“虚-实”结合教学模式在冶金工程认识实习中的应用

周进东

(武汉科技大学 材料与冶金学院，湖北 武汉 430081)

武汉科技大学冶金工程专业学生实习主要分为认识实习、金工实习、生产实习及毕业实习。认识实习是冶金工程专业本科生第一次“真正”接触到冶金，通过短期在钢铁联合企业实地参观学习，从感性上了解钢铁企业的概貌，提升学生对本专业的学习兴趣，加强学生对冶金专业未来发展前景的认识，因此，认识实习是本专业人才培养教学环节的重要组成部分。当前本专业认识实习主要以参观钢铁企业(如：武钢、鄂钢、新冶钢等)为主，让学生在钢铁联合企业中，通过在钢铁生产的各个工序中参观和与现场工人师傅的交流中，对钢铁生产工艺流程、生产设备、生产岗位和企业文化等有初步的认识。但由于本专业本科生认识实习一般都安排在第5学期(即大三上学期)的前几周进行，学生还没有接触到相关的专业课，对冶金专业的认识不够，在钢铁企业现场参观时积极性不高，走马观花，实习效果不佳，难以达到预期的目的。同时学生对钢铁企业生产危险警惕性差，好奇心强，容易忽视潜在安全隐患。

近年，武汉科技大学冶金工程系针对认识实习中的不足，对大三本科生认识实习采取“虚-实”相结合的实践教学模式，来提高实习的效果。“虚”即在校内利用“钢铁大学”虚拟炼钢平台对学生进行培训，亲自动手进行钢铁生产，增强其动手能力；“实”即到钢铁企业现场参观，加深对钢铁生产过程的感性认识。本文以高炉炼铁工艺为例，“虚-实”结合教学模式在冶金工程认识实习中的应用及重要性。

1 虚拟模拟在认识实习中的应用

钢铁大学“steeluniversity”(网址：http://www.steeluniversity.org)是一网络开放式平台，学生在其网站进行注册既能使用相关模块：高炉模拟系统(Blast Furnace Simulation)、碱性氧气炼钢模拟系统(Basic Oxygen Steelmaking Simulation)、电弧炉模拟系统(Electric Arc Furnace Simulation)、二次精炼厂模拟系统(Secondary Steelmaking Simulation)、模拟连铸生产作业(Continuous Casting Simulation)等，基本覆盖了钢铁生产全流程(见图1)。通过该平台对钢铁各流程进行模拟，可以使学生初步了解其生产设备、原材料、基本原理和操作过程等，同时提高学生的学习积极性和自学能力。学生在操作界面上进行“真刀真枪”的实训操作，可弥补认识实习中学生在生产现场不能进行生产操作训练和冶金工艺实验的遗憾。下面以高炉炼铁为例来介绍网络虚拟炼钢平台在冶金工程认识实习中的应用及重要性。

高炉炼铁是通过对原材料(矿石、燃料和造渣料)和相关工艺参数进行优化，以获得生产成本最低的目标铁水。高炉操作主要包括装料、送风、造渣及热制度，它决定着高炉炉况。“走马观花”式的现场认识实习仅仅是对钢铁生产流程和设备加强了认识，而运用虚拟平台对冶炼过程进行模拟可以进一步加深学生对其基本原理的认识。以高炉炼铁模拟为例，学生可以在模拟的过程中锻炼自学能力、动手能力和分析问题的能力，从而获得更多的专业知识，加深对专业的理解和认识。

图1 钢铁工艺流程图

1.1 原燃料的种类及成分调整

高炉模块中提供了5种烧结矿、5种球团矿、5种块矿、5种再利用资源、3种煤与3种焦炭和4种熔剂让模拟者进行选择，同时给出了每一种原燃料的成分含量和成本，模拟者可根据自己的冶炼需求对每种物料中的所有成分进行调整，如图2所示。本操作能够使学生了解高炉炼铁用原材料，同时要求学生能够将几种原材料的配比进行优化，使入炉原料的成本最低。

图2 高炉原燃料种类及成分

1.2 装料与造渣

高炉模块的“装料比例”中，可以从5种烧结矿中选择1种烧结矿，从5种球团矿中选择2种球团矿，从5种块矿中选择2种块矿加入高炉(见图3)。含铁原料种类及用量的选择需要模拟者根据冶炼要求进行配料计算后，对炉料结构进行优化。燃料的种类选择及用量，需要模拟者能够运用焦比和煤比公式计算得到煤和焦的用量，能够根据提供的煤和焦炭的成分和成本进行优化，其目标是提高煤量和降低焦炭量来达到降低高炉冶炼成本。熔剂的种类选择及用量需要模拟者能够根据原燃料中所含的CaO和SiO2含量，通过炉渣碱度公式计算确定其种类及用量，通常高炉炼铁过程中将炉渣碱度控制在1.0～1.25。

图3 高炉模拟装料比例的确定

1.3 生产参数设定

高炉模块的“生产设定”中，包括生铁类型、目标成份、进程设置(Process settings)、温度、煤气增加、热风性能和热损失模型。模拟中通过对这些参数的调整和优化，达到降低冶炼成本的目的，见图4。对于这些参数的设定，需要模拟者对高炉基本原理有一定的了解，从而促使学生去查阅相关书籍或文献，提高学生的学习积极性和对冶金专业的认识。例如目标成分中炉渣碱度的设定，首先要知道什么是炉渣碱度，它是炉渣中w(CaO)/w(SiO2)的比值，碱度是否合适影响炉渣的流动性(即渣铁能否很好的分离)，高炉脱硫的能力和控制某些元素的还原。

图4 高炉模拟生产参数的设定

1.4 模拟结果及评价

模拟结果主要分为渣铁成分、热平衡和物理平衡结果及生产效率评价三个部分，见图5。其中生产效率的评价是为了比较和评估不同高炉的生产效率和成本，如容积利用系数、焦比、喷煤比、热风温度，以及能源和碳能源利用系数。并根据这些参数进行评估并分为三个层次：正常、良好和很好。模拟者可以通过这些结果对模拟过程优化，进一步降低冶炼的成本。通过对模拟结果的分析和总结，可以培养学生分析问题和解决问题的能力。

图5 高炉模拟结果及评价

2 钢铁厂现场参观

武汉科技大学冶金工程专业本科生认识实习主要分为三个部分：

(1)校内课堂学习。认识实习之前，学生还没有正式接触相关的专业知识，了解生产实习的学习目的和方法，弄清实习组织安排，掌握实习纪律和安全规程，掌握炼铁、炼钢等生产的工艺流程、冶金原理、设备、操作制度等情况，在实习之前冶金专业教师会对学生进行课堂学习，使学生有一定的理性认识；

(2)认识实习“虚”。通过课堂学习后，教师先对虚拟平台进行介绍，对每个钢铁冶金模块进行操作演示，然后学生对每个模块进行优化操作，降低生产成本，达到模拟的目标；

(3)认识实习“实”。通过虚拟平台对各工艺进行“实际操作”，并对模拟过程中遇到的问题进行总结后，再带着疑问分成小组到各钢铁厂进行现场实习。目前，武汉科技大学冶金工程系已与武钢、鄂钢、永钢和湘钢等多家钢铁企业签订了实习协议。下面仍以高炉炼铁为例进行说明。

学生在现场能更好的了解钢铁冶金工艺流程、设备及生产操作等，例如，学生们在高炉出铁场可更直观的观察高炉出铁过程及开、堵铁口设备和渣铁通过撇渣器分离情况，见图6所示；在风口平台能更好的了解风口的组成，并能从窥视孔观察喷煤燃烧情况等，见图7所示；可到炉顶了解装料设备的组成，见图8所示，等等。同时，学生们可在高炉主控室(见图9)中跟着师傅了解高炉如何进行操作，如何利用已有的工况综合监控系统操控高炉，如何对高炉出现的异常情况(如悬料、崩料等)进行处理等，同时对工况综合监控系统的学习，可了解高炉的用料情况和生产状况等。

图6 高炉出铁场

图7 高炉风口

图8 湘钢38 m炉顶及装料设备

3 结语

通过短期在钢铁联合企业实地参观学习，使学生从感性上对冶金专业形成初步认识，为后面的专业课打下良好基础。当前，认识实习存在很多问题，导致效果不佳，未达到预期的目的。将钢铁大学“steeluniversity”应用到认识实习中，使学生更好地掌握钢铁生产过程，深入理解其基本理论，同时提高学生的学习积极性和自学能力。

“虚”可更好的让学生应用所学的理论知识，并引导学生找出自身不足，促进其学习兴趣，弥补传统实习中不能 “实际操作”的遗憾；“实”可让学生更深的了解钢铁实际生产过程、装备等情况，加强对钢铁生产的宏观认识。将“虚-实”相结合的实践教学模式应用于认识实习中，能更好的激发学生的学习热情，加深对理论知识的理解，提高专业技能，为从事冶金专业工程管理、开发和研究打下坚实的基础。