热得快火灾痕迹试验研究

2011-11-10尹义锋

体育研究与教育 2011年1期

关键词：电热丝金属管微观

尹义锋

(临汾市公安消防支队，山西临汾 041000)

热得快火灾痕迹试验研究

尹义锋

(临汾市公安消防支队，山西临汾 041000)

利用箱式电阻炉加热热得快，模拟火灾前未通电热得快经历火场高温作用，同时用热得快加热水直至将水蒸干，然后让其继续通电干烧，模拟火灾前热得快处于通电状态。分别对新热得快、正常使用一段时间的热得快、高温作用热得快及通电过热热得快从宏观形貌和微观形貌进行了比较、观察和分析，同时系统地分析了热得快金属管表面形貌特征和电热丝表面形貌特征形成的机理和主要影响因素。结果表明，不同状态下热得快金属管宏观形貌特征存在差异，但容易受到火场复杂条件的影响，不能对火灾前热得快所处的状态进行定性;不同状态下热得快电热丝在形貌特征上存在显著差异，通电过热状态下热得快电热丝表面存在均匀分布的致密附着物，同时有不规则珠状结晶，而火烧破坏电热丝表面则不存在以上情况，而且电热丝不易受到火场其他条件的影响。因而通过SEM分析技术观察热得快电热丝的微观形貌的差异，可以直观快捷地识别热得快在火灾前所处的状态，为热得快火灾残留物的鉴定提供一种新的鉴定依据和技术方法。

热得快;火灾残留物;鉴定技术

热得快由钢管、电热丝、绝缘材料、电源线以及插头组成，其加热原理是利用电流通过电热丝发热原理制成的，加热的过程实际上是电能转换成热能的过程，即电热丝把电能转换成热能后，经绝缘材料由外部金属管把热量传递到液体，从而达到加热的目的。由于热得快结构简单、方便适用、价格实惠等特点，因而被广大居民广泛运用，给人们的生活带来许多便利，但同时热得快由于工作温度高，在使用过程中稍有不慎，就有引起火灾的可能性。热得快在通电过热时表面温度可达到750℃，如果通电状态下当水烧开后忘记将其切断电源，当水被烧干后，就可以很轻易的引燃周围的可燃物，从而导致火灾，给人们的生命财产带来极大的威胁。

本文主要应用了微观形貌法，微观形貌法对微小痕迹(如弧光放电痕迹、金属喷溅痕迹、电子器件烧损痕迹)的表面形态进行分析，根据其微观形貌特征，确定其熔化性质和形成原因。在试验中通过对热得快的金属管的表面形貌特征进行比较和分析，找出不同条件下热得快表面形貌的差异;同时采用微观形貌法对热得快电热丝的微观形貌进行分析鉴定，通过对处于通电状态和未通电而被火烧的热得快电热丝微观形貌特征进行比较分析，找出不同状态下热得快的微观形貌差异，从而探讨一种快速有效的判断热得快在火灾前是否处于通电状态的新方法和依据。

1试验设备、材料及方法

1.1 试验设备

1.1.1 SRJX－4－9型箱式电阻炉额定功率:4 KW;额定电压:220 V;额定温度:950℃，采用DRZ－4电阻炉温度控制器对其控温。

1.1.2 KYKY－2800B型扫描电子显微镜(SEM) 分辨率: 6 nm(钨丝);放大倍数:15～250 000X;加速电压:0～30 KV。

1.2 试验材料

汇鑫牌钢管式热得快:额定电压:220 V;输入功率:800 W;电气强度:1 250 V;泄露电流:mA≤0.75 mA。

1.3 试验方法

1.3.1 样品的制备取两个新的热得快电热丝做为空白样本，再取两个正常使用一段时间的热得快电热丝做为比对试样。将4个热得快分别放入300℃、500℃、700℃、900℃电阻炉中加热30 min，模拟火灾前未通电热得快经历火场高温作用，再将4个热得快分别加热水直至将水蒸干，然后让其继续通电干烧10 min、20 min、30 min，模拟火灾前热得快处于通电状态，并引发火灾。

1.3.2 样品的宏观分析将所得的样品统一编号，对热得快金属管从宏观形貌上进行比较分析:(1)对四种不同状态下的热得快金属管表面形貌进行观察和分析，比较分析热得快金属管的表面形态、颜色变化及变形情况。(2)对相同状态下的热得快金属管的宏观形貌进行观察和分析，分别比较分析不同温度、不同时间下热得快金属管的表面形态、颜色变化及变形情况。

1.3.3 样品的微观分析取出热得快内部电热丝，对每个电热丝分别选取两厘米，保持其原有状态，不作清洗，使观测的原始结构和成份没有任何变化。然后将样品用导电胶固定在样品杯上，待凝固后置于样品台上，送至样品室;当样品室真空度达到指定标准后，接通探测器高压及灯丝加热电源;选择加速电压、束流、光栏及观察倍数，对样品的表面形貌进行观察分析。

2 试验结果

2.1 热得快金属管表面形貌特征

2.1.1 新热得快金属管的宏观形貌特征新热得快金属管表面光滑，呈亮白色，有金属光泽，钢管呈对称的U型，间距相同，无任何变形。

2.1.2 正常使用热得快金属管的表面形貌特征正常使用一段时间以后的热得快金属管下部表面比较粗糙，呈白色，金属管失去金属光泽，有白色水垢和氧化物附着于表面，钢管略微变形，两侧钢管拉伸向内并拢，间距不等。

2.1.3 高温作用热得快金属管的宏观形貌特征在电阻炉中经历高温作用的热得快随着温度的升高其表面呈现不同的颜色，主要是因为其在不同温度下其表面与氧气发生氧化反应，产生金属氧化物不同从而造成其在颜色上的差异，同时，在温度不同的情况下，热得快钢管呈现不同程度的变形，300℃金属管表面局部呈黄褐色，表面光滑，有金属光泽，变形较小;500℃时金属管表面整体呈黄褐色，表面有金属光泽，变形较小;700℃时金属管表面呈红褐色，表面粗糙不平，无金属光泽，金属起皮脱落，变形较大;900℃金属管表面整体呈青黑色，表面粗糙不平，无金属光泽，金属起皮脱落，变形程度最大。

2.1.4 通电过热热得快金属管的表面形貌特征在通电状态下干烧的热得快金属管表面粗糙不平，有浓厚的氧化层附着，过渡区与下部金属管界限明显，上部金属管维持原貌，而下部金属管呈红褐色，同时发生较大变形，两侧下部金属管同时向外弯曲，且间距增大。

2.2 热得快电热丝形貌特征

2.2.1 新电热丝的表面形貌特征新热得快在常温不通电情况下拆开，电热丝是原始状态，可作为空白试样。在扫描电镜下对热得快的电热丝进行观察，可以发现原始电热丝的形貌特征如下:在放大30倍的条件下观察，热得快电热丝呈规则的螺旋形;在放大1 000倍的条件下观察，可以发现电热丝表面粗糙不平，其表面附着少量绝缘材料，电热丝表面发生轻微氧化，局部存在裂纹，其表面还可以观察到特殊的纵向加工划痕。

2.2.2 正常使用一段时间电热丝表面形貌特征对正常使用一段时间的热得快电热丝进行SEM分析，可发现其微观形貌有如下特征:在放大30倍条件下观察，电热丝局部发生变形，电热丝横截面不再是圆形，电热丝的间距加大，同时发生变形呈不规则的螺旋形;将电热丝放大到1 000倍时，可以看到，电热丝表面的加工划痕变少，同时其表面变得相对平滑，表面一些部位黏附有少量熔融石英砂颗粒。

2.2.3 高温作用电热丝表面形貌特征通过将热得快放在不同的温度下的电阻炉内进行高温作用30min，然后取出其内部电热丝进行观察，可以发现以下特征:在不同温度条件下，电热丝表面纵向加工痕迹逐渐减少，电热丝表面金属裂纹随温度的升高而逐渐变少，电热丝的表面也随着温度的升高而逐渐平滑，同时在热得快电热丝的局部有少量石英砂颗粒附着。

2.2.4 通电过热热得快电热丝的表面形貌特征通电状态下用热得快将水蒸干后并继续干烧，模拟火灾前热得快处于通电状态，将其内部电热丝取出并进行SEM分析，可发现其

微观形貌存在有以下两个明显的特征:

(1)电热丝表面存在钟乳状熔融颗粒。通过扫描电镜观察可以发现:热得快电热丝表面均匀分布形状不规则呈钟乳石状的熔融石英砂颗粒，这种现象在通电干烧的几个热得快中均有体现，可以明显地区别于其他几种状态下的热得快电热丝。

(2)电热丝表面存在致密的附着物。在所有通电状态下干烧的热得快电热丝上，可以看到电热丝表面完全被致密的附着物所覆盖，其表面失去金属光泽，在附着物的表面仍有少量未熔化石英砂晶体附着，同时电热丝表面裂纹和纵向加工痕迹基本消失。

3 分析与讨论

3.1 对试验结果的分析及比较

3.1.1 热得快金属管的表面形貌特征结果比较及分析通过对热得快金属管表面形貌特征的观察与分析，可以看出金属管在不同条件下形成的表面形貌特征的差异(见表1)。

表1 四种状态下的热得快金属管的比较

(1)与原始试样相比，正常使用热得快由于长时间加热水，导致其表面附着有白色水垢，同时其表面还存在少量氧化物，使其表面变的粗糙，同时由于长时间的使用，使其金属管发生略微变形。

(2)在不同温度下，金属管在其表面上形成的颜色有明显的区别和层次。这就造成了不同温度下热得快金属管呈现不同的颜色;同时，金属管受热后发生热膨胀，在高温作用下长度伸长，出现变形痕迹。受热温度越高，其热膨胀程度越严重，变形程度越大。钢的熔点在1 430℃，而火灾现场的温度一般在900℃～1 200℃左右，因而一般热得快金属管不会熔化。

(3)通电状态下热得快，在将水烧干以后，其钢管表面在水和水蒸汽的作用下生成氢氧化铁，这是其表面呈红褐色的主要原因，同理，当处于过热状态后，金属管的表面在很短的时间内升高到700℃左右，最高温度可达到750℃，金属发生热膨胀，金属管发生变形，两侧金属管拉伸，同时向外弯曲，随着过热时间的增加，变形程度越大。

但是，仅从金属管的宏观形貌特征去判断热得快在火灾前所处的状态却比较困难，因为火灾现场情况比较复杂，使其表面形貌特征受到影响，从而难以对热得快在火灾发生之前是否处于通电状态进行定性，有一定的局限性。

3.1.2 电热丝的微观形貌特征比较及分析通过对热得快电热丝表面形貌特征的观察与分析(见表2)。可以看出电热丝在不同条件下形成的表面形貌特征的差异。

表2 四种状态下的热得快电热丝的比较

(1)原始电热丝由于加工制作的原因，其表面存在特殊的纵向加工划痕，石英砂颗粒填充于划痕之中，同时在电热丝的局部发生氧化，使其局部存在氧化层。使电热丝表面显的粗糙不平。

(2)正常使用一段时间后的热得快电热丝，由于长期使用，使金属内部组织结构发生变化，金属由于热膨胀使原本规则的螺旋形电热丝发生变形拉伸，电热丝的横截面不再是圆形，金属失去弹性形变，电热丝表面金属氧化物填充于裂纹和加工划痕之中，使裂纹和加工划痕消失，表面变的相对光滑，同时在局部存在熔融的石英砂颗粒附着。

(3)经过高温作用的热得快电热丝，由于电热丝存在于金属管之内，其周围充满石英砂，石英砂不仅可以绝缘，同时还可以有效的起到隔热的作用，因而在同样的时间之内，火烧温度不同对热得快电热丝的微观形貌有不同的影响，但受热温度不同的电热丝表面均不存在附着物，其电热丝仍然呈规则的螺旋形。

(4)通电状态下经蒸干水而继续干烧的热得快电热丝，由于电热丝表面温度很高，将其金属表面的石英砂颗粒熔融，附着于电热丝表面，使电热丝表面的金属裂纹及加工痕迹均被覆盖，整个电热丝表面被致密的熔融石英砂所覆盖，当熔融石英砂冷却以后就形成钟乳状的不规则石英砂附着层。

通过以上比较与分析，通电干烧状态下的电热丝微观形貌特征可明显区别于正常使用状态的热得快电热丝及火烧作用下热得快电热丝，同时，由于电热丝存在于热得快金属管之内，不易受火场复杂条件的影响，因而可以通过热得快电热丝的微观形貌特征来鉴定火灾前热得快所处的状态。