雷心怡

楊凌示范區(qū)消防救援支隊(duì)，陜西 楊凌 712100

0 引言

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫金屬顆粒引燃可燃材料的規(guī)律進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究，但多數(shù)是將金屬顆粒加熱至一定溫度后，使其掉落至可燃承載物上，而實(shí)際短路過(guò)程是電弧將金屬熔化，短路電弧能量為迸濺熔珠提供產(chǎn)生、飛行和自身凝固所需的能量，其能量大小決定著熔珠的數(shù)目及引燃能力。因此，本文通過(guò)采集短路瞬時(shí)電壓、電流，并使用CCD相機(jī)記錄熔珠的引燃情況，通過(guò)計(jì)算短路電弧能量、熔珠引燃概率，研究短路迸濺熔珠的引燃規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 短路迸濺熔珠制備裝置

將2.5 mm2單股聚氯乙烯絕緣銅芯導(dǎo)線截成15 cm長(zhǎng)的若干段，兩端剝?nèi)? cm絕緣層，將其連接至制備裝置的兩相焊把上。被引燃物置于短路點(diǎn)正下方5 cm處，相機(jī)從被引燃物正上方垂直俯拍，記錄熔珠引燃情況，Phantom VEO640高速攝像機(jī)中軸線與短路點(diǎn)所在平面垂直，捕捉熔珠飛行過(guò)程，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

制備裝置輸出電壓為380 V±15%，輸出電流為0～300 A，輸出功率為80 kW，數(shù)據(jù)采集頻率為15 kHz，采集的數(shù)據(jù)可以電子表格和波形圖的形式輸出，本試驗(yàn)固定電流值240 A。該裝置的高數(shù)據(jù)采集頻率可以準(zhǔn)確描繪短路瞬間電流值和電壓值的變化情況，故能夠計(jì)算短路瞬間產(chǎn)生的電弧能量。將制得的熔珠分為引燃與非引燃兩類，逐一測(cè)量尺寸，并觀察其金相組織特征。

1.2 試驗(yàn)材料

為使研究結(jié)果與前人研究具有可比性，本試驗(yàn)參考美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的高溫金屬顆粒引燃試驗(yàn)，選用的被引燃物為麥克林公司制造的α-纖維素粉末(如圖2所示)，粒徑25 μm，α-纖維素是木質(zhì)素材料的最大組成部分，占比65%以上，且其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，粒徑均勻，相對(duì)于刨花、紙屑等更為復(fù)雜的材料，更適合作為被引燃物。

圖2 粒徑25 μm的α-纖維素粉

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 引燃邊界判定及引燃概率統(tǒng)計(jì)

如圖3所示，迸濺熔珠著陸后，出現(xiàn)兩種現(xiàn)象，熔珠部分熱量傳遞到可燃物表面使之發(fā)生熱分解，火焰輪廓從熔珠向外擴(kuò)展(第三幀)，表明熱解氣體從熔珠向周圍空氣擴(kuò)散，產(chǎn)生的熱解氣體與空氣混合，釋放出的熱量使混合后的可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生持續(xù)1 s以上的火焰[10]，并蔓延擴(kuò)大；而部分熔珠在與粉狀纖維素接觸后只出現(xiàn)炭化。部分引燃熔珠與非引燃熔珠宏觀形貌如圖4所示。

圖3 240 A電流條件下迸濺熔珠引燃過(guò)程

圖4 引燃與非引燃熔珠宏觀形貌

迸濺熔珠對(duì)粉狀α-纖維素的引燃情況與引燃邊界如圖5所示，藍(lán)色星號(hào)代表該熔珠引燃粉狀纖維素，綠色空心三角形代表該熔珠未引燃粉狀纖維素，紅色引燃邊界線和黑色不引燃邊界線將該圖劃分為引燃區(qū)域、可能引燃區(qū)域和不引燃區(qū)域。引燃邊界線擬合方程為：

圖5 迸濺熔珠對(duì)粉狀α-纖維素的引燃情況與引燃邊界

y=4.45-0.019x+5.2E-5x2

(1)

式(1)二次項(xiàng)系數(shù)很小，因此函數(shù)變化趨勢(shì)平緩，說(shuō)明引燃邊界線隨短路電弧能量的增大未發(fā)生較大波動(dòng)，且迸濺熔珠直徑大于3 mm時(shí)，均可引起粉狀纖維素燃燒。不引燃邊界線擬合方程為：

y=3.57-0.063x+4.3E- 4x2-8.04E-7x3

(2)

不引燃邊界線呈現(xiàn)三次函數(shù)曲線，短路電弧能量為100 J左右時(shí)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)。短路電弧能量小于100 J時(shí)，曲線呈單調(diào)遞減趨勢(shì)；應(yīng)注意的是，當(dāng)短路電弧能量在100～250 J時(shí)，曲線出現(xiàn)明顯的單調(diào)遞增趨勢(shì)，但由圖中引燃點(diǎn)和不引燃點(diǎn)分布可以看出，當(dāng)熔珠直徑小于1.0 mm時(shí)，均不能引燃粉狀纖維素。方程的R2是趨勢(shì)線擬合程度指標(biāo)，其數(shù)值大小反映趨勢(shì)線的估計(jì)值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，當(dāng)R2等于1或接近1時(shí)，其可靠性最高。式(1)和式(2)R2分別為0.99和0.95，表明該曲線擬合程度很高，趨勢(shì)線具有很高的可靠性。

為降低迸濺熔珠引燃的隨機(jī)性對(duì)分析結(jié)果的影響，將同一工況下發(fā)生明火引燃的試驗(yàn)次數(shù)(Nig)與總試驗(yàn)次數(shù)(Nnot)的比值定義為引燃概率，如式(3)所示：

百年風(fēng)雨，滄桑巨變，故宮從輝煌到離亂再到新生的路途，又何嘗不是中華民族百年起伏的投影與寫照？鳳凰涅槃，浴火重生，中華民族偉大復(fù)興的征途，將由我們寫就，讓我們昂首闊步，勇敢前行。

Pig=Nig/Nnot×100%

(3)

本試驗(yàn)將電弧能量和熔珠直徑取整進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，短路迸濺熔珠對(duì)粉狀α-纖維素的引燃概率統(tǒng)計(jì)如圖6所示。圖6中圓點(diǎn)表示熔珠直徑和電弧能量的關(guān)系。圓點(diǎn)的顏色表示Pig，即觀察到的引燃概率，對(duì)照比色卡可知各顏色所代表的引燃概率數(shù)值。因此，紅色圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)未觀察到明火引燃的試驗(yàn)條件，藍(lán)色圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)該條件下所有熔珠均可使纖維素發(fā)生持續(xù)1 s以上的明火燃燒。由圖6可知，小直徑熔珠需要更高的溫度才能引燃，這與圖5結(jié)果一致?？梢郧宄乜吹剑瑢?duì)于可能引燃區(qū)域范圍內(nèi)的熔珠而言，直徑增加1 mm對(duì)引燃情況的影響要大于電弧能量的改變。

圖6 迸濺熔珠引燃概率統(tǒng)計(jì)

不同短路電弧能量條件下各直徑迸濺熔珠數(shù)目如圖7所示。電弧能量為50～100 J時(shí)得到的熔珠最多，并向兩邊呈遞減趨勢(shì)。可引燃粉狀纖維素的熔珠多數(shù)直徑大于1 mm，電弧能量增大時(shí)，1～2 mm和2～3 mm熔珠數(shù)量明顯多于不可引燃熔珠的數(shù)量，且存在3 mm以上熔珠，直徑小于1 mm的熔珠極少。不能引燃區(qū)域0～1 mm的小熔珠數(shù)量明顯增多，且未出現(xiàn)直徑在3 mm以上的熔珠。

圖7 不同短路電弧能量條件下各直徑迸濺熔珠數(shù)量分布

2.2 不同引燃情況下熔珠金相組織特征

直徑處于1～3 mm的熔珠無(wú)法直接判斷能否引燃粉狀纖維素，需要觀察其金相組織特征，并對(duì)典型特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，進(jìn)一步區(qū)別短路迸濺熔珠。觀察可能引燃區(qū)域直徑1～3 mm引燃熔珠的金相組織特征，共154個(gè)，找出引燃熔珠的典型金相組織，如圖8所示。由圖8可知，引燃熔珠金相組織特征呈現(xiàn)出分布較均勻、晶界較粗且晶粒較大的等軸晶或晶界較細(xì)的大晶粒，存在分布均勻且較小的氣孔。對(duì)154個(gè)熔珠的金相組織特征進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1 引燃熔珠金相組織特征統(tǒng)計(jì)表

(a)電弧能量120.496 J時(shí)2.01 mm熔珠(100×)

(b)電弧能量53.621 J時(shí)2.99 mm熔珠(50×)

(c)電弧能量97.863 J時(shí)1.17 mm熔珠(200×)

(d)電弧能量117.959 J時(shí)2.97 mm熔珠(50×)圖8 引燃熔珠典型金相組織特征

觀察可能引燃區(qū)域中1～3 mm非引燃熔珠的金相組織特征，共556個(gè)，找出非引燃熔珠的典型金相組織，如圖9所示。由圖可知，非引燃熔珠金相組織以細(xì)小的胞狀晶、柱狀晶和樹(shù)枝晶為主，晶粒生長(zhǎng)較為繁密，熔珠內(nèi)部氣孔小而多，且分布均勻。另外，非引燃熔珠還存在一種旋渦狀紋理，內(nèi)部有一個(gè)較大氣孔和極少小氣孔的特征組織。對(duì)556個(gè)熔珠的金相組織特征進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

(a)電弧能量188.331 J時(shí)1.3 mm熔珠(100×)

(b)電弧能量62.946 J時(shí)1.03 mm熔珠(200×)

(c)電弧能量65.352 J時(shí)2.21 mm熔珠(100×)圖9 非引燃熔珠典型金相組織特征

表2 非引燃熔珠金相組織特征統(tǒng)計(jì)表

3 分析與討論

3.1 短路迸濺熔珠引燃粉狀α-纖維素過(guò)程分析

短路迸濺熔珠引燃模型如圖10所示。該模型是熔珠引燃粉狀α-纖維素的簡(jiǎn)化示意圖。該模型的建立基于各區(qū)域之間的邊界是絕熱和封閉這一假設(shè)，熔珠是二者進(jìn)行能量和物質(zhì)交換的唯一媒介，且本試驗(yàn)假設(shè)熔珠有一半嵌入纖維素中，這些假設(shè)保證了流體的流動(dòng)和擴(kuò)散僅在徑向發(fā)生。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)一旦蒸氣離開(kāi)固相，它就在熔珠周圍流動(dòng)，并隨熔珠表面進(jìn)入其邊界處的氣態(tài)區(qū)域。試驗(yàn)初始溫度為室溫(298 K)[19]。

圖10 短路迸濺熔珠引燃模型

假設(shè)粉狀α-纖維素是干燥的(即含水量為0%)，且體積密度恒定不變，并忽略氧化裂解反應(yīng)。當(dāng)高溫金屬顆粒嵌入纖維素中，纖維素會(huì)經(jīng)歷一個(gè)由固體燃料到揮發(fā)物的單步反應(yīng)，由于熱傳導(dǎo)的作用，近金屬顆粒表層纖維素會(huì)受熱，且隨著溫度的升高，開(kāi)始迅速進(jìn)行熱分解，并釋放出揮發(fā)物。在高溫金屬顆粒的邊界處熱分解速率最大，溫度可達(dá)500～600 K。熱分解的氣體產(chǎn)物會(huì)沿金屬顆粒表面，擴(kuò)散到顆粒鄰近區(qū)域內(nèi)的環(huán)境介質(zhì)中，與氧氣混合形成氣態(tài)可燃混合物。當(dāng)氣態(tài)可燃混合物沿著金屬熱顆粒側(cè)面流動(dòng)直至引燃時(shí)，可燃混合物就會(huì)收到額外的熱量繼續(xù)被加熱，進(jìn)而加速纖維素粉末的分解，釋放出更多可燃?xì)怏w，導(dǎo)致局部熱源附近的可燃?xì)怏w增多，如此循環(huán)，直至形成穩(wěn)定燃燒。

3.2 引燃區(qū)域分布及引燃概率變化規(guī)律分析

由圖5、圖6可知，對(duì)于直徑3 mm以上的較大熔珠而言，電弧能量的改變對(duì)引燃情況的影響微乎其微，但直徑的增減卻對(duì)引燃情況有顯著影響。這表明熔珠直徑大小是控制其發(fā)生引燃的決定性因素，而非電弧能量值。這是由于短路過(guò)程中，制備裝置所采集到的短路電弧能量主要為：(1)向所處環(huán)境散失，包括向空氣中進(jìn)行熱輻射散失和向?qū)Ь€本體熱傳導(dǎo)散失等；(2)金屬導(dǎo)線的熔化，包括由于液態(tài)金屬在導(dǎo)線線端凝聚所形成的線端熔痕與短路發(fā)生過(guò)程中不斷形成的迸濺熔珠[20]。由于散失的能量難以量化，且迸濺熔珠所獲能量有較大隨機(jī)性，難以準(zhǔn)確衡量其占總電弧能量的比例。因此，迸濺熔珠引燃能力隨電弧能量的增減，并沒(méi)有顯著變化，引燃情況主要受熔珠直徑影響。

而對(duì)于直徑2.0 mm以下的較小熔珠，由圖5可知，不燃邊界曲線呈現(xiàn)先遞減后遞增的趨勢(shì)，電弧能量小于100 J時(shí)熔珠出現(xiàn)集中分布，隨著電弧能量的增大，可引起纖維素燃燒的熔珠直徑不斷減小，說(shuō)明對(duì)于小直徑熔珠而言，電弧能量的增減對(duì)其所攜帶能量有較大影響，進(jìn)而影響熔珠的引燃能力。當(dāng)電弧能量超過(guò)100 J時(shí)，此時(shí)由于熔池能量高，易形成較大熔珠，且隨著電弧能量的增大，熔珠的直徑不斷增大，因此，曲線呈遞增趨勢(shì)。

而由圖6可知，熔珠處于可能引燃區(qū)域時(shí)，圖中概率點(diǎn)的顏色在縱向并未呈現(xiàn)顯著的規(guī)律性變化，而橫向卻可以看出明顯的規(guī)律，這同樣印證了電弧能量對(duì)引燃能力沒(méi)有明顯作用，但直徑增大可使引燃概率有明顯增大的結(jié)論。

3.3 不同短路電弧能量條件下各直徑迸濺熔珠數(shù)量變化規(guī)律分析

短路迸濺熔珠是一種高能熱顆粒，其產(chǎn)生與離子撞擊力、電場(chǎng)力、蒸氣反作用力等產(chǎn)生的軸向壓力差有關(guān)，這些軸向作用力會(huì)對(duì)熔池有拉伸作用，使熔池液面凸起[21]。凸起的熔珠要想脫離本體，必須克服表面張力束縛，當(dāng)電弧熱能和電磁收縮力給予熔珠的動(dòng)能大于表面張力時(shí)，熔珠就會(huì)從熔池表面迸出并形成迸濺熔珠。電弧能量增大，產(chǎn)生的電弧能、電場(chǎng)力及離子沖擊力等會(huì)增加，液態(tài)金屬?gòu)亩搪伏c(diǎn)迸濺時(shí)受到的作用力大，迸濺出的液態(tài)金屬體積占比會(huì)增大，凝固后形成的噴濺熔珠粒徑隨之增大，因此，熔珠的體積會(huì)增加。由于較大粒徑的迸濺熔珠噴濺時(shí)，本身需要比較高的能量，短路電弧能量主要分布在大粒徑熔珠上，這使得熔珠粒徑變大，而數(shù)量減少，故50～100 J時(shí)熔珠數(shù)量最多，且0～1 mm的小粒徑熔珠數(shù)量多于大粒徑熔珠。

3.4 不同引燃情況熔珠金相組織特征分析

對(duì)于非引燃熔珠，其接觸被引燃物后直接冷卻，呈現(xiàn)出胞狀晶、柱狀晶和樹(shù)枝晶，晶粒整體較小，且晶界細(xì)。當(dāng)熔珠可引起纖維素明火燃燒時(shí)，由于其在未凝固時(shí)受到火焰的二次加熱，金屬材料受熱后，會(huì)發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大、熔化等一系列變化過(guò)程[22]。在二次受熱過(guò)程中，晶粒之間會(huì)相互吞并長(zhǎng)大，這會(huì)直接導(dǎo)致晶界發(fā)生移動(dòng)，而晶界遷移會(huì)產(chǎn)生界面能，彎曲的晶界為降低界面能，總是向曲率中心發(fā)生移動(dòng)，進(jìn)而趨于平直化，使得原本彎曲細(xì)小的晶界逐漸向平直的趨勢(shì)發(fā)展，造成晶粒不斷長(zhǎng)大，且形狀更加規(guī)則，晶粒組織整體發(fā)生形狀改變并長(zhǎng)大，出現(xiàn)晶界較粗的等軸晶或大晶粒。

4 結(jié)論

本文研究了銅導(dǎo)線短路迸濺熔珠的引燃能力及金相組織特征。對(duì)短路電弧能量、熔珠直徑和引燃情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到引燃邊界條件和熔珠引燃概率；觀察可能引燃區(qū)域熔珠金相組織，并進(jìn)行分類，找出不同引燃情況熔珠的典型金相組織特征。研究發(fā)現(xiàn)：(1)影響短路迸濺熔珠引燃能力的決定性因素為熔珠直徑。當(dāng)被引燃物為粉狀α-纖維素時(shí)，熔珠直徑大于3 mm時(shí)，熔珠引燃概率接近100%；直徑小于1 mm時(shí)，熔珠引燃概率幾乎為0%?？赡芤紖^(qū)域分布著大量熔珠，需要通過(guò)金相組織判斷。(2)引燃迸濺熔珠的典型金相組織有四類，其中第一類(晶界較粗的等軸晶，少量小氣孔，密集的氧化物)和第三類(晶界較細(xì)的大晶粒、較粗的等軸晶，氣孔大且少)可作為認(rèn)定熔珠引燃的判據(jù)。非引燃迸濺熔珠的典型金相組織有三類，其中第一類(細(xì)小的胞狀晶、柱狀晶和樹(shù)枝晶，氣孔小而多)和第三類(粗大柱狀晶和細(xì)小等軸晶，氣孔小而多)可作為認(rèn)定熔珠未引燃的判據(jù)。