火场条件对剩磁的影响研究

邓　亮，陈兵兵

(武警学院 a.消防工程系； b.研究生队，河北 廊坊　065000)



火场条件对剩磁的影响研究

邓亮a，陈兵兵b

(武警学院 a.消防工程系； b.研究生队，河北 廊坊065000)

研究了不同火场条件下，铁磁体剩磁保持、减弱、消失等变化的规律。试验结果表明火场高温条件对铁磁体的剩磁具有减弱作用，喷水冷却、自然冷却、放置时间对铁磁体的剩磁不具影响性。

火灾调查；电气火灾；剩磁

火灾调查中，当怀疑火是由现场中导线或雷电引起而又无熔痕可作依据时，可以对导线及雷电周围的铁磁体进行剩磁检测，依据剩磁的有无和大小来判定火灾现场中是否出现过短路及雷电现象[1-2]。然而，火场中由于受火焰高温、灭火时的消防射水、以及现场放置时间等影响，对铁磁体保留的剩磁是否有消减作用，消减了多少，以及对火场剩磁检测方法是否有影响等问题并无相关研究。本文通过模拟火场条件，研究了在火场高温、消防射水、放置时间等条件影响下，铁磁体剩磁保持、减弱、消失等变化的规律，为现场勘验中如何进行剩磁检测，获取可靠的剩磁值提供试验依据。

1　试验部分

1.1试验材料与设备

使用钢制锯条(300 mm×10.7 mm×1.0 mm)、铁片(50 mm×35 mm×0.3 mm)分别作为试验用铁磁体，电焊机与4 mm2铜导线模拟闭合回路，箱式电阻炉用于模拟火场高温条件，塑料喷壶用于模拟喷水冷却条件，H-2000-2型特斯拉计(量程0～100 mT，精度为±2.5%，使用温度为5～40 ℃)用于测量试验中铁磁体的剩磁值。

1.2试验设计

1.2.1铁磁体剩磁的制备

将电焊机与铜导线相连，构成闭合回路，调整好电焊机电压，使通过铜导线的电流值达至试验设定的300 A。然后分别将钢制锯条、铁片与铜导线垂直交叉放置在同一水平面上，接通电焊机电源，让电流通过铜导线，4 s后断开电源。通过短时开关电焊机电源，模拟短路电流为300 A时，钢制锯条与铁片被产生的磁场磁化。被磁化后的钢制锯条与铁片静置30 min后，用特斯拉计测量各点处的剩磁值，然后标记剩磁值为0.1、0.5、1.0 mT的位置，作为火场条件下剩磁比对的测量点。

1.2.2火场条件下的剩磁测量

火场高温条件下的剩磁测定：将保留有剩磁的钢制锯条与铁片放进箱式电阻炉中，分别加热到100、200、300、400、500、600、700 ℃，到达指定温度后保持10 min，待其自然冷却后，用特斯拉计测量两种铁磁体标记位置处的剩磁值，重复试验3次取平均值，观察铁磁体标记处剩磁值的变化。

消防射水冷却条件下的剩磁测定：将分别加热到100、200、300、400、500、600、700 ℃的两种铁磁体用喷壶均匀喷水冷却，然后测量标记处的剩磁值。

放置不同时间的剩磁测定：将两种铁磁体放置在常温、常压环境下10天(15～23 ℃、无风、30%～40%RH)，每天测量标记处的剩磁值。

2　试验结果与分析

2.1温度对铁磁体剩磁的影响

试验结果表明，无论铁磁体初始剩磁值大小如何，其剩磁都会随着温度的升高逐渐减小，直至最后消失，说明铁磁体的高温状态对剩磁影响巨大。笔者认为，这主要与高温作用下铁磁体分子运动增强有关。高温热作用下的分子热振荡能够破坏铁磁体内部磁畴排列的一致性，使磁畴从有序变回到无序，从宏观上表现为铁磁体剩磁的减弱、甚至消失[3-4]，如图1、图2所示。

图1　锯条剩磁随温度变化规律

图2　铁片剩磁随温度变化规律

此外，无论是钢制锯条，还是铁片，损失规律基本相同，说明铁磁体一旦保留有剩磁，剩磁的减弱与铁磁体的材质、形状无关，而与铁磁体的每个部位温度高低有关。温度越高，分子热振荡越剧烈，对磁畴的方向影响越明显[5]，如图3所示。

图3　　　　锯条与铁片初始剩磁值为1.0 mT时

还需要注意的是，初始剩磁值为1.0 mT的铁磁体完全消失磁性的温度是600 ℃；初始剩磁值为0.5 mT的铁磁体完全消失磁性的温度是500 ℃；初始剩磁值为0.1 mT的铁磁体完全消失磁性的温度是400 ℃，说明初始剩磁值较高的铁磁体完全消失磁性所需的热能高于初始剩磁值较低的铁磁体。而且，剩磁开始变化的温度和剩磁完全消失的温度并不一致。加热至100 ℃，铁磁体剩磁未发生任何损失。加热至200 ℃时，剩磁初始值为1.0和0.5 mT的铁磁体剩磁有所降低。而剩磁初始值为0.1 mT铁磁体，加热至300 ℃以上时剩磁才开始降低，说明要减弱铁磁体的剩磁需要相当数量的能量，在未达到该能量级时，无法对铁磁体内磁畴方向产生影响[6]。另一方面，0.1 mT降低到0 mT所需的热能要大于1.0 mT降低到0.9 mT的热能，也说明铁磁体内各个磁畴被磁化改变方向的程度是不一样的，一些易被磁化改变方向的磁畴，反而越能够保持稳定的剩磁效果，越不易受外界温度的影响[7]。

从勘验角度分析，由于火场温度一般在400～800 ℃之间，中心温度甚至可达1 000 ℃以上，高温对铁磁体的剩磁影响较大，因此，选取测量时应尽量避免受热较重的铁磁体，必要时可沿导线寻找温度较低范围的铁磁体进行剩磁测定。对于被高温炙烤过的铁磁体，即使没有检测到较大的剩磁值，也不能简单地认为附近没有大电流经过，还应综合分析进行判断。

2.2冷却方式对铁磁体剩磁的影响

取钢制锯条喷水冷却与自然冷却条件下的剩磁作对比，可以发现钢制锯条初始剩磁值为0.1 mT时，两种冷却方式下的剩磁减弱曲线完全一致。初始剩磁值为0.5 mT时，除400 ℃出现剩磁减弱差异外，其余曲线变化规律一致。初始剩磁值为1.0 mT时，除300 ℃时出现剩磁减弱差异外，其余曲线变化一致。取铁片喷水冷却与自然冷却条件下的剩磁作对比，铁片初始剩磁值为0.1 mT时，两种冷却方式下的剩磁减弱曲线也完全一致。初始剩磁值为0.5 mT时，除300 ℃出现差异外，其余剩磁曲线变化一致。初始剩磁值为1.0 mT时，除200 ℃时出现差异外，其余剩磁曲线变化一致，如图4、图5所示。

图4　不同冷却方式锯条剩磁变化对比

图5　不同冷却方式铁片剩磁变化对比

两种冷却方式主要改变的是铁磁体受热后，铁磁体热能的流失方式和速度。自然冷却时铁磁体慢慢把热能传递到了空气中，喷水冷却时铁磁体的热能迅速传递给水，两者热能的传导速率显著不同。但试验结果表明，当铁磁体受热温度确定时，无论钢制锯条，还是铁片，热能的流失方式和速率对铁磁体剩磁并无影响，铁磁体所能达到的最高温度决定了剩磁减弱的程度，与能量获取或流失的方式和速度无关[7]。

2.3放置时间对铁磁体剩磁的影响

试验结果显示，铁片的剩磁在放置1天后，略有变化，此后始终保持稳定，而钢制锯条的剩磁在10天内也出现同样的现象，总体上说，两种铁磁体的剩磁在10天内基本保持稳定，如图6、图7所示。结合2.1试验中铁磁体剩磁的减弱需要相当能量的结论，自然环境中的温度波动显然不足以削弱铁磁体的剩磁，说明在没有其他外界因素的影响下，单就时间而言，铁磁体内部磁畴由有序向无序转变极其缓慢，铁磁体的剩磁基本保持不变。

而第1天中两种铁磁体的剩磁值略有下降，笔者认为这与铁磁体中既存在被磁化后易改变方向的磁畴，也有不易改变方向的磁畴有关。被磁化后易改变方向的磁畴在外界磁场消失后，能保持较稳定的状态，需要较高温度才能对其产生影响，试验2.1印证了此种情况。而较难改变方向的磁畴，即使受外界磁场影响改变了方向，在外界磁场消失后，也容易恢复原来的方向，宏观上表现为一段时间后铁磁体部分剩磁的消失，与本次试验结果一致。

从勘验角度来看，铁磁体剩磁的稳定性给剩磁测量提供了较大的时限余地，但也带来了一些问题。比如火灾前某一铁磁体附近有较大电流经过，磁化了该铁磁体并使其保持了剩磁，由于铁磁体剩磁的稳定性，如果之后发生火灾，调查人员就会测量到该铁磁体的剩磁，可能会误导下一步的调查工作[8]。因此，调查时如果检测到较大的剩磁值，还应仔细询问此处之前是否发生过电气故障或较大电流经过等情况。

3　结论

由以上试验研究，可得出结论：(1)火场高温条件对铁磁体的剩磁具有减弱作用。初始剩磁值较高的铁磁体，从200 ℃剩磁开始减弱，至600 ℃完全消失。对初始剩磁值较低的铁磁体，则需较高的火场温度才能完全消除剩磁。高温的消磁作用，使得即使现场没有检测到较大的剩磁值，也不能简单地认为没有大电流经过，还应综合分析判断。(2)铁磁体所能达到的最高温度决定了剩磁减弱的程度，与能量获取或流失的方式和速度无关。因此，在剩磁测定时，无需考虑消防射水对铁磁体剩磁的影响。(3)在常温环境中，铁磁体的剩磁能保持相当的稳定性，不会随放置时间的推移而发生根本改变。

[1] 钱耀民,谭世立,张建军.浅谈由电气引发火灾的技术鉴定与认定[J].消防科学与技术,2001,20(1):56-57.

[2] 胡建国.火灾调查[M].北京：群众出版社,2014.

[3] 严密,彭晓领.磁学基础与磁性材料[M].杭州：浙江大学出版社，2006.

[4] 张志东.铁磁材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构[J].物理学报,2015,64(6):067503(1-17).

[5] 刘铁楠.低温下铁磁体介观畴壁的量子动力学研究[D].长沙：中南大学,2004.

[6] 王博文.Sm-Nd-Fe磁致伸缩材料的显微组织和磁性能研究[D].天津：河北工业大学,2013.

[7] 丁儒例.磁体与电磁[M].上海：上海科学技术文献出版社,2012.

[8] 孙一飞,李少江,孙萌,等.剩磁法在一起特大火灾事故中的应用[J].消防科学与技术，2006,25(5):697-699.

(责任编辑陈华)

A Research on Changes of Remanence in Different Fire Conditions

DENG Lianga, CHEN Bingbingb

(a.DepartmentofFireEngineering;b.TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

In the paper, the changes of remanence in different fire conditions was studied. The results show that high temperature of a fire results in the decrease of the remanence. But spray cooling, natural cooling and storage time has had little discernible impact on remanence.

fire investigation; electric fire; remanence

2016-04-15

邓亮(1977—)，男，陕西临潼人，副教授； 陈兵兵(1991—)，男，福建漳州人，在读硕士研究生。

●火灾调查

X928.7

A

1008-2077(2016)06-0085-04