“电厂金属材料学”课程教学研究与探索

赵雪峰?孙石

摘要：根据“电厂金属材料”课程的特点，结合该课程的教学实践，对该课程的教学难点进行分析，有针对性地提出教学方法和建议。通过该课程教学，提高学生专业素养和技能，加深对本专业知识的系统认识。

关键词：电厂金属材料学；教学研究；教学实践

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0129-02

“电厂金属材料学”与火力发电厂生产实际紧密结合的专业课程，是热能与动力工程专业的一门必修专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握金属材料学的基础理论和锅炉、汽轮机以及相关辅机，比如泵、风机、加热器、除氧器、凝汽器等设备常用的金属材料及热处理方法等方面的知识；掌握解决工程实际问题的技能；为学生从事电力行业相关的设计、安装、检修工作奠定基础[1]。

根据我国“十五”规划教材对工程类应用型本科院校教材的要求，该课程针对热能与动力工程专业学生的教学课时已经缩短到32学时。鉴于本课程授课内容多、学时少、学生学习难度大、综合性强的特点，本文分析该课程的教学难点，希望对提高该课程的授课效果有所裨益。

一、教学体系构建与难点分析

首先精选教学内容，这就要求授课教师结合教学大纲要求，一方面照顾知识面的广度，另一方面要注重基本概念和基本原理的深度。该课程内容以大容量、高参数机组，主要以600MW及以上的火力发电厂主力机组主要设备的金属材料为主，兼顾300MW的火力发电厂主力机组主要设备的金属材料。授课时尽可能反映国内外电厂金属材料的先进的科学技术、新成果。

该课程涉及以前所学的各门专业课程较多，如“工程制图”、“机械设计基础”、“工程力学”、“工程热力学”、“金属工艺学”等。在讲授时帮助学生复习和回忆已学专业知识，比如“碳钢拉伸试验”这部分内容时，与“工程力学”课程内容基本相同，不必再次讲授，可以减少相关课时。在讲授“金属的晶体结构与结晶” 内容时，有的部分内容在高中曾经学习过，也不必再次讲授，可以减少相关课时。还比如教师在讲解“模具钢、切屑用钢”的教学内容时，由于热能动力专业的学生将来不可能从事金属切削加工、模具制造方面的工作，教师可以酌情相应缩减教学时间。

二、知识点的联系与巩固

对于热能动力专业学生学习“金属材料学”来讲，既不是材料专业学生学习“金属材料学”，也不是机械专业学生学习“金属材料学”，那么，摸索出一套培养适合热能动力专业学生学习“金属材料学”的方法，那就更为重要的。对于热能动力专业学生学习“金属材料学”来讲，不能过于专业学习金属材料理论，热能动力专业学生更多关注热力系统的热力计算，對于热力系统管道的金属材料的选定不熟悉。针对这种情况，在学习“金属材料学”时，哪些内容，热能动力专业学生可以作为一般了解，哪些内容，热能动力专业学生作为重点掌握，必须给学生明确交代。

“电厂金属材料”课程并不难学，没有多少计算题，计算题也没有积分和求导。“电厂金属材料”课程只有一个定律，即杠杆定律。但是“电厂金属材料”课程理论性强，规定条文多，需要记忆的概念多，有时一个概念套着另一个概念。相当于英语语法中的一个从句套着另一个从句。比如奥氏体的定义：碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体，称为奥氏体。什么是固溶体，什么是间隙固溶体，什么是γ-Fe，在多少度形成γ-Fe，各个知识点串联起来，从而达到融会贯通，使学生加深理解和记忆。

教师在讲授“电厂金属材料学”开始时，为了提高学生的学习兴趣和爱好，搜集一些古代铸造金属的精美照片，比如司母戊鼎、四羊方尊、马踏飞燕、长信宫灯等国家级青铜器出土文物，从一方面反映，我国的冶炼技术历史久远，冶炼技术水平精湛，从另一个方面反映我国悠久历史和灿烂的文化。

为了提高学生的学习兴趣和爱好，教师可以提出与金属相关的中国成语，学生加以补充。比如：金戈铁马、枕戈待旦、刀枪入库，马放南山、趁热打铁、点石成金、打铁还需自身硬、百炼成钢、铁打的营盘流水的兵，浪子回头金不换等成语。

为了提高学生的学习兴趣和爱好，教师可以向学生提出一些问题，比如：我们在日常生活和学习中，哪些用到铸铁材料、哪些材料是碳钢制造的。

“电厂金属材料学”课程有头重脚轻的感觉。比如“铁碳合金相图”内容非常重要，是金属材料学的重要基础理论，由于理论理解难度大，学生学习感觉有些吃力，教师需要增加课时。本课程围绕“铁碳合金相图”进行，所以要求学生必须掌握铁碳合金相图，必须徒手绘画，掌握各点、线和相区的物理意义。

教师讲解“电厂金属材料学”课程时，为了达到学生容易理解的目的，多媒体要配以火电厂锅炉本体及辅机、汽轮机本体及辅机、泵与风机等图片，便于学生理解和掌握[2]。如图1华能上海石洞口第二电厂的超临界压力600MW汽轮机组图片，图2超临界压力600MW汽轮机叶轮图片，图3超临界压力600MW锅炉屏式过热器图片。学生在学习过程中为“锅炉原理”、“汽轮机原理”奠定基础。

教师在讲授“铸铁”内容时，介绍制作阀门的材料不仅有钢制阀件、还有灰口铸铁阀件、可锻铸铁阀件、球墨铸铁阀件、铜合金等阀件。“铸铁锅炉”，额定出口热水温度低于120℃，且额定出水压力不超过0.7MPa，锅炉可以用不低于HT150灰口铸铁制造。“铸铁式省煤器”用于非沸腾式锅炉，适合中小型锅炉。

还可以介绍“城镇供热管网设计规范”CJJ34的相关内容。比如“室外采暖计算温度低于-10℃地区露天敷设的热水管道设备附件均不得采用灰铸铁制品；室外采暖计算温度低于-30℃地区露天敷设的热水管道，应采用钢制阀门及附件，蒸汽管道在任何条件下均应采用钢制阀门及附件。”

在讲授“不锈钢”的章节内容时，介绍高纯气体管道选材的有关规定，比如：“气体纯度大于或等于99.999%，露点低于-70℃，应采用内壁电抛光低碳不锈钢管EP。阀门应选用同等级的隔膜阀或波纹管阀。”“气体纯度大于99.99%、小于99.999%，露点低于-60℃，应采用BA管或EP管。阀门宜采用波纹管阀。”还可以介绍医用气体管道选材的有关规定，“医用气体的管材均应采用无缝铜管或无缝不锈钢管。其中无缝不锈钢管的材质性能不应低于0Cr18Ni9奥氏体。”“医用气体阀门应使用铜或不锈钢材质的等径阀门。”“无缝不锈钢管、管材和医用气体低压软管洁净度应达到内表面碳的残留量不超过20mg/m2。”

“金属材料学”与“金属工艺学”密不可分。一般地，热能动力工程专业没有设置“金属工艺学”课程，那么需要补充一些“金属工艺学”课程相关的知识，比如什么叫拉制管和挤制管，管材、线材、棒料等金属形式等。还比如：纯铜及黄铜管材按照制造方法分拉制管、挤制管，纯铜管常用材料：T2、T3、T4、TUP，黄铜管常用材料：H62、H68、HPbs9-1。比如：无缝钢管、电焊钢管，常用的直缝电焊钢管：一般用Q215、Q235、Q255普通碳素钢和08、10、15、20优质碳素钢制造，通常用于工作压力不超过1.6 MPa，介质最高温度不超过200℃凝结水管道中。

在讲授“轴承合金”内容时，联系相关汽轮机运行常见故障，比如：若汽轮机转子轴向推力过大或供油中断，有可能造成推力轴承巴氏和金熔化，使转子产生较大轴向位移，造成汽轮机的严重事故。比如，讲到“锡基轴承合金”时，锡基轴承合金含锡量为83%，锡材料比较软，适合于做轴承合金的材料，同时介绍云南个旧是中国最大锡矿产地等。

在讲授“汽轮机用钢”内容时，提高汽轮机单机最大功率的措施之一是采用高强度、低密度的材料，比如，钛基合金的密度只有不锈钢的57%，超硬铅合金材料LC4，其密度仅为一般不锈钢材料的35%，而其屈服强度σ0.2=550MPa，使用这些材料均可使汽轮机末级叶片高度增加，从而增大极限功率。

在讲授“有色金属及其合金”内容时，铜合金可以作为阀门使用，但是输送氢气的管道选用不带铜和铜合金阀门，防止碱对管道的腐蚀。由于电阻率低的特点，铜及铜合金作为导体使用。管壁导热率λ[w/m℃]，钢管λ=45-50 w/m℃，黄铜管λ=81-116w/m℃，铝λ=236 w/m℃，纯铜λ=349-465w/m℃。一般采用铜管作为导热管，采用铝材作为翅片。

在讲解电厂金属材料后，教师有时间情况下，可以介绍电厂非金属材料，比如，避免金属管道的腐蚀和磨损，可以采用陶瓷材料。扩大热能动力学生知识面，以适应将来工作需要。

三、授课的几点体会

根据培养方案的要求，“电厂金属材料学”教学课时已经缩短到32学时，在这么短的时间内，学生不可能成为金属材料学方面专家，也不可能办到。那么，学习这门课程的最终目的就是，要求热能动力的学生达到自己学会“查工程师手册”，教会学生使用选择需要的金属材料的牌号的方法。受人之鱼不如受之以渔，适应将来的工作需要。

选用金属材料总原则，在满足工程实际使用要求的前提下，尽可能选择价格低的金属材料，尽可能选择常用的金属材料，性价比高的金属材料，哪些材料是常用的金属材料，便于采购的金属材料。比如火力发电厂冷却水水质是选择表面式双流程凝汽器管材的主要依据，可以供选用的管材主要有：普通黄铜管、锡黄铜管、白铜管、钛管、不锈钢管等。钛管虽然对氯化物、硫化物和氨具有较好的耐腐蚀性，抗冲击腐蚀的性能也较强，可以在受污染的海水中使用，但價格较贵。不锈钢管耐腐蚀性，抗冲击腐蚀的性能优于黄铜管，但价格较高，随着需求和产量的提高，价格可以降下来。由于表面式双流程凝汽器用量非常大，数量达到Ф18内径4500根，考虑满足使用要求的前提下，尽量选用价格较低，使用较广的金属材料，表面式双流程凝汽器选择4500根黄铜管。授课过程中，如何选用金属材料的牌号总原则这条主线，理论和实际相结合，理论应用到实践中去，贯穿课程的始终。

按照金属材料的使用范围和用途，确定钢件的类型和牌号，与选取传感器型号类似[3]。要求学会金属材料应用就可以，金属材料牌号多。根据工程上的需要选择金属材料和金属材料热处理方法。

近年来，我国新建、改建、扩建机组向大机组、大容量方向发展，这些机组均是超临界、超超临界的高参数。大量新技术、新材料、新工艺被广泛应用，由于我国的冶炼技术和工艺制造技术还比较落后，需要引进大量国外材料和工艺技术。教师在讲授“合金钢的分类”内容时，讲解我国合金钢的分类方法以外，还介绍国外的合金钢的牌号，比如美国、日本、德国、俄罗斯、法国常用的合金钢的牌号，与我国合金钢相应钢号对比。

随着全球科技的迅猛的发展，授课的内容也要与时俱进，如果还沿袭教材的内容按部就班的授课，那就落后与时代的发展了。在各个章节中尽量多地介绍前沿性研究方向，开阔学生眼界、拓展思路。比如向学生们介绍“金属学报”、“新金属材料”等杂志，国内外的前沿技术，新技术、新工艺等。

四、结语

在“电厂金属材料学”课程的教学环节中，特别是在教学方法上研究从单纯传授知识型转向以培养学生的能力为重点的方法，教学效果明显改善，达到全面提高教学质量的目的。

参考文献：

[1]宋琳生.电厂金属材料[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2]叶涛.热力发电厂[M].北京：中国电力出版社，2006.

[3]赵雪峰.“热工测量技术”课程教学研究探讨[J].中国电力教育，2011，（2）.

（责任编辑：刘丽娜）