严军 曹海莲 马晓艺

摘 要 将虚拟仿真实训系统应用到钢铁冶金教学中，在虚拟环境中模拟钢铁冶金生产过程，为钢铁冶金学课程教学提供了一个新思路。将虚拟仿真系统引入教学，让学生形象、直观的体会真实的生产环境，从而达到提高课堂教学效果，激发学生学习兴趣的目的，给学生带来全新的学习体验。

关键词 钢铁冶金学 虚拟仿真系统 创新教学

中图分类号：G642 文献标识码：A

钢铁冶金学是冶金工程专业本科生必修的专业主干课程，国内各大冶金院校在教学中都非常重视钢铁冶金学课程。作为专业基础课程与工业过程的桥梁，该课程旨在向学生全面讲授钢铁冶金学的基本理论、冶金工艺的原理及技术特点，并通过典型工艺及技术的分析，培养学生运用所学基础理论知识解决冶金工艺问题的思维方法，使学生具备解决基本工程问题的能力。

冶金工程专业是青海大学特色专业之一，国家第三批“卓越工程师教育培养计划”试点专业。目前，在钢铁冶金学的教学过程中，烧结、炼铁、转炉以及电炉炼钢、精炼、连铸等工艺过程主要依靠课堂讲授完成，由于牵涉到的大型冶金设备较多，仅依赖教师课堂上的语言描述与动画、录像展示，不足以让学生直观的认识设备构造，掌握生产过程和工艺参数，从而导致课堂气氛枯燥、乏味，学生学习效率低下，甚至对钢铁冶金学产生厌烦，达不到预期的教学效果。为了改变上述情况，参照TRIZ创新原理中的机械系统替代原理，尝试在钢铁冶金学课程中引入钢铁生产仿真实训系统，通过软件交互界面，让学生更形象、直观的体会真实的生产过程，在虚拟环境中开展实训，调动学生学习的积极性，巩固理论知识并提高实践能力。

1钢铁生产仿真实训系统简介

虚拟现实是综合利用计算机图形学、光电成像技术、传感技术、计算机仿真、人工智能等多种技术，创建一个逼真的、具有视、听、触、嗅、味等多种感知的计算机系统。钢铁生产仿真实训系统将虚拟现实应用于冶金类教学，通过虚拟现场的真实环境，数学模型支持模拟真实的生产工艺过程，构建高度仿真的虚拟实训环境。实训系统包括：炼铁生产仿真实训系统、炼钢生产仿真实训系统、教学课件系统与工厂3D漫游三个部分，钢铁生产仿真实训系统的界面如图1所示。

1.1炼铁生产仿真实训系统

近年来炼铁设备大型化趋势明显，国内新增高炉容量基本都是1000m3以上，炼铁生产仿真实训系统的高炉容量设计为1750m3，在目前国内属主流和先进设备，基于主流或先进工艺设备的仿真训练，更有益于学生学习和就业。

仿真系统的核心模型来自现场的实际应用系统，通过3D模型可展示新建高炉的内部结构和3D炼铁生产过程，实现槽下配料、炉顶布料、高炉本体、热风炉鼓风、炉前出铁五部分的高炉动态连续冶炼，学生可通过本系统熟练的掌握高炉炼铁的整个冶炼过程。

1.2炼钢生产仿真实训系统

炼钢生产仿真实训系统利用3D动画技术模拟炼钢完整工艺流程的设备和场景，包括：铁水预处理、转炉炼钢、LF精炼、板坯连铸；其中转炉容量为120吨。系统仿真制作了全工艺流程的自动化二级监控系统和操控硬件设备，即仿真现场操作台（如图2所示）；采用虚拟现实技术将生产现场的自动化操控系统进行仿真，通过网络通讯实现与虚拟场景和设备的完全互动；在物理模型、工艺模型驱动下实现符合真实炼钢工艺过程训练。

1.3教学课件系统与工厂3D漫游

钢铁生产仿真实训系统配套有教案生成平台，可利用现代多媒体技术开发，借助专业素材库制作出灵活、多样、生动有针对性的个性化教案，缩短教师的备课时间，提高备课效率。同时为帮助学生更快更好地了解设备及其工作原理，开发了以第一人称视角在工厂车间内通过键盘操作行走的3D漫游程序，多角度、全方位、全视角的展示了现场设备的结构。教案生成平台和3D漫游演示如图3所示。

学生通过钢铁生产仿真实训系统的监控界面进行操作，能够完整的按工艺操作规程进行，时间上与现场达到1：1的匹配，更形象、直观的体会真实的生产环境，掌握工艺过程及其操作方法。系统完善的操作评价体系及自动打分功能，可以让学生在不断地考核和练习过程中，实现理论知识水平和实际操作能力的紧密结合。学生在享受丰富和高度互动的体验过程中，可提高对钢铁冶金学课程的兴趣。

2虚拟教学仿真实例

2.1高炉冶炼工艺

青海大学开设的钢铁冶金学专业课程

按照《炼铁部分》和《炼钢部分》分开讲授。在学习炼铁部分时，复杂的高炉冶炼工艺是学生学习的难点之一，学生仅仅依靠理论知识，无法根据生产的具体条件确定合理的高炉操作制度。使用炼铁生产仿真实训系统中的高炉本体模块，实现了炉温控制操作、高炉顺行控制操作、高炉配料操作、休风操作、复风操作以及悬料处理等操作的仿真模拟。涉及到高炉冶炼过程中风量、风温、喷煤量、富氧、顶压等参数的控制调节，如图4所示。通过炼铁生产工艺的仿真模拟，可以使学生更加直观的了解整个高炉冶炼过程中的运行情况，加深学生对高炉炼铁参数调节作用的理解。

2.2顶吹转炉炼钢法模拟

实训系统中转炉炼钢仿真操作控制模块可以模拟顶吹气体转炉炼钢工艺。通过仿真模拟，学生可全面认识各工序主要原料及设备，熟悉现代顶吹转炉炼钢工艺流程和工艺布置；加深对转炉炼钢操作中装料、铁水量、副料、枪位、氧气流量等的控制及出钢、出渣等状态的认识与理解。通过炼钢工艺模拟，能够直观地向学生演示冶炼时氧枪的升降（如图5），解释枪位对冶炼过程的影响；通过监控转炉冶炼炉况，可动态展示各参数的变化趋势（如图6），通过与理论知识对比，使学生更加深刻的理解各项参数的含义。

2.3动态轻压下技术

輕压下技术是指在连铸坯凝固末端附近，通过改变辊缝对铸坯施加压力所产生的一定压下量来补偿铸坯的凝固收缩量，主要用于改善铸坯中心疏松和中心偏析。动态轻压下就是指在浇铸过程中，随着浇铸工艺的进行轻压下的压下区间、压下量随之发生改变，以达到不同浇铸工艺下均可保证铸坯质量的目的。如何准确找到连铸坯凝固终点的位置，选择合适的压下区间和压下量，是动态轻压下技术的关键，此项技术的核心就是利用数学模型对铸坯温度场进行实时热跟踪。连铸坯凝固传热的数学模型除做必要的假设外还需建立差分方程，由于求解过程涉及到数值法，其繁琐的推导过程使学生感觉索然无味。

通过炼铁生产仿真实训系统中的连铸机动态轻压下仿真系统，学生可以对浇铸过程进行动态热跟踪，对跟踪片的温度变化进行实时反馈，根据温度反馈系统可以模拟出凝固坯壳厚度沿铸坯长度方向的变化情况（如图7）。依托系统已有的数学模型，学生可以通过改变工艺参数来研究坯壳和凝固终点的影响因素。

3问题与建议

应用钢铁生产仿真实训系统，学生可在操作界面上进行“还原现场”的实训操作，通过训练加深学生对钢铁冶金学课程知识的理解，也弥补了课堂教学理论联系实际不紧密的不足。为了充分发挥钢铁生产仿真实训系统的作用，基于青海大学该门课程的教学现状，以下方面有待加强：

（1）构建以钢铁生产仿真实训系统为基础的实践教学平台。钢铁生产仿真实训系统目前已经开发出高炉炼铁、铁水预处理、转炉炼钢、炉外精炼、连铸、轧钢等模块，几乎覆盖钢铁生产全流程，如能将钢铁生产仿真实训系统作为实践教学平台的载体，将理论教学外的课程实验、实习、课程设计、生产实习、毕业设计等实践环节引入这个大平台，引导教师与学生正确运用该平台进行操作，不仅能加深学生对整个钢铁生产课程体系的理解，扩展知识面，提高学生实践能力，还可以节省部分传统实践环节中的费用，体现教学经济性。

（2）实现仿真训练过程的连续性，确保学生认知的完整性。为了保证能够完整的按工艺操作规程进行仿真训练，系统设计时在时间上实现了与现场生产1：1的匹配，所以完成一个周期的仿真训练需要较长时间。目前青海大学1学时的教学时间为45分钟，每次课为2学时即90分钟。学生由于操作不熟练，无法在90分钟内完成整个训练过程。为了满足模拟教学的要求，实现训练过程的连续性，保证学生对模拟过程认知的完整性，建议在安排本门课程的教学时间时，采用大课授课的方式进行，安排3～4学时连续授课。

（3）理论结合实践，提高教师工程素养。钢铁生产仿真实训系统为教师的教学提供了学习和发展的空间。为了取得更好的教学效果，冶金工程专业教师可通过仿真模拟系统熟悉专业知识、了解实际生产环境，在熟悉、消化、吸收新软件的过程中，理论结合实践，提高自身的工程素养。

4结论

将钢铁生产仿真实训系统应用到钢铁冶金学的教学中，改变了传统的教学方式，可以激发学生的学习兴趣，提高课堂教学效果，增强学生动手能力。做为教学改革的一种探索手段，对冶金工程专业课程的教学起到了积极作用。为了进一步发挥钢铁生产仿真实训系统的作用，提高教学质量和教师的教学水平，教学工作者需要不断学习，提升自身业务素质；教学管理者亦需要合理计划、科学安排、严格管理。

作者简介：严军：（1971—），男，青海西宁人，教授。通讯作者：曹海莲：（1985—），女，青海民和人，讲师。

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