鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真在冶金工程專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用與探討

張曉萍+劉潔群

摘 要 介紹了鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真實訓(xùn)在冶金工程專業(yè)實踐教學(xué)中的作用及必要性，對如何利用虛擬仿真來鞏固學(xué)生所學(xué)專業(yè)理論、提高專業(yè)技能等進行了探討。結(jié)合虛擬仿真與專業(yè)課程教學(xué)，在提高學(xué)生實踐技能的同時激發(fā)其創(chuàng)新思維，培養(yǎng)兼具扎實理論基礎(chǔ)和豐富實踐技能的創(chuàng)新實踐型復(fù)合人才。

關(guān)鍵詞 鋼鐵生產(chǎn) 虛擬仿真 實踐教學(xué) 冶金工程

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A

冶金工程專業(yè)本科教學(xué)的目標是培養(yǎng)具有較扎實專業(yè)基礎(chǔ)理論和專業(yè)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(xué)和化工技術(shù)領(lǐng)域從事產(chǎn)品開發(fā)及工藝設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、科學(xué)研究等方面工作的高級工程技術(shù)人才。然而，在目前的冶金專業(yè)本科教學(xué)中，大多數(shù)高等院校往往注重于理論課程，而在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)略顯單薄。盡管各學(xué)校均安排有認識實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)等環(huán)節(jié)，但由于冶金行業(yè)的特殊性（如高溫、設(shè)備龐大等），實習(xí)企業(yè)考慮到安全生產(chǎn)等因素，學(xué)生在實習(xí)現(xiàn)場并不能很好地了解冶金設(shè)備的結(jié)構(gòu)及具體冶煉生產(chǎn)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(yǎng)學(xué)生的專業(yè)實踐技能一直是困擾冶金教育工作者的難題。據(jù)此，本院引進全套鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真實訓(xùn)平臺，籌建了校內(nèi)仿真實訓(xùn)基地，讓學(xué)生在生產(chǎn)實習(xí)前進行仿真實訓(xùn)，學(xué)生可在虛擬環(huán)境中親自控制冶煉過程，從而鞏固專業(yè)知識和提升實踐技能。

1校內(nèi)仿真實訓(xùn)基地簡介

校內(nèi)仿真實訓(xùn)基地由鋼鐵冶煉廠沙盤模型、鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)和實操系統(tǒng)三部分組成。其中沙盤模型以國內(nèi)某大型鋼鐵廠為原型，可讓學(xué)生了解鋼鐵冶煉廠的全貌、車間布置及主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)。鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)是結(jié)合圖像、動畫、聲音及互動視景設(shè)備等對鋼鐵冶煉的工藝流程、現(xiàn)場操作過程及主要冶煉設(shè)備進行虛擬仿真，該仿真系統(tǒng)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(tǒng)由槽下配料、爐頂布料、高爐本體、熱風(fēng)爐鼓風(fēng)、爐前等仿真模塊組成；煉鋼仿真系統(tǒng)包含鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐煉鋼、LF精煉和連鑄等仿真模塊；而軋鋼仿真系統(tǒng)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(tǒng)操作界面包含操作監(jiān)控頁面、規(guī)程輸入頁面和狀態(tài)顯示頁面，在仿真實訓(xùn)時，學(xué)生通過監(jiān)控和規(guī)程輸入界面實時控制冶煉過程，相應(yīng)冶煉場景實時顯示。此外，該系統(tǒng)還包含3D環(huán)游程序，該程序基于實際生產(chǎn)場景，可讓學(xué)生以第一人稱視角全方位、多角度地在工廠、車間內(nèi)以及設(shè)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(shè)備、車間布置和工藝流程。在虛擬仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，學(xué)院又引進了實操模型，從而高度相似地模擬現(xiàn)場操作界面按鈕，進一步提升學(xué)生的實踐操作技能。

2鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真在實踐教學(xué)中的應(yīng)用與探討

2.1在專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

在冶金類專業(yè)本科教學(xué)過程中，教師一般都注重于專業(yè)理論課程的講授，如冶金物理化學(xué)、鋼鐵冶金學(xué)、冶金設(shè)備、軋制理論等，往往忽視了實踐教學(xué)。一般來說，學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程前根本沒有見過相關(guān)的冶煉設(shè)備，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場的工藝流程都不了解，這導(dǎo)致學(xué)生難以將理論與實際結(jié)合起來，對所學(xué)專業(yè)知識難以深刻理解，從而影響了學(xué)習(xí)效果。然而，利用虛擬仿真實訓(xùn)就可以較好地解決這一難題，教師們可以在講解專業(yè)知識的同時利用該系統(tǒng)展示相關(guān)冶金設(shè)備及工藝流程，讓學(xué)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(huán)游系統(tǒng)讓學(xué)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(guān)設(shè)備，首先讓學(xué)生對軋制的設(shè)備和工藝流程有一個初步的了解，然后在講到相關(guān)理論知識（如軋制條件、非對稱軋制理論等）時，再結(jié)合軋鋼虛擬仿真系統(tǒng)進行重點講解，這樣將會強化學(xué)生對所學(xué)專業(yè)理論知識的理解，從而提升學(xué)習(xí)效果。

2.2在校內(nèi)實習(xí)等實踐教學(xué)中的應(yīng)用

冶金工程是典型的工科類專業(yè)，不僅要求學(xué)生具備扎實的理論基礎(chǔ)，而且要求具有一定的專業(yè)實踐技能。因此，本科教學(xué)中必須將理論與實踐相結(jié)合，讓學(xué)生通過更多的實訓(xùn)來提升其專業(yè)技能和工程實踐能力。然而，尋找穩(wěn)定的校外實踐教學(xué)基地是目前冶金院校普遍存在的難題。首先，冶金企業(yè)沒有承擔(dān)高等學(xué)校冶金工程專業(yè)實踐教學(xué)的義務(wù)，承擔(dān)實踐教學(xué)將在一定程度上增大企業(yè)成本；其次，企業(yè)出于安全和管理等方面的原因，通常只同意高校學(xué)生短期實習(xí)，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(chǎn)實習(xí)或?qū)嵱?xùn)。此外，冶金設(shè)備往往非常龐大且高溫，冶煉現(xiàn)場確實有很多不安全的因素，縱然學(xué)生有實習(xí)的機會，但實習(xí)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(yǎng)學(xué)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(nèi)虛擬實訓(xùn)和企業(yè)實習(xí)相結(jié)合的新模式，在實習(xí)之前，讓學(xué)生利用鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真實訓(xùn)和實操系統(tǒng)進行虛擬實訓(xùn)，深入掌握所學(xué)專業(yè)理論知識并鍛煉實操技能。該鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)中的模型與數(shù)據(jù)均來自于國內(nèi)某大型鋼鐵廠，因此整個虛擬過程和場景非常逼真，學(xué)生可以被虛擬為爐長（高爐、轉(zhuǎn)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(tǒng)還可以再現(xiàn)實際生產(chǎn)中一些無法觀察到的設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)備轉(zhuǎn)動過程及相關(guān)冶煉場景（如濺射護爐、扒渣等），可為學(xué)生們提供更加貼近實際的學(xué)習(xí)資料，有助于其攻克學(xué)習(xí)中的難點，使專業(yè)學(xué)習(xí)中抽象概念變得更容易理解，從而大大提高學(xué)習(xí)效率。最為重要的是，校內(nèi)虛擬仿真實訓(xùn)沒有現(xiàn)場實習(xí)時的危險因素，學(xué)生可以放心大膽地實訓(xùn)，同時也不用擔(dān)心參數(shù)設(shè)置或操作失誤造成經(jīng)濟損失，學(xué)生們可以反復(fù)操作練習(xí)，直到掌握相關(guān)專業(yè)知識和技能為止。

以轉(zhuǎn)爐鐵水預(yù)處理為例，在虛擬仿真實訓(xùn)時學(xué)生需進行如下步驟的操作與考核。（1）準備操作：系統(tǒng)檢查（如攪拌頭是否正常、液壓系統(tǒng)是否正常等）、魚雷罐車進站、倒鐵水、進預(yù)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(xué)生在不僅要掌握較扎實的專業(yè)知識，還要熟練地掌握整個相關(guān)冶煉過程中各設(shè)備的操作、物料的選擇及添加過程等，其涉及到專業(yè)知識和操作技能，每一過程都會對冶煉的產(chǎn)品造成重大影響。如果操作不合格，系統(tǒng)產(chǎn)生的報表中會提示出問題的環(huán)節(jié)，學(xué)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(chǎn)品合格。因此，虛擬仿真實訓(xùn)在不影響實際生產(chǎn)的前提下達到了訓(xùn)練學(xué)生操作技能和鞏固專業(yè)知識的目的。

3結(jié)束語

將鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真應(yīng)用于冶金工程專業(yè)實踐教學(xué)，使得實踐教學(xué)與理論教學(xué)得以有機結(jié)合，為學(xué)生提供逼真的虛擬現(xiàn)場操作環(huán)境，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時鞏固了專業(yè)知識的理解。作為冶金工程專業(yè)校內(nèi)實訓(xùn)基地，解決了冶金專業(yè)學(xué)生校外實習(xí)難的難題，將虛擬仿真應(yīng)用于冶金專業(yè)實訓(xùn)，讓學(xué)生親自操作冶煉過程，冶煉出合格的產(chǎn)品，不僅鞏固了學(xué)生的專業(yè)知識，而且提高了其專業(yè)技能和工程實踐能力。同時，在提高學(xué)生實踐技能的同時激發(fā)其創(chuàng)新思維，培養(yǎng)出兼具扎實理論基礎(chǔ)和豐富實踐技能的創(chuàng)新實踐型復(fù)合人才。

參考文獻

[1] 楊喜云，石西昌，王志興.提高冶金工程專業(yè)實踐教學(xué)水平淺述[J].教師， 2011（17）： 55-56.

[2] 賀道中，陳藝峰，高澤平等.冶金工程應(yīng)用型本科專業(yè)實習(xí)教學(xué)體系構(gòu)建[J].中國冶金教育， 2011（01）：11-14.

[3] 許繼芳，于學(xué)斌，伍凌等.鋼鐵生產(chǎn)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)在冶金類本科專業(yè)課程教學(xué)中的實踐與思考[J].科教導(dǎo)刊，2013（02）：88.

[4] 童長仁，李明周，徐志峰等.開放式冶金過程仿真平臺在實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].江西理工大學(xué)學(xué)報，2011，32（02）： 61-63.endprint