虚拟实验室建设

1．项目研究总述

实验是科学研究的重要手段，在科学技术高度发达的今天，大大小小的实验室遍布全球各地的科研院所、企业和学校。传统的实验离不开实验器材、实验设备和原材料等实验用品，它已经不能完全满足实验工作者的需求。

1．1 虚拟实验室与虚拟实验技术

随着网络技术、虚拟现实技术和仿真技术的发展，为实验科学提供了一种新的研究方法—虚拟实验室。

虚拟实验室(Virtual Laboratory，VL)，最早在1989年由美国University of Virginia的William WoIf 教授提出，其初衷是为了方便不同实验室中的科研人员共享彼此的数据、仪器，并能交流思想和进行远程合作。近年来，由于虚拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室成为可能。网络虚拟实验室的实现基础是多媒体技术、网络技术和仪器技术的结合，同时虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予了虚拟实验室智能化的特征。现在世界上许多国家已经在虚拟实验室的研究上加大投入，以美国为例:1991年底，美国国家科学基金会(NSF)美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了“全国(科学)合作实验室委员会”，此后，美国联邦政府投入资金在海洋学、天体物理学和分子生物学三大领域建造了各自的虚拟实验室。此外，1998-2006年间，NFS 资助了多个虚拟实验室研究项目，最多的投资达到4亿美元，比较少的也有一两百万美元。目前，虚拟实验室已经对科学研究、教育培训等领域产生了越来越重要的影响，因此对于虚拟实验室的研究具有广阔的应用前景。

虚拟实验是随着现代计算机技术的进步而产生和发展的一种实验模式。但它在实验的本体逼真性和应用普适性，以及在给予实验者现场实时感受和实验效果等方面，传统的计算机模拟实验是根本无法相比的。虚拟实验主要依托的技术是虚拟现实技术和虚拟仪器技术，实际上是计算机科学与技术的延伸。虚拟现实技术能够生成实时的、具有三维信息的人工虚拟环境，操作人员进入其中，产生逼真的身临其境感，并像在真实世界中一样地与该环境进行实时操纵和相互交流。虚拟仪器技术使计算机成为全能的电子仪器，利用现代计算机强大的图形环境，建立界面友好的虚拟仪器，操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，完成对被测对象的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。实验教学相对于理论教学而言更具有直观性、实践性和创新性，他是许多学科特别是理工科教学中的重要环节之一。实验教学在加强学生素质教育与培养创新能力方面起着重要的、不可替代的作用。因此，我们需要通过网络实现实验仪器设备资源共享的一种技术，网络虚拟实验室应运而生，虚拟实验一般是通过虚拟实验室而进行的，利用网络进行数据传送、处理和控制的远程实验。虚拟实验室是今后的远程教育发展主流的必要成份，将远程教育提升到更高的层次上。

网络虚拟实验就是在WEB中创建出一个可视化的三维环境，通过鼠标的点击以及拖拽操作，用户可以进行虚拟的实验，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象。网络虚拟实验室是由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与仪器技术的结合，包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验。不但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持，还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。通过网络虚拟实验室，访问者只要拥有一台连接到Internet的电脑就可以不受时间、地域的限制操作实验，达到所谓的随时随地做实验的目的。它对提高教学水平具有很大的促进作用。它的产生向人们展示了信息时代一种全新的教育方式和科学研究方式。网络虚拟实验室的出现，使远程教育更趋完善，也使远程教育成为真正的“网络学习”。

1.2 网络虚拟实验室在国内外的发展现状

虚拟实验室（Virtual laboratory）概念，最早在1989年由美国的William Wolf教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。美国国家研究委员会定义为[10]：虚拟实验室是一个无墙的中心。研究人员能在其中从事科学研究和工程设计，不必顾及地理位置的限制，实现同行间、同事间的互动；共享仪器、设备、数据、计算资源以及数字图书馆的信息。该定义强调三个方面的问题：一是现代实验室应当是一个无墙的中心，这个中心可以有逻辑上的限制，但没有物理空间的限制，其基础是Internet；二是协同工作环境；三是充分地实现资源共享。

虚拟实验室概念的提出至今仅为十多年的时间，但因其广阔的应用前景，国内外有很多组织都已经开展了虚拟实验系统的研究和建设工作，特别是在国外一些著名的大学，已有较多建好并投入使用的虚拟实验系统，涵盖了计算机网络、数学、人工智能[1]、生命科学[2]、化学[3]、物理、生物工程[4][5][6]通讯、3DCAD、图形图像、农业科学等教学、科研领域。

VSL（Virtual Systems Laboratory，简称VSL）虚拟系统实验室，始建于1989年，由Gentral Florida 大学教育训练研究院建立，其目标旨在提高计算机图形的艺术表现力以及改进仿真过程中的人机接口设计；美国巴尔的摩（Baltimore）约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）的化学工程系的卡尔威教授（Professor Michael Kuwait）在网络上建立了一个“虚拟实验室”，在计算机上模拟各种实验，让化学工程系的学生可以通过网络来做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题；德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室；新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验。此外，网络虚拟实验室还在诸多领域上得到应用，如美国实施的Visible Human计划，就是通过将一具尸体进行固化处理，再用特制的机器将其切成极薄的薄片，然后将这些薄片通过扫描仪输入计算机，再通过三维重建算法构成三维人体图像，这样就将一个真正的人体显示在计算机屏幕上，并且可以在屏幕上进行旋转、剖切等操作，医学人员就可以在计算机上进行人体解剖教学、虚拟手术等。

与西方发达国家相比，国内在虚拟实验方面开展的工作还不多，但目前虚拟实验室的建设也得到了应有的重视，己有部分高校初步建立了虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；中国农业大学建立了网上虚拟土壤作物系统实验室，应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况，探讨虚拟植物模型在农业领域应用的关键问题；华中理工大学机械学院建立了一个工程测试虚拟实验室，学生可以通过联网计算机终端来进行仿真实验，图像处理研究室设计了数字图像处理虚拟实验室；中国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室最新研制出我国第一套虚拟现实教学软件“几何光学实验设计平台”。该系统完成了光学虚拟实验室的设计，通过实验所提供的一系列光学仪器，学生可以基本上完成所有的单透镜实验和组合透镜实验，并且提供了完整的文档和习题系统。

1.3构建网络虚拟实验室的必要性和意义

随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模的不断扩大，学生规模急剧膨胀的普通高等院校普遍陷入了实验教学的困境。特别是一般工科院校、民办院校，由于底子薄、基础差、经费紧张，实验室建设规模严重滞后于迅速膨胀的学生规模。如果仍然采用传统的实验教学方法，那么不仅要耗费巨额资金来扩大实验室的建设规模、增添大量的仪器设备，而且也要扩大实验管理人员以加强实验管理环节，尽量避免仪器设备磨损造成的经济损失，保证实验教学秩序良好进行。然而元器件的消耗是不可避免的，这巨大的经济负担对于目前各高校的经济实力来说都是难以承担的。就目前我国高校的普遍经济状况，想通过扩大实验室的规模、增添大量仪器设备来满足传统的实验教学，一般是难以实现的。

目前学生难以走进实验室的状况主要有两个原因：一是学校实验经费的不足造成实验场地、仪器设备严重缺乏；另一个原因是学校实验场地空间有限，不能满足所有学生和科研人员进入实验室进行实验，严重影响了他们的学习和研究。必须对实验教学进行全面彻底改革，改变传统实验教学模式迫在眉睫。因此，网络虚拟实验室应运而生，为实验教学提供了一种新的解决方法。

我们产生了构建网络虚拟实验室的构想，即用软件代替硬件，用编程模拟实验的全过程。网络虚拟实验将大大简化实验的操作过程，节省实验中各种仪器的使用费用，实现实验数据的电子化，打破了传统实验室在地域空间和时间上的约束。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室的智能化特性，无论是学生还是科研人员，都可以自由进入虚拟实验室操作虚拟仪器，不但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持，还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。与现实的实验室相比，网络虚拟实验室具有许多优势和特点，决定了它在科研、教育中良好的应用前景。归纳起来有下面几个：

1）开放性。

虚拟实验可以彻底打破空间的限制，在任何地点任何时间里给任何实验者提供赖以学习、工作和研究的实验场所的虚拟实验室，缩短实验周期，更利于科学研究的进行。

2）经济性。

传统实验需要借助于具体的实验设备，一些实验设备价格昂贵，损耗大，实验成本高，这对于实验经费不足的地方院校来说，是难以承受的；而网络中的虚拟设备不存在磨损、破坏问题，可反复使用，既满足了教学要求，又能节省实验经费、提高办学效益。

3）交互性。

在虚拟实验中实验者可以根据自身的需要利用虚拟实验室提供的虚拟器件搭建、设计具体实验，同时在实验中提供控制手段来控制实验的进程并对实验者的操作提供反馈信息。

4）重用性。

就是要使虚拟实验室尽量采用组件的设计思想做到易扩充、易维护。用户可以根据自己的实验需要构造新的实验模块、添加新的实验仪器或在已有的功能模块的基础上用改进、组合或混合方法构建新的模块。

5）安全性。

一些危险性比较高的实验，若操作者一时疏忽，很容易对其造成严重危害，比如化学实验、医疗实验等。而在网络上进行虚拟实验却毫无危险。对有毒有害、污染环境和破坏性实验，也可在虚拟实验室内完成。

6）抗干扰性。

可以避免硬件实验带来的与实验目的无关的干扰，如接触不良、仪器故障等所造成的影响；总的来讲，网络虚拟实验通过计算机网络可以实现教育资源的共享，某一学科的先进实验条件可以被校内外的各学科使用，从而可能节省大量实验设施的重复投资，有利于从整体上改善国内的办学条件和提高实验教学水平。

1.4 虚拟实验室技术分类

1.4.1纯软件仿真形式的虚拟实验室

这类虚拟实验室是利用软件来模拟实验的全过程，不涉及具体的实验仪器硬件设备，也可称为仿真虚拟实验室。与独立运行的单机仿真软件相比，这类虚拟实验室可以通过网络进行发布，其所有内容都集中在服务器上，便于集中管理。开发者可以方便地添加新实验、收集用户的反馈信息，及时更新、完善实验内容，对用户使用中存在的问题也可以及时地予以解决;使用者无需安装这些开发软件，只需拥有一台可以连接到网站的电脑即可。由于该类虚拟实验室是纯软件仿真，因此它的物理结构十分简单，系统开发所需的全部硬件设备就是一台连接到Internet的服务器。

1、实验界面与仿真算法独立

这种形式的虚拟实验室是把仿真代码放在服务器端，客户进行实验时，只运行实验的操作界面程序，通过通信程序与服务器保持连接，实时地发送参数信息、接收仿真结果数据。由于仿真过程在服务器端进行，当访问的用户数量逐渐增加时，服务器的负担也随之加重，因此需要对同时访问

的用户数进行限制。这类实验通常采用Matlab/Simulink等具有强大计算能力的软件作为计算引擎，用Java等网络功能强、界面编程方便、可移植性好的网络编程语言作为数据通信、实验操作界面以及实验管理界面的开发工具。

这类实验室的优越性在于实验界面与仿真算法独立，二者可以根据各种开发工具的优势分别进行选择，从而方便而快捷地开发出各种界面友好、仿真算法复杂的实验。

爱丁堡大学的虚拟控制实验室[f2l就采用这种结构，该实验室为大学生演示过程控制的基本概念，包括几个典型实验，每一个实验都带有一些理论描述和真实设备的图片。学生可以输入参数并仿真闭环系统，仿真结果可以以图像或数据的形式反馈给学生。

2、实验界面集成仿真算法

与前一类实验室相比，这种形式的虚拟实验室实验界面与仿真算法结合在一起，都在客户端运行。在仿真过程中，客户端不需要与服务器端进行数据交换，因此，相当于独立运行的单机仿真实验。这类实验通常不能直接运行，需要用户安装各种插件，普及推广存在一定的难度。

在这种实验方式中，目前较常采用的一种开发方式是把用Java applet编写的实验(包括实验界面和仿真算法)嵌入到网页中。通过这种方法，用户端只需一个集成Java虚拟机的浏览器即可运行仿真，但编程的难度较大，因为用Java编写实验仿真算法并不是一件容易的事，尤其是大型实验的开发。例如，用Java开发二级倒立摆的非线性仿真模型就非常困难，即使开发出来也会得不偿失，浪费太多的时间与精力;相反，如果使用现有的专业软件(如Matlab中的Simulink)来建立这一模型，则简单容易得多。因此，这种方式常被用来开发一些相对简单的、交互程度要求不高的演示性实验。

如Goodwin主编的《Control System Design》一书附带的教学光盘及教学网站中的演示实验就是用纯Java applet开发的。又如Johns Hopkins大学为了配合“什么是工程”这门课的学习而开设的“虚拟实验室”网站，也是由一些用Java applet开发的演示型实验组成的。

1.4.2直接操作远程实验室实验的虚拟实验室

这类实验通常具有视频和音频反馈，使用者可以耳闻目睹远程实验的运行过程，还可以远程操纵实验室实验，调整相应的参数，观察结果，验证算法。调查表明，这种方式的远程教育不但有效地利用了有限的实验室资源，而且收到了较好的效果，是目前虚拟实验室研究开发的一个重要方向。这类实验室与前面介绍的实验室最大的区别在于，它是直接控制远程实验室实验设备的运行，其中的实验模型是真实的实验设备。因此，这类实验一次只允许一个用户进行实验(但可以有多人观看)。为了保证这一点，以及为了方便地扩充新实验，这类实验室中比较典型的一种硬件结构是“双客户一服务器”结构。

新加坡国立大学的远程控制实验室网站就是采用这种结构的典型例子。他们己经开发了六个基于Web的远程实验，如“带祸合的水槽设备控制实验”不仅能够使学生应用各种控制方法(包括手动控制、PID控制、广义的状态空间控制和模糊逻辑控制)完成实验任务，而且为研究人员测试控制算法提供了一个实验平台。通过使用Microsoft Netmeeting，实验室还提供了视频会话系统，使用者可以一边调整参数一边观看实验的真实运行过程。

美国的Tennessee at Chattanooga大学的Jim Henry设计的网上工程实验室提供了一系列远程控制实验，如压力控制、液面控制、温度控制、速度控制实验等。这个远程实验系统是由一台Web服务器和五台客户机构成的。每台客户机上都运行用LabVIEW编写的软件，并与一套实际的实验设备相连。当通过Internet访问Web服务器时，首先用户需要选择控制参数，然后Web服务器把这些参数写入文件传送给相应的客户机。客户机收到这些参数后，通过数据采集卡来控制相连的实验设备完成实验，并把实验数据返回给Web服务器，服务器根据这些数据生成实验结果图反馈给用户。

在国内，对虚拟实验室的研究还处于起步阶段，以上提到的两类虚拟实验室都有部分高校进行了相关研究：

由北京大学计算机学院设计的网上虚拟实验室3 WNVLAB是一个基于浏览器和WEB服务器，支持大计算量的交互式虚拟实验室。在该系统中，用户平台采用Java编写，用户可通过界面选择实验种类，并将用户的实验信息通过Internet传送到服务器端。服务器端是虚拟实验室的核心，用来完成客户端要求的实验内容，并将实验结果反馈给客户端。该系统己经初步实现了CACHE设计与流水线设计两个实验。

中国科学技术大学的大学物理虚拟实验室把虚拟实验用在教学演示与物理实验方面，它用计算机制作的虚拟智能仪器代替价格昂贵、操作复杂、容易损坏、维修困难的实验仪器，具有操作简便、效果真实、物理图像清晰、着重突出物理实验设计思想的特点。

早在2001年，华中科技大学电子科学与技术系CCMS实验中心在江建军教授的带领下，依托本系专业优势，组织优秀研究生、本科生开发团队，借助美国国家仪器公司(National Instruments，简称NI)软硬件设备和技术的大力支持，开发面向学生的教学实验室和面向科研的仪器共享实验室。VI联合实验室网络虚拟实验分为三大模块:仿真实验平台、在线专业实验平台、主动验证型实验及自主设计型实验(VI-1508系列)。

交通大学电子信息学院研制了一套机器人远程控制系统。该系统基于C/S模式的远程控制，实现了对机器人的运动控制及产品加工控制。由于带宽的限制，该系统主要用于局域网的远程实现。

此外，清华大学、西安交通大学、西北工业大学、浙江大学等也建立了虚拟实验室，方便学生学习或者用于科学研究。

以上研究都致力于让用户在虚拟实验室或在互联网上进行模拟实验。目前，虚拟实验室正朝着网络化、专业化、逼真化的方向发展。随着网络技术的发展，虚拟实验室有从本地化向网络化发展的趋势，这样促进了资源共享，信息交流，避免了虚拟实验室的重复建设。同时，虚拟实验室将会普及到各专业，技术含量会越来越高，从而更加专业化。软件技术的快速发展将使虚拟实验室更加逼真，交互性更强，实验内容更加精彩。

1.5 粉末冶金虚拟实验室项目研究意义

粉末冶金国家重点实验室在中南大学，距离山东较远。省内高校在粉末冶金基础研究及应用基础研究方面虽然有一定实力，但目前尚无重点实验室。莱芜作为全国重要的钢铁生产及深加工基地、国家新材料产业化基地，在粉末冶金材料生产和出口方面具有良好的发展环境、雄厚的产业基础及一定的技术创新优势。在莱芜职业技术学院建设粉末冶金山东省重点实验室具有地域和资源优势。莱芜市从事粉末生产及制品的企业有50余家，制粉、制件生产能力分别达到10万吨、10000吨，钢铁粉末产量居全国首位。产品结构从还原铁粉、水雾化纯铁粉、水雾化合金粉、无偏析混合粉、预扩散合金粉到正时齿轮、同步器齿毂等系列制品，广泛用于轿车、机械、电动工具、家用电器等领域。到“十一五”末，我市粉末冶金制粉产量将达到15万吨/年，粉末冶金制品产量达到3万吨/年，粉末冶金产业具有广阔的发展前景和发展空间。目前，莱芜钢铁集团粉末冶金有限公司、莱芜新艺粉末冶金制品有限公司等单位已经分别建成了粉末冶金制粉及制品省级工程技术中心以及多家企业工程技术中心，对粉末冶金新技术、新材料成果转化和产业化有迫切的需求。因此，利用本地区的产业优势和高校的人才优势及实验设备优势，在我院粉末冶金检测技术中心基础上建设粉末冶金山东省重点实验室，可以充分实现高校与企业的优势互补、强势产业和优势产业的结合，加快人才培养与成果转化的力度，使高校和企业实现在人才培养、科学研究、成果转化及产业化等方面的集群式发展，实现高校和企业社会效益和经济效益的双赢都具有重要而现实的意义。

莱芜市粉末冶金实验室依托“莱芜市粉末冶金检测技术中心”进行建设。经过近五年的努力，该检测中心已经基本建设完成，中心现占地面积1000m2，位于莱芜职业技术学院新校区。现有100吨压机、高温氢气保护烧结炉、高温箱式电阻炉、电子天平、耐磨试验机、硬度测量机、冲击韧性试验机、高能行星球磨机、25KW热压机、金刚石硬度测试仪等基本试验设备及中试生产设备。09年6月正式组建粉末冶金学院，在原粉末冶金检测技术中心基础上重点围绕建设山东省重点实验室

开展工作，完善了材料化学实验室、X衍射仪实验室、粉末冶金工艺实验室、金相实验室、粉末冶金模具CAD/CAM研发中心（数控加工综合实训中心）等基础实验室。

在此基础上形成了以高性能铁基粉末冶金制品开发、预扩散合金粉制备技术与工艺、金属基复合材料、超硬材料表面改性、粉末冶金模具CAD/CAM技术等为主的研究方向，形成了以优秀中青年为主体的科研队伍，建立了产学研相结合的基地，树立了“拼搏、创新、严谨、求实”的学风和自己的学科特点，培养了一批优秀的专业人才，使中心成为我省粉末冶金技术的科研中心和高层次应用型人才的培训基地。

实验环节在大学理工科教育中占有非常重要的地位，是提高学生动手能力、培养创造能力和综合素质的一个有效的手段，很多学科都是以实验课程为基础的，缺少了实验的支持，工科学科的教学和科研活动就无法进行。学生只有通过足够的验证型实验和一定数量的综合设计型实验才能加深理解和掌握所学的理论知识和应用技术，也只有通过实验，才能将理论与实践很好地结合起来。

传统的实验室是资源高度密集的实验系统，具有实验设备资金投入量大、实验体系的完善和实验教学的实施所需人力物力投入量大的特点。目前，随着招生规模的不断扩大，国内普通高等院校急需补充和更新大量的实验教学设备，这一现实问题无法在很短的时间内得到很好的解决。而虚拟实验室系统主要依赖于软件和较少的配套硬件，使实验室的维护费用和工作量也大大降低，弥补了传统实验室这方面的不足。利用工nternet进行虚拟实验室的网络发布，实现了资源共享，避免了仪器重复添置和资源浪费，满足了客户不再受时间、地点限制进行远程的实时合作，提高了客户的学习效果。

目前国外还未见大规模成功应用的实例，也未形成国际通用的标准;而国内出现的虚拟实验室都或多或少地存在着通用性较差、灵活性不强、交互性差的问题。因此，研究和开发通用性强、交互性能好、灵活性强的虚拟实验室具有相当的理论价值和实际应用价值。

1.6本课题的主要内容

本课题是针对目前高校中的实验资源紧张这一现实状况，利用虚拟实验室构建技术，结合莱芜职业学院粉末冶金实验室的虚拟实验室建设项目而开展研究工作的。运用仿真技术、多媒体技术和网络技术，构建一个智能化的虚拟实验室。

本课题从实验技术入手，不但是一个完整的实验系统，也是一个引导性的研究。其总体目标是设计实现一个互联网上的虚拟实验室环境，让学生在网上虚拟的实验室平台上作实验，使他们深入了解粉末冶金技术专业的实验原理、检测技术以及相关实验知识，并提高了学生的实践能力。本虚拟实验室能实现从辅助教学、自主实验到实验报告的网上提交与批阅的全程操作与管理，完成实验教学的基本内容，具有开放、安全、经济、更新快等优点，使实验教学方法和手段得到突破与创新。

采用控件技术、虚拟仪器技术和数据库技术相结合的方法，在.NET集成开发环境下，利用C#等编程语言编写仿真控制平台，以Browser/Server为体系结构，并以TCP/IP作为网络通信协议，构建了一个计算机接口技术虚拟实验室系统。使用者只需通过网络对此框架内的虚拟物体进行动态地拖曳、旋转、缩放等动作，就可随时随地进行计算机接口技术的系列课程实验。虚拟计算机接口技术实验室具有可视化、交互性、资源共享、安全性等特点和仿真的实验环境，它符合远程教育对实验教学的要求；它营造了一个逼真的实验环境和强大的交互功能，使实验可以取得真实的结果。

本课题的研究内容主要包括如下几个方面：

1）拟提出一套全新的构建网络虚拟实验室的方法及技术解决方案；

2）根据网络虚拟实验室的要求，对Browser/Server和Client/Server两种网络结构的特点进行分析和比较，并选择一种比较适合的模式。

3）对实现基于Web的网络虚拟实验室所需要的各种关键技术和软件工具：虚拟仪器技术、.NET 技术、WEB服务器设计技术、WEB数据库技术、WEB基本协议等技术进行研究。

4）粉末冶金虚拟实验室实例的设计。根据网络虚拟实验室的设计原则与目标，通过对系统的功

能、模块、系统流程等进行了分析，并以水雾化制粉实验、力学实验、金相实验为例，完成对网络虚拟实验室系统的开发。

2．虚拟实验室基本构建

在现有基础下，粉末冶金虚拟实验室拟重点建设以下几个实验室：水雾化制粉、制品压制烧结、力学检测、金相检验、材料化学、X衍射检测等五个实验室。

2.1 水雾化制粉

水雾化钢铁粉末的生产是用高压水将熔融的钢液在雾化器内切断、分散、裂化而成为微小液滴，再经脱水、烘干、筛分、生粉高温还原、粉饼破碎、筛分、合批等工序精制而成。用该种方法生产水雾化铁粉始于二十世纪六十年代中期，美国A.0史密斯公司用高压水雾化技术雾化低碳钢液生产低碳钢粉。由于用该种方法生产的粉末颗粒具有内部密实、纯度高、易于合金化等优势引起粉末冶金界极大重视。但是，由于该种水雾化原生粉末的松装密度大、粉末表面光滑导致粉末成形性差，粉末生坯强度低，应用上存在困难，致使用高压水雾化技术生产的水雾化铁粉推广应用受到限制。到七十年代初期，德国曼内斯曼采用高温还原工艺，使水雾化铁粉在高温还原状态下产生局部烧结，改善了粉末颗粒形状，这一重大技术进步生产出了杂质含量低、压缩性高、成形性好的水雾化铁粉，用其制造的粉末冶金零件的密度、强度、形状复杂性都上了新台阶，为汽车使用高密度、高强度、高精度、形状复杂的粉末冶金件奠定了基础，由此，也使水雾化制取铁粉生产技术得到推广应用并迅猛发展。

2.1.1水雾化法生产铁粉的优势

①工序流程短，生产效率高，适于规模化生产；

②可以用廉价原料(废钢)生产成份纯度高、组织均匀且工艺性能好的高附加值优质粉末；

③用水雾化法生产的水雾化纯铁粉颗粒形状大小和粒度分布等均可在一定范围内调整。

④用水雾化法生产的纯铁粉不仅压缩性值高、化学纯净度高，而且能用于生产高密度、高强度、高尺寸精度和耐磨、耐蚀性、形状复杂的粉末冶金结构件，优于用还原粉生产的同类型产品。

2.1.2水雾化铁粉生产的不足

①设备一次性投资大；

②不利于生产低松装密度铁粉；

2.1.3水雾化铁粉生产的关键技术

①高压水雾化技术

高压水雾化技术的关键是通过高压水将钢液在雾化器内破碎成微小液滴，而喷嘴是雾化装置中使雾化介质获得高能量、高速度的部件，也是对雾化效率和雾化过程稳定性起重要作用的关键性部件。好的喷嘴设计要满足以下要求：

能使雾化介质获得尽可能大的出口速度和所需要的能量；

能保证雾化介质与金属液流之间形成最合理的喷射角度；

使金属液产生最大的紊流；

工作稳定性好，喷嘴不易堵塞；

加工制造简单。

目前，在水雾化钢铁粉末生产中所用喷嘴类型主要为环缝型喷嘴和“V”型喷嘴。

在水雾化过程中，钢液的出钢温度、雾化开始温度、雾化终止温度、钢液液流直径、钢液雾化速度、高压水水压、流量、喷射角度等构成了主要水雾化工艺参数。

2.1.4生粉高温还原技术

这项技术直接关系到成品粉末的主要化学成份(C、O含量)，影响着粉末颗粒形状，并对成品粉末的最终综合性能产生直接影响(粉末粒度组成、松装密度、流动性、压缩性、成形性)。在还原过程中，既进行脱碳、脱氧、降低粉末颗粒硬度、提高粉末塑性的过程，又要进行粉末颗粒团聚过程，使细的粉末颗粒之间或细的粉末粘结于粗的粉末颗粒表面进行粉末颗粒团聚，使粉末颗粒表面复杂，类似海绵状，这是提高雾化铁粉成形性的关键，也是生产高质量水雾化铁粉的重要方法之一。

2.1.5粉饼无加工硬化、无氧破碎技术

经高温还原生成的粉饼通过多级破碎方可制成最终产品粉末。但是，在多级破碎过程中，粉末既不能再氧化，又不能因受冲击作用产生加工硬化而影响粉末的成形性，并且粉末颗粒本身及粉末颗粒形貌、密实度、尺寸大小、粒度组成、松装密度、压缩性、流动性等都应达到生产高密度、高强度、形状复杂的制品性能要求。

2.1.6 水雾化钢铁粉末品种

（1）高压缩性水雾化铁粉

如瑞典赫格纳斯公司牌号为ASCl00.29水雾化铁粉不仅化学纯净度高，而且在600MPa压制压力下，可获得7．20g／cm3的密度；而极优化学纯度的ABCl00.30粉在600MPa压制压力下，可获得7．40g／cm3的密度。

（2）水雾化扩散型合金钢粉

水雾化扩散型合金钢粉是用扩散粘结法生产的，其生产是用高压缩性的水雾化纯铁粉或还原铁粉作母粉，添加合金元素(或其氧化物)经均匀混合后，在电炉内用氢气(或氨分解气)作保护性气体进行扩散处理，其特点为：

①具有较高的压缩性；

②合金元素在制品烧结过程中能进一步完全合金化；

③在运输和混合处理过程中不产生合金元素成份偏析，避免了因成份偏析造成的件与件之间具有不同的化学组成，使其在烧结过程中造成尺寸变化，能保持尺寸公差稳定，便于获得显微结构均匀的铁基合金产品；

④细的合金元素粉颗粒粘结到铁粉颗粒表面上能减少隆起或团聚，在随后用石墨和润滑剂混合过程中添加的合金元素粉均匀分布，更有效的改善烧结件的机械性能。

（3）无偏析混合粉

（4）预合金钢粉

该种粉末的生产是将合金元素(镍、铝、铜、铬、锰等)在钢水冶炼过程或雾化前与铁熔融，采用高压水雾化技术生产而成。它的主要优点是：①能更有效地利用合金元素；②粉末颗粒组成中合金元素分布及显微结构均匀，具有高的强度和好的耐磨性。用预合金钢粉生产的材料比用扩散型合金钢粉或无偏析混合粉生产的材料显微结构均匀，具有更高的硬度和尺寸稳定性。正是因为其具有这样的特点，预合金粉末得到广泛研究和应用。

2.1.7 水雾化虚拟实验室建设规划

①利用计算机虚拟技术在冶炼装备上要确保钢水化学成分可控，使影响产品性能的有害元素含量如Si、S、P及其他合金元素得到有效控制，降低钢水中气体含量尤其是钢水氧含量；

②虚拟水雾化设备制粉生产过程，并实现在雾化生粉生产上，要加强雾化用水处理及质量控制工作，加强脱水烘干效果控制，降低生粉氧含量；研究开发化学纯度高，粒度分布合理，粉末颗粒形状复杂，成形性好，压缩性高，松装密度满足用户需要的水雾化铁粉的控制软件，为生产高压缩性的扩散型合金钢粉、无偏析混合粉、温压用粉提供保障。

③虚拟还原工序中，要做好颗粒硬度控制工作，目前国产粉末颗粒硬度高，这是制约其压缩性提高的主要因素之一，虚拟尤其是含Cr、Mn预合金钢粉的研究开发。

④利用CAD/CAM技术加大雾化喷嘴结构研究，做好粉末颗粒形貌、生粉颗粒形状、粒度分体过程数值模拟，提高雾化生粉收集率及雾化效率。