基于創(chuàng)新思維及可遷移能力培養(yǎng)的案例教學(xué)設(shè)計一則

陳永利 周雪嬌 夏文堂 尹建國 袁曉麗

（重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院 重慶 401331）

《輕金屬冶金學(xué)》是工科高等學(xué)校冶金工程專業(yè)有色金屬冶金方向的一門核心課程，在培養(yǎng)學(xué)生溝通交流能力、設(shè)計開發(fā)能力和輕金屬冶金實踐能力等方面占有重要的地位。課程涉及概念、理論、工藝、設(shè)備等諸多內(nèi)容，工程實踐性很強[1]。案例教學(xué)可從工程實際出發(fā)，圍繞某一具體問題展開，有助于學(xué)生積極參與課堂，大家共同討論、分析并解決問題[2-5]。該法可以提高學(xué)生參與度，讓課堂更活躍，并有效激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)可遷移能力。

鋁電解是輕金屬冶金學(xué)的重要內(nèi)容之一，其節(jié)能技術(shù)更是受到了眾多鋁冶煉研究者的青睞，得到了突飛猛進的發(fā)展。近四十年來，鋁電解噸鋁直流電耗從高于15000度突破到14000度，如今更是達到13000度以下，部分系列已接近12000度，使我國電解鋁節(jié)能技術(shù)走在了世界前列[6-10]。筆者將部分國內(nèi)研究成果歸納匯總，引入課堂，設(shè)計了一則包括知識講授、問題引導(dǎo)、效果評價、拓展遷移在內(nèi)的完整案例。案例從生產(chǎn)實踐出發(fā)，提出問題、分析問題、解決問題，并在探討中拓展學(xué)生思維，培養(yǎng)可遷移能力。教學(xué)取得了良好的效果，學(xué)生參與度極高，可有效達成課程教學(xué)目標(biāo)。

1 案例來源

通常，本校《輕金屬冶金學(xué)》課程、特別是鋁電解內(nèi)容基本都在冶金工程專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)后行課。在重慶天泰鋁業(yè)有限公司進行生產(chǎn)實習(xí)時，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)他們所使用的陽極，有的穿孔[11-13]，有的開槽[14,15]，而早幾年實習(xí)時還能在其二期新建電解槽的陰極炭塊上看到一條條突起的凸梁（高度約10-15cm），即異型陰極[4]，如圖1、2所示，看起來與眾不同。

同學(xué)們看到后，覺得很新奇，有的同學(xué)就會找?guī)ш牻處熁蛘吖S的技術(shù)員、一線工人等交流探討，了解這些鋁電解節(jié)能的新技術(shù)。筆者覺得這是《輕金屬冶金學(xué)》課程不錯的資源，便有意將其匯總，作為教學(xué)案例，納入課堂。實施時，先展示相關(guān)圖片、視頻等，學(xué)生實習(xí)時見過，很容易激起興趣，引發(fā)思考。案例討論前，學(xué)生需要先了解相關(guān)基礎(chǔ)知識。

圖 1：異型陽極：（a）穿孔陽極；（b）開槽陽極；（c）穿孔陽極在天泰鋁業(yè)的應(yīng)用

圖2：異型陰極在天泰鋁業(yè)二期工程中的應(yīng)用

2 鋁電解節(jié)能與槽電壓

生產(chǎn)1 t金屬鋁的實際電能消耗為：

式中V平──電解槽的平均電壓，V──電流效率，%。

從式（1）可以看出，鋁電解的電能消耗理論上只取決于電流效率和電解槽的平均電壓。現(xiàn)代大型槽電流效率基本都在91%以上，降低0.1V，可降低電耗320kW.h/t-Al左右。而現(xiàn)代電解槽電能效率往往不足50%。因此，從降低槽電壓上來降低能耗具有較大的潛力。

鋁電解槽平均電壓V平由以下各部分組成[5]：

式中：VE是陰陽極之間電解質(zhì)層電阻產(chǎn)生的電壓降，在電解質(zhì)成分及溫度穩(wěn)定后，其值主要取決于陰陽極距；Vp是氧化鋁理論分解電壓和陰極、陽極極化（鈍化）電壓降之和，與陰陽極之間的氣泡層有較大關(guān)系；Vc與Va分別是鋁電解槽陰、陽極電壓降，電解槽設(shè)計定型后基本為定值；Vb在電解槽設(shè)計時一次定型，基本恒定；Ve為陽極效應(yīng)分攤電壓降，目前為0.01V左右，想要進一步降低難度較大。因此，降低Vp與VE就成為了降低電解槽平均電壓的重要途徑，而這兩項均與極距關(guān)系密切。

根據(jù)田應(yīng)甫提出的陰陽極極距模型[13]，如圖3所示，可將極距分為a、b、c三層。其中，a層為鋁液表面波動層，普通平底電解槽，其值約15mm；b層為陽極底部氣泡與電解質(zhì)的混合層，對陽極寬度660 mm的普通陽極，其值約20mm；c層是為了防止陽極氣泡與鋁液波峰接觸的隔層，以保證較高的電流效率，通常約10 mm。對普通電解槽，往往通過降低c層高度來減小槽電壓，但操作空間有限。因此，如何降低a層和b層成為研究熱點。

圖3：極距構(gòu)成模型圖[13]

3 案例教學(xué)互動實施過程

將鋁電解節(jié)能與槽電壓相關(guān)知識講授完后，再回到重慶天泰鋁業(yè)有限公司的異型陽極和異型陰極案例，讓學(xué)生以小組形式分別交流討論，然后進行分組匯報，教師及時地進行點評和補充。

首先談?wù)勯_槽陽極案例。開槽陽極是將陽極底部順長度方向開10 mm左右寬，300～400 mm深的兩條溝，溝與溝之間相距300mm左右，也可橫向再開2～3條溝。目前在重慶天泰鋁業(yè)有限公司，開槽陽極依舊廣泛使用。學(xué)生實習(xí)時可以在陽極組裝車間見到這種異型陽極，部分同學(xué)可能還與老師、技術(shù)員、一線工人等交流討論過，所以對這種陽極比較了解。匯報時，學(xué)生基本都能總結(jié)到這種技術(shù)與氣泡排除有關(guān)。開槽可以起到導(dǎo)流作用，提高電解質(zhì)區(qū)域的擾動，強化陽極底部氣泡的快速排出，從而達到降低b層的目的。減少氣泡、降低極距，這些都有利于槽電壓的降低，繼而達到節(jié)能的效果。在討論過程中，教師及時給出評價，并進行補充。實踐證明，開槽陽極可使氣泡層厚度降低1～2 mm，槽電壓降低30～50 mV，直流電耗節(jié)約100～150 kW·h/t-Al。當(dāng)然，這項技術(shù)也存在一定的缺點，如電解質(zhì)中炭渣增多、陽極更換周期縮短、陽極底掌易于長包等[15][16]。

其次，是穿孔陽極案例。穿孔陽極是由重慶天泰鋁業(yè)有限公司牽頭，與中南大學(xué)、重慶科技學(xué)院等聯(lián)合開發(fā)的鋁電解節(jié)能降耗技術(shù)。穿孔陽極即是在陽極炭碗兩邊沿長度方向垂直穿兩排孔。對于660mm寬的四爪陽極每排穿5個孔，共穿10個孔，孔離陽極邊沿約180mm，孔的直徑為15～20mm，孔距均等。有了開槽陽極的案例分析，很多同學(xué)也能較自然地聯(lián)想到穿孔陽極與氣體排除有關(guān)，它同樣可以降低b層厚度，降低槽電壓，達到節(jié)能效果。及時點評與補充依舊是必不可少的。穿孔陽極底部任何一點產(chǎn)生的氣體，移動到陽極底部排出點需要的位移均在200 mm以內(nèi)，可以降低氣泡溢出所需要克服的液體電解質(zhì)阻力，氣泡能及時排出，可使氣泡層厚度減薄4～5mm，槽電壓降低150～200mV，直流電耗節(jié)約500～600kW·h/t-Al。在案例分析時，鼓勵學(xué)生探討新技術(shù)存在的缺點。比如采用穿孔陽極后，電解鋁產(chǎn)量降低、陽極效應(yīng)增加、陽極使用壽命縮短等，也希望以此激勵學(xué)生勇于創(chuàng)新、不斷完善。

最后，讓學(xué)生總結(jié)這兩種陽極的共同點，思考還能設(shè)計哪些異型陽極來降低槽電壓等。同學(xué)們都很積極，給出了很多建議，如窄陽極、長條形陽極、凸臺陽極等，還都給出了各自的理由。雖然聽起來有些天馬行空，但無疑案例教學(xué)的效果是不錯的，這有助于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)可遷移能力。整個案例實施過程可如圖4所示。

圖4：案例實施過程

課后，布置思考題，讓大家查閱資料，了解異型陰極以及陰-陽極集成技術(shù)等這些企業(yè)實際應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)，讓同學(xué)們思考這些技術(shù)的創(chuàng)新思路、節(jié)能降耗原理及其優(yōu)缺點，培養(yǎng)學(xué)生針對特定需求設(shè)計開發(fā)工藝或設(shè)備的能力，可有效強化課程目標(biāo)達成。

4 結(jié)語

對工科課程而言，案例教學(xué)是一種非常不錯的手段。本文針對《輕金屬冶金學(xué)》鋁電解節(jié)能內(nèi)容，與學(xué)生共同探討了開槽陽極、穿孔陽極等節(jié)能降耗新技術(shù)，并進行了知識拓展。這有助于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)可遷移能力，案例教學(xué)取得了良好的效果。