电炉通电过热的金相鉴定方法

电炉通电过热的金相鉴定方法

张辉

(中国人民武装警察部队学院消防工程系，廊坊 065000)

摘要：为了鉴别电炉在火灾之前是否处于通电过热状态，模拟正常使用和通电过热两种状态,获得在不同实验条件下的电炉样品，用金相显微镜对电炉丝的金相组织进行观察。结果表明, 正常使用与通电过热状态下，电炉丝的晶粒尺寸和晶粒形态存在明显的特征区别，电炉丝的金相组织可以作为电炉在火灾之前是否处于通电过热状态的判定依据。

关键词：电炉丝；金相鉴定；晶粒尺寸；晶粒形态

作者简介：张辉，男，1965年出生，副教授，硕士研究生导师，主要从事火灾调查技术专业教学和火灾物证鉴定工作，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

家用小功率电炉是一种使用方便、卫生的电热器具，可分为开启式、半封闭式、封闭式三种。其中，开启式电炉最为廉价，使用最为广泛。开启式电炉因其炽热电炉丝裸露，可直接与外界接触，其引起的火灾时有发生，给公共安全和社会稳定造成了极大的危害。研究如何快速准确地判断火灾之前电炉是否处于通电过热状态，确认火灾是否由电炉通电过热引发，对调查、认定起火原因和事故责任具有重要意义。目前，对于电炉火灾痕迹物证的技术鉴定方法主是金相分析法(GB16840.4-1997)[1,2]，该标准只能通过电源线的熔痕性质，间接判断火灾发生之前电炉是否处于通电状态，而不能确认电炉是否处于通电过热状态。为此，通过模拟实验，研究了电炉正常使用和通电过热两种状态下电炉丝的金相组织特征，提出了根据电炉丝晶粒尺寸和晶粒形态，认定电炉在火灾发生之前是否处于通电过热状态的鉴定方法。

1实验材料和方法

1.1　实验材料

北京某公司生产的开启式电炉(电炉丝为Fe-Cr-Al合金电热丝)，工作电压220V，额定功率1000W。

1.2　实验方法

(1)模拟正常使用状态(全部电炉丝处于工作状态)。用9个新的电炉,分为三组，每组分别通电使用5min、10min和15min，编号待用。

(2)模拟通电过热状态(部分电炉丝处于工作状态)。电炉火灾事故通常是在通电状态下，炽热的电炉丝烤燃可燃物引发的。在火灾现场中，电炉通电过热主要是由其他物品掉落在电炉表面，致使电炉丝部分短路或散热不良造成的。因此，用9个新的电炉，分为3组，将其电炉丝全长的三分之一短接(三分之二工作)，每组分别通电使用5min、10min和15min，编号待用；用9个新的电炉，分为3组，将其电炉丝全长的二分之一短接(只有一半工作)，每组分别通电使用5min、10min和15min，编号待用。

(3)在上述不同实验条件下的电炉丝中部截取一段长10mm的电炉丝，制成金相试样，编号待用。

(4)用4XCZ型金相显微镜对电炉丝的晶粒形态和晶粒尺寸进行观察和测量，晶粒尺寸取每组3个样品的算术平均值。

2实验结果

2.1　正常使用状态下电炉丝的金相组织特征

在分别正常通电使用5min、10min和15min后，电炉丝的金相组织与未通电使用电炉丝相比发生了明显的变化，逐渐由原来的纤维状组织通过再结晶转变成等轴晶粒，晶粒尺寸较小，晶界比较弯曲圆滑，其晶粒平均直径依次为17.1μm、20.6μm和25.7μm。未通电使用电炉丝与正常通电使用10min后电炉丝的金相组织分别见图1和图2。

图1　未通电使用电炉丝的金相组织(200×)

图2　全部电炉丝工作时的金相组织(10min,200×)

2.2　通电过热状态下电炉丝的金相组织特征

2.2.1三分之二电炉丝工作时的金相组织

在三分之二电炉丝工作时，分别通电使用5min、10min和15min后，电炉丝的金相组织与正常通电使用电炉丝相比发生了显著的变化，虽然均为等轴晶粒，但前者晶界趋于平直化，晶粒尺寸也显著大于后者，其晶粒平均直径依次为60.3μm、76.2μm和99.7μm，分别是正常使用时的3.5、3.7和3.9倍。在三分之二电炉丝工作时，电炉丝通电使用10min后的金相组织见图3。

图3　三分之二电炉丝工作时的金相组织(10min,200×)

2.2.2二分之一电炉丝工作时的金相组织

在二分之一电炉丝工作时，分别通电使用5min、10min和15min后，电炉丝的金相组织与正常通电使用电炉丝相比同样也发生了显著的变化，虽然均为等轴晶粒，但前者晶界平直化现象更加明显，晶粒尺寸也显著大于后者，其晶粒平均直径依次为90.9μm、113.3μm和150.0μm，分别是正常使用时的5.3、5.5和5.8倍。在二分之一电炉丝工作时，电炉丝通电使用10min后的金相组织见图4。

图4　二分之一电炉丝工作时的金相组织(10min,200×)

3分析与讨论

3.1　正常使用与通电过热状态下电炉丝的金相组织特征比较

从上述实验结果可以看出，正常使用与通电过热两种状态相比，电炉丝的金相组织存在明显的特征区别。在正常使用状态下，电炉丝的晶粒比较细小，晶界弯曲平滑。在通电过热状态下，电炉丝的晶粒异常粗大，晶界趋于平直化。而且，随着通电过热程度的增加(电炉丝工作长度变短)，电炉丝金相组织粗化和晶界平直化的现象更加严重。产生上述实验现象的主要原因，是由于两种状态下电炉丝所承受的温度高低不同所造成的[3,4]。在正常使用时，电炉丝的实际工作温度较低(约为750℃)，略高于铁铬铝电热合金的再结晶温度(700℃左右)，此时电炉丝内部金相组织已完成再结晶过程，即由原来的纤维状组织转变成等轴晶粒，晶粒比较细小。而在通电过热时，电炉丝的实际工作温度很高(三分之二时约为960℃，二分之一时约为1190℃)，远远高于其再结晶温度，此时电炉丝内部金相组织不仅会发生再结晶过程，而且还会发生显著的晶粒长大过程。晶粒长大是通过晶界的迁移，由少数大晶粒吞并小晶粒来实现的。结果使晶粒急剧长大[5]，最后形成晶粒异常粗大的金相组织。

3.2　通电时间对电炉丝金相组织的影响

从上述实验结果可以看出，无论是在正常使用还是在同一通电过热状态下，随着通电时间的延长，电炉丝的金相组织形态也会发生逐渐长大的现象，但长大速率比较缓慢。这主要是由于电炉丝的再结晶以及晶粒长大过程，优先取决于受热温度，其次才是受热时间。如果温度没有达到电炉丝的再结晶温度，不会发生再结晶过程，更不会出现晶粒长大的现象。

3.3　火场温度对电炉丝金相组织的影响

电炉丝一般为Fe-Cr-Al合金丝，出厂时晶粒比较细小，沿长度方向呈纤维状组织。通电过热时，由于电炉丝的工作温度远高于铁铬铝合金的再结晶温度，因而通电过热一段时间后将会发生再结晶和晶粒长大过程，出现少数几个晶粒突然非常快速长大，而其余大部分晶粒由于各种原因生长受阻，最后全部被大晶粒吞并，形成晶粒异常粗大的组织。在实际火灾现场中，电炉通常位于建筑物室内地面附近，处于火场温度较低处，对于未通电使用的电炉来讲，尚未达到铁铬铝合金再结晶的临界温度，因而电炉丝不会发生再结晶，其晶粒更不会显著长大。

4结论

通过对实验结果的分析讨论，得到以下结论：

(1)在正常使用和通电过热状态下，电炉丝的金相组织均会发生再结晶及晶粒长大过程，但前者晶粒比较细小，晶界弯曲圆滑，后者晶粒异常粗大，晶界趋于平直化。

(2)电炉丝的金相组织特征主要取决于自身电热作用，一般火场温度对其金相组织特征的影响较小。

(3)电炉丝的金相组织特征，可以作为电炉在火灾发生之前是否处于通电过热状态的判定依据。

参考文献

[1] 魏巍, 谢明立，姚宏宇，等.电气事故中铜导线短路熔珠金相组织分析[J]. 消防科学与技术, 2007, 26(2):211-214.

[2] GB16840-1997.电气火灾原因技术鉴定方法[S].

[3] 王明灼，周煜刚，王琼.电热丝加热器易损原因分析[J]. 四川理工学院学报(自然科学版)，2006，19(2)：79-81.

[4] 黄瑞霞. 电加热器电炉丝频繁断路原因分析及改造[J]. 甘肃冶金，2007，29(1)：22-23.

[5] 杜国维，蔡家敏，林实.铁铬铝合金脆断[J].北京科技大学学报，1998，20(4)：354-358.