“電廠金屬材料學”課程教學研究與探索

趙雪峰?孫石

摘要：根據“電廠金屬材料”課程的特點，結合該課程的教學實踐，對該課程的教學難點進行分析，有針對性地提出教學方法和建議。通過該課程教學，提高學生專業素養和技能，加深對本專業知識的系統認識。

關鍵詞：電廠金屬材料學；教學研究；教學實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0129-02

“電廠金屬材料學”與火力發電廠生產實際緊密結合的專業課程，是熱能與動力工程專業的一門必修專業基礎課。通過本課程的學習，使學生掌握金屬材料學的基礎理論和鍋爐、汽輪機以及相關輔機，比如泵、風機、加熱器、除氧器、凝汽器等設備常用的金屬材料及熱處理方法等方面的知識；掌握解決工程實際問題的技能；為學生從事電力行業相關的設計、安裝、檢修工作奠定基礎[1]。

根據我國“十五”規劃教材對工程類應用型本科院校教材的要求，該課程針對熱能與動力工程專業學生的教學課時已經縮短到32學時。鑒于本課程授課內容多、學時少、學生學習難度大、綜合性強的特點，本文分析該課程的教學難點，希望對提高該課程的授課效果有所裨益。

一、教學體系構建與難點分析

首先精選教學內容，這就要求授課教師結合教學大綱要求，一方面照顧知識面的廣度，另一方面要注重基本概念和基本原理的深度。該課程內容以大容量、高參數機組，主要以600MW及以上的火力發電廠主力機組主要設備的金屬材料為主，兼顧300MW的火力發電廠主力機組主要設備的金屬材料。授課時盡可能反映國內外電廠金屬材料的先進的科學技術、新成果。

該課程涉及以前所學的各門專業課程較多，如“工程制圖”、“機械設計基礎”、“工程力學”、“工程熱力學”、“金屬工藝學”等。在講授時幫助學生復習和回憶已學專業知識，比如“碳鋼拉伸試驗”這部分內容時，與“工程力學”課程內容基本相同，不必再次講授，可以減少相關課時。在講授“金屬的晶體結構與結晶” 內容時，有的部分內容在高中曾經學習過，也不必再次講授，可以減少相關課時。還比如教師在講解“模具鋼、切屑用鋼”的教學內容時，由于熱能動力專業的學生將來不可能從事金屬切削加工、模具制造方面的工作，教師可以酌情相應縮減教學時間。

二、知識點的聯系與鞏固

對于熱能動力專業學生學習“金屬材料學”來講，既不是材料專業學生學習“金屬材料學”，也不是機械專業學生學習“金屬材料學”，那么，摸索出一套培養適合熱能動力專業學生學習“金屬材料學”的方法，那就更為重要的。對于熱能動力專業學生學習“金屬材料學”來講，不能過于專業學習金屬材料理論，熱能動力專業學生更多關注熱力系統的熱力計算，對于熱力系統管道的金屬材料的選定不熟悉。針對這種情況，在學習“金屬材料學”時，哪些內容，熱能動力專業學生可以作為一般了解，哪些內容，熱能動力專業學生作為重點掌握，必須給學生明確交代。

“電廠金屬材料”課程并不難學，沒有多少計算題，計算題也沒有積分和求導?！半姀S金屬材料”課程只有一個定律，即杠桿定律。但是“電廠金屬材料”課程理論性強，規定條文多，需要記憶的概念多，有時一個概念套著另一個概念。相當于英語語法中的一個從句套著另一個從句。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，各個知識點串聯起來，從而達到融會貫通，使學生加深理解和記憶。

教師在講授“電廠金屬材料學”開始時，為了提高學生的學習興趣和愛好，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、長信宮燈等國家級青銅器出土文物，從一方面反映，我國的冶煉技術歷史久遠，冶煉技術水平精湛，從另一個方面反映我國悠久歷史和燦爛的文化。

為了提高學生的學習興趣和愛好，教師可以提出與金屬相關的中國成語，學生加以補充。比如：金戈鐵馬、枕戈待旦、刀槍入庫，馬放南山、趁熱打鐵、點石成金、打鐵還需自身硬、百煉成鋼、鐵打的營盤流水的兵，浪子回頭金不換等成語。

為了提高學生的學習興趣和愛好，教師可以向學生提出一些問題，比如：我們在日常生活和學習中，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”課程有頭重腳輕的感覺。比如“鐵碳合金相圖”內容非常重要，是金屬材料學的重要基礎理論，由于理論理解難度大，學生學習感覺有些吃力，教師需要增加課時。本課程圍繞“鐵碳合金相圖”進行，所以要求學生必須掌握鐵碳合金相圖，必須徒手繪畫，掌握各點、線和相區的物理意義。

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

教師在講授“鑄鐵”內容時，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“城鎮供熱管網設計規范”CJJ34的相關內容。比如“室外采暖計算溫度低于-10℃地區露天敷設的熱水管道設備附件均不得采用灰鑄鐵制品；室外采暖計算溫度低于-30℃地區露天敷設的熱水管道，應采用鋼制閥門及附件，蒸汽管道在任何條件下均應采用鋼制閥門及附件?！?/p>

在講授“不銹鋼”的章節內容時，介紹高純氣體管道選材的有關規定，比如：“氣體純度大于或等于99.999%，露點低于-70℃，應采用內壁電拋光低碳不銹鋼管EP。閥門應選用同等級的隔膜閥或波紋管閥?！薄皻怏w純度大于99.99%、小于99.999%，露點低于-60℃，應采用BA管或EP管。閥門宜采用波紋管閥?！边€可以介紹醫用氣體管道選材的有關規定，“醫用氣體的管材均應采用無縫銅管或無縫不銹鋼管。其中無縫不銹鋼管的材質性能不應低于0Cr18Ni9奧氏體?！薄搬t用氣體閥門應使用銅或不銹鋼材質的等徑閥門?！薄盁o縫不銹鋼管、管材和醫用氣體低壓軟管潔凈度應達到內表面碳的殘留量不超過20mg/m2?！?/p>

“金屬材料學”與“金屬工藝學”密不可分。一般地，熱能動力工程專業沒有設置“金屬工藝學”課程，那么需要補充一些“金屬工藝學”課程相關的知識，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優質碳素鋼制造，通常用于工作壓力不超過1.6 MPa，介質最高溫度不超過200℃凝結水管道中。

在講授“軸承合金”內容時，聯系相關汽輪機運行常見故障，比如：若汽輪機轉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，使轉子產生較大軸向位移，造成汽輪機的嚴重事故。比如，講到“錫基軸承合金”時，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，同時介紹云南個舊是中國最大錫礦產地等。

在講授“汽輪機用鋼”內容時，提高汽輪機單機最大功率的措施之一是采用高強度、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%，而其屈服強度σ0.2=550MPa，使用這些材料均可使汽輪機末級葉片高度增加，從而增大極限功率。

在講授“有色金屬及其合金”內容時，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，防止堿對管道的腐蝕。由于電阻率低的特點，銅及銅合金作為導體使用。管壁導熱率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熱管，采用鋁材作為翅片。

在講解電廠金屬材料后，教師有時間情況下，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。擴大熱能動力學生知識面，以適應將來工作需要。

三、授課的幾點體會

根據培養方案的要求，“電廠金屬材料學”教學課時已經縮短到32學時，在這么短的時間內，學生不可能成為金屬材料學方面專家，也不可能辦到。那么，學習這門課程的最終目的就是，要求熱能動力的學生達到自己學會“查工程師手冊”，教會學生使用選擇需要的金屬材料的牌號的方法。受人之魚不如受之以漁，適應將來的工作需要。

選用金屬材料總原則，在滿足工程實際使用要求的前提下，盡可能選擇價格低的金屬材料，盡可能選擇常用的金屬材料，性價比高的金屬材料，哪些材料是常用的金屬材料，便于采購的金屬材料。比如火力發電廠冷卻水水質是選擇表面式雙流程凝汽器管材的主要依據，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，可以在受污染的海水中使用，但價格較貴。不銹鋼管耐腐蝕性，抗沖擊腐蝕的性能優于黃銅管，但價格較高，隨著需求和產量的提高，價格可以降下來。由于表面式雙流程凝汽器用量非常大，數量達到Ф18內徑4500根，考慮滿足使用要求的前提下，盡量選用價格較低，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總原則這條主線，理論和實際相結合，理論應用到實踐中去，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，與選取傳感器型號類似[3]。要求學會金屬材料應用就可以，金屬材料牌號多。根據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，我國新建、改建、擴建機組向大機組、大容量方向發展，這些機組均是超臨界、超超臨界的高參數。大量新技術、新材料、新工藝被廣泛應用，由于我國的冶煉技術和工藝制造技術還比較落后，需要引進大量國外材料和工藝技術。教師在講授“合金鋼的分類”內容時，講解我國合金鋼的分類方法以外，還介紹國外的合金鋼的牌號，比如美國、日本、德國、俄羅斯、法國常用的合金鋼的牌號，與我國合金鋼相應鋼號對比。

隨著全球科技的迅猛的發展，授課的內容也要與時俱進，如果還沿襲教材的內容按部就班的授課，那就落后與時代的發展了。在各個章節中盡量多地介紹前沿性研究方向，開闊學生眼界、拓展思路。比如向學生們介紹“金屬學報”、“新金屬材料”等雜志，國內外的前沿技術，新技術、新工藝等。

四、結語

在“電廠金屬材料學”課程的教學環節中，特別是在教學方法上研究從單純傳授知識型轉向以培養學生的能力為重點的方法，教學效果明顯改善，達到全面提高教學質量的目的。

參考文獻：

[1]宋琳生.電廠金屬材料[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]葉濤.熱力發電廠[M].北京：中國電力出版社，2006.

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

（責任編輯：劉麗娜）