基于“卓越”理念鋼鐵冶金仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)創(chuàng)新性研究

嚴(yán)軍 曹海蓮 馬曉藝

摘 要 將虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用到鋼鐵冶金教學(xué)中，在虛擬環(huán)境中模擬鋼鐵冶金生產(chǎn)過程，為鋼鐵冶金學(xué)課程教學(xué)提供了一個(gè)新思路。將虛擬仿真系統(tǒng)引入教學(xué)，讓學(xué)生形象、直觀的體會(huì)真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，從而達(dá)到提高課堂教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的，給學(xué)生帶來全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 鋼鐵冶金學(xué) 虛擬仿真系統(tǒng) 創(chuàng)新教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

鋼鐵冶金學(xué)是冶金工程專業(yè)本科生必修的專業(yè)主干課程，國內(nèi)各大冶金院校在教學(xué)中都非常重視鋼鐵冶金學(xué)課程。作為專業(yè)基礎(chǔ)課程與工業(yè)過程的橋梁，該課程旨在向?qū)W生全面講授鋼鐵冶金學(xué)的基本理論、冶金工藝的原理及技術(shù)特點(diǎn)，并通過典型工藝及技術(shù)的分析，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識解決冶金工藝問題的思維方法，使學(xué)生具備解決基本工程問題的能力。

冶金工程專業(yè)是青海大學(xué)特色專業(yè)之一，國家第三批“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè)。目前，在鋼鐵冶金學(xué)的教學(xué)過程中，燒結(jié)、煉鐵、轉(zhuǎn)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(shè)備較多，僅依賴教師課堂上的語言描述與動(dòng)畫、錄像展示，不足以讓學(xué)生直觀的認(rèn)識設(shè)備構(gòu)造，掌握生產(chǎn)過程和工藝參數(shù)，從而導(dǎo)致課堂氣氛枯燥、乏味，學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下，甚至對鋼鐵冶金學(xué)產(chǎn)生厭煩，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。為了改變上述情況，參照TRIZ創(chuàng)新原理中的機(jī)械系統(tǒng)替代原理，嘗試在鋼鐵冶金學(xué)課程中引入鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，通過軟件交互界面，讓學(xué)生更形象、直觀的體會(huì)真實(shí)的生產(chǎn)過程，在虛擬環(huán)境中開展實(shí)訓(xùn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，鞏固理論知識并提高實(shí)踐能力。

1鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)簡介

虛擬現(xiàn)實(shí)是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、光電成像技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真、人工智能等多種技術(shù)，創(chuàng)建一個(gè)逼真的、具有視、聽、觸、嗅、味等多種感知的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于冶金類教學(xué)，通過虛擬現(xiàn)場的真實(shí)環(huán)境，數(shù)學(xué)模型支持模擬真實(shí)的生產(chǎn)工藝過程，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)包括：煉鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、煉鋼生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、教學(xué)課件系統(tǒng)與工廠3D漫游三個(gè)部分，鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的界面如圖1所示。

1.1煉鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

近年來煉鐵設(shè)備大型化趨勢明顯，國內(nèi)新增高爐容量基本都是1000m3以上，煉鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的高爐容量設(shè)計(jì)為1750m3，在目前國內(nèi)屬主流和先進(jìn)設(shè)備，基于主流或先進(jìn)工藝設(shè)備的仿真訓(xùn)練，更有益于學(xué)生學(xué)習(xí)和就業(yè)。

仿真系統(tǒng)的核心模型來自現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，通過3D模型可展示新建高爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和3D煉鐵生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)槽下配料、爐頂布料、高爐本體、熱風(fēng)爐鼓風(fēng)、爐前出鐵五部分的高爐動(dòng)態(tài)連續(xù)冶煉，學(xué)生可通過本系統(tǒng)熟練的掌握高爐煉鐵的整個(gè)冶煉過程。

1.2煉鋼生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

煉鋼生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)利用3D動(dòng)畫技術(shù)模擬煉鋼完整工藝流程的設(shè)備和場景，包括：鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐煉鋼、LF精煉、板坯連鑄；其中轉(zhuǎn)爐容量為120噸。系統(tǒng)仿真制作了全工藝流程的自動(dòng)化二級監(jiān)控系統(tǒng)和操控硬件設(shè)備，即仿真現(xiàn)場操作臺(tái)（如圖2所示）；采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將生產(chǎn)現(xiàn)場的自動(dòng)化操控系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)與虛擬場景和設(shè)備的完全互動(dòng)；在物理模型、工藝模型驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)符合真實(shí)煉鋼工藝過程訓(xùn)練。

1.3教學(xué)課件系統(tǒng)與工廠3D漫游

鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)配套有教案生成平臺(tái)，可利用現(xiàn)代多媒體技術(shù)開發(fā)，借助專業(yè)素材庫制作出靈活、多樣、生動(dòng)有針對性的個(gè)性化教案，縮短教師的備課時(shí)間，提高備課效率。同時(shí)為幫助學(xué)生更快更好地了解設(shè)備及其工作原理，開發(fā)了以第一人稱視角在工廠車間內(nèi)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(xiàn)場設(shè)備的結(jié)構(gòu)。教案生成平臺(tái)和3D漫游演示如圖3所示。

學(xué)生通過鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的監(jiān)控界面進(jìn)行操作，能夠完整的按工藝操作規(guī)程進(jìn)行，時(shí)間上與現(xiàn)場達(dá)到1：1的匹配，更形象、直觀的體會(huì)真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，掌握工藝過程及其操作方法。系統(tǒng)完善的操作評價(jià)體系及自動(dòng)打分功能，可以讓學(xué)生在不斷地考核和練習(xí)過程中，實(shí)現(xiàn)理論知識水平和實(shí)際操作能力的緊密結(jié)合。學(xué)生在享受豐富和高度互動(dòng)的體驗(yàn)過程中，可提高對鋼鐵冶金學(xué)課程的興趣。

2虛擬教學(xué)仿真實(shí)例

2.1高爐冶煉工藝

青海大學(xué)開設(shè)的鋼鐵冶金學(xué)專業(yè)課程

按照《煉鐵部分》和《煉鋼部分》分開講授。在學(xué)習(xí)煉鐵部分時(shí)，復(fù)雜的高爐冶煉工藝是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)之一，學(xué)生僅僅依靠理論知識，無法根據(jù)生產(chǎn)的具體條件確定合理的高爐操作制度。使用煉鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中的高爐本體模塊，實(shí)現(xiàn)了爐溫控制操作、高爐順行控制操作、高爐配料操作、休風(fēng)操作、復(fù)風(fēng)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(fēng)量、風(fēng)溫、噴煤量、富氧、頂壓等參數(shù)的控制調(diào)節(jié)，如圖4所示。通過煉鐵生產(chǎn)工藝的仿真模擬，可以使學(xué)生更加直觀的了解整個(gè)高爐冶煉過程中的運(yùn)行情況，加深學(xué)生對高爐煉鐵參數(shù)調(diào)節(jié)作用的理解。

2.2頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法模擬

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)爐煉鋼仿真操作控制模塊可以模擬頂吹氣體轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝。通過仿真模擬，學(xué)生可全面認(rèn)識各工序主要原料及設(shè)備，熟悉現(xiàn)代頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝流程和工藝布置；加深對轉(zhuǎn)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(tài)的認(rèn)識與理解。通過煉鋼工藝模擬，能夠直觀地向?qū)W生演示冶煉時(shí)氧槍的升降（如圖5），解釋槍位對冶煉過程的影響；通過監(jiān)控轉(zhuǎn)爐冶煉爐況，可動(dòng)態(tài)展示各參數(shù)的變化趨勢（如圖6），通過與理論知識對比，使學(xué)生更加深刻的理解各項(xiàng)參數(shù)的含義。

2.3動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)

輕壓下技術(shù)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(chǎn)生的一定壓下量來補(bǔ)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(dòng)態(tài)輕壓下就是指在澆鑄過程中，隨著澆鑄工藝的進(jìn)行輕壓下的壓下區(qū)間、壓下量隨之發(fā)生改變，以達(dá)到不同澆鑄工藝下均可保證鑄坯質(zhì)量的目的。如何準(zhǔn)確找到連鑄坯凝固終點(diǎn)的位置，選擇合適的壓下區(qū)間和壓下量，是動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)的關(guān)鍵，此項(xiàng)技術(shù)的核心就是利用數(shù)學(xué)模型對鑄坯溫度場進(jìn)行實(shí)時(shí)熱跟蹤。連鑄坯凝固傳熱的數(shù)學(xué)模型除做必要的假設(shè)外還需建立差分方程，由于求解過程涉及到數(shù)值法，其繁瑣的推導(dǎo)過程使學(xué)生感覺索然無味。

通過煉鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中的連鑄機(jī)動(dòng)態(tài)輕壓下仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以對澆鑄過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱跟蹤，對跟蹤片的溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，根據(jù)溫度反饋系統(tǒng)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(tǒng)已有的數(shù)學(xué)模型，學(xué)生可以通過改變工藝參數(shù)來研究坯殼和凝固終點(diǎn)的影響因素。

3問題與建議

應(yīng)用鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，學(xué)生可在操作界面上進(jìn)行“還原現(xiàn)場”的實(shí)訓(xùn)操作，通過訓(xùn)練加深學(xué)生對鋼鐵冶金學(xué)課程知識的理解，也彌補(bǔ)了課堂教學(xué)理論聯(lián)系實(shí)際不緊密的不足。為了充分發(fā)揮鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的作用，基于青海大學(xué)該門課程的教學(xué)現(xiàn)狀，以下方面有待加強(qiáng)：

（1）構(gòu)建以鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)目前已經(jīng)開發(fā)出高爐煉鐵、鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐煉鋼、爐外精煉、連鑄、軋鋼等模塊，幾乎覆蓋鋼鐵生產(chǎn)全流程，如能將鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)作為實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的載體，將理論教學(xué)外的課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)引入這個(gè)大平臺(tái)，引導(dǎo)教師與學(xué)生正確運(yùn)用該平臺(tái)進(jìn)行操作，不僅能加深學(xué)生對整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)課程體系的理解，擴(kuò)展知識面，提高學(xué)生實(shí)踐能力，還可以節(jié)省部分傳統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)中的費(fèi)用，體現(xiàn)教學(xué)經(jīng)濟(jì)性。

（2）實(shí)現(xiàn)仿真訓(xùn)練過程的連續(xù)性，確保學(xué)生認(rèn)知的完整性。為了保證能夠完整的按工藝操作規(guī)程進(jìn)行仿真訓(xùn)練，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)場生產(chǎn)1：1的匹配，所以完成一個(gè)周期的仿真訓(xùn)練需要較長時(shí)間。目前青海大學(xué)1學(xué)時(shí)的教學(xué)時(shí)間為45分鐘，每次課為2學(xué)時(shí)即90分鐘。學(xué)生由于操作不熟練，無法在90分鐘內(nèi)完成整個(gè)訓(xùn)練過程。為了滿足模擬教學(xué)的要求，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練過程的連續(xù)性，保證學(xué)生對模擬過程認(rèn)知的完整性，建議在安排本門課程的教學(xué)時(shí)間時(shí)，采用大課授課的方式進(jìn)行，安排3～4學(xué)時(shí)連續(xù)授課。

（3）理論結(jié)合實(shí)踐，提高教師工程素養(yǎng)。鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為教師的教學(xué)提供了學(xué)習(xí)和發(fā)展的空間。為了取得更好的教學(xué)效果，冶金工程專業(yè)教師可通過仿真模擬系統(tǒng)熟悉專業(yè)知識、了解實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，在熟悉、消化、吸收新軟件的過程中，理論結(jié)合實(shí)踐，提高自身的工程素養(yǎng)。

4結(jié)論

將鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用到鋼鐵冶金學(xué)的教學(xué)中，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力。做為教學(xué)改革的一種探索手段，對冶金工程專業(yè)課程的教學(xué)起到了積極作用。為了進(jìn)一步發(fā)揮鋼鐵生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的作用，提高教學(xué)質(zhì)量和教師的教學(xué)水平，教學(xué)工作者需要不斷學(xué)習(xí)，提升自身業(yè)務(wù)素質(zhì)；教學(xué)管理者亦需要合理計(jì)劃、科學(xué)安排、嚴(yán)格管理。

作者簡介：嚴(yán)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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