電爐通電過熱的金相鑒定方法

電爐通電過熱的金相鑒定方法

張輝

(中國人民武裝警察部隊學院消防工程系，廊坊 065000)

摘要：為了鑒別電爐在火災之前是否處于通電過熱狀態(tài)，模擬正常使用和通電過熱兩種狀態(tài),獲得在不同實驗條件下的電爐樣品，用金相顯微鏡對電爐絲的金相組織進行觀察。結果表明, 正常使用與通電過熱狀態(tài)下，電爐絲的晶粒尺寸和晶粒形態(tài)存在明顯的特征區(qū)別，電爐絲的金相組織可以作為電爐在火災之前是否處于通電過熱狀態(tài)的判定依據(jù)。

關鍵詞：電爐絲；金相鑒定；晶粒尺寸；晶粒形態(tài)

作者簡介：張輝，男，1965年出生，副教授，碩士研究生導師，主要從事火災調查技術專業(yè)教學和火災物證鑒定工作，E-mail:hui_zhangwjxy@163.com。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.01.015

收稿日期：2014-07-07

Metallographic examination method of electric furnace overheat.ZhangHui(FireEngineeringDepartment，ChinesePeople’sArmedPoliceForceAcademy,Langfang065000,China)

Abstract:In order to identify whether the electric furnaces were overheated or not before the fire, the states of normal use and overheat were simulated to obtain the samples. The metallographic structure of heating wire was observed by metallographic microscope. The result indicates that the grain size and grain shape of heating wire in the states of normal use and overheat are different. Metallographic structure of heating wire can be used as a judgment to prove whether the electric furnaces are overheated or not before the fire.

Key words：heating wire; metallographic identification; grain size; grain shape

家用小功率電爐是一種使用方便、衛(wèi)生的電熱器具，可分為開啟式、半封閉式、封閉式三種。其中，開啟式電爐最為廉價，使用最為廣泛。開啟式電爐因其熾熱電爐絲裸露，可直接與外界接觸，其引起的火災時有發(fā)生，給公共安全和社會穩(wěn)定造成了極大的危害。研究如何快速準確地判斷火災之前電爐是否處于通電過熱狀態(tài)，確認火災是否由電爐通電過熱引發(fā)，對調查、認定起火原因和事故責任具有重要意義。目前，對于電爐火災痕跡物證的技術鑒定方法主是金相分析法(GB16840.4-1997)[1,2]，該標準只能通過電源線的熔痕性質，間接判斷火災發(fā)生之前電爐是否處于通電狀態(tài)，而不能確認電爐是否處于通電過熱狀態(tài)。為此，通過模擬實驗，研究了電爐正常使用和通電過熱兩種狀態(tài)下電爐絲的金相組織特征，提出了根據(jù)電爐絲晶粒尺寸和晶粒形態(tài)，認定電爐在火災發(fā)生之前是否處于通電過熱狀態(tài)的鑒定方法。

1實驗材料和方法

1.1　實驗材料

北京某公司生產(chǎn)的開啟式電爐(電爐絲為Fe-Cr-Al合金電熱絲)，工作電壓220V，額定功率1000W。

1.2　實驗方法

(1)模擬正常使用狀態(tài)(全部電爐絲處于工作狀態(tài))。用9個新的電爐,分為三組，每組分別通電使用5min、10min和15min，編號待用。

(2)模擬通電過熱狀態(tài)(部分電爐絲處于工作狀態(tài))。電爐火災事故通常是在通電狀態(tài)下，熾熱的電爐絲烤燃可燃物引發(fā)的。在火災現(xiàn)場中，電爐通電過熱主要是由其他物品掉落在電爐表面，致使電爐絲部分短路或散熱不良造成的。因此，用9個新的電爐，分為3組，將其電爐絲全長的三分之一短接(三分之二工作)，每組分別通電使用5min、10min和15min，編號待用；用9個新的電爐，分為3組，將其電爐絲全長的二分之一短接(只有一半工作)，每組分別通電使用5min、10min和15min，編號待用。

(3)在上述不同實驗條件下的電爐絲中部截取一段長10mm的電爐絲，制成金相試樣，編號待用。

(4)用4XCZ型金相顯微鏡對電爐絲的晶粒形態(tài)和晶粒尺寸進行觀察和測量，晶粒尺寸取每組3個樣品的算術平均值。

2實驗結果

2.1　正常使用狀態(tài)下電爐絲的金相組織特征

在分別正常通電使用5min、10min和15min后，電爐絲的金相組織與未通電使用電爐絲相比發(fā)生了明顯的變化，逐漸由原來的纖維狀組織通過再結晶轉變成等軸晶粒，晶粒尺寸較小，晶界比較彎曲圓滑，其晶粒平均直徑依次為17.1μm、20.6μm和25.7μm。未通電使用電爐絲與正常通電使用10min后電爐絲的金相組織分別見圖1和圖2。

圖1　未通電使用電爐絲的金相組織(200×)

圖2　全部電爐絲工作時的金相組織(10min,200×)

2.2　通電過熱狀態(tài)下電爐絲的金相組織特征

2.2.1三分之二電爐絲工作時的金相組織

在三分之二電爐絲工作時，分別通電使用5min、10min和15min后，電爐絲的金相組織與正常通電使用電爐絲相比發(fā)生了顯著的變化，雖然均為等軸晶粒，但前者晶界趨于平直化，晶粒尺寸也顯著大于后者，其晶粒平均直徑依次為60.3μm、76.2μm和99.7μm，分別是正常使用時的3.5、3.7和3.9倍。在三分之二電爐絲工作時，電爐絲通電使用10min后的金相組織見圖3。

圖3　三分之二電爐絲工作時的金相組織(10min,200×)

2.2.2二分之一電爐絲工作時的金相組織

在二分之一電爐絲工作時，分別通電使用5min、10min和15min后，電爐絲的金相組織與正常通電使用電爐絲相比同樣也發(fā)生了顯著的變化，雖然均為等軸晶粒，但前者晶界平直化現(xiàn)象更加明顯，晶粒尺寸也顯著大于后者，其晶粒平均直徑依次為90.9μm、113.3μm和150.0μm，分別是正常使用時的5.3、5.5和5.8倍。在二分之一電爐絲工作時，電爐絲通電使用10min后的金相組織見圖4。

圖4　二分之一電爐絲工作時的金相組織(10min,200×)

3分析與討論

3.1　正常使用與通電過熱狀態(tài)下電爐絲的金相組織特征比較

從上述實驗結果可以看出，正常使用與通電過熱兩種狀態(tài)相比，電爐絲的金相組織存在明顯的特征區(qū)別。在正常使用狀態(tài)下，電爐絲的晶粒比較細小，晶界彎曲平滑。在通電過熱狀態(tài)下，電爐絲的晶粒異常粗大，晶界趨于平直化。而且，隨著通電過熱程度的增加(電爐絲工作長度變短)，電爐絲金相組織粗化和晶界平直化的現(xiàn)象更加嚴重。產(chǎn)生上述實驗現(xiàn)象的主要原因，是由于兩種狀態(tài)下電爐絲所承受的溫度高低不同所造成的[3,4]。在正常使用時，電爐絲的實際工作溫度較低(約為750℃)，略高于鐵鉻鋁電熱合金的再結晶溫度(700℃左右)，此時電爐絲內(nèi)部金相組織已完成再結晶過程，即由原來的纖維狀組織轉變成等軸晶粒，晶粒比較細小。而在通電過熱時，電爐絲的實際工作溫度很高(三分之二時約為960℃，二分之一時約為1190℃)，遠遠高于其再結晶溫度，此時電爐絲內(nèi)部金相組織不僅會發(fā)生再結晶過程，而且還會發(fā)生顯著的晶粒長大過程。晶粒長大是通過晶界的遷移，由少數(shù)大晶粒吞并小晶粒來實現(xiàn)的。結果使晶粒急劇長大[5]，最后形成晶粒異常粗大的金相組織。

3.2　通電時間對電爐絲金相組織的影響

從上述實驗結果可以看出，無論是在正常使用還是在同一通電過熱狀態(tài)下，隨著通電時間的延長，電爐絲的金相組織形態(tài)也會發(fā)生逐漸長大的現(xiàn)象，但長大速率比較緩慢。這主要是由于電爐絲的再結晶以及晶粒長大過程，優(yōu)先取決于受熱溫度，其次才是受熱時間。如果溫度沒有達到電爐絲的再結晶溫度，不會發(fā)生再結晶過程，更不會出現(xiàn)晶粒長大的現(xiàn)象。

3.3　火場溫度對電爐絲金相組織的影響

電爐絲一般為Fe-Cr-Al合金絲，出廠時晶粒比較細小，沿長度方向呈纖維狀組織。通電過熱時，由于電爐絲的工作溫度遠高于鐵鉻鋁合金的再結晶溫度，因而通電過熱一段時間后將會發(fā)生再結晶和晶粒長大過程，出現(xiàn)少數(shù)幾個晶粒突然非?？焖匍L大，而其余大部分晶粒由于各種原因生長受阻，最后全部被大晶粒吞并，形成晶粒異常粗大的組織。在實際火災現(xiàn)場中，電爐通常位于建筑物室內(nèi)地面附近，處于火場溫度較低處，對于未通電使用的電爐來講，尚未達到鐵鉻鋁合金再結晶的臨界溫度，因而電爐絲不會發(fā)生再結晶，其晶粒更不會顯著長大。

4結論

通過對實驗結果的分析討論，得到以下結論：

(1)在正常使用和通電過熱狀態(tài)下，電爐絲的金相組織均會發(fā)生再結晶及晶粒長大過程，但前者晶粒比較細小，晶界彎曲圓滑，后者晶粒異常粗大，晶界趨于平直化。

(2)電爐絲的金相組織特征主要取決于自身電熱作用，一般火場溫度對其金相組織特征的影響較小。

(3)電爐絲的金相組織特征，可以作為電爐在火災發(fā)生之前是否處于通電過熱狀態(tài)的判定依據(jù)。

參考文獻

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