鋼鐵生產虛擬仿真在冶金工程專業實踐教學中的應用與探討

張曉萍+劉潔群

摘 要 介紹了鋼鐵生產虛擬仿真實訓在冶金工程專業實踐教學中的作用及必要性，對如何利用虛擬仿真來鞏固學生所學專業理論、提高專業技能等進行了探討。結合虛擬仿真與專業課程教學，在提高學生實踐技能的同時激發其創新思維，培養兼具扎實理論基礎和豐富實踐技能的創新實踐型復合人才。

關鍵詞 鋼鐵生產 虛擬仿真 實踐教學 冶金工程

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A

冶金工程專業本科教學的目標是培養具有較扎實專業基礎理論和專業知識，能夠在鋼鐵冶金、有色金屬冶金及冶金與材料物理化學和化工技術領域從事產品開發及工藝設計、技術開發、科學研究等方面工作的高級工程技術人才。然而，在目前的冶金專業本科教學中，大多數高等院校往往注重于理論課程，而在實踐教學環節略顯單薄。盡管各學校均安排有認識實習和生產實習等環節，但由于冶金行業的特殊性（如高溫、設備龐大等），實習企業考慮到安全生產等因素，學生在實習現場并不能很好地了解冶金設備的結構及具體冶煉生產流程，更不能進行實際操作，其實踐技能難以得到提高。因此，如何培養學生的專業實踐技能一直是困擾冶金教育工作者的難題。據此，本院引進全套鋼鐵生產虛擬仿真實訓平臺，籌建了校內仿真實訓基地，讓學生在生產實習前進行仿真實訓，學生可在虛擬環境中親自控制冶煉過程，從而鞏固專業知識和提升實踐技能。

1校內仿真實訓基地簡介

校內仿真實訓基地由鋼鐵冶煉廠沙盤模型、鋼鐵生產虛擬仿真系統和實操系統三部分組成。其中沙盤模型以國內某大型鋼鐵廠為原型，可讓學生了解鋼鐵冶煉廠的全貌、車間布置及主要設備的結構。鋼鐵生產虛擬仿真系統是結合圖像、動畫、聲音及互動視景設備等對鋼鐵冶煉的工藝流程、現場操作過程及主要冶煉設備進行虛擬仿真，該仿真系統包含鋼鐵冶金的全流程，如煉鐵、煉鋼和軋鋼等。煉鐵仿真系統由槽下配料、爐頂布料、高爐本體、熱風爐鼓風、爐前等仿真模塊組成；煉鋼仿真系統包含鐵水預處理、轉爐煉鋼、LF精煉和連鑄等仿真模塊；而軋鋼仿真系統則由加熱爐、粗軋、精軋、剪切、矯直、層流冷卻、堆垛、冷床等仿真模塊組成。仿真系統操作界面包含操作監控頁面、規程輸入頁面和狀態顯示頁面，在仿真實訓時，學生通過監控和規程輸入界面實時控制冶煉過程，相應冶煉場景實時顯示。此外，該系統還包含3D環游程序，該程序基于實際生產場景，可讓學生以第一人稱視角全方位、多角度地在工廠、車間內以及設備前行走與觀察，從而進一步深入了解鋼鐵冶金的主要冶煉設備、車間布置和工藝流程。在虛擬仿真系統的基礎上，學院又引進了實操模型，從而高度相似地模擬現場操作界面按鈕，進一步提升學生的實踐操作技能。

2鋼鐵生產虛擬仿真在實踐教學中的應用與探討

2.1在專業課程教學中的應用

在冶金類專業本科教學過程中，教師一般都注重于專業理論課程的講授，如冶金物理化學、鋼鐵冶金學、冶金設備、軋制理論等，往往忽視了實踐教學。一般來說，學生在學習專業課程前根本沒有見過相關的冶煉設備，對設備的結構及現場的工藝流程都不了解，這導致學生難以將理論與實際結合起來，對所學專業知識難以深刻理解，從而影響了學習效果。然而，利用虛擬仿真實訓就可以較好地解決這一難題，教師們可以在講解專業知識的同時利用該系統展示相關冶金設備及工藝流程，讓學生對理論更容易理解。例如，在講解《軋制理論》時，可以先通過3D環游系統讓學生以第一人稱視覺了解加熱爐、粗軋、精軋、剪切、矯直、層流冷卻等車間總貌以及相關設備，首先讓學生對軋制的設備和工藝流程有一個初步的了解，然后在講到相關理論知識（如軋制條件、非對稱軋制理論等）時，再結合軋鋼虛擬仿真系統進行重點講解，這樣將會強化學生對所學專業理論知識的理解，從而提升學習效果。

2.2在校內實習等實踐教學中的應用

冶金工程是典型的工科類專業，不僅要求學生具備扎實的理論基礎，而且要求具有一定的專業實踐技能。因此，本科教學中必須將理論與實踐相結合，讓學生通過更多的實訓來提升其專業技能和工程實踐能力。然而，尋找穩定的校外實踐教學基地是目前冶金院校普遍存在的難題。首先，冶金企業沒有承擔高等學校冶金工程專業實踐教學的義務，承擔實踐教學將在一定程度上增大企業成本；其次，企業出于安全和管理等方面的原因，通常只同意高校學生短期實習，如為期一天的參觀等，大多不愿意接收長期（如一個月）的生產實習或實訓。此外，冶金設備往往非常龐大且高溫，冶煉現場確實有很多不安全的因素，縱然學生有實習的機會，但實習時往往以參觀為主，走馬觀花，并不能親自操作。因此，單一的校外工程實踐模式對于培養學生工程實踐能力的效果并不理想。為了解決上述問題，本院提出將校內虛擬實訓和企業實習相結合的新模式，在實習之前，讓學生利用鋼鐵生產虛擬仿真實訓和實操系統進行虛擬實訓，深入掌握所學專業理論知識并鍛煉實操技能。該鋼鐵生產虛擬仿真系統中的模型與數據均來自于國內某大型鋼鐵廠，因此整個虛擬過程和場景非常逼真，學生可以被虛擬為爐長（高爐、轉爐等）、軋制工程師等角色，親自參與冶煉過程，從而達到強化實踐技能的目的。該系統還可以再現實際生產中一些無法觀察到的設備內部結構、設備轉動過程及相關冶煉場景（如濺射護爐、扒渣等），可為學生們提供更加貼近實際的學習資料，有助于其攻克學習中的難點，使專業學習中抽象概念變得更容易理解，從而大大提高學習效率。最為重要的是，校內虛擬仿真實訓沒有現場實習時的危險因素，學生可以放心大膽地實訓，同時也不用擔心參數設置或操作失誤造成經濟損失，學生們可以反復操作練習，直到掌握相關專業知識和技能為止。

以轉爐鐵水預處理為例，在虛擬仿真實訓時學生需進行如下步驟的操作與考核。（1）準備操作：系統檢查（如攪拌頭是否正常、液壓系統是否正常等）、魚雷罐車進站、倒鐵水、進預處理站等；（2）煙罩操作：操作模式、上升和下降；（3）電動溜槽操作：操作模式、上升、下降和停止等；（4）鐵水罐車操作：前進、后退、停止等；（5）攪拌器操作：攪拌器高度、攪拌速度、脫硫劑的選擇、投料門檻值、投料量、攪拌時間、扒渣操作等。從上述虛擬冶金操作過程可知，學生在不僅要掌握較扎實的專業知識，還要熟練地掌握整個相關冶煉過程中各設備的操作、物料的選擇及添加過程等，其涉及到專業知識和操作技能，每一過程都會對冶煉的產品造成重大影響。如果操作不合格，系統產生的報表中會提示出問題的環節，學生可以找出自己所存在的問題，然后重新進行冶煉操作，直到產品合格。因此，虛擬仿真實訓在不影響實際生產的前提下達到了訓練學生操作技能和鞏固專業知識的目的。

3結束語

將鋼鐵生產虛擬仿真應用于冶金工程專業實踐教學，使得實踐教學與理論教學得以有機結合，為學生提供逼真的虛擬現場操作環境，在激發學生學習興趣的同時鞏固了專業知識的理解。作為冶金工程專業校內實訓基地，解決了冶金專業學生校外實習難的難題，將虛擬仿真應用于冶金專業實訓，讓學生親自操作冶煉過程，冶煉出合格的產品，不僅鞏固了學生的專業知識，而且提高了其專業技能和工程實踐能力。同時，在提高學生實踐技能的同時激發其創新思維，培養出兼具扎實理論基礎和豐富實踐技能的創新實踐型復合人才。

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