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      雷管箍低溫退火后自燃燒結(jié)現(xiàn)象的分析

      2013-11-12 13:11:24劉淑華
      科技視界 2013年32期
      關(guān)鍵詞:燃點雷管熱量

      劉淑華

      (滄州市通用機械有限公司,河北 滄州 061000)

      1 奇怪的自燃現(xiàn)象

      當(dāng)裝滿雷管箍的料籃從75千瓦井式回火爐里吊出時,操作者發(fā)現(xiàn)籃中工件的溫度顯然高于儀表指示的600℃再結(jié)晶退火溫度。位于料籃中央的雷管箍,溫度甚至高達(dá)八百多度。操作者企圖按照慣例,等工件在籃里冷卻后再取出。但出乎意外,他們吃驚地看到,這籃已脫離熱源的工件,溫度并不隨熱量的散失而逐漸降低。相反,溫度卻越來越高。一小時后,料籃上方噴吐著火苗,像有易燃物在燃燒。兩小時后,料籃中央出現(xiàn)了熔化的鐵水和一個直徑30毫米的溶洞。后來,溫度逐漸下降。冷至室溫時,整籃雷管箍燒結(jié)成一個鐵坨,當(dāng)操作者把它從籃里倒出來后,他們又發(fā)現(xiàn),,熾熱的鐵水已把藍(lán)底一根直徑22毫米的圓鋼燒斷了。

      眼前發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象表明,雷管箍從600℃的爐中出來后,在空冷過程中發(fā)生了自燃,料籃中心部位溫度升到1500℃以上。

      2 自燃現(xiàn)象的分析

      雷管箍出爐以后,為什么溫度越來越高,它的熱源在哪里?是什么物質(zhì)在燃燒?

      經(jīng)認(rèn)真的檢查和分析判定,測溫儀表并沒失靈,爐子并未超溫,工件里也沒有混入其他易燃物質(zhì)。導(dǎo)致雷管箍燒結(jié)的原因只能來自工件本身。分析認(rèn)為,這是在特定條件下,雷管箍本身氧化放熱反應(yīng),導(dǎo)致雷管箍自燃的結(jié)果。

      雷管箍是一種小型薄壁零件,如圖一所示,通常由厚度為0.25~0.35mm的低碳鋼經(jīng)沖裁、拉伸加工而成。為降低硬度,進行600℃再結(jié)晶退火。

      圖1 雷管箍

      熱力學(xué)計算結(jié)果證明,如果鐵在570℃氧化放出的熱量全部用來加熱反應(yīng)物,可以使其溫度升高到攝氏三千度。

      為了運算簡便,低碳鋼按純鐵計算,并假設(shè)鐵的氧化反應(yīng)全部在570℃(843K)完成。計算分以下兩步進行。

      (1)計算 570℃(843K)一個大氣壓下,反應(yīng):

      解:由基爾霍夫方程式:

      由 Cp=a+b×10-3T (只取前兩項)

      其中△a=∑a產(chǎn)﹣∑a反;△b=∑b產(chǎn)﹣∑b反

      n為參與反應(yīng)的各物質(zhì)的摩爾數(shù),即反應(yīng)方程式物質(zhì)前面的系數(shù)。

      查表: △H298=-267×103cal/mol

      (2)計算鐵在570℃氧化放出的熱量全部用于使反應(yīng)產(chǎn)物Fe3O4(8N2)從570℃(843K)升溫,可能達(dá)到的最高溫度。

      為使運算簡便,利用相對焓表[1],有關(guān)數(shù)據(jù)列表如下。

      分析判定,可能達(dá)到的理論計算溫度T>1800K,故采用外推法進行計算。

      把△H843=281057.78 和 Fe3O4、N2的相對焓值代入式中,則:

      由于Cp1800為常數(shù),故

      在實際上,由于熱量不可避免地散失,工件不可能升到這么高。但是,在某個局部 ,由于散熱條件差,溫度可以升到足以引起工件熔化,甚至燃燒。這已被生產(chǎn)實踐證明是完全可能的。

      進行低溫退火后的工件發(fā)生自燃燒結(jié),是熱處理工序中非常罕見的現(xiàn)象。分析認(rèn)為,雷管箍的自燃燒結(jié)是由于同時具備了以下四個條件才得以發(fā)生。

      1)零件的比面積特別大。

      雷管箍是一種壁厚僅有0.25~0.35毫米的小型零件。它的F/V約為6~8,因而與空氣接觸的表面積非常之大。資料[2]指出,固體物質(zhì)的燃點都是不確定的,決定于其粉碎程度以及其他因素。舉例來說,細(xì)鐵絲在火焰中加熱后放在純氧中就會迅速燃燒,但在相同條件下,直徑為幾毫米的一根鐵棒卻不會引燃。用氫氣還原法煉鐵的實踐還告訴我們,生成的細(xì)鐵粉既使在缸里冷到100℃,取出放在空氣里,也會因急劇氧化放熱而自燃。在這里,細(xì)鐵絲和細(xì)鐵粉之所以在一定條件下自燃,都是因為它們有著特別大的表面積。因此,與通常的熱處理件不同,雷管箍正是因為“粉碎程度”高,有著較低的燃點,當(dāng)氧化放熱反應(yīng)達(dá)到其燃點時,就發(fā)生了自燃。

      2)溫度條件

      室溫下,雷管箍表面雖然也進行氧化放熱反應(yīng),但因反應(yīng)速度緩慢,放出的微量熱隨時散掉,工件溫度不會升高。當(dāng)雷管箍在爐子里加熱到一定溫度時,氧化反應(yīng)要快得多。在此,舉一個有趣的生產(chǎn)實例,說明導(dǎo)致雷管箍發(fā)生自燃燒結(jié)現(xiàn)象的臨界溫度。采用550℃退火雷管箍時,爐里裝了上下兩籃,材質(zhì)完全相同。出爐時,沒有發(fā)現(xiàn)兩籃有明顯的超溫。但兩個小時后,上籃件因自燃燒結(jié)成一個鐵坨,而下籃件卻安然無恙。分析認(rèn)為,井式回火爐雖有風(fēng)扇均溫,但由于料籃較大,工件密集,透氣性差,使?fàn)t溫均存在著上下偏差,上部溫度較高。我們知道,570℃以上鐵的氧化速度明顯加快。因此,可以判定570℃是導(dǎo)致雷管箍發(fā)生自燃現(xiàn)象的臨界溫度。

      3)工件密集堆放

      雷管箍在料籃中密集堆放,是導(dǎo)致自燃現(xiàn)象的一個重要條件。用于退火雷管箍的料藍(lán)尺寸比較大(Φ900×300),多次觀察發(fā)現(xiàn),出爐時和出爐后,靠近料藍(lán)邊緣的雷管箍由于散熱條件好,溫度并不高;而位于中心部位的雷管箍,在600℃退火條件下,常常超溫互相粘連,出爐后如不立即分散空冷,就會產(chǎn)生自燃。分析認(rèn)為,雷管箍出爐后,由于氧氣供應(yīng)較爐內(nèi)充足,氧化反應(yīng)加速進行。資料[2]在談到自燃現(xiàn)象的原因時指出:“當(dāng)在這一反應(yīng)過程中,放出的熱量不能從體系中散發(fā)出去,并因而積累起來而使反應(yīng)物的溫度升高到燃點時,可能會發(fā)生自燃?!薄叭紵且环N更劇烈的氧化放熱反應(yīng),可以進行的足夠快,而不需要再從外界獲得熱量?!焙茱@然,雷管箍正是由于密集堆放,造成料藍(lán)中心部位熱量的積累,使工件溫度越來越高,以至最終自燃燒熔。這正如煤場大堆的煤炭、造紙廠潮濕的草垛,由于通風(fēng)不良,緩慢氧化所產(chǎn)生的熱量不能散失而自燃,曾引起過許多高代價和災(zāi)難性的火災(zāi)。

      4)工件的表面狀態(tài)

      目前鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)加工的雷管箍,原料多來自大工廠的下腳料。生產(chǎn)實踐表明,在同樣生產(chǎn)工藝條件下,用表面經(jīng)鍍錫和氧化處理的材料制作的雷管箍,不發(fā)生自燃燒結(jié)現(xiàn)象。這顯然與材料表面的防氧化作用有關(guān),而表面未經(jīng)這樣處理的冷軋鋼板制作的雷管箍,600℃退火時,每次都出現(xiàn)工件溫度高于爐溫、互相粘連的現(xiàn)象。

      3 措施

      真空退火可有效地防止小型薄壁件氧化,杜絕自燃燒結(jié)現(xiàn)象,但成本高。對于價值低廉的雷管箍,我們采取以下措施,收到很好的效果。

      1)裝爐時,在料藍(lán)中央加放通風(fēng)孔,改善散熱條件,減少熱量積累。

      2)嚴(yán)格控制加熱溫度和時間,隨時觀察爐中工件,發(fā)現(xiàn)工件溫度偏高,立即出爐。

      3)出爐后,迅速將籃中雷管箍倒出,散開空冷。

      [1]吉林工業(yè)大學(xué),吉林工學(xué)院,合編.物理化學(xué)[M].1980.

      [2][美]W.H 內(nèi)博蓋爾,等.普通化學(xué)[M].張靜華,等,譯.1979.

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