“虛-實(shí)”結(jié)合教學(xué)模式在冶金工程認(rèn)識實(shí)習(xí)中的應(yīng)用

周進(jìn)東

(武漢科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430081)

武漢科技大學(xué)冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)主要分為認(rèn)識實(shí)習(xí)、金工實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)及畢業(yè)實(shí)習(xí)。認(rèn)識實(shí)習(xí)是冶金工程專業(yè)本科生第一次“真正”接觸到冶金，通過短期在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)實(shí)地參觀學(xué)習(xí)，從感性上了解鋼鐵企業(yè)的概貌，提升學(xué)生對本專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生對冶金專業(yè)未來發(fā)展前景的認(rèn)識，因此，認(rèn)識實(shí)習(xí)是本專業(yè)人才培養(yǎng)教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分。當(dāng)前本專業(yè)認(rèn)識實(shí)習(xí)主要以參觀鋼鐵企業(yè)(如：武鋼、鄂鋼、新冶鋼等)為主，讓學(xué)生在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，通過在鋼鐵生產(chǎn)的各個(gè)工序中參觀和與現(xiàn)場工人師傅的交流中，對鋼鐵生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)崗位和企業(yè)文化等有初步的認(rèn)識。但由于本專業(yè)本科生認(rèn)識實(shí)習(xí)一般都安排在第5學(xué)期(即大三上學(xué)期)的前幾周進(jìn)行，學(xué)生還沒有接觸到相關(guān)的專業(yè)課，對冶金專業(yè)的認(rèn)識不夠，在鋼鐵企業(yè)現(xiàn)場參觀時(shí)積極性不高，走馬觀花，實(shí)習(xí)效果不佳，難以達(dá)到預(yù)期的目的。同時(shí)學(xué)生對鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)危險(xiǎn)警惕性差，好奇心強(qiáng)，容易忽視潛在安全隱患。

近年，武漢科技大學(xué)冶金工程系針對認(rèn)識實(shí)習(xí)中的不足，對大三本科生認(rèn)識實(shí)習(xí)采取“虛-實(shí)”相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，來提高實(shí)習(xí)的效果?！疤摗奔丛谛?nèi)利用“鋼鐵大學(xué)”虛擬煉鋼平臺對學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，親自動(dòng)手進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)，增強(qiáng)其動(dòng)手能力；“實(shí)”即到鋼鐵企業(yè)現(xiàn)場參觀，加深對鋼鐵生產(chǎn)過程的感性認(rèn)識。本文以高爐煉鐵工藝為例，“虛-實(shí)”結(jié)合教學(xué)模式在冶金工程認(rèn)識實(shí)習(xí)中的應(yīng)用及重要性。

1 虛擬模擬在認(rèn)識實(shí)習(xí)中的應(yīng)用

鋼鐵大學(xué)“steeluniversity”(網(wǎng)址：http://www.steeluniversity.org)是一網(wǎng)絡(luò)開放式平臺，學(xué)生在其網(wǎng)站進(jìn)行注冊既能使用相關(guān)模塊：高爐模擬系統(tǒng)(Blast Furnace Simulation)、堿性氧氣煉鋼模擬系統(tǒng)(Basic Oxygen Steelmaking Simulation)、電弧爐模擬系統(tǒng)(Electric Arc Furnace Simulation)、二次精煉廠模擬系統(tǒng)(Secondary Steelmaking Simulation)、模擬連鑄生產(chǎn)作業(yè)(Continuous Casting Simulation)等，基本覆蓋了鋼鐵生產(chǎn)全流程(見圖1)。通過該平臺對鋼鐵各流程進(jìn)行模擬，可以使學(xué)生初步了解其生產(chǎn)設(shè)備、原材料、基本原理和操作過程等，同時(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自學(xué)能力。學(xué)生在操作界面上進(jìn)行“真刀真槍”的實(shí)訓(xùn)操作，可彌補(bǔ)認(rèn)識實(shí)習(xí)中學(xué)生在生產(chǎn)現(xiàn)場不能進(jìn)行生產(chǎn)操作訓(xùn)練和冶金工藝實(shí)驗(yàn)的遺憾。下面以高爐煉鐵為例來介紹網(wǎng)絡(luò)虛擬煉鋼平臺在冶金工程認(rèn)識實(shí)習(xí)中的應(yīng)用及重要性。

高爐煉鐵是通過對原材料(礦石、燃料和造渣料)和相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得生產(chǎn)成本最低的目標(biāo)鐵水。高爐操作主要包括裝料、送風(fēng)、造渣及熱制度，它決定著高爐爐況。“走馬觀花”式的現(xiàn)場認(rèn)識實(shí)習(xí)僅僅是對鋼鐵生產(chǎn)流程和設(shè)備加強(qiáng)了認(rèn)識，而運(yùn)用虛擬平臺對冶煉過程進(jìn)行模擬可以進(jìn)一步加深學(xué)生對其基本原理的認(rèn)識。以高爐煉鐵模擬為例，學(xué)生可以在模擬的過程中鍛煉自學(xué)能力、動(dòng)手能力和分析問題的能力，從而獲得更多的專業(yè)知識，加深對專業(yè)的理解和認(rèn)識。

圖1 鋼鐵工藝流程圖

1.1 原燃料的種類及成分調(diào)整

高爐模塊中提供了5種燒結(jié)礦、5種球團(tuán)礦、5種塊礦、5種再利用資源、3種煤與3種焦炭和4種熔劑讓模擬者進(jìn)行選擇，同時(shí)給出了每一種原燃料的成分含量和成本，模擬者可根據(jù)自己的冶煉需求對每種物料中的所有成分進(jìn)行調(diào)整，如圖2所示。本操作能夠使學(xué)生了解高爐煉鐵用原材料，同時(shí)要求學(xué)生能夠?qū)追N原材料的配比進(jìn)行優(yōu)化，使入爐原料的成本最低。

圖2 高爐原燃料種類及成分

1.2 裝料與造渣

高爐模塊的“裝料比例”中，可以從5種燒結(jié)礦中選擇1種燒結(jié)礦，從5種球團(tuán)礦中選擇2種球團(tuán)礦，從5種塊礦中選擇2種塊礦加入高爐(見圖3)。含鐵原料種類及用量的選擇需要模擬者根據(jù)冶煉要求進(jìn)行配料計(jì)算后，對爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。燃料的種類選擇及用量，需要模擬者能夠運(yùn)用焦比和煤比公式計(jì)算得到煤和焦的用量，能夠根據(jù)提供的煤和焦炭的成分和成本進(jìn)行優(yōu)化，其目標(biāo)是提高煤量和降低焦炭量來達(dá)到降低高爐冶煉成本。熔劑的種類選擇及用量需要模擬者能夠根據(jù)原燃料中所含的CaO和SiO2含量，通過爐渣堿度公式計(jì)算確定其種類及用量，通常高爐煉鐵過程中將爐渣堿度控制在1.0～1.25。

圖3 高爐模擬裝料比例的確定

1.3 生產(chǎn)參數(shù)設(shè)定

高爐模塊的“生產(chǎn)設(shè)定”中，包括生鐵類型、目標(biāo)成份、進(jìn)程設(shè)置(Process settings)、溫度、煤氣增加、熱風(fēng)性能和熱損失模型。模擬中通過對這些參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，達(dá)到降低冶煉成本的目的，見圖4。對于這些參數(shù)的設(shè)定，需要模擬者對高爐基本原理有一定的了解，從而促使學(xué)生去查閱相關(guān)書籍或文獻(xiàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和對冶金專業(yè)的認(rèn)識。例如目標(biāo)成分中爐渣堿度的設(shè)定，首先要知道什么是爐渣堿度，它是爐渣中w(CaO)/w(SiO2)的比值，堿度是否合適影響爐渣的流動(dòng)性(即渣鐵能否很好的分離)，高爐脫硫的能力和控制某些元素的還原。

圖4 高爐模擬生產(chǎn)參數(shù)的設(shè)定

1.4 模擬結(jié)果及評價(jià)

模擬結(jié)果主要分為渣鐵成分、熱平衡和物理平衡結(jié)果及生產(chǎn)效率評價(jià)三個(gè)部分，見圖5。其中生產(chǎn)效率的評價(jià)是為了比較和評估不同高爐的生產(chǎn)效率和成本，如容積利用系數(shù)、焦比、噴煤比、熱風(fēng)溫度，以及能源和碳能源利用系數(shù)。并根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行評估并分為三個(gè)層次：正常、良好和很好。模擬者可以通過這些結(jié)果對模擬過程優(yōu)化，進(jìn)一步降低冶煉的成本。通過對模擬結(jié)果的分析和總結(jié)，可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

圖5 高爐模擬結(jié)果及評價(jià)

2 鋼鐵廠現(xiàn)場參觀

武漢科技大學(xué)冶金工程專業(yè)本科生認(rèn)識實(shí)習(xí)主要分為三個(gè)部分：

(1)校內(nèi)課堂學(xué)習(xí)。認(rèn)識實(shí)習(xí)之前，學(xué)生還沒有正式接觸相關(guān)的專業(yè)知識，了解生產(chǎn)實(shí)習(xí)的學(xué)習(xí)目的和方法，弄清實(shí)習(xí)組織安排，掌握實(shí)習(xí)紀(jì)律和安全規(guī)程，掌握煉鐵、煉鋼等生產(chǎn)的工藝流程、冶金原理、設(shè)備、操作制度等情況，在實(shí)習(xí)之前冶金專業(yè)教師會對學(xué)生進(jìn)行課堂學(xué)習(xí)，使學(xué)生有一定的理性認(rèn)識；

(2)認(rèn)識實(shí)習(xí)“虛”。通過課堂學(xué)習(xí)后，教師先對虛擬平臺進(jìn)行介紹，對每個(gè)鋼鐵冶金模塊進(jìn)行操作演示，然后學(xué)生對每個(gè)模塊進(jìn)行優(yōu)化操作，降低生產(chǎn)成本，達(dá)到模擬的目標(biāo)；

(3)認(rèn)識實(shí)習(xí)“實(shí)”。通過虛擬平臺對各工藝進(jìn)行“實(shí)際操作”，并對模擬過程中遇到的問題進(jìn)行總結(jié)后，再帶著疑問分成小組到各鋼鐵廠進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)習(xí)。目前，武漢科技大學(xué)冶金工程系已與武鋼、鄂鋼、永鋼和湘鋼等多家鋼鐵企業(yè)簽訂了實(shí)習(xí)協(xié)議。下面仍以高爐煉鐵為例進(jìn)行說明。

學(xué)生在現(xiàn)場能更好的了解鋼鐵冶金工藝流程、設(shè)備及生產(chǎn)操作等，例如，學(xué)生們在高爐出鐵場可更直觀的觀察高爐出鐵過程及開、堵鐵口設(shè)備和渣鐵通過撇渣器分離情況，見圖6所示；在風(fēng)口平臺能更好的了解風(fēng)口的組成，并能從窺視孔觀察噴煤燃燒情況等，見圖7所示；可到爐頂了解裝料設(shè)備的組成，見圖8所示，等等。同時(shí)，學(xué)生們可在高爐主控室(見圖9)中跟著師傅了解高爐如何進(jìn)行操作，如何利用已有的工況綜合監(jiān)控系統(tǒng)操控高爐，如何對高爐出現(xiàn)的異常情況(如懸料、崩料等)進(jìn)行處理等，同時(shí)對工況綜合監(jiān)控系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，可了解高爐的用料情況和生產(chǎn)狀況等。

圖6 高爐出鐵場

圖7 高爐風(fēng)口

圖8 湘鋼38 m爐頂及裝料設(shè)備

3 結(jié)語

通過短期在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)實(shí)地參觀學(xué)習(xí)，使學(xué)生從感性上對冶金專業(yè)形成初步認(rèn)識，為后面的專業(yè)課打下良好基礎(chǔ)。當(dāng)前，認(rèn)識實(shí)習(xí)存在很多問題，導(dǎo)致效果不佳，未達(dá)到預(yù)期的目的。將鋼鐵大學(xué)“steeluniversity”應(yīng)用到認(rèn)識實(shí)習(xí)中，使學(xué)生更好地掌握鋼鐵生產(chǎn)過程，深入理解其基本理論，同時(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自學(xué)能力。

“虛”可更好的讓學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的理論知識，并引導(dǎo)學(xué)生找出自身不足，促進(jìn)其學(xué)習(xí)興趣，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)習(xí)中不能 “實(shí)際操作”的遺憾；“實(shí)”可讓學(xué)生更深的了解鋼鐵實(shí)際生產(chǎn)過程、裝備等情況，加強(qiáng)對鋼鐵生產(chǎn)的宏觀認(rèn)識。將“虛-實(shí)”相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式應(yīng)用于認(rèn)識實(shí)習(xí)中，能更好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深對理論知識的理解，提高專業(yè)技能，為從事冶金專業(yè)工程管理、開發(fā)和研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。