電熨斗過熱故障火災痕跡特性的研究

陳 克,朱勝利,劉振剛,鄧松華

(1.公安部天津消防研究所公安部消防局天津火災物證鑒定中心,天津,300381;2.天津大學材料學院,天津,300072)

電熨斗過熱故障火災痕跡特性的研究

陳 克1,2,朱勝利2,劉振剛1,鄧松華1

(1.公安部天津消防研究所公安部消防局天津火災物證鑒定中心,天津,300381;2.天津大學材料學院,天津,300072)

通過火災模擬實驗,研究電熨斗發(fā)生過熱故障后底板的火災痕跡特性。根據底板的溫度分布,應用DTA、TG、SEM、EDS、硬度分析和金相分析等方法,系統(tǒng)分析、歸納、總結電熨斗底板火災痕跡的材料性能變化規(guī)律。研究表明,過熱故障電熨斗的火災痕跡,在宏觀形貌、硬度分布和顯微組織特征等方面,均顯著區(qū)別于火燒電熨斗的火災痕跡。結果為火災原因調查提供新的技術依據,可應用在火災現場勘驗,物證提取與鑒定工作中。

過熱故障;火災痕跡;電熨斗;火災調查;物證鑒定

0 引言

電熨斗發(fā)生過熱故障后具有很高的火災危險性,能夠引燃周圍的可燃物,并引發(fā)嚴重的火災事故[1]。準確辨識火災現場殘留電熨斗的過熱故障痕跡,可有效地認定起火部位和火災原因[2]。實際火災原因調查工作中,電熨斗的導線熔痕一直是火災調查人員關注的重點[3,4]。當電熨斗電源線殘缺不全,或者無法找到短路等電氣故障熔痕時,火災調查人員往往因無法找到直接證據而不能科學準確地認定火災原因,致使由火災引發(fā)的社會矛盾和經濟糾紛無法及時有效地解決。

實際工作中發(fā)現,火災現場殘留的電熨斗,底板能夠形成變形或熔化等火災痕跡,這類痕跡能夠反映電熨斗的工作狀態(tài)及火災進程信息。本文通過定性模擬實驗,再現電熨斗過熱故障,并根據其引燃規(guī)律,研究過熱故障電熨斗底板的溫度分布規(guī)律。同時應用DTA、TG、SEM、EDS、硬度分析和金相分析等方法,系統(tǒng)分析底板熔化痕跡的材料性能變化規(guī)律。在此基礎上,與火燒作用下電熨斗的火災痕跡進行對比,歸納、總結電熨斗過熱故障痕跡的特性,為公安消防進行火災現場勘驗、物證提取與鑒定等工作,提供新的技術依據。

1 實驗

1.1 電熨斗過熱故障火災模擬實驗

選用可調溫蒸汽電熨斗為研究對象,將其溫控元件改造為常接通狀態(tài)。電熨斗通電工作,形成持續(xù)加熱的過熱故障,至電熨斗自身可燃物持續(xù)燃燒后停止通電。實驗過程中,記錄電熨斗過熱故障至火災全過程中電熨斗底板的變化規(guī)律。

1.2 電熨斗底板溫度測量

依據文獻[5],測量電熨斗正常工作時,底板的溫度分布。

使用 K型熱電偶,分別測量電熨斗正常工作時和過熱故障后底板各部位最高溫度,熱電偶測量位置如圖1所示。圖中電熨斗底板輪廓線內加熱管的黑色區(qū)域,為電熨斗加熱元件直接發(fā)熱部位。

1.3 電熨斗底板痕跡材料性能檢測

使用島津DTG-60差熱-熱重聯用儀,對電熨斗底板痕跡進行熱分析,升溫和降溫速率均為10℃·min-1。

圖1 電熨斗底板溫度測量示意圖Fig.1 Scheme of temperature measurement

使用TH140便攜式硬度計,測量電熨斗底板的布氏硬度,繪制電熨斗底板布氏硬度分布圖。

分別切取圖1中1#、2#、3#標記部位的電熨斗底板,制備金相樣品。使用MH-6型維氏硬度計測量各金相樣品中顯微組織的維氏硬度,載力為300gf,保持時間為5s。使用 OL YMPUS-GX71顯微鏡,對電熨斗底板痕跡進行金相分析。

使用 KYKY-EM3200掃描電子顯微鏡,對電熨斗底板痕跡進行微觀形貌分析。使用 NORAN System Six能譜儀,對電熨斗底板痕跡進行微區(qū)成分分析。

2 結果

2.1 底板溫度分布

圖2 電熨斗底板溫度分布圖Fig.2 Temperature distribution of electric iron soleplate

圖2為電熨斗通電工作后,底板的溫度分布圖,輪廓線內顏色越深溫度越高。圖3為電熨斗不同發(fā)熱條件下,底板各部位的最高溫度變化圖。圖2、圖3顯示,電熨斗通電后,加熱管發(fā)熱部位對應的底板溫度較高,不處于加熱管直接發(fā)熱區(qū)的底板下部和邊源溫度較低。發(fā)生過熱故障后,底板溫度明顯升高,且不同部位溫差較大,超過120℃。

圖3 不同發(fā)熱條件下電熨斗底板各部位最高溫度Fig.3 The maximum temperature of electric iron soleplate at different heating conditions

2.2 熱分析

圖4為電熨斗底板的熱分析圖譜,其中曲線 I為差熱分析(DTA)曲線,曲線 II為熱重分析(TG)曲線,曲線III為溫度曲線。熱重分析表明,底板在整個受熱過程中未發(fā)生明顯的氧化。差熱分析顯示(見表1),底板加熱過程的吸熱峰與冷卻過程的放熱峰,峰形和轉變點溫度方面都表現出良好的對應關系,電熨斗底板材料熔點在565.29℃-566.22℃范圍內[6]。

圖4 電熨斗底板熱分析圖譜Fig.4 Thermal analysis curves of electric iron soleplate

表1 電熨斗底板差熱分析數據T able 1 Selected values for DT A curve of electric iron soleplate

圖5 過熱故障電熨斗底板宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of electric iron soleplate formed by overheating failure

結合溫度分布分析結果可知,電熨斗發(fā)生過熱故障后,底板各部位的溫度差別較大,接近加熱管的底板受熱溫度較高,超過其熔點并發(fā)生熔化;遠離加熱管的底板,受熱溫度未達到底板材料的熔點,往往不會發(fā)生顯著的形狀變化。最終,底板形成延加熱管布置狀的熔化痕跡(見圖5)。

2.3 底板硬度分布

2.3.1 布氏硬度

圖6(a)為電熨斗正常使用后,底板的布氏硬度分布圖。布氏硬度分部均勻,處于 HB84～HB91之間。圖6(b)為電熨斗出現過熱故障并起火后,底板的布氏硬度分布圖。如圖所示,電熨斗發(fā)生過熱故障后,底板各部位的布氏硬度明顯降低,而且分布形成沿底板底部至加熱管頂部方向逐漸降低的分布趨勢。

圖6 電熨斗底板布氏硬度分布圖(HB)Fig.6 Brinell hardness distribution of electric iron soleplate(HB)(a)regular(b)overheating failure

2.3.2 顯微維氏硬度

表2為電熨斗底板各部位的顯微維氏硬度分布表,其分布特征與布氏硬度測量結果基本相同。

表2 電熨斗底板顯微維氏硬度分布表T able 2 Vickers hardness distribution of electric iron soleplate

2.4 顯微特征分析

2.4.1 電子顯微分析

圖7(a)為正常使用電熨斗底板金相樣品的二次電子圖像,圖7(b)為過熱故障電熨斗底板金相樣品的二次電子圖像,圖8和表3為圖7(a)中矩形選區(qū)的微區(qū)成分分析結果。綜合掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)的實驗結果,可知電熨斗底板材質屬Al-Si-Cu鑄造鋁合金,基體中的Fe為鑄造過程中的雜質。電熨斗底板原始組織為α-Al基體上均勻分布針狀Si相,電熨斗過熱后Si相球化[7]。

表3 電熨斗底板EDS分析結果Table 3 EDS analysis results of electric iron soleplate

2.4.2 金相分析

正常工作狀態(tài)的電熨斗,底板各部位的顯微組織相同,如圖9(a)所示。

電熨斗發(fā)生過熱故障后,底板不同部位的顯微組織不同。底板底部受熱程度較低,顯微組織形態(tài)未發(fā)生顯著的改變,但是α-Al的晶粒尺寸增大(見圖9(b)),這是由于部分Si相溶入α-Al中所致[7]。底板中部受熱溫度超過合金熔點,α-Al開始熔化并在較慢的冷卻速度下凝固形成不規(guī)則的α-Al枝晶[7](見圖9(c))。加熱管頂部溫度最高,受熱后底板完全熔化,緩慢凝固后形成尺寸粗大的α-Al和沿Al晶界分布的 Si相,并形成大量尺寸較大的縮孔(見圖 9(d))[8]。

通過顯微組織分析可知,電熨斗過熱后底板各部位經歷了不同的受熱過程,這一變化導致底板各部位最終的組織結構組織特征存在顯著差異,從而使各部位的硬度不同。底板底部過熱后發(fā)生晶粒粗化,導致其硬度降低。底板中部基體熔化,新生的α-Al枝晶降低了合金的強度[9],因此底板中部的硬度低于底板底部。加熱管頂部完全熔化,重新凝固生成的Al-Si合金未得到任何形式的強化處理,材料本身的強度小于未完全熔化的底板[10],而且凝固時形成的縮孔降低了材料的結構強度,二者共同作用使加熱管頂部的硬度最低。

圖7 電熨斗底板SEM分析圖像Fig.7 SEM morphology of electric iron soleplate

圖8 電熨斗底板EDS圖譜Fig.8 EDS spectrum of electric iron soleplate

3 討論

金屬受高溫作用后會發(fā)生固態(tài)相變,導致其顯微組織的形態(tài)和性能發(fā)生改變;繼續(xù)受熱超過熔點后開始熔化,并在隨后的冷卻過程中形成新的凝固組織,與其熔化前的組織形態(tài)和性能也存在很大的差異[11]。因此,根據金屬的材料性能變化,可以分析金屬的受熱方式和受熱過程。在火災原因調查工作中,依據火災現場的金屬殘留痕跡的受熱方式及受熱過程,能夠分析某一痕跡的形成與火災發(fā)生的時序關系和火災蔓延方向等火災進程信息,進而幫助指導火災原因的認定。

實驗結果表明,發(fā)生過熱故障的電熨斗,底板溫度分布不均勻出現局部過熱現象,最終形成沿加熱管布置狀的局部過熱熔化痕跡;且受熱程度不同的部位,其硬度和顯微組織特征都存在較大差異。實際火災過程中,電熨斗引燃周圍可燃物后火焰開始向周圍蔓延,最初的過熱熔化痕跡在火災中得以殘留。而火災中受火燒作用的電熨斗,底板受高溫作用往往形成指向火焰蔓延方向的火災痕跡;由于各部位的受熱程度基本一致,其材料性能不會出現非常明顯的差異。所以,電熨斗過熱故障的火災痕跡,與火燒作用電熨斗的火災痕跡,具有明顯的區(qū)別。據此,對火災現場的電熨斗底板痕跡進行材料性能綜合分析,能夠判斷電熨斗痕跡的形成與火災發(fā)生的時序關系。

這一方法可作為一種有效的技術手段,應用于有關電熨斗的火災原因調查工作中?；馂默F場勘驗時,火災調查人員可先通過宏觀形貌分析和硬度分析,對火災現場殘留的電熨斗痕跡進行現場辨識,并提取有關物證送檢進行實驗室分析鑒定?；馂奈镒C鑒定人員,依據電熨斗底板火災痕跡的特征,判斷電熨斗在起火前是否通電工作并發(fā)生過熱故障。在此基礎上,結合火災現場的蔓延痕跡特征,最終認定電熨斗是否為引發(fā)火災的引火源。這種方法也可在電烙鐵、電飯鍋、熱得快等電熱設備火災中得以應用。

4 結論

(1)電熨斗通電后發(fā)生過熱故障,底板溫度顯著升高,且不同部位的溫差較大,引燃同時形成局部過熱熔化痕跡,并導致其硬度和顯微組織等材料性能特征的分布規(guī)律,均有別于正常使用的電熨斗及火災中被燒的電熨斗。通過實驗研究,電熨斗過熱故障的火災痕跡特性為:

圖9 電熨斗底板的顯微組織Fig.9 Microstructure of electric iron soleplate

①底板形成沿加熱管布置狀的局部過熱熔化痕跡;

②底板受熱程度越重的部位,布氏硬度和顯微維氏硬度越低;

③底板受熱程度不同的部位,顯微組織特征不同。(2)通過硬度分析、熱分析、電子顯微分析和金相分析方法對電熨斗底板熔化痕跡進行材料性能綜合分析,可以判斷電熨斗底板熔化與火災發(fā)生時序關系。該方法可作為判斷電熨斗在火災前發(fā)生過熱故障的新技術手段,應用于火災現場勘驗、物證提取和鑒定等火災原因調查工作中。

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Study on fire patterns of electric iron subject to overheating failure

CHEN Ke1,2,ZHU Sheng-li2,LIU Zhen-gang1,DENG Song-hua1

(1.Tianjin Fire Research Institute of MPS,Tianjin,300381,China;
2.Material Science and Engineering Institute,Tianjin University,Tianjin,300072,China)

Fire patterns may be generated on the soleplate of any electric iron when it is subject to overheating failure.In this paper,experiments were conducted to simulate the overheating failure of electric irons.DTA,TG,SEM,EDS,hardness measurement,metallurgic test and temperature measurement were used to analyze the material properties and fire pattern variations during overheating failure.It was concluded that the fire patterns on electric iron soleplate formed during overheating failure differ greatly from those due to fire,especially in macro morphology,hardness distribution and microscopic structure.The results provide new technical basis data for fire investigation,and can be applied to the fire scene survey,material evidence collection and identification.

Overheating failure;Fire pattern;Electric iron;Fire investigation;Identification

TG146.2+1;X928.7

A

1004-5309(2011)-0167-06

2011-04-20;修改日期:2011-06-07

陳克(1980-),男,公安部天津消防研究所,主要從事電氣火災和汽車火災的物證鑒定和研究工作。