電弧等離子體干法除鱗的開放實驗設計

湯中亮 張曉波 李兵 高超 李強

【摘? ?要】? ?材料類專業(yè)開放實驗可以將實踐操作與所學的理論知識聯(lián)系，強調學生的主導作用，充分調動他們的學習積極性。電弧等離子體干法除鱗的開放實驗，通過改變實驗參數(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行評價。設計實驗以及對結果的分析培養(yǎng)了學生的科學思維和獨立思考的能力。在具體的實驗操作中，學生的動手能力也得到充分的鍛煉。

【關鍵詞】? ?材料類專業(yè);開放實驗;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 ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）01- 0046 - 04

0? ? ?引言

材料科學作為一門實踐性較強的學科，實驗教學是該課程教學工作的重要組成部分。在實驗過程中通常教師處于主導地位，完成既定的內(nèi)容，對學生獨立開展科學研究的能力以及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)不足[1]。開放實驗可以充分利用開放實驗室的條件，在教師的啟發(fā)和引導下，發(fā)揮學生的主導作用，使學生主動查閱文獻資料，自行設計實驗，獨立操作實驗儀器，從而獲得科學的實驗結果并能給出對結果的客觀評價，最后邏輯清晰地總結成實驗報告或者科技論文[2-3]。在此過程中，可以極大地調動學生的積極性，使學生的科學思維、創(chuàng)新意識與實踐能力都得到提高[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，是決定鋼材品質的關鍵技術之一，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。本文基于實驗室已有的電弧等離子體平臺，設計電弧等離子體干法除鱗的開放實驗。

1? ? ?實驗內(nèi)容與目的

本開放實驗的主要內(nèi)容和實驗目的如圖1所示，圍繞培養(yǎng)學生的思維和能力來設計。

1.1? ?研究背景調研

傳統(tǒng)除鱗的方法有化學除鱗和機械除鱗，但是會帶來嚴重的環(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高于沸點的溫度，從而除去氧化層[7]。除鱗過程在密閉的空間中進行，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。通過調研、閱讀相關文獻，一方面讓學生會切身體會和了解傳統(tǒng)工業(yè)除鱗的現(xiàn)狀及缺點;另一方面，加深學生對電弧除鱗原理和優(yōu)點的理解，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，提高學生文獻檢索的能力，從而檢索到自己想要的文獻;大量文獻的泛讀和精讀，可以提高文獻閱讀的技巧和能力。在對背景調研的過程中，增強學生的環(huán)保意識，激發(fā)學生解決實際問題的興趣;開拓學生的視野，了解新興技術在解決傳統(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? ?實驗方案設計

在對電弧除鱗原理有一定理解的基礎上，結合本開放實驗室電弧除鱗設備的實際情況和特點，提出實驗方案，并對方案的可行性進行分析。電弧除鱗在實際工業(yè)應用中關注的重點是除鱗的效果以及影響除鱗速率的因素。本開放實驗室的電弧除鱗平臺可改變的實驗參數(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)性地考慮如何設計參數(shù)的改變。例如，學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。通過實驗方案的設計，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維以及創(chuàng)新思維。

1.3? ?電弧除鱗實驗

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

1.4? ?實驗結果評價

實驗結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?？梢岳脪呙桦娮语@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。鼓勵學生以實際應用為導向，用工業(yè)應用的標準去考察和評價實驗的結果。

1.5? ?實驗報告撰寫

學生對實驗的現(xiàn)象以及得到的數(shù)據(jù)進行歸納、總結，并撰寫電弧除鱗實驗報告，教師給予指導。引導學生凝煉出影響除鱗結果的關鍵科學問題，并給出物理解釋。學會使用科技術語去表達，并熟悉科技報告的寫作規(guī)范。如果實驗結果具有一定的創(chuàng)新性，可以鼓勵學生寫成科技論文，進一步地培養(yǎng)學生的科技論文寫作能力。

2? ? ?實驗介紹及結果分析

2.1? ?實驗裝置及實驗步驟

本電弧除鱗開放實驗設備主要由真空系統(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，放電時充當陰極。實驗裝置如圖2所示。

主要實驗步驟：

（1） 打開真空室，放入樣品;關閉真空室。

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

（5） 實驗結束后，關閉電源系統(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，達到了工業(yè)應用的除鱗標準。

2.3? ?除鱗速率

以除鱗速率隨電弧電流的變化來說明實驗參數(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。其背后的物理機制要求學生進一步自主調研文獻得出結論，教師僅給予引導。本開放實驗的可調節(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，學生可以再去自主探究，培養(yǎng)學生獨立思考的能力以及勇于實踐的精神。

3? ? ?結語

本文設計的實驗將課堂所學的關于電弧等離子體以及相關材料的理論知識通過查閱文獻進一步提升。在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)問題、分析并解決問題，使理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學生的科學思維及解決問題的能力。本開放實驗需要進行樣品前處理，水、電、氣路調節(jié)，除鱗前后樣品的表征，從而使學生的動手能力得到充分鍛煉。學生還可以基于本開放實驗平臺，提出自己的實驗設想，體現(xiàn)了實驗的開放性。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，實現(xiàn)動態(tài)除鱗、細長鋼絲表面除鱗等研究，從而提高學生的創(chuàng)新意識。

[參考文獻]

[1] 劉忠華，李小剛，王鄭庫，等. 開放性實驗在培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新能力過程中作用的探討[J]. 當代教育實踐與教學研究， 2016（6）：191-192.

[2] 勞媚媚，徐軍，陳如麒. 開放實驗室條件下的大學物理實驗教學改革新探[J]. 實驗室研究與探索， 2010（8）：235-237.

[3] 李海斌，石林爽，劉義，等. 工業(yè)純鈦TA2表面化學熱處理開放性實驗設計[J]. 赤峰學院學報（自然版）， 2018，34（4）：58-60.

[4] 劉義，陳佳佳，李兵，等. 材料類專業(yè)開放實驗設計——光催化材料的制備及表征[J]. 廊坊師范學院學報（自然科學版）， 2019（4）：52-56.

[5] 王金發(fā)，戚康標，何炎明，等. 開放式實驗教學的創(chuàng)新性及實踐效果[J]. 高等理科教育， 2003（6）：51-54.

[6] 楊賽丹，吳瑞珉，金成國，等. 真空電弧放電技術應用于鋼材除鱗的方法[J]. 世界鋼鐵，2009（6）：63-67.

[7] 湯中亮. 低氣壓直流弧斑等離子體除鱗及其放電特性研究[D].合肥：中國科學技術大學， 2014.