，將冶煉的進度與現場的冶煉進度模擬到1：1的現場狀態，實現了時間的完全同步、相符，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，學生通過監控界面進行操作，讓學生更形象、直觀的體會真實的生產過程。在不斷地考核和練習過程中，實現掌握知識的目的。

關鍵詞：PS轉爐；吹煉；模擬仿真軟件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.019

1 概述

PS轉爐吹煉和回轉式陽極爐精煉銅生產具有工藝成熟、投資成本低、與其它冶金爐窯易于匹配、生產組織靈活、生產成本低廉等優點，為有色金屬火法冶煉銅工藝中被廣泛應用的冶煉工藝。目前被國內絕大多數煉銅企業所接受。但由于其裝備設備大多是重型設備，危險程度和操作難度要求都比較高，不具備企業新員工親身操作的條件。國內各院校冶金專業主要以教授理論知識為主，缺少煉銅教學實際操作的環境和平臺。

我國已進入世界煉銅大國，但不是煉銅強國，其根本原因之一在于煉銅轉爐吹煉崗位和陽極爐精煉崗位崗位操作技能水平參差不齊。轉爐吹煉銅和陽極爐精煉銅生產過程是一個復雜的控制過程，我國絕大多數煉銅企業在實際生產中主要靠操作工的操作經驗和操作技能來進行對爐窯的控制，因此煉銅操作工的技能水平很大程度上影響著煉銅效率和產品質量。企業培訓一個合格煉銅操作爐長周期過長，且缺乏先進有效的手段。據有色金屬行業協會統計，目前煉銅企業培養一個合格的轉爐吹煉和陽極爐精煉操作爐長一般需要3年的時間。冶金專業院校中缺乏煉銅實訓環境，根本無法培養出合格的轉爐吹煉和陽極爐精煉操作工。

2 轉爐吹煉銅生產技能訓練在冶金教學中存在的主要問題

（1）煉銅場景中故障排除培訓，難以將故障的發生呈現給學生。

（2）安全問題是制約煉銅轉爐和陽極爐操作工培訓的一個重要因素。

（3）學生基本無機會上機操作。

（4）冶金教學以理論為主，學生的實操能力難以考核。

煉銅模擬仿真系統有效的解決煉銅轉爐工與陽極爐工操作工培訓和考核難題的有效手段，而且冶金教學具有很重要的現實意義。

學生可通過該項目系統虛擬環境中的煉銅生產場景進行操作培訓，安全地進行煉銅操作、處理各種虛擬故障，能夠產生親臨現場的感受和體驗。煉銅操作學員置身于逼真的模擬生產環境中，通過向操作界面發出各種控制信號來不斷改變虛擬環境中煉銅的作業狀態，進而觀察相應的操作效果，實現實時控制，在不影響實際生產的前提下達到了訓練轉爐工操作工的協調性和準確性的目的，極大地縮短了培訓周期。而且利用該項目對學生進行培訓后，可通過理論考試加虛擬環境中的虛擬煉銅操作考核對學生進行培訓考核。

轉爐模塊動作主要包括轉爐的旋轉離開煙罩，行車吊運冰銅包由一側將液體冰銅傾倒入轉爐內，并伴有煙氣、液體流動等特效，然后行車吊運銅包離開轉爐，并且轉爐旋轉至爐口位置，轉爐爐口的煙罩關閉，轉爐后側有捅風眼機在軌道上工作，對轉爐一側的風眼依次執行捅風眼操作，轉爐旋轉時可看到液體冰銅自爐口迸濺而出，不同時刻狀態、顏色稍有不同。

轉爐模塊動作主要包括轉爐的旋轉操作，材料（如石英，冰銅）的添加操作，轉爐后側捅風眼機捅風眼操作，取樣操作以及爐口煙罩上升和下降操作等。

學生可通過單擊轉爐旋轉相關按鈕控制轉爐的旋轉以及停止，轉爐旋轉到風眼接近水平面直至剛超出液體水平面且沒有停止吹風時，可看到液體冰銅自爐口迸濺而出。當液體水平面高于爐口位置時，爐內液體會從爐口流出，漸漸的流入到了銅包里，，銅包里的液體不斷的上升。

3 技術及管理創新

該仿真系統采用了計算機圖形顯示技術為核心的虛擬現實技術，利用虛擬的場景結合仿真的監控系統，通過監控界面和虛擬場景相互呼應，模擬呈現整個轉爐吹煉和陽極爐精煉生產主要工藝環節的大型場景以及各種已出現或人為設定的故障產生全景和排除解決過程。學生可通過系統中的仿真監控系統與虛擬環境中的具體反應安全地進行生產操作、處理各種異常工況，并能達到和現場培訓、考核的同樣效果。

（1）煉銅生產技能訓練與考核模擬仿真系統結構。

（2）虛擬場景展現轉爐吹煉生產工藝流程。

吹煉前的安全檢查→查看生產計劃→設定吹煉條件→進料→開風吹煉→造渣作業→溫度控制→液面控制→環保設備設施使用→篩爐作業→二周期吹煉→產量控制→造銅終點控制。

（3）虛擬場景展現陽極爐精煉生產工藝流程。

進料前的安全檢查→查看生產計劃→設定生產條件→進料→氧化除雜→倒渣作業→溫度控制→氧化終點控制→還原劑加入操作→還原作業→造銅終點控制→澆鑄→銅陽極板澆鑄質量控制

（4）模擬轉爐吹煉和陽極爐精煉過程異常工況控制。轉爐吹煉部分有過冷、過熱、惡噴、銅過吹等異常工況，陽極爐精煉部分有欠氧化、欠還原、過還原、冒黑煙、廢板處置等。

4 煉銅模擬軟件在冶金教學中的具體應用

（1）培訓方式創新。電腦仿真技術用于銅冶煉培訓，用于鑒定前培訓、新員工培訓、學生實習，減輕了企業培訓負擔，減輕了承擔學生實習的負擔。（2）教學方式創新。將仿真系統用于冶金技術專業職業院校學生教學，這已在十來家院校里開始用了。真實的數據模擬提高了學生動手能力。（3）培訓鑒定管理制度創新。有色鑒定中心通過此系統實現了對鑒定前培訓、鑒定過程全程監控、管理，此項監管制度已在職業院校試行。學生實現了，有網即可學習、考核，掌握自己的學習進度，有指導性地提升實踐能力。

作者簡介：孔曉萍（1970-），女，甘肅人，本科，學士學位，副教授，研究方向：有色金屬冶金。