冶煉機械裝備專業(yè)綜合實驗的探索與實踐

吳玉娟 任廷志 喬長鎖 黃 文

燕山大學 河北秦皇島 066004

冶煉機械裝備專業(yè)綜合實驗的探索與實踐

吳玉娟 任廷志 喬長鎖 黃 文

燕山大學 河北秦皇島 066004

為切實推進教育部本科教學改革和教學質量工程建設，學校針對培養(yǎng)實用型、創(chuàng)新型人才大力進行實驗教學改革，開設了創(chuàng)新性綜合實驗。介紹了以試驗氧氣頂吹轉爐為主體的綜合實驗，將電器控制、煉鋼機械和測試技術等多學科知識貫穿起來，并體現(xiàn)了冶煉機械裝備的專業(yè)特色。教學實踐證明，該綜合實驗使學生鞏固了專業(yè)理論知識，激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識，取得了非常好的效果。同時在為我校培養(yǎng)學生綜合實踐能力以更好地開展實驗教學改革中發(fā)揮積極作用。

教學改革；綜合實驗；冶煉設備；氧氣頂吹轉爐

社會和經濟的發(fā)展要求高等學校培養(yǎng)出來的學生，不僅要有扎實的基礎理論，而且要有較強的分析和解決問題的能力。實驗教學是高校教學的重要組成部分，在人才創(chuàng)新能力及全面素質培養(yǎng)方面有著其它教學環(huán)節(jié)不可替代的獨特作用。積極推進實驗教學改革，認真搞好綜合性、設計性實驗教學，培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力綜合素質好的高級復合型人才，是時代賦予我們的歷史責任。綜合性實驗是在學生具有一定基礎知識和基本操作技能的基礎上，對學生實驗技能和實驗方法進行綜合訓練的一種復合性實驗。它要求學生運用多科知識去發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，從而達到培養(yǎng)學生獨立解決工程實際問題的能力和創(chuàng)新能力之目的。鋼鐵工業(yè)是一個國家的支柱產業(yè)，我國已經成為鋼鐵工業(yè)大國，但還不是鋼鐵工業(yè)強國。目前，冶煉設備比較落后，存在著高能耗、環(huán)境污染等問題，每年要花費大量資金從國外引進有關設備。因此，國家急需冶煉設備技術研究人才的培養(yǎng)。燕山大學是一所以機械學科特別是以冶金機械為特色的高等院校。過去冶煉機械裝備專業(yè)實驗過程單一，大都為演示或驗證實驗，扼殺了學生通過實驗獲取知識和能力的熱情。隨著教育部本科教學改革的不斷深入和實踐教學要求的不斷提高，燕山大學針對實驗教學進行了大力改革，在各學科開設了創(chuàng)新性綜合實驗。冶煉專業(yè)實驗在傳統(tǒng)實驗教學模式的基礎上增加設計性、綜合型創(chuàng)新實驗也是勢在必行。而如何實現(xiàn)演示、驗證型實驗向綜合型創(chuàng)新實驗的轉變，在實驗中切實提高學生綜合素質與創(chuàng)新能力，需要進行認真的探索和研究。

一、實驗系統(tǒng)組成

轉爐煉鋼是冶煉生產線中的一個重要環(huán)節(jié)，而氧氣頂吹法的生產工藝與設備已發(fā)展得較為成熟，且在實際生產中占有主導地位。因此，以轉爐為實驗對象設計開發(fā)的綜合實驗，對冶煉專業(yè)的實驗教學有很強的實用價值。實驗項目選定為：200Kg氧氣頂吹試驗轉爐傳動、控制操作及力能參數測定。實驗系統(tǒng)主體為200Kg試驗氧氣頂吹轉爐爐體及其傾動裝置（如圖1所示）。實驗所需的儀器設備還包括PLC控制柜、HMI終端輸入操作箱、Y6D-3A動態(tài)應變儀、BZ7201-USB數據采集儀、轉角測量編碼器及接近開關、計算機、電阻應變片、萬用表、電烙鐵、密封膠、導線和千分尺等輔助工具。

圖1 試驗氧氣頂吹轉爐

整個實驗系統(tǒng)構成如圖2所示。整個實驗集成電氣控制、冶金機械設備、測試技術和材料力學多個學科理論知識，在培養(yǎng)學生知識系統(tǒng)化、能力綜合化方面起到很好的作用。

圖2 試驗氧氣頂吹轉爐實驗系統(tǒng)框圖

二、實驗內容的設計與實施

該綜合實驗圍繞轉爐煉鋼展開，根據學院課程安排，把實驗定于大四第1學期第15周左右進行。此時學生已完成了現(xiàn)代測試技術、材料力學、現(xiàn)代控制原理及煉鋼機械等課程的學習。實驗過程有觀察、操作和測試等，一般以實驗小組的方式進行實驗，每個小組可分配2～4人，共同商討實驗方案，分工合作，激發(fā)每個學生的學習熱情。實驗要求為16學時，主要分4個部分進行。

1.邊界條件轉爐設備傳動及控制操作

試驗轉爐為兩點嚙合，即由對稱分布的兩臺末級電動機驅動，分別經一、二次減速驅動爐體。整套傳動裝置全部懸掛在耳軸外伸端上，用兩端鉸接的兩根立桿通過曲柄與水平扭力桿連接而支承在地基上。實驗過程中要求學生通過觀察實驗氧氣頂吹轉爐結構及其傳動方式，分析多點嚙合柔性支承傳動及傾動機構原理。根據實物圖，畫出傾動機構及柔性傳動的原理簡圖。

學習轉爐控制系統(tǒng)啟動及運行操作。這一部分要求學生查閱相關資料，分析轉爐控制原理，了解轉爐工藝操作制度。在煉鋼中，根據不同的操作工藝，對電機轉速有不同的要求。要求學生根據實習經驗或查閱的文獻，并選擇不同工況制定轉爐的操作規(guī)程。根據操作說明書，由HMI操作箱進行信號輸入。從初始操作界面選擇“手動”或“自動”方式，進入相應界面。根據制定的操作規(guī)程，學生自行設計和修改參數，進行操作（如圖3所示）。設定轉爐傾動工序、電機工作方式和運行時間等，并觀察二次減速機的擺動情況。如操作過程出現(xiàn)故障，學生可進入診斷界面，進行故障的排查和處理。

圖3 手動操作界面及參數設置界面

2.轉爐爐液傾動力矩綜合計算

對于傾動力矩的測量和計算部分，要求學生認真觀察轉爐爐殼、托圈及各個連接部件的結構。利用實驗室提供的工具測量爐殼結構參數，確定轉爐爐型尺寸。根據所學理論知識，用三維軟件模擬或編程并計算轉爐傾動過程的爐液力矩，分析其變化規(guī)律。要求學生查閱相關資料，掌握工程計算中常用的數值積分方法。在轉爐傾轉角從0°變到180°過程中，確定每隔5o相應角度下的爐內液體重心坐標，計算該角度下爐內液體對耳軸的力矩。

3.轉爐耳軸傾動力矩測定與計算

復習和查閱測試技術知識，掌握測試方法。選擇合適的應變片，并根據所測力能參數的性質，自行設計應變片的布片及組橋方式。利用實驗室提供的工具進行貼片組橋，對測試系統(tǒng)進行調試、標定，最后用計算機進行數據采集和整理。本實驗采用BZ7201數據采集儀測定空載和滿載情況下耳軸傾動力矩，由計算機進行操作和顯示。進入數據采集界面對采樣頻率，采樣方式，通道參數等進行設置，完成后即開始進行示波和采樣（如圖4和圖5所示）。測試完成后，對數據進行分析和整理。要求學生最后繪制轉爐傾動力矩曲線，并驗算耳軸位置的合理性。

圖4 參數設置窗體

圖5 實驗數據的測量采樣

4.實驗的總結與考核

安排一定的學時，學生之間或與指導教師進行交流?？偨Y實驗體會與收獲。實驗成績的考核包括以下幾部分：(1)簡單答辯。通過答辯，了解學生對實驗基本原理的掌握情況，以及設計思路等。(2)實驗進行過程中學生的參與情況，如傾動工序及電機轉速的選擇、貼片是否完好、自行解決問題的情況及考勤等。(3)課后實驗報告及心得的書寫。在實驗教學中，學生是實驗過程的中心和主體，教師只起到輔助指導作用。指導教師通過與學生的答辯和對實驗報告的批改進行總結，并針對實驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題，對實驗進一步完善，以不斷提高教學效果。

三、結束語

實驗教學的最終目的是提高學生的實踐動手能力和創(chuàng)新意識。通過一年以來的實踐，證明本綜合實驗可以充分調動學生的學習積極性和主動性，既鞏固了理論知識，又提高了學生的動手能力和對知識的綜合運用能力，取得了很好的效果，在機械學院教學改革和教學質量工程建設中起到了積極的推動作用。相信通過不斷地改進和完善，冶煉設備綜合實驗在培養(yǎng)專業(yè)特色人才的素質教育中將發(fā)揮更為積極和重要的作用。

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[6]王雅真，張巖.氧氣頂吹轉爐煉鋼工藝與設備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001

Exploration and practice of integrative experiment for metallurgy mechanical specialty

Wu Yujuan, Ren Tingzhi, Qiao Changsuo, Huang Wen
Yanshan university, Qinhuangdao, 066004, China

Aimed at practical and innovative talent training, experimental didactical innovation was deeply carried out in Yanshan university, and integrative experiment was explored. This is executed under the undergraduate didactical innovation and the teaching quality project from ministry of education. An integrative experiment which based on a testing oxygen top-blow converter was presented. Different subject knowledge,including electric control, mechanism of steel making and testing technique were integrated in the experiment,and the major characteristic was incarnated. It is proved that this experiment can consolidate students’professional knowledge, inspire students’ innovation consciousness, and a good effect was achieved with the practice of experiment teaching. Also it is important for training students’ general practical ability and in deepening the didactical innovation of Yanshan university.

didactical innovation; integrative experiment; metallurgy equipment; oxygen top-blow converter

2010-03-23

吳玉娟，碩士，助理實驗師。任廷志，博士，教授。喬長鎖，本科，教授。黃文，博士，教授。