湯中亮 張曉波 李兵 高超 李強(qiáng)

【摘? ?要】? ?材料類專業(yè)開放實(shí)驗可以將實(shí)踐操作與所學(xué)的理論知識聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主導(dǎo)作用，充分調(diào)動他們的學(xué)習(xí)積極性。電弧等離子體干法除鱗的開放實(shí)驗，通過改變實(shí)驗參數(shù)研究電弧除鱗速率的變化;通過SEM、XRD對除鱗前后樣品表面形貌及物相的表征，對電弧除鱗的效果進(jìn)行評價。設(shè)計實(shí)驗以及對結(jié)果的分析培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和獨(dú)立思考的能力。在具體的實(shí)驗操作中，學(xué)生的動手能力也得到充分的鍛煉。

【關(guān)鍵詞】? ?材料類專業(yè);開放實(shí)驗;電弧;除鱗

Design of the Open Experiment on Dry Descaling Using Arc Plasma

Tang Zhongliang， Zhang Xiaobo， Li Bing， Gao Chao， Li Qiang

（Huaibei Normal University， Huaibei 235000， China）

【Abstract】? ? The open experiment of materials major can combine practice and theory and stress undergraduates’ leading role， which can fully arouse their enthusiasm for learning. In this arc descaling experiment， the relation between descaling rate and experimental parameters was studied. SEM and XRD were employed to study morphologies and compositions of the sample surface before and after arc descaling， which were used to evaluate the effects of arc descaling. Scientific thought and ability of independent thinking were developed through the experimental design and the results analysis. Students’ practical ability was improved as well via experimental operation.

【Key words】? ?  materials major; open experiment; arc; descaling

〔中圖分類號〕? G642.0 ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）01- 0046 - 04

0? ? ?引言

材料科學(xué)作為一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗教學(xué)是該課程教學(xué)工作的重要組成部分。在實(shí)驗過程中通常教師處于主導(dǎo)地位，完成既定的內(nèi)容，對學(xué)生獨(dú)立開展科學(xué)研究的能力以及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)不足[1]。開放實(shí)驗可以充分利用開放實(shí)驗室的條件，在教師的啟發(fā)和引導(dǎo)下，發(fā)揮學(xué)生的主導(dǎo)作用，使學(xué)生主動查閱文獻(xiàn)資料，自行設(shè)計實(shí)驗，獨(dú)立操作實(shí)驗儀器，從而獲得科學(xué)的實(shí)驗結(jié)果并能給出對結(jié)果的客觀評價，最后邏輯清晰地總結(jié)成實(shí)驗報告或者科技論文[2-3]。在此過程中，可以極大地調(diào)動學(xué)生的積極性，使學(xué)生的科學(xué)思維、創(chuàng)新意識與實(shí)踐能力都得到提高[4-5]。

在冶金工業(yè)中，把鋼鐵表面氧化層除去的工藝稱為除鱗，是決定鋼材品質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，但是會產(chǎn)生大量的污染。近年來興起的電弧等離子體干法環(huán)保除鱗正是解決除鱗過程中污染問題的新方法。本文基于實(shí)驗室已有的電弧等離子體平臺，設(shè)計電弧等離子體干法除鱗的開放實(shí)驗。

1? ? ?實(shí)驗內(nèi)容與目的

本開放實(shí)驗的主要內(nèi)容和實(shí)驗?zāi)康娜鐖D1所示，圍繞培養(yǎng)學(xué)生的思維和能力來設(shè)計。

1.1? ?研究背景調(diào)研

傳統(tǒng)除鱗的方法有化學(xué)除鱗和機(jī)械除鱗，但是會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染如水污染、噪聲污染等[6]。電弧除鱗是利用陰極弧斑極高的電流密度，使弧斑下方材料被迅速加熱到遠(yuǎn)高于沸點(diǎn)的溫度，從而除去氧化層[7]。除鱗過程在密閉的空間中進(jìn)行，沒有噪聲污染以及水污染，被除去的氧化物還可以回收再利用。通過調(diào)研、閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，一方面讓學(xué)生會切身體會和了解傳統(tǒng)工業(yè)除鱗的現(xiàn)狀及缺點(diǎn);另一方面，加深學(xué)生對電弧除鱗原理和優(yōu)點(diǎn)的理解，并了解國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。通過在知網(wǎng)、Web of Science等數(shù)據(jù)庫查閱文獻(xiàn)，提高學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力，從而檢索到自己想要的文獻(xiàn);大量文獻(xiàn)的泛讀和精讀，可以提高文獻(xiàn)閱讀的技巧和能力。在對背景調(diào)研的過程中，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識，激發(fā)學(xué)生解決實(shí)際問題的興趣;開拓學(xué)生的視野，了解新興技術(shù)在解決傳統(tǒng)工業(yè)遇到的環(huán)保問題中起到的積極作用，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

1.2? ?實(shí)驗方案設(shè)計

在對電弧除鱗原理有一定理解的基礎(chǔ)上，結(jié)合本開放實(shí)驗室電弧除鱗設(shè)備的實(shí)際情況和特點(diǎn)，提出實(shí)驗方案，并對方案的可行性進(jìn)行分析。電弧除鱗在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中關(guān)注的重點(diǎn)是除鱗的效果以及影響除鱗速率的因素。本開放實(shí)驗室的電弧除鱗平臺可改變的實(shí)驗參數(shù)包括：電弧電流、除鱗的工作氣體、電極的間距以及放電氣壓等。這些因素均可以改變除鱗的速率，所以需要系統(tǒng)性地考慮如何設(shè)計參數(shù)的改變。例如，學(xué)生可以采用控制變量法，根據(jù)自己的情況在保持其它條件不變的情況下，改變其中某一變量，研究除鱗效果以及除鱗速率隨該變量的變化。通過實(shí)驗方案的設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維以及創(chuàng)新思維。

1.3? ?電弧除鱗實(shí)驗

學(xué)生之前接觸過一些大學(xué)物理實(shí)驗以及材料類實(shí)驗，有了一定的實(shí)驗操作基礎(chǔ)。但是，對于這樣較復(fù)雜的實(shí)驗設(shè)備仍然缺乏操作經(jīng)驗，尤其是本實(shí)驗涉及到水、電、氣的操作。因此，在剛進(jìn)入實(shí)驗室時，教師首先應(yīng)全面地讓學(xué)生了解設(shè)備的安全操作規(guī)程。教師先進(jìn)行實(shí)驗演示，學(xué)生觀摩;后由學(xué)生自己操作，教師在旁指導(dǎo)。確認(rèn)學(xué)生熟練掌握了設(shè)備的操作要領(lǐng)后，可以讓學(xué)生獨(dú)立操作以及解決問題。充分地訓(xùn)練了學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)解決問題的能力。

1.4? ?實(shí)驗結(jié)果評價

實(shí)驗結(jié)果評價包括除鱗效果以及除鱗的速率。除鱗效果主要是除鱗后樣品表面的氧化層被除去的程度，以及樣品表面的粗糙度。可以利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品表面的形貌;采用X射線衍射（XRD）表征表面氧化層是否完全被除去;用粗糙度儀去測量樣品表面的粗糙度。在特定氧化層厚度的前提下，除鱗速率用單位時間內(nèi)除去的氧化層面積表示。在教師的指導(dǎo)下，熟悉材料表征所使用的儀器;熟練使用例如Jade或HighScore等XRD的分析軟件。鼓勵學(xué)生以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，用工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)去考察和評價實(shí)驗的結(jié)果。

1.5? ?實(shí)驗報告撰寫

學(xué)生對實(shí)驗的現(xiàn)象以及得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、總結(jié)，并撰寫電弧除鱗實(shí)驗報告，教師給予指導(dǎo)。引導(dǎo)學(xué)生凝煉出影響除鱗結(jié)果的關(guān)鍵科學(xué)問題，并給出物理解釋。學(xué)會使用科技術(shù)語去表達(dá)，并熟悉科技報告的寫作規(guī)范。如果實(shí)驗結(jié)果具有一定的創(chuàng)新性，可以鼓勵學(xué)生寫成科技論文，進(jìn)一步地培養(yǎng)學(xué)生的科技論文寫作能力。

2? ? ?實(shí)驗介紹及結(jié)果分析

2.1? ?實(shí)驗裝置及實(shí)驗步驟

本電弧除鱗開放實(shí)驗設(shè)備主要由真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)組成。真空系統(tǒng)包括：玻璃真空室、可升降的陽極、陰極樣品臺以及真空泵;陽極和陰極都包含水冷。電源系統(tǒng)包括：8000 V的高壓脈沖引弧電源，400 V的電弧維持電源。樣品大小為30.0 × 30.0 × 3.0 mm3的低碳鋼，放在陰極樣品臺上，放電時充當(dāng)陰極。實(shí)驗裝置如圖2所示。

主要實(shí)驗步驟：

（1） 打開真空室，放入樣品;關(guān)閉真空室。

（2） 真空室氣壓抽到5 Pa以下再充入工作氣體至300 Pa。

（3） 打開陽極和陰極的水冷。

（4） 打開直流電源設(shè)定好限流、限壓值;打開高壓脈沖引弧電源，開始電弧除鱗實(shí)驗。

（5） 實(shí)驗結(jié)束后，關(guān)閉電源系統(tǒng)、真空泵以及冷卻水。

2.2? ?除鱗效果評價

圖3（a）、（b）分別為除鱗前后樣品表面照片，除鱗前樣品表面覆蓋一層黑色的氧化層，而除鱗后表面氧化層已經(jīng)被除去，露出金屬基底。圖3（c）、（d）分別為除鱗前后樣品表面SEM照片，從中可以看出，除鱗前樣品表面覆蓋的氧化層厚度約為10 mm，除鱗后表面不再有氧化層，而是除鱗過程中形成的熔化后再凝固的弧坑。圖3（e）、（f）分別為除鱗前后樣品表面XRD圖譜，除鱗前樣品表面的材料主要為Fe3O4氧化層，而除鱗后樣品表面Fe3O4峰消失，只有α-Fe的峰出現(xiàn)。通過SEM以及XRD的表征可以說明，電弧除鱗的效果理想，達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用的除鱗標(biāo)準(zhǔn)。

2.3? ?除鱗速率

以除鱗速率隨電弧電流的變化來說明實(shí)驗參數(shù)對電弧除鱗速率的影響。圖4說明了電弧除鱗的速率隨電弧電流的增大幾乎成正比例增加。其背后的物理機(jī)制要求學(xué)生進(jìn)一步自主調(diào)研文獻(xiàn)得出結(jié)論，教師僅給予引導(dǎo)。本開放實(shí)驗的可調(diào)節(jié)參數(shù)較多，除鱗速率隨電流變化僅是其中之一。其他參數(shù)對除鱗速率的影響，學(xué)生可以再去自主探究，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力以及勇于實(shí)踐的精神。

3? ? ?結(jié)語

本文設(shè)計的實(shí)驗將課堂所學(xué)的關(guān)于電弧等離子體以及相關(guān)材料的理論知識通過查閱文獻(xiàn)進(jìn)一步提升。在實(shí)驗過程中，發(fā)現(xiàn)問題、分析并解決問題，使理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維及解決問題的能力。本開放實(shí)驗需要進(jìn)行樣品前處理，水、電、氣路調(diào)節(jié)，除鱗前后樣品的表征，從而使學(xué)生的動手能力得到充分鍛煉。學(xué)生還可以基于本開放實(shí)驗平臺，提出自己的實(shí)驗設(shè)想，體現(xiàn)了實(shí)驗的開放性。例如，開展優(yōu)化除鱗能效，有效防止鋼鐵材料除鱗后表面的二次氧化，實(shí)現(xiàn)動態(tài)除鱗、細(xì)長鋼絲表面除鱗等研究，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新意識。

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