范俊杰　楊健　薛明俊　秦暢

【摘要】

窯爐設(shè)計與實際生產(chǎn)過程結(jié)合緊密，課堂上難以深入講解窯爐工程設(shè)計過程。本文介紹了借助大學(xué)生創(chuàng)新平臺，運用計算機繪制了窯爐立體結(jié)構(gòu)和流體動畫，制作了窯爐實物模型并進行了新型流體模擬液試驗。學(xué)生們在此實踐過程中，培養(yǎng)了工程觀念、提升了實踐能力和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】窯爐設(shè)計計算機制圖模型制作流體模擬創(chuàng)新平臺卓越能力

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》和《國家中長期人才發(fā)展綱要（2010-2020）》的重點改革項目，是建設(shè)創(chuàng)新型國家、促進工程教育的重大舉措。目的在于培養(yǎng)造就一大批具有理論緊密結(jié)合實際、創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才。本科生的工程能力培養(yǎng)是工科類大學(xué)高等教育的重要教改內(nèi)容，也是難點之一。窯爐設(shè)計是無機非金屬材料與工程專業(yè)本科生核心工程能力之一，與畢業(yè)課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計密切相關(guān)，有助于培養(yǎng)學(xué)生樹立工程觀點、實踐能力和創(chuàng)新能力?！按髮W(xué)生創(chuàng)新實驗”項目是我校培養(yǎng)本科生卓越能力的重要實踐平臺。做該類項目的學(xué)生可以來自不同專業(yè)，如材料科學(xué)與工程專業(yè)同計算機科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生等，他們可以發(fā)揮各自的特長，組成一個高效的研究團隊。另外還有一年半的研究時間、經(jīng)費和實驗設(shè)備以改進和完成工程項目的全過程實驗內(nèi)容，同時師生間、團隊組員間也有了更多的討論交流時間。圍繞提升學(xué)生卓越能力，借助大學(xué)生創(chuàng)新平臺，我們開展了窯爐設(shè)計、模型制作與流體模擬的全工程過程探索性實驗。

1.窯爐模型的三維設(shè)計與動畫制作

由于高溫窯爐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，僅靠課堂PPT講解和公式計算，加之學(xué)生缺乏實際經(jīng)驗，即使有限時間內(nèi)去企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場參觀，實際的高溫生產(chǎn)線導(dǎo)致學(xué)生僅能從窯爐外部結(jié)構(gòu)進行觀察，不能深入理解窯爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)和窯內(nèi)流體流動的全過程，難以提高教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性也就激發(fā)不起來，更難培養(yǎng)創(chuàng)造性和工程能力。

指導(dǎo)教師首先向?qū)W生介紹相關(guān)項目的國內(nèi)外研究背景、目前本行業(yè)的需求和設(shè)計的主要專業(yè)知識等，啟發(fā)學(xué)生從環(huán)保和產(chǎn)品質(zhì)量等方面考慮課題內(nèi)容的出發(fā)點。學(xué)生們利用已學(xué)的文獻檢索知識和專業(yè)知識，查閱了多篇國內(nèi)外專業(yè)文獻并去企業(yè)現(xiàn)場調(diào)研，了解到許多高性能光學(xué)玻璃和水晶玻璃會用到鉛玻璃和硼硅酸鹽玻璃。由于這類玻璃所用原料有高揮發(fā)的缺點，現(xiàn)有的傳統(tǒng)火焰窯爐用于生產(chǎn)這種玻璃會產(chǎn)生嚴重的空氣污染，產(chǎn)品質(zhì)量也不穩(wěn)定。全電熔窯是解決這種污染主要窯型的窯爐，但無論在理論研究和生產(chǎn)實際使用上同國外相比，國內(nèi)目前還有不小的差距。以此為課題進行研究，學(xué)生們先以玻璃生產(chǎn)實際窯爐為參考，找出體積熔化率、電極材料和布置方式、電源功率等關(guān)鍵參數(shù)，簡化后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算?？紤]到窯爐結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，利用計算結(jié)果先運用AutoCAD和3dxsMAX等軟件，繪成二維平面圖。然后根據(jù)平面圖再繪制了其結(jié)構(gòu)的三維彩色立體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。最后以實際生產(chǎn)流體流動的過程為依據(jù)，設(shè)計了流體流動的動畫，如圖2所示（黑點表示粉料固體，白點表示粉料分解出的氣體上升成氣泡，白色細短線表示粉料熔融為液體）。學(xué)生們在設(shè)計和制作窯爐三維立體結(jié)構(gòu)圖過程中，對工程課程學(xué)習(xí)的主動性、積極性和興趣明顯提高，對窯爐整體結(jié)構(gòu)有了很深的印象，在工程設(shè)計中必須的運用計算機設(shè)計和制圖能力也有了很大提升，有效地培養(yǎng)了學(xué)生工程學(xué)習(xí)的綜合能力，拓展和活躍了工程過程思維。

圖1窯爐彩色立體結(jié)構(gòu)圖

圖2窯爐內(nèi)粉體到熔融體流動過程圖

2.物理模型制作

物理模型模擬研究是高溫窯爐研究的重要方法之一。 在窯爐立體結(jié)構(gòu)和動畫顯示的基礎(chǔ)上選出重點結(jié)構(gòu)，學(xué)生們再對設(shè)計的模型進行物理實物模型制作，其過程中并不能全部照搬 計算機設(shè)計的結(jié)果，如模型材料需考慮力學(xué)強度和熱學(xué)性能等；設(shè)計尺寸與加工尺寸的公差及實際加工精度、難度；配套的控制設(shè)備功率以及測量儀器精量與量程的選擇等。在制作過程中學(xué)生們主動發(fā)現(xiàn)問題，動手動腦解決問題。如模型出現(xiàn)了液體滲漏的問題，經(jīng)過師生多次研討，對窯爐結(jié)構(gòu)細節(jié)和密封材料進行反復(fù)改進，最后完成了仿真物理實物模型的制作，如圖3所示。

圖3具有固液轉(zhuǎn)變模擬液的全電熔窯模擬物理模型

在此過程中學(xué)生們對窯爐的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和細節(jié)間連接關(guān)系有了深刻的印象和理解，也體會到結(jié)構(gòu)細節(jié)決定工程過程成敗的含義。每一個結(jié)構(gòu)細節(jié)來不得半點馬虎，都要學(xué)生全身心投入，實驗結(jié)果是在不足與完善的多次改進過程取得的。對培養(yǎng)學(xué)生獨立思考能力、歸納分析能力、理論聯(lián)系實際的工程能力都起著不可替代的作用?？吹阶约和瓿傻膶嶒灣晒?，學(xué)生的成功快樂感油然而生，也提高了學(xué)生對工程研究的實踐能力。

3.流體動態(tài)模擬

在靜態(tài)的物理模型構(gòu)成后，需模擬實際高溫流體在窯爐中的液流過程，其中合適模擬液的選擇是重要的前提。傳統(tǒng)的窯爐流體全過程模擬液只用甘油與淀粉糖漿混合物這一種液態(tài)，與實際玻璃熔制過程不同：即從固態(tài)粉體熔融為液態(tài)，再由液態(tài)凝固成型為固態(tài)。指導(dǎo)教師啟發(fā)學(xué)生去尋找熔點在40℃～80℃的不揮發(fā)的有機物，且在室溫固態(tài)的無毒混合物。學(xué)生們分工協(xié)作，查找了十余種相關(guān)有機物的理化性能，經(jīng)過多次熔融和凝固實驗，比較了它們?nèi)埸c、凝固點和凝固速度快慢，終于從中挑選出較理想混合物。然后采用正交設(shè)計法，研究混合物各物質(zhì)含量因子對其熔融溫度、電導(dǎo)率和粘度這些指標(biāo)的影響以尋找最佳配方。經(jīng)過反復(fù)試驗測試，得到了符合相似條件、具有液固轉(zhuǎn)換的新型物理仿真用模擬液。另外為了加快這種新型模擬液的凝固速度，縮短實驗時間提高效率，學(xué)生們還自創(chuàng)了成型用冰塊冷凍快速降溫新方法。在尋找合適模擬液的過程中，不少想法超出原有課堂講授的專業(yè)知識范圍，學(xué)生們的創(chuàng)造力被大大激發(fā)起來，也增強了團隊協(xié)作能力。同時他們可以直觀地看到窯爐物理模型內(nèi)液體的流動全過程，從而更易理解高溫熔體的流動規(guī)律。

借助大學(xué)生創(chuàng)新平臺，學(xué)生們通過對窯爐工程實驗全過程的研究，對抽象復(fù)雜的窯爐結(jié)構(gòu)和設(shè)計的理解有了顯著地加深，有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性，增強了團隊合作攻關(guān)的精神，培養(yǎng)了實踐能力、創(chuàng)新能力和工程能力。將學(xué)生們的研究成果反哺教學(xué)，活躍了課堂學(xué)習(xí)氣氛，教學(xué)效果受到學(xué)生的好評。學(xué)生在實習(xí)現(xiàn)場也能更快理解企業(yè)指導(dǎo)人員講解的內(nèi)容和熟悉生產(chǎn)流程，為畢業(yè)設(shè)計和在相關(guān)企業(yè)從事生產(chǎn)和設(shè)計研究工作打下了良好基礎(chǔ)。

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