雷管箍低溫退火后自燃燒結(jié)現(xiàn)象的分析

劉淑華

（滄州市通用機械有限公司，河北 滄州 061000）

1 奇怪的自燃現(xiàn)象

當(dāng)裝滿雷管箍的料籃從75千瓦井式回火爐里吊出時，操作者發(fā)現(xiàn)籃中工件的溫度顯然高于儀表指示的600℃再結(jié)晶退火溫度。位于料籃中央的雷管箍，溫度甚至高達(dá)八百多度。操作者企圖按照慣例，等工件在籃里冷卻后再取出。但出乎意外，他們吃驚地看到，這籃已脫離熱源的工件，溫度并不隨熱量的散失而逐漸降低。相反，溫度卻越來越高。一小時后，料籃上方噴吐著火苗，像有易燃物在燃燒。兩小時后，料籃中央出現(xiàn)了熔化的鐵水和一個直徑30毫米的溶洞。后來，溫度逐漸下降。冷至室溫時，整籃雷管箍燒結(jié)成一個鐵坨，當(dāng)操作者把它從籃里倒出來后，他們又發(fā)現(xiàn)，，熾熱的鐵水已把藍(lán)底一根直徑22毫米的圓鋼燒斷了。

眼前發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象表明，雷管箍從600℃的爐中出來后，在空冷過程中發(fā)生了自燃，料籃中心部位溫度升到1500℃以上。

2 自燃現(xiàn)象的分析

雷管箍出爐以后，為什么溫度越來越高，它的熱源在哪里？是什么物質(zhì)在燃燒？

經(jīng)認(rèn)真的檢查和分析判定，測溫儀表并沒失靈，爐子并未超溫，工件里也沒有混入其他易燃物質(zhì)。導(dǎo)致雷管箍燒結(jié)的原因只能來自工件本身。分析認(rèn)為，這是在特定條件下，雷管箍本身氧化放熱反應(yīng)，導(dǎo)致雷管箍自燃的結(jié)果。

雷管箍是一種小型薄壁零件，如圖一所示，通常由厚度為0.25～0.35mm的低碳鋼經(jīng)沖裁、拉伸加工而成。為降低硬度，進行600℃再結(jié)晶退火。

圖1 雷管箍

熱力學(xué)計算結(jié)果證明，如果鐵在570℃氧化放出的熱量全部用來加熱反應(yīng)物，可以使其溫度升高到攝氏三千度。

為了運算簡便，低碳鋼按純鐵計算，并假設(shè)鐵的氧化反應(yīng)全部在570℃（843K）完成。計算分以下兩步進行。

（1）計算 570℃（843K）一個大氣壓下，反應(yīng)：

解：由基爾霍夫方程式：

由 Cp=a+b×10-3T （只取前兩項）

其中△a=∑a產(chǎn)﹣∑a反；△b=∑b產(chǎn)﹣∑b反

n為參與反應(yīng)的各物質(zhì)的摩爾數(shù)，即反應(yīng)方程式物質(zhì)前面的系數(shù)。

查表： △H298=-267×103cal/mol

（2）計算鐵在570℃氧化放出的熱量全部用于使反應(yīng)產(chǎn)物Fe3O4(8N2)從570℃（843K）升溫，可能達(dá)到的最高溫度。

為使運算簡便，利用相對焓表[1]，有關(guān)數(shù)據(jù)列表如下。

分析判定，可能達(dá)到的理論計算溫度T＞1800K,故采用外推法進行計算。

把△H843=281057.78 和 Fe3O4、N2的相對焓值代入式中，則：

由于Cp1800為常數(shù)，故

在實際上，由于熱量不可避免地散失，工件不可能升到這么高。但是，在某個局部 ，由于散熱條件差，溫度可以升到足以引起工件熔化，甚至燃燒。這已被生產(chǎn)實踐證明是完全可能的。

進行低溫退火后的工件發(fā)生自燃燒結(jié)，是熱處理工序中非常罕見的現(xiàn)象。分析認(rèn)為，雷管箍的自燃燒結(jié)是由于同時具備了以下四個條件才得以發(fā)生。

1）零件的比面積特別大。

雷管箍是一種壁厚僅有0.25～0.35毫米的小型零件。它的F/V約為6～8，因而與空氣接觸的表面積非常之大。資料[2]指出，固體物質(zhì)的燃點都是不確定的，決定于其粉碎程度以及其他因素。舉例來說，細(xì)鐵絲在火焰中加熱后放在純氧中就會迅速燃燒，但在相同條件下，直徑為幾毫米的一根鐵棒卻不會引燃。用氫氣還原法煉鐵的實踐還告訴我們，生成的細(xì)鐵粉既使在缸里冷到100℃，取出放在空氣里，也會因急劇氧化放熱而自燃。在這里，細(xì)鐵絲和細(xì)鐵粉之所以在一定條件下自燃，都是因為它們有著特別大的表面積。因此，與通常的熱處理件不同，雷管箍正是因為“粉碎程度”高，有著較低的燃點，當(dāng)氧化放熱反應(yīng)達(dá)到其燃點時，就發(fā)生了自燃。

2）溫度條件

室溫下，雷管箍表面雖然也進行氧化放熱反應(yīng)，但因反應(yīng)速度緩慢，放出的微量熱隨時散掉，工件溫度不會升高。當(dāng)雷管箍在爐子里加熱到一定溫度時，氧化反應(yīng)要快得多。在此，舉一個有趣的生產(chǎn)實例，說明導(dǎo)致雷管箍發(fā)生自燃燒結(jié)現(xiàn)象的臨界溫度。采用550℃退火雷管箍時，爐里裝了上下兩籃，材質(zhì)完全相同。出爐時，沒有發(fā)現(xiàn)兩籃有明顯的超溫。但兩個小時后，上籃件因自燃燒結(jié)成一個鐵坨，而下籃件卻安然無恙。分析認(rèn)為，井式回火爐雖有風(fēng)扇均溫，但由于料籃較大，工件密集，透氣性差，使?fàn)t溫均存在著上下偏差，上部溫度較高。我們知道，570℃以上鐵的氧化速度明顯加快。因此，可以判定570℃是導(dǎo)致雷管箍發(fā)生自燃現(xiàn)象的臨界溫度。

3）工件密集堆放

雷管箍在料籃中密集堆放，是導(dǎo)致自燃現(xiàn)象的一個重要條件。用于退火雷管箍的料藍(lán)尺寸比較大（Φ900×300），多次觀察發(fā)現(xiàn)，出爐時和出爐后，靠近料藍(lán)邊緣的雷管箍由于散熱條件好，溫度并不高；而位于中心部位的雷管箍，在600℃退火條件下，常常超溫互相粘連，出爐后如不立即分散空冷，就會產(chǎn)生自燃。分析認(rèn)為，雷管箍出爐后，由于氧氣供應(yīng)較爐內(nèi)充足，氧化反應(yīng)加速進行。資料[2]在談到自燃現(xiàn)象的原因時指出：“當(dāng)在這一反應(yīng)過程中，放出的熱量不能從體系中散發(fā)出去，并因而積累起來而使反應(yīng)物的溫度升高到燃點時，可能會發(fā)生自燃?！薄叭紵且环N更劇烈的氧化放熱反應(yīng)，可以進行的足夠快，而不需要再從外界獲得熱量?！焙茱@然，雷管箍正是由于密集堆放，造成料藍(lán)中心部位熱量的積累，使工件溫度越來越高，以至最終自燃燒熔。這正如煤場大堆的煤炭、造紙廠潮濕的草垛，由于通風(fēng)不良，緩慢氧化所產(chǎn)生的熱量不能散失而自燃，曾引起過許多高代價和災(zāi)難性的火災(zāi)。

4）工件的表面狀態(tài)

目前鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)加工的雷管箍，原料多來自大工廠的下腳料。生產(chǎn)實踐表明，在同樣生產(chǎn)工藝條件下，用表面經(jīng)鍍錫和氧化處理的材料制作的雷管箍，不發(fā)生自燃燒結(jié)現(xiàn)象。這顯然與材料表面的防氧化作用有關(guān)，而表面未經(jīng)這樣處理的冷軋鋼板制作的雷管箍，600℃退火時，每次都出現(xiàn)工件溫度高于爐溫、互相粘連的現(xiàn)象。

3 措施

真空退火可有效地防止小型薄壁件氧化，杜絕自燃燒結(jié)現(xiàn)象，但成本高。對于價值低廉的雷管箍，我們采取以下措施，收到很好的效果。

1）裝爐時，在料藍(lán)中央加放通風(fēng)孔，改善散熱條件，減少熱量積累。

2）嚴(yán)格控制加熱溫度和時間，隨時觀察爐中工件，發(fā)現(xiàn)工件溫度偏高，立即出爐。

3）出爐后，迅速將籃中雷管箍倒出，散開空冷。

[1]吉林工業(yè)大學(xué),吉林工學(xué)院,合編.物理化學(xué)[M].1980.

[2][美]W.H 內(nèi)博蓋爾,等.普通化學(xué)[M].張靜華,等,譯.1979.