钢铁生产虚拟仿真在冶金工程专业实践教学中的应用与探讨

摘 要 介绍了钢铁生产虚拟仿真实训在冶金工程专业实践教学中的作用及必要性，对如何利用虚拟仿真来巩固学生所学专业理论、提高专业技能等进行了探讨。结合虚拟仿真与专业课程教学，在提高学生实践技能的同时激发其创新思维，培养兼具扎实理论基础和丰富实践技能的创新实践型复合人才。

关键词 钢铁生产 虚拟仿真 实践教学 冶金工程

中图分类号：G64 文献标识码：A

冶金工程专业本科教学的目标是培养具有较扎实专业基础理论和专业知识，能够在钢铁冶金、有色金属冶金及冶金与材料物理化学和化工技术领域从事产品开发及工艺设计、技术开发、科学研究等方面工作的高级工程技术人才。然而，在目前的冶金专业本科教学中，大多数高等院校往往注重于理论课程，而在实践教学环节略显单薄。尽管各学校均安排有认识实习和生产实习等环节，但由于冶金行业的特殊性（如高温、设备庞大等），实习企业考虑到安全生产等因素，学生在实习现场并不能很好地了解冶金设备的结构及具体冶炼生产流程，更不能进行实际操作，其实践技能难以得到提高。因此，如何培养学生的专业实践技能一直是困扰冶金教育工作者的难题。据此，本院引进全套钢铁生产虚拟仿真实训平台，筹建了校内仿真实训基地，让学生在生产实习前进行仿真实训，学生可在虚拟环境中亲自控制冶炼过程，从而巩固专业知识和提升实践技能。

1校内仿真实训基地简介

校内仿真实训基地由钢铁冶炼厂沙盘模型、钢铁生产虚拟仿真系统和实操系统三部分组成。其中沙盘模型以国内某大型钢铁厂为原型，可让学生了解钢铁冶炼厂的全貌、车间布置及主要设备的结构。钢铁生产虚拟仿真系统是结合图像、动画、声音及互动视景设备等对钢铁冶炼的工艺流程、现场操作过程及主要冶炼设备进行虚拟仿真，该仿真系统包含钢铁冶金的全流程，如炼铁、炼钢和轧钢等。炼铁仿真系统由槽下配料、炉顶布料、高炉本体、热风炉鼓风、炉前等仿真模块组成；炼钢仿真系统包含铁水预处理、转炉炼钢、LF精炼和连铸等仿真模块；而轧钢仿真系统则由加热炉、粗轧、精轧、剪切、矫直、层流冷却、堆垛、冷床等仿真模块组成。仿真系统操作界面包含操作监控页面、规程输入页面和状态显示页面，在仿真实训时，学生通过监控和规程输入界面实时控制冶炼过程，相应冶炼场景实时显示。此外，该系统还包含3D环游程序，该程序基于实际生产场景，可让学生以第一人称视角全方位、多角度地在工厂、车间内以及设备前行走与观察，从而进一步深入了解钢铁冶金的主要冶炼设备、车间布置和工艺流程。在虚拟仿真系统的基础上，学院又引进了实操模型，从而高度相似地模拟现场操作界面按钮，进一步提升学生的实践操作技能。

2钢铁生产虚拟仿真在实践教学中的应用与探讨

2.1在专业课程教学中的应用

在冶金类专业本科教学过程中，教师一般都注重于专业理论课程的讲授，如冶金物理化学、钢铁冶金学、冶金设备、轧制理论等，往往忽视了实践教学。一般来说，学生在学习专业课程前根本没有见过相关的冶炼设备，对设备的结构及现场的工艺流程都不了解，这导致学生难以将理论与实际结合起来，对所学专业知识难以深刻理解，从而影响了学习效果。然而，利用虚拟仿真实训就可以较好地解决这一难题，教师们可以在讲解专业知识的同时利用该系统展示相关冶金设备及工艺流程，让学生对理论更容易理解。例如，在讲解《轧制理论》时，可以先通过3D环游系统让学生以第一人称视觉了解加热炉、粗轧、精轧、剪切、矫直、层流冷却等车间总貌以及相关设备，首先让学生对轧制的设备和工艺流程有一个初步的了解，然后在讲到相关理论知识（如轧制条件、非对称轧制理论等）时，再结合轧钢虚拟仿真系统进行重点讲解，这样将会强化学生对所学专业理论知识的理解，从而提升学习效果。

2.2在校内实习等实践教学中的应用

冶金工程是典型的工科类专业，不仅要求学生具备扎实的理论基础，而且要求具有一定的专业实践技能。因此，本科教学中必须将理论与实践相结合，让学生通过更多的实训来提升其专业技能和工程实践能力。然而，寻找稳定的校外实践教学基地是目前冶金院校普遍存在的难题。首先，冶金企业没有承担高等学校冶金工程专业实践教学的义务，承担实践教学将在一定程度上增大企业成本；其次，企业出于安全和管理等方面的原因，通常只同意高校学生短期实习，如为期一天的参观等，大多不愿意接收长期（如一个月）的生产实习或实训。此外，冶金设备往往非常庞大且高温，冶炼现场确实有很多不安全的因素，纵然学生有实习的机会，但实习时往往以参观为主，走马观花，并不能亲自操作。因此，单一的校外工程实践模式对于培养学生工程实践能力的效果并不理想。为了解决上述问题，本院提出将校内虚拟实训和企业实习相结合的新模式，在实习之前，让学生利用钢铁生产虚拟仿真实训和实操系统进行虚拟实训，深入掌握所学专业理论知识并锻炼实操技能。该钢铁生产虚拟仿真系统中的模型与数据均来自于国内某大型钢铁厂，因此整个虚拟过程和场景非常逼真，学生可以被虚拟为炉长（高炉、转炉等）、轧制工程师等角色，亲自参与冶炼过程，从而达到强化实践技能的目的。该系统还可以再现实际生产中一些无法观察到的设备内部结构、设备转动过程及相关冶炼场景（如溅射护炉、扒渣等），可为学生们提供更加贴近实际的学习资料，有助于其攻克学习中的难点，使专业学习中抽象概念变得更容易理解，从而大大提高学习效率。最为重要的是，校内虚拟仿真实训没有现场实习时的危险因素，学生可以放心大胆地实训，同时也不用担心参数设置或操作失误造成经济损失，学生们可以反复操作练习，直到掌握相关专业知识和技能为止。

以转炉铁水预处理为例，在虚拟仿真实训时学生需进行如下步骤的操作与考核。（1）准备操作：系统检查（如搅拌头是否正常、液压系统是否正常等）、鱼雷罐车进站、倒铁水、进预处理站等；（2）烟罩操作：操作模式、上升和下降；（3）电动溜槽操作：操作模式、上升、下降和停止等；（4）铁水罐车操作：前进、后退、停止等；（5）搅拌器操作：搅拌器高度、搅拌速度、脱硫剂的选择、投料门槛值、投料量、搅拌时间、扒渣操作等。从上述虚拟冶金操作过程可知，学生在不仅要掌握较扎实的专业知识，还要熟练地掌握整个相关冶炼过程中各设备的操作、物料的选择及添加过程等，其涉及到专业知识和操作技能，每一过程都会对冶炼的产品造成重大影响。如果操作不合格，系统产生的报表中会提示出问题的环节，学生可以找出自己所存在的问题，然后重新进行冶炼操作，直到产品合格。因此，虚拟仿真实训在不影响实际生产的前提下达到了训练学生操作技能和巩固专业知识的目的。

3结束语

将钢铁生产虚拟仿真应用于冶金工程专业实践教学，使得实践教学与理论教学得以有机结合，为学生提供逼真的虚拟现场操作环境，在激发学生学习兴趣的同时巩固了专业知识的理解。作为冶金工程专业校内实训基地，解决了冶金专业学生校外实习难的难题，将虚拟仿真应用于冶金专业实训，让学生亲自操作冶炼过程，冶炼出合格的产品，不仅巩固了学生的专业知识，而且提高了其专业技能和工程实践能力。同时，在提高学生实践技能的同时激发其创新思维，培养出兼具扎实理论基础和丰富实践技能的创新实践型复合人才。