基于创新思维及可迁移能力培养的案例教学设计一则

2022-04-15陈永利周雪娇夏文堂尹建国袁晓丽

科教导刊·电子版 2022年7期

陈永利周雪娇夏文堂尹建国袁晓丽

（重庆科技学院冶金与材料工程学院重庆 401331）

《轻金属冶金学》是工科高等学校冶金工程专业有色金属冶金方向的一门核心课程，在培养学生沟通交流能力、设计开发能力和轻金属冶金实践能力等方面占有重要的地位。课程涉及概念、理论、工艺、设备等诸多内容，工程实践性很强[1]。案例教学可从工程实际出发，围绕某一具体问题展开，有助于学生积极参与课堂，大家共同讨论、分析并解决问题[2-5]。该法可以提高学生参与度，让课堂更活跃，并有效激发学生创新思维，培养可迁移能力。

铝电解是轻金属冶金学的重要内容之一，其节能技术更是受到了众多铝冶炼研究者的青睐，得到了突飞猛进的发展。近四十年来，铝电解吨铝直流电耗从高于15000度突破到14000度，如今更是达到13000度以下，部分系列已接近12000度，使我国电解铝节能技术走在了世界前列[6-10]。笔者将部分国内研究成果归纳汇总，引入课堂，设计了一则包括知识讲授、问题引导、效果评价、拓展迁移在内的完整案例。案例从生产实践出发，提出问题、分析问题、解决问题，并在探讨中拓展学生思维，培养可迁移能力。教学取得了良好的效果，学生参与度极高，可有效达成课程教学目标。

1 案例来源

通常，本校《轻金属冶金学》课程、特别是铝电解内容基本都在冶金工程专业生产实习后行课。在重庆天泰铝业有限公司进行生产实习时，同学们发现他们所使用的阳极，有的穿孔[11-13]，有的开槽[14,15]，而早几年实习时还能在其二期新建电解槽的阴极炭块上看到一条条突起的凸梁（高度约10-15cm），即异型阴极[4]，如图1、2所示，看起来与众不同。

同学们看到后，觉得很新奇，有的同学就会找带队教师或者工厂的技术员、一线工人等交流探讨，了解这些铝电解节能的新技术。笔者觉得这是《轻金属冶金学》课程不错的资源，便有意将其汇总，作为教学案例，纳入课堂。实施时，先展示相关图片、视频等，学生实习时见过，很容易激起兴趣，引发思考。案例讨论前，学生需要先了解相关基础知识。

图 1：异型阳极：（a）穿孔阳极；（b）开槽阳极；（c）穿孔阳极在天泰铝业的应用

图2：异型阴极在天泰铝业二期工程中的应用

2 铝电解节能与槽电压

生产1 t金属铝的实际电能消耗为：

式中V平──电解槽的平均电压，V──电流效率，%。

从式（1）可以看出，铝电解的电能消耗理论上只取决于电流效率和电解槽的平均电压。现代大型槽电流效率基本都在91%以上，降低0.1V，可降低电耗320kW.h/t-Al左右。而现代电解槽电能效率往往不足50%。因此，从降低槽电压上来降低能耗具有较大的潜力。

铝电解槽平均电压V平由以下各部分组成[5]：

式中：VE是阴阳极之间电解质层电阻产生的电压降，在电解质成分及温度稳定后，其值主要取决于阴阳极距；Vp是氧化铝理论分解电压和阴极、阳极极化（钝化）电压降之和，与阴阳极之间的气泡层有较大关系；Vc与Va分别是铝电解槽阴、阳极电压降，电解槽设计定型后基本为定值；Vb在电解槽设计时一次定型，基本恒定；Ve为阳极效应分摊电压降，目前为0.01V左右，想要进一步降低难度较大。因此，降低Vp与VE就成为了降低电解槽平均电压的重要途径，而这两项均与极距关系密切。

根据田应甫提出的阴阳极极距模型[13]，如图3所示，可将极距分为a、b、c三层。其中，a层为铝液表面波动层，普通平底电解槽，其值约15mm；b层为阳极底部气泡与电解质的混合层，对阳极宽度660 mm的普通阳极，其值约20mm；c层是为了防止阳极气泡与铝液波峰接触的隔层，以保证较高的电流效率，通常约10 mm。对普通电解槽，往往通过降低c层高度来减小槽电压，但操作空间有限。因此，如何降低a层和b层成为研究热点。

图3：极距构成模型图[13]

3 案例教学互动实施过程

将铝电解节能与槽电压相关知识讲授完后，再回到重庆天泰铝业有限公司的异型阳极和异型阴极案例，让学生以小组形式分别交流讨论，然后进行分组汇报，教师及时地进行点评和补充。

首先谈谈开槽阳极案例。开槽阳极是将阳极底部顺长度方向开10 mm左右宽，300～400 mm深的两条沟，沟与沟之间相距300mm左右，也可横向再开2～3条沟。目前在重庆天泰铝业有限公司，开槽阳极依旧广泛使用。学生实习时可以在阳极组装车间见到这种异型阳极，部分同学可能还与老师、技术员、一线工人等交流讨论过，所以对这种阳极比较了解。汇报时，学生基本都能总结到这种技术与气泡排除有关。开槽可以起到导流作用，提高电解质区域的扰动，强化阳极底部气泡的快速排出，从而达到降低b层的目的。减少气泡、降低极距，这些都有利于槽电压的降低，继而达到节能的效果。在讨论过程中，教师及时给出评价，并进行补充。实践证明，开槽阳极可使气泡层厚度降低1～2 mm，槽电压降低30～50 mV，直流电耗节约100～150 kW·h/t-Al。当然，这项技术也存在一定的缺点，如电解质中炭渣增多、阳极更换周期缩短、阳极底掌易于长包等[15][16]。

其次，是穿孔阳极案例。穿孔阳极是由重庆天泰铝业有限公司牵头，与中南大学、重庆科技学院等联合开发的铝电解节能降耗技术。穿孔阳极即是在阳极炭碗两边沿长度方向垂直穿两排孔。对于660mm宽的四爪阳极每排穿5个孔，共穿10个孔，孔离阳极边沿约180mm，孔的直径为15～20mm，孔距均等。有了开槽阳极的案例分析，很多同学也能较自然地联想到穿孔阳极与气体排除有关，它同样可以降低b层厚度，降低槽电压，达到节能效果。及时点评与补充依旧是必不可少的。穿孔阳极底部任何一点产生的气体，移动到阳极底部排出点需要的位移均在200 mm以内，可以降低气泡溢出所需要克服的液体电解质阻力，气泡能及时排出，可使气泡层厚度减薄4～5mm，槽电压降低150～200mV，直流电耗节约500～600kW·h/t-Al。在案例分析时，鼓励学生探讨新技术存在的缺点。比如采用穿孔阳极后，电解铝产量降低、阳极效应增加、阳极使用寿命缩短等，也希望以此激励学生勇于创新、不断完善。

最后，让学生总结这两种阳极的共同点，思考还能设计哪些异型阳极来降低槽电压等。同学们都很积极，给出了很多建议，如窄阳极、长条形阳极、凸台阳极等，还都给出了各自的理由。虽然听起来有些天马行空，但无疑案例教学的效果是不错的，这有助于激发学生创新思维，培养可迁移能力。整个案例实施过程可如图4所示。