火場(chǎng)條件對(duì)剩磁的影響研究

鄧　亮，陳兵兵

(武警學(xué)院 a.消防工程系； b.研究生隊(duì)，河北 廊坊　065000)

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火場(chǎng)條件對(duì)剩磁的影響研究

鄧亮a，陳兵兵b

(武警學(xué)院 a.消防工程系； b.研究生隊(duì)，河北 廊坊065000)

研究了不同火場(chǎng)條件下，鐵磁體剩磁保持、減弱、消失等變化的規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明火場(chǎng)高溫條件對(duì)鐵磁體的剩磁具有減弱作用，噴水冷卻、自然冷卻、放置時(shí)間對(duì)鐵磁體的剩磁不具影響性。

火災(zāi)調(diào)查；電氣火災(zāi)；剩磁

火災(zāi)調(diào)查中，當(dāng)懷疑火是由現(xiàn)場(chǎng)中導(dǎo)線或雷電引起而又無(wú)熔痕可作依據(jù)時(shí)，可以對(duì)導(dǎo)線及雷電周?chē)蔫F磁體進(jìn)行剩磁檢測(cè)，依據(jù)剩磁的有無(wú)和大小來(lái)判定火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中是否出現(xiàn)過(guò)短路及雷電現(xiàn)象[1-2]。然而，火場(chǎng)中由于受火焰高溫、滅火時(shí)的消防射水、以及現(xiàn)場(chǎng)放置時(shí)間等影響，對(duì)鐵磁體保留的剩磁是否有消減作用，消減了多少，以及對(duì)火場(chǎng)剩磁檢測(cè)方法是否有影響等問(wèn)題并無(wú)相關(guān)研究。本文通過(guò)模擬火場(chǎng)條件，研究了在火場(chǎng)高溫、消防射水、放置時(shí)間等條件影響下，鐵磁體剩磁保持、減弱、消失等變化的規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)中如何進(jìn)行剩磁檢測(cè)，獲取可靠的剩磁值提供試驗(yàn)依據(jù)。

1　試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料與設(shè)備

使用鋼制鋸條(300 mm×10.7 mm×1.0 mm)、鐵片(50 mm×35 mm×0.3 mm)分別作為試驗(yàn)用鐵磁體，電焊機(jī)與4 mm2銅導(dǎo)線模擬閉合回路，箱式電阻爐用于模擬火場(chǎng)高溫條件，塑料噴壺用于模擬噴水冷卻條件，H-2000-2型特斯拉計(jì)(量程0～100 mT，精度為±2.5%，使用溫度為5～40 ℃)用于測(cè)量試驗(yàn)中鐵磁體的剩磁值。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1鐵磁體剩磁的制備

將電焊機(jī)與銅導(dǎo)線相連，構(gòu)成閉合回路，調(diào)整好電焊機(jī)電壓，使通過(guò)銅導(dǎo)線的電流值達(dá)至試驗(yàn)設(shè)定的300 A。然后分別將鋼制鋸條、鐵片與銅導(dǎo)線垂直交叉放置在同一水平面上，接通電焊機(jī)電源，讓電流通過(guò)銅導(dǎo)線，4 s后斷開(kāi)電源。通過(guò)短時(shí)開(kāi)關(guān)電焊機(jī)電源，模擬短路電流為300 A時(shí)，鋼制鋸條與鐵片被產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁化。被磁化后的鋼制鋸條與鐵片靜置30 min后，用特斯拉計(jì)測(cè)量各點(diǎn)處的剩磁值，然后標(biāo)記剩磁值為0.1、0.5、1.0 mT的位置，作為火場(chǎng)條件下剩磁比對(duì)的測(cè)量點(diǎn)。

1.2.2火場(chǎng)條件下的剩磁測(cè)量

火場(chǎng)高溫條件下的剩磁測(cè)定：將保留有剩磁的鋼制鋸條與鐵片放進(jìn)箱式電阻爐中，分別加熱到100、200、300、400、500、600、700 ℃，到達(dá)指定溫度后保持10 min，待其自然冷卻后，用特斯拉計(jì)測(cè)量?jī)煞N鐵磁體標(biāo)記位置處的剩磁值，重復(fù)試驗(yàn)3次取平均值，觀察鐵磁體標(biāo)記處剩磁值的變化。

消防射水冷卻條件下的剩磁測(cè)定：將分別加熱到100、200、300、400、500、600、700 ℃的兩種鐵磁體用噴壺均勻噴水冷卻，然后測(cè)量標(biāo)記處的剩磁值。

放置不同時(shí)間的剩磁測(cè)定：將兩種鐵磁體放置在常溫、常壓環(huán)境下10天(15～23 ℃、無(wú)風(fēng)、30%～40%RH)，每天測(cè)量標(biāo)記處的剩磁值。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1溫度對(duì)鐵磁體剩磁的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論鐵磁體初始剩磁值大小如何，其剩磁都會(huì)隨著溫度的升高逐漸減小，直至最后消失，說(shuō)明鐵磁體的高溫狀態(tài)對(duì)剩磁影響巨大。筆者認(rèn)為，這主要與高溫作用下鐵磁體分子運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)有關(guān)。高溫?zé)嶙饔孟碌姆肿訜嵴袷幠軌蚱茐蔫F磁體內(nèi)部磁疇排列的一致性，使磁疇從有序變回到無(wú)序，從宏觀上表現(xiàn)為鐵磁體剩磁的減弱、甚至消失[3-4]，如圖1、圖2所示。

圖1　鋸條剩磁隨溫度變化規(guī)律

圖2　鐵片剩磁隨溫度變化規(guī)律

此外，無(wú)論是鋼制鋸條，還是鐵片，損失規(guī)律基本相同，說(shuō)明鐵磁體一旦保留有剩磁，剩磁的減弱與鐵磁體的材質(zhì)、形狀無(wú)關(guān)，而與鐵磁體的每個(gè)部位溫度高低有關(guān)。溫度越高，分子熱振蕩越劇烈，對(duì)磁疇的方向影響越明顯[5]，如圖3所示。

圖3　　　　鋸條與鐵片初始剩磁值為1.0 mT時(shí)

還需要注意的是，初始剩磁值為1.0 mT的鐵磁體完全消失磁性的溫度是600 ℃；初始剩磁值為0.5 mT的鐵磁體完全消失磁性的溫度是500 ℃；初始剩磁值為0.1 mT的鐵磁體完全消失磁性的溫度是400 ℃，說(shuō)明初始剩磁值較高的鐵磁體完全消失磁性所需的熱能高于初始剩磁值較低的鐵磁體。而且，剩磁開(kāi)始變化的溫度和剩磁完全消失的溫度并不一致。加熱至100 ℃，鐵磁體剩磁未發(fā)生任何損失。加熱至200 ℃時(shí)，剩磁初始值為1.0和0.5 mT的鐵磁體剩磁有所降低。而剩磁初始值為0.1 mT鐵磁體，加熱至300 ℃以上時(shí)剩磁才開(kāi)始降低，說(shuō)明要減弱鐵磁體的剩磁需要相當(dāng)數(shù)量的能量，在未達(dá)到該能量級(jí)時(shí)，無(wú)法對(duì)鐵磁體內(nèi)磁疇方向產(chǎn)生影響[6]。另一方面，0.1 mT降低到0 mT所需的熱能要大于1.0 mT降低到0.9 mT的熱能，也說(shuō)明鐵磁體內(nèi)各個(gè)磁疇被磁化改變方向的程度是不一樣的，一些易被磁化改變方向的磁疇，反而越能夠保持穩(wěn)定的剩磁效果，越不易受外界溫度的影響[7]。

從勘驗(yàn)角度分析，由于火場(chǎng)溫度一般在400～800 ℃之間，中心溫度甚至可達(dá)1 000 ℃以上，高溫對(duì)鐵磁體的剩磁影響較大，因此，選取測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量避免受熱較重的鐵磁體，必要時(shí)可沿導(dǎo)線尋找溫度較低范圍的鐵磁體進(jìn)行剩磁測(cè)定。對(duì)于被高溫炙烤過(guò)的鐵磁體，即使沒(méi)有檢測(cè)到較大的剩磁值，也不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為附近沒(méi)有大電流經(jīng)過(guò)，還應(yīng)綜合分析進(jìn)行判斷。

2.2冷卻方式對(duì)鐵磁體剩磁的影響

取鋼制鋸條噴水冷卻與自然冷卻條件下的剩磁作對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)鋼制鋸條初始剩磁值為0.1 mT時(shí)，兩種冷卻方式下的剩磁減弱曲線完全一致。初始剩磁值為0.5 mT時(shí)，除400 ℃出現(xiàn)剩磁減弱差異外，其余曲線變化規(guī)律一致。初始剩磁值為1.0 mT時(shí)，除300 ℃時(shí)出現(xiàn)剩磁減弱差異外，其余曲線變化一致。取鐵片噴水冷卻與自然冷卻條件下的剩磁作對(duì)比，鐵片初始剩磁值為0.1 mT時(shí)，兩種冷卻方式下的剩磁減弱曲線也完全一致。初始剩磁值為0.5 mT時(shí)，除300 ℃出現(xiàn)差異外，其余剩磁曲線變化一致。初始剩磁值為1.0 mT時(shí)，除200 ℃時(shí)出現(xiàn)差異外，其余剩磁曲線變化一致，如圖4、圖5所示。

圖4　不同冷卻方式鋸條剩磁變化對(duì)比

圖5　不同冷卻方式鐵片剩磁變化對(duì)比

兩種冷卻方式主要改變的是鐵磁體受熱后，鐵磁體熱能的流失方式和速度。自然冷卻時(shí)鐵磁體慢慢把熱能傳遞到了空氣中，噴水冷卻時(shí)鐵磁體的熱能迅速傳遞給水，兩者熱能的傳導(dǎo)速率顯著不同。但試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鐵磁體受熱溫度確定時(shí)，無(wú)論鋼制鋸條，還是鐵片，熱能的流失方式和速率對(duì)鐵磁體剩磁并無(wú)影響，鐵磁體所能達(dá)到的最高溫度決定了剩磁減弱的程度，與能量獲取或流失的方式和速度無(wú)關(guān)[7]。

2.3放置時(shí)間對(duì)鐵磁體剩磁的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，鐵片的剩磁在放置1天后，略有變化，此后始終保持穩(wěn)定，而鋼制鋸條的剩磁在10天內(nèi)也出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象，總體上說(shuō)，兩種鐵磁體的剩磁在10天內(nèi)基本保持穩(wěn)定，如圖6、圖7所示。結(jié)合2.1試驗(yàn)中鐵磁體剩磁的減弱需要相當(dāng)能量的結(jié)論，自然環(huán)境中的溫度波動(dòng)顯然不足以削弱鐵磁體的剩磁，說(shuō)明在沒(méi)有其他外界因素的影響下，單就時(shí)間而言，鐵磁體內(nèi)部磁疇由有序向無(wú)序轉(zhuǎn)變極其緩慢，鐵磁體的剩磁基本保持不變。

而第1天中兩種鐵磁體的剩磁值略有下降，筆者認(rèn)為這與鐵磁體中既存在被磁化后易改變方向的磁疇，也有不易改變方向的磁疇有關(guān)。被磁化后易改變方向的磁疇在外界磁場(chǎng)消失后，能保持較穩(wěn)定的狀態(tài)，需要較高溫度才能對(duì)其產(chǎn)生影響，試驗(yàn)2.1印證了此種情況。而較難改變方向的磁疇，即使受外界磁場(chǎng)影響改變了方向，在外界磁場(chǎng)消失后，也容易恢復(fù)原來(lái)的方向，宏觀上表現(xiàn)為一段時(shí)間后鐵磁體部分剩磁的消失，與本次試驗(yàn)結(jié)果一致。

從勘驗(yàn)角度來(lái)看，鐵磁體剩磁的穩(wěn)定性給剩磁測(cè)量提供了較大的時(shí)限余地，但也帶來(lái)了一些問(wèn)題。比如火災(zāi)前某一鐵磁體附近有較大電流經(jīng)過(guò)，磁化了該鐵磁體并使其保持了剩磁，由于鐵磁體剩磁的穩(wěn)定性，如果之后發(fā)生火災(zāi)，調(diào)查人員就會(huì)測(cè)量到該鐵磁體的剩磁，可能會(huì)誤導(dǎo)下一步的調(diào)查工作[8]。因此，調(diào)查時(shí)如果檢測(cè)到較大的剩磁值，還應(yīng)仔細(xì)詢問(wèn)此處之前是否發(fā)生過(guò)電氣故障或較大電流經(jīng)過(guò)等情況。

3　結(jié)論

由以上試驗(yàn)研究，可得出結(jié)論：(1)火場(chǎng)高溫條件對(duì)鐵磁體的剩磁具有減弱作用。初始剩磁值較高的鐵磁體，從200 ℃剩磁開(kāi)始減弱，至600 ℃完全消失。對(duì)初始剩磁值較低的鐵磁體，則需較高的火場(chǎng)溫度才能完全消除剩磁。高溫的消磁作用，使得即使現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有檢測(cè)到較大的剩磁值，也不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為沒(méi)有大電流經(jīng)過(guò)，還應(yīng)綜合分析判斷。(2)鐵磁體所能達(dá)到的最高溫度決定了剩磁減弱的程度，與能量獲取或流失的方式和速度無(wú)關(guān)。因此，在剩磁測(cè)定時(shí)，無(wú)需考慮消防射水對(duì)鐵磁體剩磁的影響。(3)在常溫環(huán)境中，鐵磁體的剩磁能保持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，不會(huì)隨放置時(shí)間的推移而發(fā)生根本改變。

[1] 錢(qián)耀民,譚世立,張建軍.淺談?dòng)呻姎庖l(fā)火災(zāi)的技術(shù)鑒定與認(rèn)定[J].消防科學(xué)與技術(shù),2001,20(1):56-57.

[2] 胡建國(guó).火災(zāi)調(diào)查[M].北京：群眾出版社,2014.

[3] 嚴(yán)密,彭曉領(lǐng).磁學(xué)基礎(chǔ)與磁性材料[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

[4] 張志東.鐵磁材料的磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)[J].物理學(xué)報(bào),2015,64(6):067503(1-17).

[5] 劉鐵楠.低溫下鐵磁體介觀疇壁的量子動(dòng)力學(xué)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2004.

[6] 王博文.Sm-Nd-Fe磁致伸縮材料的顯微組織和磁性能研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué),2013.

[7] 丁儒例.磁體與電磁[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2012.

[8] 孫一飛,李少江,孫萌,等.剩磁法在一起特大火災(zāi)事故中的應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2006,25(5):697-699.

(責(zé)任編輯陳華)

A Research on Changes of Remanence in Different Fire Conditions

DENG Lianga, CHEN Bingbingb

(a.DepartmentofFireEngineering;b.TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

In the paper, the changes of remanence in different fire conditions was studied. The results show that high temperature of a fire results in the decrease of the remanence. But spray cooling, natural cooling and storage time has had little discernible impact on remanence.

fire investigation; electric fire; remanence

2016-04-15

鄧亮(1977—)，男，陜西臨潼人，副教授； 陳兵兵(1991—)，男，福建漳州人，在讀碩士研究生。

●火災(zāi)調(diào)查

X928.7

A

1008-2077(2016)06-0085-04