“電廠金屬材料學(xué)”課程教學(xué)研究與探索

趙雪峰?孫石

摘要：根據(jù)“電廠金屬材料”課程的特點(diǎn)，結(jié)合該課程的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)該課程的教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行分析，有針對(duì)性地提出教學(xué)方法和建議。通過該課程教學(xué)，提高學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)和技能，加深對(duì)本專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：電廠金屬材料學(xué)；教學(xué)研究；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）36-0129-02

“電廠金屬材料學(xué)”與火力發(fā)電廠生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合的專業(yè)課程，是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握金屬材料學(xué)的基礎(chǔ)理論和鍋爐、汽輪機(jī)以及相關(guān)輔機(jī)，比如泵、風(fēng)機(jī)、加熱器、除氧器、凝汽器等設(shè)備常用的金屬材料及熱處理方法等方面的知識(shí)；掌握解決工程實(shí)際問題的技能；為學(xué)生從事電力行業(yè)相關(guān)的設(shè)計(jì)、安裝、檢修工作奠定基礎(chǔ)[1]。

根據(jù)我國(guó)“十五”規(guī)劃教材對(duì)工程類應(yīng)用型本科院校教材的要求，該課程針對(duì)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生的教學(xué)課時(shí)已經(jīng)縮短到32學(xué)時(shí)。鑒于本課程授課內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少、學(xué)生學(xué)習(xí)難度大、綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，本文分析該課程的教學(xué)難點(diǎn)，希望對(duì)提高該課程的授課效果有所裨益。

一、教學(xué)體系構(gòu)建與難點(diǎn)分析

首先精選教學(xué)內(nèi)容，這就要求授課教師結(jié)合教學(xué)大綱要求，一方面照顧知識(shí)面的廣度，另一方面要注重基本概念和基本原理的深度。該課程內(nèi)容以大容量、高參數(shù)機(jī)組，主要以600MW及以上的火力發(fā)電廠主力機(jī)組主要設(shè)備的金屬材料為主，兼顧300MW的火力發(fā)電廠主力機(jī)組主要設(shè)備的金屬材料。授課時(shí)盡可能反映國(guó)內(nèi)外電廠金屬材料的先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)、新成果。

該課程涉及以前所學(xué)的各門專業(yè)課程較多，如“工程制圖”、“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”、“工程力學(xué)”、“工程熱力學(xué)”、“金屬工藝學(xué)”等。在講授時(shí)幫助學(xué)生復(fù)習(xí)和回憶已學(xué)專業(yè)知識(shí)，比如“碳鋼拉伸試驗(yàn)”這部分內(nèi)容時(shí)，與“工程力學(xué)”課程內(nèi)容基本相同，不必再次講授，可以減少相關(guān)課時(shí)。在講授“金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶” 內(nèi)容時(shí)，有的部分內(nèi)容在高中曾經(jīng)學(xué)習(xí)過，也不必再次講授，可以減少相關(guān)課時(shí)。還比如教師在講解“模具鋼、切屑用鋼”的教學(xué)內(nèi)容時(shí)，由于熱能動(dòng)力專業(yè)的學(xué)生將來不可能從事金屬切削加工、模具制造方面的工作，教師可以酌情相應(yīng)縮減教學(xué)時(shí)間。

二、知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系與鞏固

對(duì)于熱能動(dòng)力專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“金屬材料學(xué)”來講，既不是材料專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“金屬材料學(xué)”，也不是機(jī)械專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“金屬材料學(xué)”，那么，摸索出一套培養(yǎng)適合熱能動(dòng)力專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“金屬材料學(xué)”的方法，那就更為重要的。對(duì)于熱能動(dòng)力專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“金屬材料學(xué)”來講，不能過于專業(yè)學(xué)習(xí)金屬材料理論，熱能動(dòng)力專業(yè)學(xué)生更多關(guān)注熱力系統(tǒng)的熱力計(jì)算，對(duì)于熱力系統(tǒng)管道的金屬材料的選定不熟悉。針對(duì)這種情況，在學(xué)習(xí)“金屬材料學(xué)”時(shí)，哪些內(nèi)容，熱能動(dòng)力專業(yè)學(xué)生可以作為一般了解，哪些內(nèi)容，熱能動(dòng)力專業(yè)學(xué)生作為重點(diǎn)掌握，必須給學(xué)生明確交代。

“電廠金屬材料”課程并不難學(xué)，沒有多少計(jì)算題，計(jì)算題也沒有積分和求導(dǎo)。“電廠金屬材料”課程只有一個(gè)定律，即杠桿定律。但是“電廠金屬材料”課程理論性強(qiáng)，規(guī)定條文多，需要記憶的概念多，有時(shí)一個(gè)概念套著另一個(gè)概念。相當(dāng)于英語(yǔ)語(yǔ)法中的一個(gè)從句套著另一個(gè)從句。比如奧氏體的定義：碳原子溶入γ-Fe中形成的間隙固溶體，稱為奧氏體。什么是固溶體，什么是間隙固溶體，什么是γ-Fe，在多少度形成γ-Fe，各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，從而達(dá)到融會(huì)貫通，使學(xué)生加深理解和記憶。

教師在講授“電廠金屬材料學(xué)”開始時(shí)，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和愛好，搜集一些古代鑄造金屬的精美照片，比如司母戊鼎、四羊方尊、馬踏飛燕、長(zhǎng)信宮燈等國(guó)家級(jí)青銅器出土文物，從一方面反映，我國(guó)的冶煉技術(shù)歷史久遠(yuǎn)，冶煉技術(shù)水平精湛，從另一個(gè)方面反映我國(guó)悠久歷史和燦爛的文化。

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和愛好，教師可以提出與金屬相關(guān)的中國(guó)成語(yǔ)，學(xué)生加以補(bǔ)充。比如：金戈鐵馬、枕戈待旦、刀槍入庫(kù)，馬放南山、趁熱打鐵、點(diǎn)石成金、打鐵還需自身硬、百煉成鋼、鐵打的營(yíng)盤流水的兵，浪子回頭金不換等成語(yǔ)。

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和愛好，教師可以向?qū)W生提出一些問題，比如：我們?cè)谌粘Ｉ詈蛯W(xué)習(xí)中，哪些用到鑄鐵材料、哪些材料是碳鋼制造的。

“電廠金屬材料學(xué)”課程有頭重腳輕的感覺。比如“鐵碳合金相圖”內(nèi)容非常重要，是金屬材料學(xué)的重要基礎(chǔ)理論，由于理論理解難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)感覺有些吃力，教師需要增加課時(shí)。本課程圍繞“鐵碳合金相圖”進(jìn)行，所以要求學(xué)生必須掌握鐵碳合金相圖，必須徒手繪畫，掌握各點(diǎn)、線和相區(qū)的物理意義。

教師講解“電廠金屬材料學(xué)”課程時(shí)，為了達(dá)到學(xué)生容易理解的目的，多媒體要配以火電廠鍋爐本體及輔機(jī)、汽輪機(jī)本體及輔機(jī)、泵與風(fēng)機(jī)等圖片，便于學(xué)生理解和掌握[2]。如圖1華能上海石洞口第二電廠的超臨界壓力600MW汽輪機(jī)組圖片，圖2超臨界壓力600MW汽輪機(jī)葉輪圖片，圖3超臨界壓力600MW鍋爐屏式過熱器圖片。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中為“鍋爐原理”、“汽輪機(jī)原理”奠定基礎(chǔ)。

教師在講授“鑄鐵”內(nèi)容時(shí)，介紹制作閥門的材料不僅有鋼制閥件、還有灰口鑄鐵閥件、可鍛鑄鐵閥件、球墨鑄鐵閥件、銅合金等閥件?！拌T鐵鍋爐”，額定出口熱水溫度低于120℃，且額定出水壓力不超過0.7MPa，鍋爐可以用不低于HT150灰口鑄鐵制造?！拌T鐵式省煤器”用于非沸騰式鍋爐，適合中小型鍋爐。

還可以介紹“城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范”CJJ34的相關(guān)內(nèi)容。比如“室外采暖計(jì)算溫度低于-10℃地區(qū)露天敷設(shè)的熱水管道設(shè)備附件均不得采用灰鑄鐵制品；室外采暖計(jì)算溫度低于-30℃地區(qū)露天敷設(shè)的熱水管道，應(yīng)采用鋼制閥門及附件，蒸汽管道在任何條件下均應(yīng)采用鋼制閥門及附件?！?/p>

在講授“不銹鋼”的章節(jié)內(nèi)容時(shí)，介紹高純氣體管道選材的有關(guān)規(guī)定，比如：“氣體純度大于或等于99.999%，露點(diǎn)低于-70℃，應(yīng)采用內(nèi)壁電拋光低碳不銹鋼管EP。閥門應(yīng)選用同等級(jí)的隔膜閥或波紋管閥。”“氣體純度大于99.99%、小于99.999%，露點(diǎn)低于-60℃，應(yīng)采用BA管或EP管。閥門宜采用波紋管閥?！边€可以介紹醫(yī)用氣體管道選材的有關(guān)規(guī)定，“醫(yī)用氣體的管材均應(yīng)采用無縫銅管或無縫不銹鋼管。其中無縫不銹鋼管的材質(zhì)性能不應(yīng)低于0Cr18Ni9奧氏體?！薄搬t(yī)用氣體閥門應(yīng)使用銅或不銹鋼材質(zhì)的等徑閥門?！薄盁o縫不銹鋼管、管材和醫(yī)用氣體低壓軟管潔凈度應(yīng)達(dá)到內(nèi)表面碳的殘留量不超過20mg/m2?！?/p>

“金屬材料學(xué)”與“金屬工藝學(xué)”密不可分。一般地，熱能動(dòng)力工程專業(yè)沒有設(shè)置“金屬工藝學(xué)”課程，那么需要補(bǔ)充一些“金屬工藝學(xué)”課程相關(guān)的知識(shí)，比如什么叫拉制管和擠制管，管材、線材、棒料等金屬形式等。還比如：純銅及黃銅管材按照制造方法分拉制管、擠制管，純銅管常用材料：T2、T3、T4、TUP，黃銅管常用材料：H62、H68、HPbs9-1。比如：無縫鋼管、電焊鋼管，常用的直縫電焊鋼管：一般用Q215、Q235、Q255普通碳素鋼和08、10、15、20優(yōu)質(zhì)碳素鋼制造，通常用于工作壓力不超過1.6 MPa，介質(zhì)最高溫度不超過200℃凝結(jié)水管道中。

在講授“軸承合金”內(nèi)容時(shí)，聯(lián)系相關(guān)汽輪機(jī)運(yùn)行常見故障，比如：若汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向推力過大或供油中斷，有可能造成推力軸承巴氏和金熔化，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大軸向位移，造成汽輪機(jī)的嚴(yán)重事故。比如，講到“錫基軸承合金”時(shí)，錫基軸承合金含錫量為83%，錫材料比較軟，適合于做軸承合金的材料，同時(shí)介紹云南個(gè)舊是中國(guó)最大錫礦產(chǎn)地等。

在講授“汽輪機(jī)用鋼”內(nèi)容時(shí)，提高汽輪機(jī)單機(jī)最大功率的措施之一是采用高強(qiáng)度、低密度的材料，比如，鈦基合金的密度只有不銹鋼的57%，超硬鉛合金材料LC4，其密度僅為一般不銹鋼材料的35%，而其屈服強(qiáng)度σ0.2=550MPa，使用這些材料均可使汽輪機(jī)末級(jí)葉片高度增加，從而增大極限功率。

在講授“有色金屬及其合金”內(nèi)容時(shí)，銅合金可以作為閥門使用，但是輸送氫氣的管道選用不帶銅和銅合金閥門，防止堿對(duì)管道的腐蝕。由于電阻率低的特點(diǎn)，銅及銅合金作為導(dǎo)體使用。管壁導(dǎo)熱率λ[w/m℃]，鋼管λ=45-50 w/m℃，黃銅管λ=81-116w/m℃，鋁λ=236 w/m℃，純銅λ=349-465w/m℃。一般采用銅管作為導(dǎo)熱管，采用鋁材作為翅片。

在講解電廠金屬材料后，教師有時(shí)間情況下，可以介紹電廠非金屬材料，比如，避免金屬管道的腐蝕和磨損，可以采用陶瓷材料。擴(kuò)大熱能動(dòng)力學(xué)生知識(shí)面，以適應(yīng)將來工作需要。

三、授課的幾點(diǎn)體會(huì)

根據(jù)培養(yǎng)方案的要求，“電廠金屬材料學(xué)”教學(xué)課時(shí)已經(jīng)縮短到32學(xué)時(shí)，在這么短的時(shí)間內(nèi)，學(xué)生不可能成為金屬材料學(xué)方面專家，也不可能辦到。那么，學(xué)習(xí)這門課程的最終目的就是，要求熱能動(dòng)力的學(xué)生達(dá)到自己學(xué)會(huì)“查工程師手冊(cè)”，教會(huì)學(xué)生使用選擇需要的金屬材料的牌號(hào)的方法。受人之魚不如受之以漁，適應(yīng)將來的工作需要。

選用金屬材料總原則，在滿足工程實(shí)際使用要求的前提下，盡可能選擇價(jià)格低的金屬材料，盡可能選擇常用的金屬材料，性價(jià)比高的金屬材料，哪些材料是常用的金屬材料，便于采購(gòu)的金屬材料。比如火力發(fā)電廠冷卻水水質(zhì)是選擇表面式雙流程凝汽器管材的主要依據(jù)，可以供選用的管材主要有：普通黃銅管、錫黃銅管、白銅管、鈦管、不銹鋼管等。鈦管雖然對(duì)氯化物、硫化物和氨具有較好的耐腐蝕性，抗沖擊腐蝕的性能也較強(qiáng)，可以在受污染的海水中使用，但價(jià)格較貴。不銹鋼管耐腐蝕性，抗沖擊腐蝕的性能優(yōu)于黃銅管，但價(jià)格較高，隨著需求和產(chǎn)量的提高，價(jià)格可以降下來。由于表面式雙流程凝汽器用量非常大，數(shù)量達(dá)到Ф18內(nèi)徑4500根，考慮滿足使用要求的前提下，盡量選用價(jià)格較低，使用較廣的金屬材料，表面式雙流程凝汽器選擇4500根黃銅管。授課過程中，如何選用金屬材料的牌號(hào)總原則這條主線，理論和實(shí)際相結(jié)合，理論應(yīng)用到實(shí)踐中去，貫穿課程的始終。

按照金屬材料的使用范圍和用途，確定鋼件的類型和牌號(hào)，與選取傳感器型號(hào)類似[3]。要求學(xué)會(huì)金屬材料應(yīng)用就可以，金屬材料牌號(hào)多。根據(jù)工程上的需要選擇金屬材料和金屬材料熱處理方法。

近年來，我國(guó)新建、改建、擴(kuò)建機(jī)組向大機(jī)組、大容量方向發(fā)展，這些機(jī)組均是超臨界、超超臨界的高參數(shù)。大量新技術(shù)、新材料、新工藝被廣泛應(yīng)用，由于我國(guó)的冶煉技術(shù)和工藝制造技術(shù)還比較落后，需要引進(jìn)大量國(guó)外材料和工藝技術(shù)。教師在講授“合金鋼的分類”內(nèi)容時(shí)，講解我國(guó)合金鋼的分類方法以外，還介紹國(guó)外的合金鋼的牌號(hào)，比如美國(guó)、日本、德國(guó)、俄羅斯、法國(guó)常用的合金鋼的牌號(hào)，與我國(guó)合金鋼相應(yīng)鋼號(hào)對(duì)比。

隨著全球科技的迅猛的發(fā)展，授課的內(nèi)容也要與時(shí)俱進(jìn)，如果還沿襲教材的內(nèi)容按部就班的授課，那就落后與時(shí)代的發(fā)展了。在各個(gè)章節(jié)中盡量多地介紹前沿性研究方向，開闊學(xué)生眼界、拓展思路。比如向?qū)W生們介紹“金屬學(xué)報(bào)”、“新金屬材料”等雜志，國(guó)內(nèi)外的前沿技術(shù)，新技術(shù)、新工藝等。

四、結(jié)語(yǔ)

在“電廠金屬材料學(xué)”課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中，特別是在教學(xué)方法上研究從單純傳授知識(shí)型轉(zhuǎn)向以培養(yǎng)學(xué)生的能力為重點(diǎn)的方法，教學(xué)效果明顯改善，達(dá)到全面提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋琳生.電廠金屬材料[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[2]葉濤.熱力發(fā)電廠[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[3]趙雪峰.“熱工測(cè)量技術(shù)”課程教學(xué)研究探討[J].中國(guó)電力教育，2011，（2）.

（責(zé)任編輯：劉麗娜）