电熨斗过热故障火灾痕迹特性的研究

陈 克,朱胜利,刘振刚,邓松华

(1.公安部天津消防研究所公安部消防局天津火灾物证鉴定中心,天津,300381;2.天津大学材料学院,天津,300072)

电熨斗过热故障火灾痕迹特性的研究

陈 克1,2,朱胜利2,刘振刚1,邓松华1

(1.公安部天津消防研究所公安部消防局天津火灾物证鉴定中心,天津,300381;2.天津大学材料学院,天津,300072)

通过火灾模拟实验,研究电熨斗发生过热故障后底板的火灾痕迹特性。根据底板的温度分布,应用DTA、TG、SEM、EDS、硬度分析和金相分析等方法,系统分析、归纳、总结电熨斗底板火灾痕迹的材料性能变化规律。研究表明,过热故障电熨斗的火灾痕迹,在宏观形貌、硬度分布和显微组织特征等方面,均显著区别于火烧电熨斗的火灾痕迹。结果为火灾原因调查提供新的技术依据,可应用在火灾现场勘验,物证提取与鉴定工作中。

过热故障;火灾痕迹;电熨斗;火灾调查;物证鉴定

0 引言

电熨斗发生过热故障后具有很高的火灾危险性,能够引燃周围的可燃物,并引发严重的火灾事故[1]。准确辨识火灾现场残留电熨斗的过热故障痕迹,可有效地认定起火部位和火灾原因[2]。实际火灾原因调查工作中,电熨斗的导线熔痕一直是火灾调查人员关注的重点[3,4]。当电熨斗电源线残缺不全,或者无法找到短路等电气故障熔痕时,火灾调查人员往往因无法找到直接证据而不能科学准确地认定火灾原因,致使由火灾引发的社会矛盾和经济纠纷无法及时有效地解决。

实际工作中发现,火灾现场残留的电熨斗,底板能够形成变形或熔化等火灾痕迹,这类痕迹能够反映电熨斗的工作状态及火灾进程信息。本文通过定性模拟实验,再现电熨斗过热故障,并根据其引燃规律,研究过热故障电熨斗底板的温度分布规律。同时应用DTA、TG、SEM、EDS、硬度分析和金相分析等方法,系统分析底板熔化痕迹的材料性能变化规律。在此基础上,与火烧作用下电熨斗的火灾痕迹进行对比,归纳、总结电熨斗过热故障痕迹的特性,为公安消防进行火灾现场勘验、物证提取与鉴定等工作,提供新的技术依据。

1 实验

1.1 电熨斗过热故障火灾模拟实验

选用可调温蒸汽电熨斗为研究对象,将其温控元件改造为常接通状态。电熨斗通电工作,形成持续加热的过热故障,至电熨斗自身可燃物持续燃烧后停止通电。实验过程中,记录电熨斗过热故障至火灾全过程中电熨斗底板的变化规律。

1.2 电熨斗底板温度测量

依据文献[5],测量电熨斗正常工作时,底板的温度分布。

使用 K型热电偶,分别测量电熨斗正常工作时和过热故障后底板各部位最高温度,热电偶测量位置如图1所示。图中电熨斗底板轮廓线内加热管的黑色区域,为电熨斗加热元件直接发热部位。

1.3 电熨斗底板痕迹材料性能检测

使用岛津DTG-60差热-热重联用仪,对电熨斗底板痕迹进行热分析,升温和降温速率均为10℃·min-1。

图1 电熨斗底板温度测量示意图Fig.1 Scheme of temperature measurement

使用TH140便携式硬度计,测量电熨斗底板的布氏硬度,绘制电熨斗底板布氏硬度分布图。

分别切取图1中1#、2#、3#标记部位的电熨斗底板,制备金相样品。使用MH-6型维氏硬度计测量各金相样品中显微组织的维氏硬度,载力为300gf,保持时间为5s。使用 OL YMPUS-GX71显微镜,对电熨斗底板痕迹进行金相分析。

使用 KYKY-EM3200扫描电子显微镜,对电熨斗底板痕迹进行微观形貌分析。使用 NORAN System Six能谱仪,对电熨斗底板痕迹进行微区成分分析。

2 结果

2.1 底板温度分布

图2 电熨斗底板温度分布图Fig.2 Temperature distribution of electric iron soleplate

图2为电熨斗通电工作后,底板的温度分布图,轮廓线内颜色越深温度越高。图3为电熨斗不同发热条件下,底板各部位的最高温度变化图。图2、图3显示,电熨斗通电后,加热管发热部位对应的底板温度较高,不处于加热管直接发热区的底板下部和边源温度较低。发生过热故障后,底板温度明显升高,且不同部位温差较大,超过120℃。

图3 不同发热条件下电熨斗底板各部位最高温度Fig.3 The maximum temperature of electric iron soleplate at different heating conditions

2.2 热分析

图4为电熨斗底板的热分析图谱,其中曲线 I为差热分析(DTA)曲线,曲线 II为热重分析(TG)曲线,曲线III为温度曲线。热重分析表明,底板在整个受热过程中未发生明显的氧化。差热分析显示(见表1),底板加热过程的吸热峰与冷却过程的放热峰,峰形和转变点温度方面都表现出良好的对应关系,电熨斗底板材料熔点在565.29℃-566.22℃范围内[6]。

图4 电熨斗底板热分析图谱Fig.4 Thermal analysis curves of electric iron soleplate

表1 电熨斗底板差热分析数据T able 1 Selected values for DT A curve of electric iron soleplate

图5 过热故障电熨斗底板宏观形貌Fig.5 Macro morphology of electric iron soleplate formed by overheating failure

结合温度分布分析结果可知,电熨斗发生过热故障后,底板各部位的温度差别较大,接近加热管的底板受热温度较高,超过其熔点并发生熔化;远离加热管的底板,受热温度未达到底板材料的熔点,往往不会发生显著的形状变化。最终,底板形成延加热管布置状的熔化痕迹(见图5)。

2.3 底板硬度分布

2.3.1 布氏硬度

图6(a)为电熨斗正常使用后,底板的布氏硬度分布图。布氏硬度分部均匀,处于 HB84～HB91之间。图6(b)为电熨斗出现过热故障并起火后,底板的布氏硬度分布图。如图所示,电熨斗发生过热故障后,底板各部位的布氏硬度明显降低,而且分布形成沿底板底部至加热管顶部方向逐渐降低的分布趋势。

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

2.3.2 显微维氏硬度

表2为电熨斗底板各部位的显微维氏硬度分布表,其分布特征与布氏硬度测量结果基本相同。

表2 电熨斗底板显微维氏硬度分布表T able 2 Vickers hardness distribution of electric iron soleplate

2.4 显微特征分析

2.4.1 电子显微分析

图7(a)为正常使用电熨斗底板金相样品的二次电子图像,图7(b)为过热故障电熨斗底板金相样品的二次电子图像,图8和表3为图7(a)中矩形选区的微区成分分析结果。综合扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)的实验结果,可知电熨斗底板材质属Al-Si-Cu铸造铝合金,基体中的Fe为铸造过程中的杂质。电熨斗底板原始组织为α-Al基体上均匀分布针状Si相,电熨斗过热后Si相球化[7]。

表3 电熨斗底板EDS分析结果Table 3 EDS analysis results of electric iron soleplate

2.4.2 金相分析

正常工作状态的电熨斗,底板各部位的显微组织相同,如图9(a)所示。

电熨斗发生过热故障后,底板不同部位的显微组织不同。底板底部受热程度较低,显微组织形态未发生显著的改变,但是α-Al的晶粒尺寸增大(见图9(b)),这是由于部分Si相溶入α-Al中所致[7]。底板中部受热温度超过合金熔点,α-Al开始熔化并在较慢的冷却速度下凝固形成不规则的α-Al枝晶[7](见图9(c))。加热管顶部温度最高,受热后底板完全熔化,缓慢凝固后形成尺寸粗大的α-Al和沿Al晶界分布的 Si相,并形成大量尺寸较大的缩孔(见图 9(d))[8]。

通过显微组织分析可知,电熨斗过热后底板各部位经历了不同的受热过程,这一变化导致底板各部位最终的组织结构组织特征存在显著差异,从而使各部位的硬度不同。底板底部过热后发生晶粒粗化,导致其硬度降低。底板中部基体熔化,新生的α-Al枝晶降低了合金的强度[9],因此底板中部的硬度低于底板底部。加热管顶部完全熔化,重新凝固生成的Al-Si合金未得到任何形式的强化处理,材料本身的强度小于未完全熔化的底板[10],而且凝固时形成的缩孔降低了材料的结构强度,二者共同作用使加热管顶部的硬度最低。

图7 电熨斗底板SEM分析图像Fig.7 SEM morphology of electric iron soleplate

图8 电熨斗底板EDS图谱Fig.8 EDS spectrum of electric iron soleplate

3 讨论

金属受高温作用后会发生固态相变,导致其显微组织的形态和性能发生改变;继续受热超过熔点后开始熔化,并在随后的冷却过程中形成新的凝固组织,与其熔化前的组织形态和性能也存在很大的差异[11]。因此,根据金属的材料性能变化,可以分析金属的受热方式和受热过程。在火灾原因调查工作中,依据火灾现场的金属残留痕迹的受热方式及受热过程,能够分析某一痕迹的形成与火灾发生的时序关系和火灾蔓延方向等火灾进程信息,进而帮助指导火灾原因的认定。

实验结果表明,发生过热故障的电熨斗,底板温度分布不均匀出现局部过热现象,最终形成沿加热管布置状的局部过热熔化痕迹;且受热程度不同的部位,其硬度和显微组织特征都存在较大差异。实际火灾过程中,电熨斗引燃周围可燃物后火焰开始向周围蔓延,最初的过热熔化痕迹在火灾中得以残留。而火灾中受火烧作用的电熨斗,底板受高温作用往往形成指向火焰蔓延方向的火灾痕迹;由于各部位的受热程度基本一致,其材料性能不会出现非常明显的差异。所以,电熨斗过热故障的火灾痕迹,与火烧作用电熨斗的火灾痕迹,具有明显的区别。据此,对火灾现场的电熨斗底板痕迹进行材料性能综合分析,能够判断电熨斗痕迹的形成与火灾发生的时序关系。

这一方法可作为一种有效的技术手段,应用于有关电熨斗的火灾原因调查工作中。火灾现场勘验时,火灾调查人员可先通过宏观形貌分析和硬度分析,对火灾现场残留的电熨斗痕迹进行现场辨识,并提取有关物证送检进行实验室分析鉴定。火灾物证鉴定人员,依据电熨斗底板火灾痕迹的特征,判断电熨斗在起火前是否通电工作并发生过热故障。在此基础上,结合火灾现场的蔓延痕迹特征,最终认定电熨斗是否为引发火灾的引火源。这种方法也可在电烙铁、电饭锅、热得快等电热设备火灾中得以应用。

4 结论

(1)电熨斗通电后发生过热故障,底板温度显著升高,且不同部位的温差较大,引燃同时形成局部过热熔化痕迹,并导致其硬度和显微组织等材料性能特征的分布规律,均有别于正常使用的电熨斗及火灾中被烧的电熨斗。通过实验研究,电熨斗过热故障的火灾痕迹特性为:

图9 电熨斗底板的显微组织Fig.9 Microstructure of electric iron soleplate

①底板形成沿加热管布置状的局部过热熔化痕迹;

②底板受热程度越重的部位,布氏硬度和显微维氏硬度越低;

③底板受热程度不同的部位,显微组织特征不同。(2)通过硬度分析、热分析、电子显微分析和金相分析方法对电熨斗底板熔化痕迹进行材料性能综合分析,可以判断电熨斗底板熔化与火灾发生时序关系。该方法可作为判断电熨斗在火灾前发生过热故障的新技术手段,应用于火灾现场勘验、物证提取和鉴定等火灾原因调查工作中。

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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

陈克(1980-),男,公安部天津消防研究所,主要从事电气火灾和汽车火灾的物证鉴定和研究工作。