轉爐煉鋼課程一體化教學的實踐與研究

吳立凡

摘要：通過對包頭鋼鐵職業技術學院冶金專業學生《轉爐煉鋼》課程一體化教學過程的實踐，探討虛擬仿真教學平臺建設的重要性和必要性，對平臺建設和師資培養提出建議。通過仿真模擬實現冶金專業的人才培養目標。

關鍵詞：轉爐煉鋼;仿真模擬;一體化教學

中圖分類號：G712? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）51-0249-02

高等職業教育對專業課提出一體化教學的基本要求，是為了提高學生的實踐能力，更好地培養理論知識和實踐技能兼備的應用型人才。這對于機械、電氣等專業是比較容易實現的。然而對于鋼鐵冶金專業來說，想實現理實一體化教學卻受到了實訓條件較難滿足的限制。首先，學生在生產一線參與生產實訓必須要保證人身和設備安全，保證工廠生產不受到干擾和影響。

本課題針對轉爐煉鋼工藝，通過仿真模擬軟件的應用，實現轉爐煉鋼課程的“理、實一體化”教學。

一、虛擬仿真教學平臺的建設

包頭鋼鐵職業技術學院于2015年引進北京某科技有限公司開發的冶金仿真模擬軟件，并相應建設煉鐵、煉鋼、軋鋼三個網絡實訓室。轉爐煉鋼分為冶煉開始、裝入廢鋼、裝入鐵水、吹氧冶煉、出鋼、濺渣護爐、出渣、冶煉結束八個工序。

轉爐煉鋼仿真模擬系統包括：

1.轉爐總貌（主要完成轉爐煉鋼設備全局或局部區域瀏覽、冶煉工序操作控制、裝入廢鋼、裝入鐵水等控制功能）。

2.裝料系統（主要完成轉爐裝料系統設備瀏覽以及查看冶煉期間造渣料、鋼包合金、合金微調等工序實時狀態等功能）。其中物料平衡界面主要完成冶煉目標參數設定、冶煉用原料參數設定、自動煉鋼各參數設定以及實時查看冶煉過程數據等功能。造渣控制界面主要完成冶煉期間造渣料稱量、裝料等功能。鋼包合金界面主要完成冶煉期間鋼包合金稱量、裝料等功能。合金微調界面主要完成出鋼之后合金微調稱量、裝料等功能。

3.吹煉系統（主要完成轉爐吹煉系統設備瀏覽以及吹煉過程的傾動控制、氧槍控制、副槍控制、氬氣底吹等控制功能）。其中傾動控制界面主要完成轉爐傾動回轉的設備控制功能，從而實現轉爐的加料、出鋼、出渣等設備功能。輔機控制界面主要完成擋火門開閉、煙罩升降、主控室卷簾門開閉的設備控制功能。

氧槍控制界面主要完成左右氧槍小車橫移、左右氧槍升降、氧槍吹煉槍位的手動設定等設備控制功能。氧氣流量控制界面主要實現左右氧槍氧氣切斷閥開閉、氧氣調節閥流量調節等功能控制。氬氣底吹界面主要完成轉爐底吹氬氣開閉、鋼包底吹氬氣開閉、轉爐底吹氬氣流量、鋼包底吹氬氣流量自動/手動調節等控制功能。副槍控制界面主要完成副槍橫移、副槍升降設備控制功能，以及實現冶煉期間的鋼水測溫取樣、各成分參數檢測功能。

4.出鋼系統（主要完成鋼、渣兩車控制和濺渣護爐控制功能）。其中兩車控制界面主要完成鋼包車行走、渣車行走、鋼包裝入/吊出、渣車裝入/吊出、出鋼期間的加入擋渣棒、加入擋渣帽等設備工藝操作控制。氮氣濺渣界面主要實現在爐齡中后期，通過氮氣吹濺冶煉后轉爐內剩余鋼渣，使鋼渣噴濺至轉爐內襯上，從而達到增厚爐壁內襯，延長轉爐壽命的工藝操作控制。

5.除塵系統（在轉爐冶煉期間，對產出的煙氣需要進行二次除塵凈化，本界面主要實現其除塵設備的系統控制功能）。

6.汽化冷卻（主要完成汽化冷卻和汽化控制操作功能）。儀表總覽界面主要完成氧氣控制、氬氣控制、氮氣控制、設備冷卻水控制等設備運行狀態的瀏覽以及各流體相關計量信息實時顯示等功能。設備冷卻界面主要完成轉爐爐體設備冷卻、左右氧槍槍體冷卻用冷卻水的開閉功能。同時監控冷卻水流量、水溫等相關信息，防止設備沒有有效冷卻造成損壞。汽化總覽界面主要完成轉爐煙道汽化冷卻相關設備運行狀態的瀏覽以及各流體相關計量信息實時顯示等功能。完成蓄能器安全閥、汽包安全閥性能測試相關功用。汽化控制界面主要完成轉爐煙道汽化冷卻相關設備運行的控制功能，以及各流體相關計量信息實時顯示等功能。

7.異常爐況操作規程。主要講解噴濺、返干等異常爐況發生的原因、可能的危害以及處理方法等知識。同時講解低溫鋼、高溫鋼等10種常見煉鋼事故知識點。

8.數據監控界面。主要用于冶煉期間監控轉爐生產設備運行趨勢、吹煉信息趨勢、鋼水成分發展趨勢、鋼渣成分發展趨勢等信息。

二、虛擬仿真教學平臺的應用

自2015年起，《轉爐煉鋼》課堂教學采用理論教學與實訓教學相結合的方式完成，并逐年完善。

課程標準制定流程為：企業需求調研 課堂教學設計 實踐教學設計

實踐教學應用。其中企業需求調研是課程標準制定的基礎，針對目前國內大型鋼廠生產產品不同而制定不同鋼種的實訓教學內容，以此培養冶金專業學生的操作技能。例如：包頭某大型鋼鐵公司研發的新品種鋼是在Q235的基礎上添加Re，從而改善鋼的強度、韌性等力學性能。在實際的生產過程中，添加Re的Q235吹煉要求與普通Q235稍有不同。根據這一情況，我們在理論教學過程中完成對學生物料平衡、熱平衡的理論知識教學后，對品種鋼吹煉的特殊需求做進一步講解，如：廢鋼比的要求、入爐鐵水成分的要求、鋼水化學成分的要求、出鋼溫度的要求等，使學生掌握品種鋼的特殊性。接下來進行仿真模擬的操作，普通Q235鋼和品種鋼分別進行計算機模擬吹煉操作。仿真模擬過程中不同的數據輸入和操作會導致計算機得出不同的結果。仿真模擬系統自身的評價系統會對普通Q235吹煉過程給出一個成績，品種鋼的吹煉結果由指導教師根據產品終點要求結合模擬曲線給出綜合評判。

三、對實訓平臺和任課教師的要求

包頭鋼鐵職業學院黑色冶金專業的人才培養方案中對專業做出明確定位：冶金技術專業始終堅持為冶金和材料等相關行業培養優秀人才的辦學宗旨，堅持培養面向生產、管理第一線，“下得去、留得住、用得上”，實踐能力強、具有良好職業道德的高技能人才。為加強技能型人才培養，在“貼近實際，科學設計人才培養新模式;體現實用，構建技能型人才質量的新規范”的基礎上，突出“應用”，為企業培養高技能應用性操作人才。因此，要求我們的課堂教學除使學生達到基本的素質要求、知識要求之外，還要具有：（1）應用專業知識分析和解決冶金生產過程中常見問題的能力。（2）具有從事鋼鐵冶煉生產一線主要崗位的操作能力和處理一般事故的能力。（3）具有從事設備的調試、使用、維護和管理的能力。（4）具備鋼鐵冶煉生產組織、管理和工藝規程編制及實施的能力。（5）具有對冶煉生產工藝、設備進行初步設計和改進的能力。（6）具有安全生產、環境保護、產品質量分析和檢驗的能力。針對以上要求，實訓平臺必須滿足實踐教學中數學模型的準確性和敏感性，對吹煉過程中如軟吹、硬吹，頂吹、頂底復吹等不同的模式會有不同的結果呈現。同時，鋼液溫度及鋼渣中各組元含量與吹煉時間的關系變化曲線實時更新。網絡實訓基于現場模擬，因此，對實訓指導教師除要求具備專業理論知識之外，還必須具備現場生產經驗。能夠根據經驗判斷正常爐況和異常爐況，并對異常爐況的出現有豐富的應對措施，能夠利用現有的仿真模擬平臺開發新鋼種的冶煉流程。

四、結語

轉爐煉鋼的仿真模擬系統應用彌補了學生實踐過程的欠缺，通過平臺操作還原現場真實場景。通過實踐教學，可以進一步促進學生理論知識的學習和應用，多種教學手段的應用使枯燥的理論教學變得生動有趣。仿真模擬系統可以拓寬學生的專業視野，通過實訓教學使學生了解相對先進的冶煉工藝和技術，對就業有一定的促進作用。

總之，計算機仿真模擬系統將在冶金專業課程一體化教學過程中發揮不可替代的作用。

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