電爐通電過(guò)熱的金相鑒定方法

電爐通電過(guò)熱的金相鑒定方法

張輝

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院消防工程系，廊坊 065000)

摘要：為了鑒別電爐在火災(zāi)之前是否處于通電過(guò)熱狀態(tài)，模擬正常使用和通電過(guò)熱兩種狀態(tài),獲得在不同實(shí)驗(yàn)條件下的電爐樣品，用金相顯微鏡對(duì)電爐絲的金相組織進(jìn)行觀察。結(jié)果表明, 正常使用與通電過(guò)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(zāi)之前是否處于通電過(guò)熱狀態(tài)的判定依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電爐絲；金相鑒定；晶粒尺寸；晶粒形態(tài)

作者簡(jiǎn)介：張輝，男，1965年出生，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事火災(zāi)調(diào)查技術(shù)專業(yè)教學(xué)和火災(zāi)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(jià)，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(zāi)時(shí)有發(fā)生，給公共安全和社會(huì)穩(wěn)定造成了極大的危害。研究如何快速準(zhǔn)確地判斷火災(zāi)之前電爐是否處于通電過(guò)熱狀態(tài)，確認(rèn)火災(zāi)是否由電爐通電過(guò)熱引發(fā)，對(duì)調(diào)查、認(rèn)定起火原因和事故責(zé)任具有重要意義。目前，對(duì)于電爐火災(zāi)痕跡物證的技術(shù)鑒定方法主是金相分析法(GB16840.4-1997)[1,2]，該標(biāo)準(zhǔn)只能通過(guò)電源線的熔痕性質(zhì)，間接判斷火災(zāi)發(fā)生之前電爐是否處于通電狀態(tài)，而不能確認(rèn)電爐是否處于通電過(guò)熱狀態(tài)。為此，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，研究了電爐正常使用和通電過(guò)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(rèn)定電爐在火災(zāi)發(fā)生之前是否處于通電過(guò)熱狀態(tài)的鑒定方法。

1實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1　實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)新的電爐,分為三組，每組分別通電使用5min、10min和15min，編號(hào)待用。

(2)模擬通電過(guò)熱狀態(tài)(部分電爐絲處于工作狀態(tài))。電爐火災(zāi)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(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中，電爐通電過(guò)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(gè)新的電爐，分為3組，將其電爐絲全長(zhǎng)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(hào)待用；用9個(gè)新的電爐，分為3組，將其電爐絲全長(zhǎng)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(hào)待用。

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

(4)用4XCZ型金相顯微鏡對(duì)電爐絲的晶粒形態(tài)和晶粒尺寸進(jìn)行觀察和測(cè)量，晶粒尺寸取每組3個(gè)樣品的算術(shù)平均值。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)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(lái)的纖維狀組織通過(guò)再結(jié)晶轉(zhuǎn)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(shí)的金相組織(10min,200×)

2.2　通電過(guò)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(shí)的金相組織

在三分之二電爐絲工作時(shí)，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(shí)的3.5、3.7和3.9倍。在三分之二電爐絲工作時(shí)，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(shí)的金相組織(10min,200×)

2.2.2二分之一電爐絲工作時(shí)的金相組織

在二分之一電爐絲工作時(shí)，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(shí)的5.3、5.5和5.8倍。在二分之一電爐絲工作時(shí)，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(shí)的金相組織(10min,200×)

3分析與討論

3.1　正常使用與通電過(guò)熱狀態(tài)下電爐絲的金相組織特征比較

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，正常使用與通電過(guò)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(xì)小，晶界彎曲平滑。在通電過(guò)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(guò)熱程度的增加(電爐絲工作長(zhǎng)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(yán)重。產(chǎn)生上述實(shí)驗(yàn)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(shí)，電爐絲的實(shí)際工作溫度較低(約為750℃)，略高于鐵鉻鋁電熱合金的再結(jié)晶溫度(700℃左右)，此時(shí)電爐絲內(nèi)部金相組織已完成再結(jié)晶過(guò)程，即由原來(lái)的纖維狀組織轉(zhuǎn)變成等軸晶粒，晶粒比較細(xì)小。而在通電過(guò)熱時(shí)，電爐絲的實(shí)際工作溫度很高(三分之二時(shí)約為960℃，二分之一時(shí)約為1190℃)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其再結(jié)晶溫度，此時(shí)電爐絲內(nèi)部金相組織不僅會(huì)發(fā)生再結(jié)晶過(guò)程，而且還會(huì)發(fā)生顯著的晶粒長(zhǎng)大過(guò)程。晶粒長(zhǎng)大是通過(guò)晶界的遷移，由少數(shù)大晶粒吞并小晶粒來(lái)實(shí)現(xiàn)的。結(jié)果使晶粒急劇長(zhǎng)大[5]，最后形成晶粒異常粗大的金相組織。

3.2　通電時(shí)間對(duì)電爐絲金相組織的影響

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，無(wú)論是在正常使用還是在同一通電過(guò)熱狀態(tài)下，隨著通電時(shí)間的延長(zhǎng)，電爐絲的金相組織形態(tài)也會(huì)發(fā)生逐漸長(zhǎng)大的現(xiàn)象，但長(zhǎng)大速率比較緩慢。這主要是由于電爐絲的再結(jié)晶以及晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，優(yōu)先取決于受熱溫度，其次才是受熱時(shí)間。如果溫度沒有達(dá)到電爐絲的再結(jié)晶溫度，不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶過(guò)程，更不會(huì)出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象。

3.3　火場(chǎng)溫度對(duì)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(shí)晶粒比較細(xì)小，沿長(zhǎng)度方向呈纖維狀組織。通電過(guò)熱時(shí)，由于電爐絲的工作溫度遠(yuǎn)高于鐵鉻鋁合金的再結(jié)晶溫度，因而通電過(guò)熱一段時(shí)間后將會(huì)發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，出現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)晶粒突然非常快速長(zhǎng)大，而其余大部分晶粒由于各種原因生長(zhǎng)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(shí)際火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中，電爐通常位于建筑物室內(nèi)地面附近，處于火場(chǎng)溫度較低處，對(duì)于未通電使用的電爐來(lái)講，尚未達(dá)到鐵鉻鋁合金再結(jié)晶的臨界溫度，因而電爐絲不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，其晶粒更不會(huì)顯著長(zhǎng)大。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論，得到以下結(jié)論：

(1)在正常使用和通電過(guò)熱狀態(tài)下，電爐絲的金相組織均會(huì)發(fā)生再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，但前者晶粒比較細(xì)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(chǎng)溫度對(duì)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(zāi)發(fā)生之前是否處于通電過(guò)熱狀態(tài)的判定依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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