热得快电热丝金相组织与受热温度时间关系的研究

 摘 要：热得快引发的火灾是电气火灾常见的一种，是火灾调查人员查明电气火灾原因的调查重点，也是火灾物证鉴定机构的研究重点。本文为考查未通电热得快电热丝经过火烧后呈现的金相规律，利用箱式电阻炉对从热得快加热管内取出的未通电电热丝进行不同受热温度和受热时间的热处理，以此来模拟不同受热条件下电热丝的状态，然后通过金相显微镜观察电热丝晶粒的形态并对观察到的金相组织进行定量处理，分析总结出电热丝的金相组织随受热温度、时间变化的规律。实验结果表明，随着受热温度的增加，电热丝的金相组织由纤维状逐步变成由粗大等轴晶组成的组织,晶粒逐渐变大，而且存在一个临界受热温度（大约800℃），当受热温度低于该温度时，电热丝晶粒变化不明显；高于该临界温度时，晶粒迅速变大。受热时间对热得快电热丝的金相组织有影响,但受热时间不是引起电热丝金相组织变化的主要因素，受热温度才是影响金相组织变化的最主要因素。该结论为今后的热得快物证技术鉴定提供了一定的参考。

关键词：热得快 ；电热丝 ；受热温度；受热时间；金相组织

Study on the Relationship between Metallographic Structure of Immersion Heater and Heating Temperature, Heating Time

Abstract: Fire triggered by immersion heater is a common kind of electrical fire, which is also the key for fire investigators to identify the cause of electrical fire. Therefore, it becomes the research focus of a fire material evidence identification institution. In this paper, the box-type resistance furnace is used to investigate the discipline presented by the non-electrified immersion heater in the fire scene after burning. By different heat treatment of heating temperature and heating time, various fire conditions of non-electrified heating wire are simulated. Heating wire grain morphology can be observed by metallographic microscopy which is quantitatively processed then .Lastly, through analysis we can sum up the discipline of the heating wire microstructure displayed with the change of heating temperature and time. Experimental analysis found that with the increasing of heating temperature, the metallographic structure of heating wire gradually transformed itself from fibrous microstructure to the structure composed of thick equiaxial crystalline grains whose size increased　as　well.　In addition，there is a critical heated temperature (about 800℃).When the heating temperature is lower than the critical temperature, the heating wire grain size variation is not obvious; above the critical temperature, changes in grain are obvious. Heating time has influence on the microstructure of heating wire, but it is the heating temperature rather than the heating time that acts as the main factor resulting in the changes of microstructure. The conclusion provides a certain reference for future material evidence technical appraisement of the immersion heater.

Keywords : immersion heater; electrical heating wire; heating temperature; heating time; metallographic structure

目录

摘 要.......................................................................................I
Abstract................................................................................. II
目 录…………………………………………………………………..Ⅲ

1前言.................................................................................................. 1
2 实验部分……………………………………………………………………….. 3
2.1 实验设备与材料………………………………………………………... 3
2.1.1 实验设备…………………………………………………………………………….. 3
2.1.2 实验材料……………………………………………………………………………...... 3
2.2 实验方法………………………………………………………………….. 3
2.2.1不同热处理过程的热得快电热丝样品制备…………………………….. 3
2.2.2金相样品的制备........................................................................... 4
2.2.3 电热丝平均晶粒直径和晶粒等级的计算方法………………………………...... 4
3 实验结果……………………………………………………………………….. 7
3.1 受热温度为700℃的热得快电热丝金相组织……………………… 7
3.2 受热温度为800℃的热得快电热丝金相组织……………………… 8
3.3受热温度为900℃的热得快电热丝金相组织………………………. 9
3.4受热温度为1000℃的热得快电热丝金相组织……………………... 9
3.5常温下热得快电热丝的金相组织……………………………….….. 10
4分析与讨论……………………………………………………………………. 12
4.1受热温度对电热丝金相组织的影响………………………………… 12
4.2受热时间对电热丝金相微观组织的影响………………………….. 13
4.3受热温度与受热时间对电热丝金相组织影响的比较……………...13
5结论…………………………………………………………………………….. 19参考文献………………………………………………………………………… 20致 谢………………………………………………………………………….…. 22

1 前言

近年来由热得快通电干烧引起的火灾时有发生，给人民的生命财产安全带来了极大的危害。在火灾调查过程中，热得快物证由于在火灾现场中容易收集，因此研究如何准确判断火灾前热得快是否处于通电干烧状态对火灾事故认定具有重要的意义。热得快是一种浸入式液体加热器，主要由套管、电热丝、绝缘材料、电源线以及插头组成。其基本构造如图1.1所示。加热套管通常由低碳钢制成，管内藏有电热丝，并充填石英砂或氧化镁粉等绝缘材料，管端用硅胶或环氧树脂等密封，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。

图1.1 钢管式热得快结构示意图
热得快在通电过热时表面温度可达到750℃，其火灾危险性有3种:
（1）由于产品质量或使用等问题"导致电源线绝缘破损或失效"造成短路"引燃周围可燃物"引发火灾；
(2)电源线与接线柱接触不良或指示部位设计不合理"导致局部发热引燃塑料瓶塞"引发火灾；
(3)由于使用问题"如长时间通电将水烧干或直接将其置于可燃物上"而引起周围可燃物燃烧"引发火灾-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。
目前鉴定热得快火灾前是否处于通电干烧状态主要有两种：一是通过扫描电镜（SEM）及能谱技术（EDS）考察“热得快”在不同条件下电热丝微观形貌或考察加热套管表面成分构成的特点，以此分析“热得快”经历不同热过程的变化机理；二是利用热得快电热丝和加热套管的金相组织在不同条件下的变化规律来判断热得快火灾中所经历的热过程[1]～[6]。未通电热得快电热丝金相组织受火场火烧温度及受热时间的影响很大，为考察不同加热条件对其的影响，本实验制作了电热丝不同受热时间、受热温度条件下的加热痕迹来模拟火场情况，并利用金相显微镜观察并获取不同热处理条件下热得快电热丝金相组织图像，再通过金相图像定性定量处理，得到电热丝金相组织晶粒形态及晶粒平均直径和晶粒等级随受热温度和受热时间的变化曲线，以此总结归纳出电热丝在不同受热温度、不同受热时间下金相组织的区别，从而得到热得快电热丝在模拟火场条件下未通电时的金相组织变化规律。

2 实验部分

2.1 实验设备与材料
2.1.1 实验设备
（1）4xcz金相显微镜，放大倍率为50x-400x：目镜倍率为10×，物镜倍率分别为5×、10×、20×、40×；
（2）P-2金相试样抛光机（抛盘直径220 mm, 转速1200r/m in)；
（3）CannonPowerShotA630 数码照相机；
（4）SRJX一4—9型箱式电阻炉；
（5）切割机。
2.1.2 实验材料
（1）亿欣阳光牌钢管式热得快：额定电压220V，功率800W；
(2)金相砂纸（400# ，600#，800#，1000#，1200#）；
(3)侵蚀剂：氯化铁盐酸水溶液（氯化铁：10g； 盐酸：100ml ；水：200ml）；
（4）氧化铝金相试样抛光粉；
（5）义齿基托树脂( 自凝牙托水),牙托粉;
（6）无水乙醇。
2.2实验方法
2.2.1不同热处理过程的热得快电热丝样品制备
利用切割机将热得快加热管进行切割，切割部位位于加热管的中部左右，切割成16段长度约为9cm的小段加热管备用，每段加热管中剪取出3条长度约2cm电热丝样品并按1-16进行分组编号，其中第16组取新的热得快电热丝用以作为空白比对试样。在SRJX-4-9型箱式电阻炉中分别对前15组热得快电热丝进行不同的热处理， 统一采用空气冷却方式进行冷却，样品制备见表2.1。

表2.1 电热丝在不同热处理下的实验
编号 受热温度 受热时间 冷却方式
1 600℃ 10min 空冷
2 600℃ 20min 空冷
3 600℃ 30min 空冷
4 700℃ 10min 空冷
5 700℃ 20min 空冷
6 700℃ 30min 空冷
7 800℃ 10min 空冷
8 800℃ 20min 空冷
9 800℃ 30min 空冷
10 900℃ 10min 空冷
11 900℃ 20min 空冷
12 900℃ 30min 空冷
13 1000℃ 10min 空冷
14 1000℃ 20min 空冷
15 1000℃ 30min 空冷
16 常温 — —
2.2.2金相样品的制备
加热试样制备完成后, 按照GB16840《电气火灾原因技术鉴定方法》中金相法的要求经过镶嵌、磨光、抛光、侵蚀四个步骤，制备出金相试样。镶嵌时，将牙脱水和牙脱粉按照体积比为1：2进行配制，再把试样放入直径为12mm的圆柱体模子，倒入配制好的浑浊粘稠液体，冷却至凝固完全后进行镶嵌，然后对镶嵌好的金相试样依次进行粗磨、细磨和抛光。细磨至电热丝的切面没有划痕为止，然后进行抛光至电热丝的切面光亮如镜。抛光完成后，用胶头滴管向电热丝磨面滴入2-4滴氯化铁盐酸水溶液，侵蚀约45s左右，再用无水乙醇清洗试样表面，待吹干后即可用金相显微镜进行观察。观察时，将吹干的样品放在金相显微镜下以50倍率或400倍率进行观察并用CannonPowerShotA630 数码照相机进行拍摄得到电热丝的金相组织图像[7]～[11]。