嚴軍 曹海蓮 馬曉藝

摘 要 將虛擬仿真實訓(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、直觀的體會真實的生產(chǎn)環(huán)境，從而達到提高課堂教學(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。

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 文獻標識碼：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，并通過典型工藝及技術(shù)的分析，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(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)計劃”試點專業(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畫、錄像展示，不足以讓學(xué)生直觀的認識設(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、直觀的體會真實的生產(chǎn)過程，在虛擬環(huán)境中開展實訓(xùn)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，鞏固理論知識并提高實踐能力。

1鋼鐵生產(chǎn)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)簡介

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

1.1煉鐵生產(chǎn)仿真實訓(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)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的高爐容量設(shè)計為1750m3，在目前國內(nèi)屬主流和先進設(shè)備，基于主流或先進工藝設(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冶煉過程。

1.2煉鋼生產(chǎn)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)

煉鋼生產(chǎn)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)利用3D動畫技術(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（如圖2所示）；采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將生產(chǎn)現(xiàn)場的自動化操控系統(tǒng)進行仿真，通過網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)與虛擬場景和設(shè)備的完全互動；在物理模型、工藝模型驅(qū)動下實現(xiàn)符合真實煉鋼工藝過程訓(xùn)練。

1.3教學(xué)課件系統(tǒng)與工廠3D漫游

鋼鐵生產(chǎn)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)配套有教案生成平臺，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、生動有針對性的個性化教案，縮短教師的備課時間，提高備課效率。同時為幫助學(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)。教案生成平臺和3D漫游演示如圖3所示。

學(xué)生通過鋼鐵生產(chǎn)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的監(jiān)控界面進行操作，能夠完整的按工藝操作規(guī)程進行，時間上與現(xiàn)場達到1：1的匹配，更形象、直觀的體會真實的生產(chǎn)環(huán)境，掌握工藝過程及其操作方法。系統(tǒng)完善的操作評價體系及自動打分功能，可以讓學(xué)生在不斷地考核和練習(xí)過程中，實現(xiàn)理論知識水平和實際操作能力的緊密結(jié)合。學(xué)生在享受豐富和高度互動的體驗過程中，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，復(fù)雜的高爐冶煉工藝是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點之一，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)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)中的高爐本體模塊，實現(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高爐冶煉過程中的運行情況，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參數(shù)的含義。

2.3動態(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。動態(tài)輕壓下就是指在澆鑄過程中，隨著澆鑄工藝的進行輕壓下的壓下區(qū)間、壓下量隨之發(fā)生改變，以達到不同澆鑄工藝下均可保證鑄坯質(zhì)量的目的。如何準確找到連鑄坯凝固終點的位置，選擇合適的壓下區(qū)間和壓下量，是動態(tài)輕壓下技術(shù)的關(guān)鍵，此項技術(shù)的核心就是利用數(shù)學(xué)模型對鑄坯溫度場進行實時熱跟蹤。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)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)中的連鑄機動態(tài)輕壓下仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以對澆鑄過程進行動態(tài)熱跟蹤，對跟蹤片的溫度變化進行實時反饋，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的影響因素。

3問題與建議

應(yīng)用鋼鐵生產(chǎn)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，學(xué)生可在操作界面上進行“還原現(xiàn)場”的實訓(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，也彌補了課堂教學(xué)理論聯(lián)系實際不緊密的不足。為了充分發(fā)揮鋼鐵生產(chǎn)仿真實訓(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：

（1）構(gòu)建以鋼鐵生產(chǎn)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的實踐教學(xué)平臺。鋼鐵生產(chǎn)仿真實訓(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)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)作為實踐教學(xué)平臺的載體，將理論教學(xué)外的課程實驗、實習(xí)、課程設(shè)計、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)引入這個大平臺，引導(dǎo)教師與學(xué)生正確運用該平臺進行操作，不僅能加深學(xué)生對整個鋼鐵生產(chǎn)課程體系的理解，擴展知識面，提高學(xué)生實踐能力，還可以節(jié)省部分傳統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)中的費用，體現(xiàn)教學(xué)經(jīng)濟性。

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

（3）理論結(jié)合實踐，提高教師工程素養(yǎng)。鋼鐵生產(chǎn)仿真實訓(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)合實踐，提高自身的工程素養(yǎng)。

4結(jié)論

將鋼鐵生產(chǎn)仿真實訓(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，增強學(xué)生動手能力。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。為了進一步發(fā)揮鋼鐵生產(chǎn)仿真實訓(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劃、科學(xué)安排、嚴格管理。

作者簡介：嚴軍：（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。

參考文獻

[1] 盧艷青，趙紅陽，李成威.“鋼鐵冶金學(xué)”課程雙語教學(xué)的研究與實踐[J].教育與職業(yè)，2009（35）：99-100.

[2] 王新化，于會香.加強基本工藝原理和實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練提高鋼鐵冶金學(xué)教學(xué)效果[J].中國冶金技術(shù)，2010（06）：49-50.

[3] 姜茂發(fā)，羅志國，鄒宗樹等.基于卓越工程師培養(yǎng)的鋼鐵冶金實踐教學(xué)體系改革[J].中國冶金教育，2014（01）：51-55.

[4] 劉然，王春杏，艾立群，等.基于卓越工程師計劃的《鋼鐵冶金學(xué)Ⅰ》課程教學(xué)改革[J].河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2014，14（01）：100-102.

[5] 曹福全.創(chuàng)新思維與方法概論[M].哈爾濱：黑龍江教育出版社，2009：10.

[6] 陳浩磊，鄒湘軍，陳燕，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最新發(fā)展與展望[J].中國科技論文在線，2011，6（01）：1-5.

[7] 胡曉紅，于銘杰，陳永生等.動態(tài)輕壓下技術(shù)在連鑄中的應(yīng)用[J].連鑄，2010（06）：8-11.

[8] 李鳳巧，蔡森，鮑紅賓.動態(tài)輕壓下技術(shù)在連鑄中的應(yīng)用[J].中國科技博覽，2011（23）：214-214.

[9] 呂士金，胥珂，趙建宏.動態(tài)輕壓下技術(shù)在大方坯連鑄機上的應(yīng)用[J].河南冶金，2011（05）：44-46.