电弧等离子体干法除鳞的开放实验设计

汤中亮 张晓波 李兵 高超 李强

【摘   要】   材料类专业开放实验可以将实践操作与所学的理论知识联系，强调学生的主导作用，充分调动他们的学习积极性。电弧等离子体干法除鳞的开放实验，通过改变实验参数研究电弧除鳞速率的变化;通过SEM、XRD对除鳞前后样品表面形貌及物相的表征，对电弧除鳞的效果进行评价。设计实验以及对结果的分析培养了学生的科学思维和独立思考的能力。在具体的实验操作中，学生的动手能力也得到充分的锻炼。

【关键词】   材料类专业;开放实验;电弧;除鳞

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

〔中图分类号〕  G642.0    〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2021）01- 0046 - 04

0     引言

材料科学作为一门实践性较强的学科，实验教学是该课程教学工作的重要组成部分。在实验过程中通常教师处于主导地位，完成既定的内容，对学生独立开展科学研究的能力以及创新思维的培养不足[1]。开放实验可以充分利用开放实验室的条件，在教师的启发和引导下，发挥学生的主导作用，使学生主动查阅文献资料，自行设计实验，独立操作实验仪器，从而获得科学的实验结果并能给出对结果的客观评价，最后逻辑清晰地总结成实验报告或者科技论文[2-3]。在此过程中，可以极大地调动学生的积极性，使学生的科学思维、创新意识与实践能力都得到提高[4-5]。

在冶金工业中，把钢铁表面氧化层除去的工艺称为除鳞，是决定钢材品质的关键技术之一，但是会产生大量的污染。近年来兴起的电弧等离子体干法环保除鳞正是解决除鳞过程中污染问题的新方法。本文基于实验室已有的电弧等离子体平台，设计电弧等离子体干法除鳞的开放实验。

1     实验内容与目的

本开放实验的主要内容和实验目的如图1所示，围绕培养学生的思维和能力来設计。

1.1   研究背景调研

传统除鳞的方法有化学除鳞和机械除鳞，但是会带来严重的环境污染如水污染、噪声污染等[6]。电弧除鳞是利用阴极弧斑极高的电流密度，使弧斑下方材料被迅速加热到远高于沸点的温度，从而除去氧化层[7]。除鳞过程在密闭的空间中进行，没有噪声污染以及水污染，被除去的氧化物还可以回收再利用。通过调研、阅读相关文献，一方面让学生会切身体会和了解传统工业除鳞的现状及缺点;另一方面，加深学生对电弧除鳞原理和优点的理解，并了解国内外发展现状。通过在知网、Web of Science等数据库查阅文献，提高学生文献检索的能力，从而检索到自己想要的文献;大量文献的泛读和精读，可以提高文献阅读的技巧和能力。在对背景调研的过程中，增强学生的环保意识，激发学生解决实际问题的兴趣;开拓学生的视野，了解新兴技术在解决传统工业遇到的环保问题中起到的积极作用，培养创新思维。

1.2   实验方案设计

在对电弧除鳞原理有一定理解的基础上，结合本开放实验室电弧除鳞设备的实际情况和特点，提出实验方案，并对方案的可行性进行分析。电弧除鳞在实际工业应用中关注的重点是除鳞的效果以及影响除鳞速率的因素。本开放实验室的电弧除鳞平台可改变的实验参数包括：电弧电流、除鳞的工作气体、电极的间距以及放电气压等。这些因素均可以改变除鳞的速率，所以需要系统性地考虑如何设计参数的改变。例如，学生可以采用控制变量法，根据自己的情况在保持其它条件不变的情况下，改变其中某一变量，研究除鳞效果以及除鳞速率随该变量的变化。通过实验方案的设计，培养学生严谨的科学思维以及创新思维。

1.3   电弧除鳞实验

学生之前接触过一些大学物理实验以及材料类实验，有了一定的实验操作基础。但是，对于这样较复杂的实验设备仍然缺乏操作经验，尤其是本实验涉及到水、电、气的操作。因此，在刚进入实验室时，教师首先应全面地让学生了解设备的安全操作规程。教师先进行实验演示，学生观摩;后由学生自己操作，教师在旁指导。确认学生熟练掌握了设备的操作要领后，可以让學生独立操作以及解决问题。充分地训练了学生的动手能力，培养解决问题的能力。

1.4   实验结果评价

实验结果评价包括除鳞效果以及除鳞的速率。除鳞效果主要是除鳞后样品表面的氧化层被除去的程度，以及样品表面的粗糙度。可以利用扫描电子显微镜（SEM）观察样品表面的形貌;采用X射线衍射（XRD）表征表面氧化层是否完全被除去;用粗糙度仪去测量样品表面的粗糙度。在特定氧化层厚度的前提下，除鳞速率用单位时间内除去的氧化层面积表示。在教师的指导下，熟悉材料表征所使用的仪器;熟练使用例如Jade或HighScore等XRD的分析软件。鼓励学生以实际应用为导向，用工业应用的标准去考察和评价实验的结果。

1.5   实验报告撰写

学生对实验的现象以及得到的数据进行归纳、总结，并撰写电弧除鳞实验报告，教师给予指导。引导学生凝炼出影响除鳞结果的关键科学问题，并给出物理解释。学会使用科技术语去表达，并熟悉科技报告的写作规范。如果实验结果具有一定的创新性，可以鼓励学生写成科技论文，进一步地培养学生的科技论文写作能力。

2     实验介绍及结果分析

2.1   实验装置及实验步骤

本电弧除鳞开放实验设备主要由真空系统和电源系统组成。真空系统包括：玻璃真空室、可升降的阳极、阴极样品台以及真空泵;阳极和阴极都包含水冷。电源系统包括：8000 V的高压脉冲引弧电源，400 V的电弧维持电源。样品大小为30.0 × 30.0 × 3.0 mm3的低碳钢，放在阴极样品台上，放电时充当阴极。实验装置如图2所示。

主要实验步骤：

（1） 打开真空室，放入样品;关闭真空室。

（2） 真空室气压抽到5 Pa以下再充入工作气体至300 Pa。

（3） 打开阳极和阴极的水冷。

（4） 打开直流电源设定好限流、限压值;打开高压脉冲引弧电源，开始电弧除鳞实验。

（5） 实验结束后，关闭电源系统、真空泵以及冷却水。

2.2   除鳞效果评价

图3（a）、（b）分别为除鳞前后样品表面照片，除鳞前样品表面覆盖一层黑色的氧化层，而除鳞后表面氧化层已经被除去，露出金属基底。图3（c）、（d）分别为除鳞前后样品表面SEM照片，从中可以看出，除鳞前样品表面覆盖的氧化层厚度约为10 mm，除鳞后表面不再有氧化层，而是除鳞过程中形成的熔化后再凝固的弧坑。图3（e）、（f）分别为除鳞前后样品表面XRD图谱，除鳞前样品表面的材料主要为Fe3O4氧化层，而除鳞后样品表面Fe3O4峰消失，只有α-Fe的峰出现。通过SEM以及XRD的表征可以说明，电弧除鳞的效果理想，达到了工业应用的除鳞标准。

2.3   除鳞速率

以除鳞速率随电弧电流的变化来说明实验参数对电弧除鳞速率的影响。图4说明了电弧除鳞的速率随电弧电流的增大几乎成正比例增加。其背后的物理机制要求学生进一步自主调研文献得出结论，教师仅给予引导。本开放实验的可调节参数较多，除鳞速率随电流变化仅是其中之一。其他参数对除鳞速率的影响，学生可以再去自主探究，培养学生独立思考的能力以及勇于实践的精神。

3     结语

本文设计的实验将课堂所学的关于电弧等离子体以及相关材料的理论知识通过查阅文献进一步提升。在实验过程中，发现问题、分析并解决问题，使理论联系实际，培养学生的科学思维及解决问题的能力。本开放实验需要进行样品前处理，水、电、气路调节，除鳞前后样品的表征，从而使学生的动手能力得到充分锻炼。学生还可以基于本开放实验平台，提出自己的实验设想，体现了实验的开放性。例如，开展优化除鳞能效，有效防止钢铁材料除鳞后表面的二次氧化，实现动态除鳞、细长钢丝表面除鳞等研究，从而提高学生的创新意识。

[参考文献]

[1] 刘忠华，李小刚，王郑库，等. 开放性实验在培养学生科技创新能力过程中作用的探讨[J]. 当代教育实践与教学研究， 2016（6）：191-192.

[2] 劳媚媚，徐军，陈如麒. 开放实验室条件下的大学物理实验教学改革新探[J]. 实验室研究与探索， 2010（8）：235-237.

[3] 李海斌，石林爽，刘义，等. 工业纯钛TA2表面化学热处理开放性实验设计[J]. 赤峰学院学报（自然版）， 2018，34（4）：58-60.

[4] 刘义，陈佳佳，李兵，等. 材料类专业开放实验设计——光催化材料的制备及表征[J]. 廊坊师范学院学报（自然科学版）， 2019（4）：52-56.

[5] 王金发，戚康标，何炎明，等. 开放式实验教学的创新性及实践效果[J]. 高等理科教育， 2003（6）：51-54.

[6] 杨赛丹，吴瑞珉，金成国，等. 真空电弧放电技术应用于钢材除鳞的方法[J]. 世界钢铁，2009（6）：63-67.

[7] 汤中亮. 低气压直流弧斑等离子体除鳞及其放电特性研究[D].合肥：中国科学技术大学， 2014.