冶炼机械装备专业综合实验的探索与实践

吴玉娟 任廷志 乔长锁 黄 文

燕山大学 河北秦皇岛 066004

冶炼机械装备专业综合实验的探索与实践

吴玉娟 任廷志 乔长锁 黄 文

燕山大学 河北秦皇岛 066004

为切实推进教育部本科教学改革和教学质量工程建设，学校针对培养实用型、创新型人才大力进行实验教学改革，开设了创新性综合实验。介绍了以试验氧气顶吹转炉为主体的综合实验，将电器控制、炼钢机械和测试技术等多学科知识贯穿起来，并体现了冶炼机械装备的专业特色。教学实践证明，该综合实验使学生巩固了专业理论知识，激发了学生的创新意识，取得了非常好的效果。同时在为我校培养学生综合实践能力以更好地开展实验教学改革中发挥积极作用。

教学改革；综合实验；冶炼设备；氧气顶吹转炉

社会和经济的发展要求高等学校培养出来的学生，不仅要有扎实的基础理论，而且要有较强的分析和解决问题的能力。实验教学是高校教学的重要组成部分，在人才创新能力及全面素质培养方面有着其它教学环节不可替代的独特作用。积极推进实验教学改革，认真搞好综合性、设计性实验教学，培养更多具有创新精神与创新能力综合素质好的高级复合型人才，是时代赋予我们的历史责任。综合性实验是在学生具有一定基础知识和基本操作技能的基础上，对学生实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性实验。它要求学生运用多科知识去发现、分析和解决问题，从而达到培养学生独立解决工程实际问题的能力和创新能力之目的。钢铁工业是一个国家的支柱产业，我国已经成为钢铁工业大国，但还不是钢铁工业强国。目前，冶炼设备比较落后，存在着高能耗、环境污染等问题，每年要花费大量资金从国外引进有关设备。因此，国家急需冶炼设备技术研究人才的培养。燕山大学是一所以机械学科特别是以冶金机械为特色的高等院校。过去冶炼机械装备专业实验过程单一，大都为演示或验证实验，扼杀了学生通过实验获取知识和能力的热情。随着教育部本科教学改革的不断深入和实践教学要求的不断提高，燕山大学针对实验教学进行了大力改革，在各学科开设了创新性综合实验。冶炼专业实验在传统实验教学模式的基础上增加设计性、综合型创新实验也是势在必行。而如何实现演示、验证型实验向综合型创新实验的转变，在实验中切实提高学生综合素质与创新能力，需要进行认真的探索和研究。

一、实验系统组成

转炉炼钢是冶炼生产线中的一个重要环节，而氧气顶吹法的生产工艺与设备已发展得较为成熟，且在实际生产中占有主导地位。因此，以转炉为实验对象设计开发的综合实验，对冶炼专业的实验教学有很强的实用价值。实验项目选定为：200Kg氧气顶吹试验转炉传动、控制操作及力能参数测定。实验系统主体为200Kg试验氧气顶吹转炉炉体及其倾动装置（如图1所示）。实验所需的仪器设备还包括PLC控制柜、HMI终端输入操作箱、Y6D-3A动态应变仪、BZ7201-USB数据采集仪、转角测量编码器及接近开关、计算机、电阻应变片、万用表、电烙铁、密封胶、导线和千分尺等辅助工具。

图1 试验氧气顶吹转炉

整个实验系统构成如图2所示。整个实验集成电气控制、冶金机械设备、测试技术和材料力学多个学科理论知识，在培养学生知识系统化、能力综合化方面起到很好的作用。

图2 试验氧气顶吹转炉实验系统框图

二、实验内容的设计与实施

该综合实验围绕转炉炼钢展开，根据学院课程安排，把实验定于大四第1学期第15周左右进行。此时学生已完成了现代测试技术、材料力学、现代控制原理及炼钢机械等课程的学习。实验过程有观察、操作和测试等，一般以实验小组的方式进行实验，每个小组可分配2～4人，共同商讨实验方案，分工合作，激发每个学生的学习热情。实验要求为16学时，主要分4个部分进行。

1.边界条件转炉设备传动及控制操作

试验转炉为两点啮合，即由对称分布的两台末级电动机驱动，分别经一、二次减速驱动炉体。整套传动装置全部悬挂在耳轴外伸端上，用两端铰接的两根立杆通过曲柄与水平扭力杆连接而支承在地基上。实验过程中要求学生通过观察实验氧气顶吹转炉结构及其传动方式，分析多点啮合柔性支承传动及倾动机构原理。根据实物图，画出倾动机构及柔性传动的原理简图。

学习转炉控制系统启动及运行操作。这一部分要求学生查阅相关资料，分析转炉控制原理，了解转炉工艺操作制度。在炼钢中，根据不同的操作工艺，对电机转速有不同的要求。要求学生根据实习经验或查阅的文献，并选择不同工况制定转炉的操作规程。根据操作说明书，由HMI操作箱进行信号输入。从初始操作界面选择“手动”或“自动”方式，进入相应界面。根据制定的操作规程，学生自行设计和修改参数，进行操作（如图3所示）。设定转炉倾动工序、电机工作方式和运行时间等，并观察二次减速机的摆动情况。如操作过程出现故障，学生可进入诊断界面，进行故障的排查和处理。

图3 手动操作界面及参数设置界面

2.转炉炉液倾动力矩综合计算

对于倾动力矩的测量和计算部分，要求学生认真观察转炉炉壳、托圈及各个连接部件的结构。利用实验室提供的工具测量炉壳结构参数，确定转炉炉型尺寸。根据所学理论知识，用三维软件模拟或编程并计算转炉倾动过程的炉液力矩，分析其变化规律。要求学生查阅相关资料，掌握工程计算中常用的数值积分方法。在转炉倾转角从0°变到180°过程中，确定每隔5º相应角度下的炉内液体重心坐标，计算该角度下炉内液体对耳轴的力矩。

3.转炉耳轴倾动力矩测定与计算

复习和查阅测试技术知识，掌握测试方法。选择合适的应变片，并根据所测力能参数的性质，自行设计应变片的布片及组桥方式。利用实验室提供的工具进行贴片组桥，对测试系统进行调试、标定，最后用计算机进行数据采集和整理。本实验采用BZ7201数据采集仪测定空载和满载情况下耳轴倾动力矩，由计算机进行操作和显示。进入数据采集界面对采样频率，采样方式，通道参数等进行设置，完成后即开始进行示波和采样（如图4和图5所示）。测试完成后，对数据进行分析和整理。要求学生最后绘制转炉倾动力矩曲线，并验算耳轴位置的合理性。

图4 参数设置窗体

图5 实验数据的测量采样

4.实验的总结与考核

安排一定的学时，学生之间或与指导教师进行交流。总结实验体会与收获。实验成绩的考核包括以下几部分：(1)简单答辩。通过答辩，了解学生对实验基本原理的掌握情况，以及设计思路等。(2)实验进行过程中学生的参与情况，如倾动工序及电机转速的选择、贴片是否完好、自行解决问题的情况及考勤等。(3)课后实验报告及心得的书写。在实验教学中，学生是实验过程的中心和主体，教师只起到辅助指导作用。指导教师通过与学生的答辩和对实验报告的批改进行总结，并针对实验过程中发现的问题，对实验进一步完善，以不断提高教学效果。

三、结束语

实验教学的最终目的是提高学生的实践动手能力和创新意识。通过一年以来的实践，证明本综合实验可以充分调动学生的学习积极性和主动性，既巩固了理论知识，又提高了学生的动手能力和对知识的综合运用能力，取得了很好的效果，在机械学院教学改革和教学质量工程建设中起到了积极的推动作用。相信通过不断地改进和完善，冶炼设备综合实验在培养专业特色人才的素质教育中将发挥更为积极和重要的作用。

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[2]罗晓青.综合性实验教学改革探索[J].实验科学与技术，2008，6（4）：80～82

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[5]罗振才.炼钢机械[M].北京：冶金工业出版社，1982

[6]王雅真，张岩.氧气顶吹转炉炼钢工艺与设备[M].北京：冶金工业出版社，2001

Exploration and practice of integrative experiment for metallurgy mechanical specialty

Wu Yujuan, Ren Tingzhi, Qiao Changsuo, Huang Wen
Yanshan university, Qinhuangdao, 066004, China

Aimed at practical and innovative talent training, experimental didactical innovation was deeply carried out in Yanshan university, and integrative experiment was explored. This is executed under the undergraduate didactical innovation and the teaching quality project from ministry of education. An integrative experiment which based on a testing oxygen top-blow converter was presented. Different subject knowledge,including electric control, mechanism of steel making and testing technique were integrated in the experiment,and the major characteristic was incarnated. It is proved that this experiment can consolidate students’professional knowledge, inspire students’ innovation consciousness, and a good effect was achieved with the practice of experiment teaching. Also it is important for training students’ general practical ability and in deepening the didactical innovation of Yanshan university.

didactical innovation; integrative experiment; metallurgy equipment; oxygen top-blow converter

2010-03-23

吴玉娟，硕士，助理实验师。任廷志，博士，教授。乔长锁，本科，教授。黄文，博士，教授。