電焊熔珠引燃能力的實驗研究

陳亞青

摘 要：文章以電焊熔珠引燃能力為研究內(nèi)容，分別從高度、堆積方式、地表導熱情況觀察電焊產(chǎn)生的噴濺熔珠對棉花、木屑、聚苯乙烯泡沫塑料板和聚氨酯泡沫塑料板的引燃特征，分析引燃能力。實驗結(jié)果表明：焊珠掉落高度越高，在空氣中的熱損失大，對可燃物的引燃能力越弱；可燃物堆積越密實與空氣接觸面積越小，持續(xù)燃燒越困難；焊珠飛濺的距離越遠，粒徑越小，能量越低，引燃能力越弱。

關(guān)鍵詞：可燃物；引燃能力；電焊熔珠

在焊接作業(yè)過程中，電焊易產(chǎn)生高溫噴濺熔珠、電弧和火花等，具有很大的火災(zāi)危險性。研究發(fā)現(xiàn)電焊作業(yè)時，電弧溫度可達3000～6000℃，熔渣溫度高達2000℃，飛濺火花、熔融金屬和熔渣等高溫熔珠極易引燃可燃物引發(fā)火災(zāi)[1]。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與材料

儀器與器材：電焊機；電子天平（ES-1000E型，1000g/0.1g）；三角鐵架；米尺；游標卡尺；溫濕計；秒表。

實驗材料：焊條若干（碳鋼焊條3.23×50mm）；棉布（新疆純棉）；木屑；聚苯乙烯泡沫塑料板；聚氨酯泡沫塑料板。

1.2 實驗過程

實驗方法：如圖1所示連接好實驗裝置。開啟電焊機，用焊條點觸三角鐵豎立面，使產(chǎn)生的電焊熔珠落于可燃固體表面。記錄被引燃時點焊次數(shù)、火焰持續(xù)時間、表面炭化燃燒情況等。

2 實驗過程

2.1 電焊熔珠對棉花引燃能力測試

高度為0.2m和1.1m在相同實驗條件下改變實驗材料的堆積即分別稱取30g、60g的棉花。考慮到導熱對引燃的影響，所以采用三種不同的承載物（硬紙板、地面、石膏板）進行實驗。

1.1m高60g棉花在硬紙板上引燃時焊接的次數(shù)較30g多3～4次，燒毀后質(zhì)量38.98～42.34g，燃燒時間95～123s，棉花擺放較密集，棉花下的硬紙板邊緣處燃燒，中心由于棉花基本未燒損硬紙板也未變化且燒毀程度沒有30g嚴重。0.2m同一堆積情況燒毀程度與1.1m基本一致。但0.2m焊珠較集中，焊珠的能量較高（如圖2）。

1.1m地面30g棉花引燃時焊接次數(shù)5～7次，燒毀后質(zhì)量7.71～9.18g，火焰持續(xù)時間39～51s，棉花擺放較疏松，地面留下火焰 過的痕跡。但是棉花燃燒明火熄滅后，還有持續(xù)的火星，火星最長可以持續(xù)存在10分鐘左右，如果燃燒條件具備有復燃的可能。

1.1m處石膏板上60g棉花引燃時焊接次數(shù)5～7次，燒毀后質(zhì)量48.03～51.80g，燃燒持續(xù)時間32～48s，石膏板未發(fā)生燃燒，邊緣有烘烤痕跡。0.2m的引燃情況與1.1m基本一致。0.2m石膏板上的燃燒痕跡較1.1m明顯。1m遠堆放棉花也被引燃，與地面相比被引燃程度較容易。

2.2 電焊熔珠對木屑引燃能力測試

1.1m處硬紙板上2cm木屑引燃時焊接的次數(shù)31～50次，火焰持續(xù)時間39～65s，被點燃部位硬紙板沒有炭化痕跡。焊珠從0.2m、1.1m掉落在硬紙板上都不同程度的將木屑引燃，0.2m時平均焊接較1m少10次左右就會被引燃，燃燒時間基本相同。木屑被引燃的部位大都在焊珠掉落20cm范圍內(nèi)，因為這一范圍內(nèi)掉落的焊珠粒徑為6.48～3.19mm，能量較大，焊珠數(shù)量較多。飛濺較遠距離的焊珠粒徑為3.06～1.2mm，能量較小，數(shù)量較少。（如圖3）

焊珠從0.2m、1.1m掉落在地面上都不同程度的將木屑引燃。0.2m時焊接次數(shù)比1.1m少5次左右將木屑引燃，燃燒時間基本相同。由于地面溫度較低熱量不易積累，需要更多能量的焊珠才能引燃木屑。熱量較小的不易引燃，有的即使引燃1s后又自行熄滅。

焊珠從0.2m、1.1m掉落在石膏板上都不同程度的將木屑引燃。0.2m時焊接次數(shù)比1.1m少5次左右就會將木屑引燃，燃燒時間基本相同。小粒徑的焊珠本身熱量較小，在掉落過程中熱量又有損失，使其引燃能力下降。由于石膏板具有防火保溫的作用，在1cm厚度的木屑被引燃處可以看到輕微的石膏板炭化痕跡如圖3.14。2cm厚度的木屑石膏板上沒有炭化痕跡。木屑自身含水量較多，局部著火以后，由于燃燒所需的熱量多，火焰持續(xù)的時間與其他幾種材料相比較短。

2.3 電焊熔珠對聚苯乙烯泡沫塑料引燃能力測試

聚苯乙烯泡沫塑料在0.2m、1.1m的實驗條件下都較易被引燃，0.2m焊接10次左右就會引燃。由于泡沫板自身2.8cm的厚度，承載物硬紙板、地面、石膏板在導熱上對它的引燃基本沒有影響，由于硬紙板的可燃性，滴落物掉在其表面會將硬紙板引燃，地面和石膏板表面滴落物燃盡后自行熄滅。

聚苯乙烯泡沫塑料板很容易被焊珠引燃，在焊珠溫度足以達到他的燃點時它會迅速燃燒，燃燒過程中形成熔融滴落物，（如圖4）火焰蔓延速度很快而且冒出很濃的黑煙，放出刺鼻的味道。由于火勢較猛烈而且產(chǎn)生黑煙及有毒氣體，燃燒20s后人為將其撲滅。溫度較低的焊珠掉落在聚苯乙烯泡沫塑料板上會將泡沫板燒洞，焊珠直接貫穿2.8cm厚的泡沫板。

2.4 電焊熔珠對聚氨酯泡沫塑料引燃能力測試

聚氨酯泡沫塑料在高度為0.2m、1.1m都較易被引燃，0.2m焊接15次左右就會引燃而且引燃后燃燒更迅猛。由于泡沫板自身有5cm的厚度，所以承載物硬紙板、地板、石膏板對它的引燃基本沒有影響。在實驗中采用了未添加阻燃劑的聚氨酯泡沫，其被引燃能力極強，焊接5次就迅速出現(xiàn)火焰，蔓延很快，而且冒出濃密的黑煙并伴有刺鼻的味道。與添加阻燃劑的相比危險性更大。

聚氨酯泡沫塑料板被焊珠引燃后，火焰蔓延速度很快而且冒出很濃的黑煙，放出刺鼻的味道。燒毀后炭化嚴重，由于聚氨酯泡沫屬于熱固性塑料。它燃燒后并不容易像聚苯乙烯泡沫塑料一樣出現(xiàn)流淌滴落的現(xiàn)象。由于火勢較猛烈而且產(chǎn)生黑煙及有毒氣體，燃燒20s后人為將其撲滅。當能量不足以引燃時焊珠掉落在聚氨酯泡沫塑料板上會將泡沫板燒洞。能量較小的焊珠對其表面的燒損情況不及聚苯乙烯泡沫塑料。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 電焊熔珠引燃能力分析

實驗中從材料、堆積方式、地表導熱、高度對電焊熔珠的引燃能力進行研究，運用控制變量法，改變其中一個因素對實驗結(jié)果進行分析。

3.1.1 不同高度

實驗中設(shè)計的高度為0.2m、1.1m，在0.2m時焊珠噴濺量沒有1.1m多，但是焊珠的能量較高。焊珠在掉落過程中，雖然部分熱量被空氣導走，造成了熱損失，但0.2m時焊珠掉落距離短，較快與可燃物接觸，與1.1m相比能量損失少，足以達到可燃物的燃點。1.1m時焊珠飛濺較遠，最遠可達5.3m但是飛濺越遠的焊珠粒徑越小，飛濺過程中能量損失越大，引燃能力下降。實驗中最遠可引燃1m遠的棉花，其他可燃物僅僅是表面炭化。

從實驗數(shù)據(jù)可知在固體燃燒過程中，外部提供熱量對引燃有極大影響。而高度的變化使得焊珠熱量散失，焊珠在空氣中停留時間越長，空氣將其熱量導走的越多，使得焊珠的引燃能力降低。而且粒徑越小的焊珠，由于自身熱量較少，掉落過程中又有散失，使得它的引燃能力大大降低?？梢姼叨鹊淖兓呛钢橐寄芰Φ挠绊懸蛩刂?。

3.1.2 不同地表導熱

熱傳導是熱量傳遞的方式之一，在固體內(nèi)部只能依靠導熱的方式傳熱，熱傳導服從傅里葉定律。在可燃物下放置不同的承載物（硬紙板、地板磚、石膏板）考察地表導熱對焊珠引燃能力的影響。棉花是實驗材料中最易被引燃的可燃物，棉花被引燃后由于硬紙板有可燃性、導熱系數(shù)小易于蓄熱的特點，它不易將焊珠的溫度導走，而且為棉花燃燒提供足夠的可燃物，能使棉花充分燃燒。實驗中30g的棉花燃燒僅剩1.33～1.66g。石膏板不可燃，雖不能提供可燃物但是其較小的導熱系數(shù)0.48W/（m·K）也為焊珠的引燃提供了保溫的效果，30g棉花與硬紙板相比多3g左右。地面由于自身溫度低而且導熱系數(shù)為0.8～1.4W/（m·K），與焊珠形成的溫差較大，較易將熱量導走30g殘余質(zhì)量7.71～9.18g。木屑被引燃后硬紙板表明會出現(xiàn)炭化和燃燒，石膏板和地面會留下輕微的炭化痕跡，石膏板較地面明顯，而且石膏板上的木屑燃燒時間較長。聚苯乙烯的滴落物會將紙板引燃，由于其本身厚度2.8cm所以石膏板和地面對其引燃影響不大。

實驗中考慮了三種不同的地面導熱，石膏板和硬紙板雖然都有一定的保溫效果，但是石膏板不可燃，對可燃物不會起到助燃作用，與地面相比他們承載的可燃物燃燒較嚴重。焊珠掉落在地面后由于地面導熱系數(shù)大，溫度低與焊珠溫差大，焊珠熱量被迅速導走，大大減低了其引燃能力。由此可看出在不同承載物情況下，承載物導熱能力越強溫度越不容易積累可燃物越不容易被引燃，承載物的燃燒性能也會對可燃物的燃燒造成影響。

3.1.3 不同堆積方式

可燃物的堆積主要是對熱量的積累有影響，減少向外的散熱。當可燃物處于導熱系數(shù)較大的表面時，可燃物堆積減少熱傳導有利于引燃，但是堆積量較大、較密實時，內(nèi)部處于無氧狀態(tài)，燃燒會停止。

相同尺寸的棉花堆放較蓬松時，表面及內(nèi)部都能與空氣接觸，被引燃后燃燒較完全。堆放較密實時，被引燃后僅表面充分燃燒內(nèi)部基本未燃燒。木屑2cm的引燃僅在表面進行，由于內(nèi)部空氣含量較少不利于燃燒，燃燒會自行熄滅?？扇嘉锏亩逊e對其被引燃性有較大的影響，在不考慮地表導熱時大量的可燃物堆積，會使可燃物內(nèi)部處于缺氧狀態(tài)，燃燒僅在表面進行。

3.1.4 不同材料

對于固體可燃物材料的燃點、熱分解溫度、自身的物理結(jié)構(gòu)都會對引燃造成影響。各種可燃物的燃點是不同的，因為可燃混合物發(fā)生氧化反應(yīng)的能力不一樣，燃燒反應(yīng)是通過斷裂分子鍵和生成中間活性分子和自由基進行的，斷裂分子鍵的能量越大，進行氧化反應(yīng)也就越難，因而自燃點也就越高。物理結(jié)構(gòu)（是指材料空間結(jié)構(gòu)及疏密程度，直接影響材料接觸氧的比表面積，在散熱條件相同的情況下，某種物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的比表面積越大，則與空氣中氧氣的接觸面積越大，反應(yīng)速率越快，越容易被引燃。）棉花較疏松，能與空氣充分接觸，更易發(fā)生燃燒反應(yīng)。聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料都有較好的保溫效果，導熱系數(shù)較小。能減少焊珠掉落后的熱量損失，更易引燃可燃物。而木屑的引燃情況與其自身的含水量有較大關(guān)系，含水量少的木屑更易被引燃。

3.1.5 環(huán)境因素

環(huán)境條件包括環(huán)境溫度、濕度、空氣流速等，溫度過低或空氣濕度過大，點火源不能使可燃物達到起火所需最低溫度，也就很難將其引燃?？諝饬魉龠^快，溫度散失的就過快，無法達到起火能量。文章考慮的外部條件為環(huán)境溫度為22～26℃，空氣濕度為35～40%，室內(nèi)無風。

3.2 實際意義

對實驗數(shù)據(jù)的分析，由于電焊熔珠的溫度高達2000℃，對可燃物的引燃能力極高，雖然在掉落過程中會存在熱量的散失、接觸地面后會因地表導熱系數(shù)的不同而使其溫度降低，但是對常見的這幾種可燃物來說，焊珠的溫度足以達到他們的燃點。

實驗中可以發(fā)現(xiàn)，可燃物一旦與足夠熱量的焊珠接觸，會較快的出現(xiàn)火焰。在火災(zāi)調(diào)查中，可以通過了解起火時間、電焊作業(yè)時間以及焊接時間、次數(shù)、焊接時周圍可燃物的位置等展開調(diào)查。實驗中在1.1m時焊珠最遠飛濺5.3m，這對焊接時的防火就提出了要求。在焊接作業(yè)時很多作業(yè)人員都會忽視防火安全。

參考文獻

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