電焊熔珠引燃能力的實驗研究

陳亞青

摘 要：文章以電焊熔珠引燃能力為研究內(nèi)容，分別從高度、堆積方式、地表導(dǎo)熱情況觀察電焊產(chǎn)生的噴濺熔珠對棉花、木屑、聚苯乙烯泡沫塑料板和聚氨酯泡沫塑料板的引燃特征，分析引燃能力。實驗結(jié)果表明：焊珠掉落高度越高，在空氣中的熱損失大，對可燃物的引燃能力越弱；可燃物堆積越密實與空氣接觸面積越小，持續(xù)燃燒越困難；焊珠飛濺的距離越遠，粒徑越小，能量越低，引燃能力越弱。

關(guān)鍵詞：可燃物；引燃能力；電焊熔珠

在焊接作業(yè)過程中，電焊易產(chǎn)生高溫噴濺熔珠、電弧和火花等，具有很大的火災(zāi)危險性。研究發(fā)現(xiàn)電焊作業(yè)時，電弧溫度可達3000～6000℃，熔渣溫度高達2000℃，飛濺火花、熔融金屬和熔渣等高溫熔珠極易引燃可燃物引發(fā)火災(zāi)[1]。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與材料

儀器與器材：電焊機；電子天平（ES-1000E型，1000g/0.1g）；三角鐵架；米尺；游標卡尺；溫濕計；秒表。

實驗材料：焊條若干（碳鋼焊條3.23×50mm）；棉布（新疆純棉）；木屑；聚苯乙烯泡沫塑料板；聚氨酯泡沫塑料板。

1.2 實驗過程

實驗方法：如圖1所示連接好實驗裝置。開啟電焊機，用焊條點觸三角鐵豎立面，使產(chǎn)生的電焊熔珠落于可燃固體表面。記錄被引燃時點焊次數(shù)、火焰持續(xù)時間、表面炭化燃燒情況等。

2 實驗過程

2.1 電焊熔珠對棉花引燃能力測試

高度為0.2m和1.1m在相同實驗條件下改變實驗材料的堆積即分別稱取30g、60g的棉花?？紤]到導(dǎo)熱對引燃的影響，所以采用三種不同的承載物（硬紙板、地面、石膏板）進行實驗。

1.1m高60g棉花在硬紙板上引燃時焊接的次數(shù)較30g多3～4次，燒毀后質(zhì)量38.98～42.34g，燃燒時間95～123s，棉花擺放較密集，棉花下的硬紙板邊緣處燃燒，中心由于棉花基本未燒損硬紙板也未變化且燒毀程度沒有30g嚴重。0.2m同一堆積情況燒毀程度與1.1m基本一致。但0.2m焊珠較集中，焊珠的能量較高（如圖2）。

1.1m地面30g棉花引燃時焊接次數(shù)5～7次，燒毀后質(zhì)量7.71～9.18g，火焰持續(xù)時間39～51s，棉花擺放較疏松，地面留下火焰 過的痕跡。但是棉花燃燒明火熄滅后，還有持續(xù)的火星，火星最長可以持續(xù)存在10分鐘左右，如果燃燒條件具備有復(fù)燃的可能。

1.1m處石膏板上60g棉花引燃時焊接次數(shù)5～7次，燒毀后質(zhì)量48.03～51.80g，燃燒持續(xù)時間32～48s，石膏板未發(fā)生燃燒，邊緣有烘烤痕跡。0.2m的引燃情況與1.1m基本一致。0.2m石膏板上的燃燒痕跡較1.1m明顯。1m遠堆放棉花也被引燃，與地面相比被引燃程度較容易。

2.2 電焊熔珠對木屑引燃能力測試

1.1m處硬紙板上2cm木屑引燃時焊接的次數(shù)31～50次，火焰持續(xù)時間39～65s，被點燃部位硬紙板沒有炭化痕跡。焊珠從0.2m、1.1m掉落在硬紙板上都不同程度的將木屑引燃，0.2m時平均焊接較1m少10次左右就會被引燃，燃燒時間基本相同。木屑被引燃的部位大都在焊珠掉落20cm范圍內(nèi)，因為這一范圍內(nèi)掉落的焊珠粒徑為6.48～3.19mm，能量較大，焊珠數(shù)量較多。飛濺較遠距離的焊珠粒徑為3.06～1.2mm，能量較小，數(shù)量較少。（如圖3）

焊珠從0.2m、1.1m掉落在地面上都不同程度的將木屑引燃。0.2m時焊接次數(shù)比1.1m少5次左右將木屑引燃，燃燒時間基本相同。由于地面溫度較低熱量不易積累，需要更多能量的焊珠才能引燃木屑。熱量較小的不易引燃，有的即使引燃1s后又自行熄滅。

焊珠從0.2m、1.1m掉落在石膏板上都不同程度的將木屑引燃。0.2m時焊接次數(shù)比1.1m少5次左右就會將木屑引燃，燃燒時間基本相同。小粒徑的焊珠本身熱量較小，在掉落過程中熱量又有損失，使其引燃能力下降。由于石膏板具有防火保溫的作用，在1cm厚度的木屑被引燃處可以看到輕微的石膏板炭化痕跡如圖3.14。2cm厚度的木屑石膏板上沒有炭化痕跡。木屑自身含水量較多，局部著火以后，由于燃燒所需的熱量多，火焰持續(xù)的時間與其他幾種材料相比較短。

2.3 電焊熔珠對聚苯乙烯泡沫塑料引燃能力測試

聚苯乙烯泡沫塑料在0.2m、1.1m的實驗條件下都較易被引燃，0.2m焊接10次左右就會引燃。由于泡沫板自身2.8cm的厚度，承載物硬紙板、地面、石膏板在導(dǎo)熱上對它的引燃基本沒有影響，由于硬紙板的可燃性，滴落物掉在其表面會將硬紙板引燃，地面和石膏板表面滴落物燃盡后自行熄滅。

聚苯乙烯泡沫塑料板很容易被焊珠引燃，在焊珠溫度足以達到他的燃點時它會迅速燃燒，燃燒過程中形成熔融滴落物，（如圖4）火焰蔓延速度很快而且冒出很濃的黑煙，放出刺鼻的味道。由于火勢較猛烈而且產(chǎn)生黑煙及有毒氣體，燃燒20s后人為將其撲滅。溫度較低的焊珠掉落在聚苯乙烯泡沫塑料板上會將泡沫板燒洞，焊珠直接貫穿2.8cm厚的泡沫板。

2.4 電焊熔珠對聚氨酯泡沫塑料引燃能力測試

聚氨酯泡沫塑料在高度為0.2m、1.1m都較易被引燃，0.2m焊接15次左右就會引燃而且引燃后燃燒更迅猛。由于泡沫板自身有5cm的厚度，所以承載物硬紙板、地板、石膏板對它的引燃基本沒有影響。在實驗中采用了未添加阻燃劑的聚氨酯泡沫，其被引燃能力極強，焊接5次就迅速出現(xiàn)火焰，蔓延很快，而且冒出濃密的黑煙并伴有刺鼻的味道。與添加阻燃劑的相比危險性更大。

聚氨酯泡沫塑料板被焊珠引燃后，火焰蔓延速度很快而且冒出很濃的黑煙，放出刺鼻的味道。燒毀后炭化嚴重，由于聚氨酯泡沫屬于熱固性塑料。它燃燒后并不容易像聚苯乙烯泡沫塑料一樣出現(xiàn)流淌滴落的現(xiàn)象。由于火勢較猛烈而且產(chǎn)生黑煙及有毒氣體，燃燒20s后人為將其撲滅。當(dāng)能量不足以引燃時焊珠掉落在聚氨酯泡沫塑料板上會將泡沫板燒洞。能量較小的焊珠對其表面的燒損情況不及聚苯乙烯泡沫塑料。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 電焊熔珠引燃能力分析

實驗中從材料、堆積方式、地表導(dǎo)熱、高度對電焊熔珠的引燃能力進行研究，運用控制變量法，改變其中一個因素對實驗結(jié)果進行分析。

3.1.1 不同高度

實驗中設(shè)計的高度為0.2m、1.1m，在0.2m時焊珠噴濺量沒有1.1m多，但是焊珠的能量較高。焊珠在掉落過程中，雖然部分熱量被空氣導(dǎo)走，造成了熱損失，但0.2m時焊珠掉落距離短，較快與可燃物接觸，與1.1m相比能量損失少，足以達到可燃物的燃點。1.1m時焊珠飛濺較遠，最遠可達5.3m但是飛濺越遠的焊珠粒徑越小，飛濺過程中能量損失越大，引燃能力下降。實驗中最遠可引燃1m遠的棉花，其他可燃物僅僅是表面炭化。

從實驗數(shù)據(jù)可知在固體燃燒過程中，外部提供熱量對引燃有極大影響。而高度的變化使得焊珠熱量散失，焊珠在空氣中停留時間越長，空氣將其熱量導(dǎo)走的越多，使得焊珠的引燃能力降低。而且粒徑越小的焊珠，由于自身熱量較少，掉落過程中又有散失，使得它的引燃能力大大降低?？梢姼叨鹊淖兓呛钢橐寄芰Φ挠绊懸蛩刂?。

3.1.2 不同地表導(dǎo)熱

熱傳導(dǎo)是熱量傳遞的方式之一，在固體內(nèi)部只能依靠導(dǎo)熱的方式傳熱，熱傳導(dǎo)服從傅里葉定律。在可燃物下放置不同的承載物（硬紙板、地板磚、石膏板）考察地表導(dǎo)熱對焊珠引燃能力的影響。棉花是實驗材料中最易被引燃的可燃物，棉花被引燃后由于硬紙板有可燃性、導(dǎo)熱系數(shù)小易于蓄熱的特點，它不易將焊珠的溫度導(dǎo)走，而且為棉花燃燒提供足夠的可燃物，能使棉花充分燃燒。實驗中30g的棉花燃燒僅剩1.33～1.66g。石膏板不可燃，雖不能提供可燃物但是其較小的導(dǎo)熱系數(shù)0.48W/（m·K）也為焊珠的引燃提供了保溫的效果，30g棉花與硬紙板相比多3g左右。地面由于自身溫度低而且導(dǎo)熱系數(shù)為0.8～1.4W/（m·K），與焊珠形成的溫差較大，較易將熱量導(dǎo)走30g殘余質(zhì)量7.71～9.18g。木屑被引燃后硬紙板表明會出現(xiàn)炭化和燃燒，石膏板和地面會留下輕微的炭化痕跡，石膏板較地面明顯，而且石膏板上的木屑燃燒時間較長。聚苯乙烯的滴落物會將紙板引燃，由于其本身厚度2.8cm所以石膏板和地面對其引燃影響不大。

實驗中考慮了三種不同的地面導(dǎo)熱，石膏板和硬紙板雖然都有一定的保溫效果，但是石膏板不可燃，對可燃物不會起到助燃作用，與地面相比他們承載的可燃物燃燒較嚴重。焊珠掉落在地面后由于地面導(dǎo)熱系數(shù)大，溫度低與焊珠溫差大，焊珠熱量被迅速導(dǎo)走，大大減低了其引燃能力。由此可看出在不同承載物情況下，承載物導(dǎo)熱能力越強溫度越不容易積累可燃物越不容易被引燃，承載物的燃燒性能也會對可燃物的燃燒造成影響。

3.1.3 不同堆積方式

可燃物的堆積主要是對熱量的積累有影響，減少向外的散熱。當(dāng)可燃物處于導(dǎo)熱系數(shù)較大的表面時，可燃物堆積減少熱傳導(dǎo)有利于引燃，但是堆積量較大、較密實時，內(nèi)部處于無氧狀態(tài)，燃燒會停止。

相同尺寸的棉花堆放較蓬松時，表面及內(nèi)部都能與空氣接觸，被引燃后燃燒較完全。堆放較密實時，被引燃后僅表面充分燃燒內(nèi)部基本未燃燒。木屑2cm的引燃僅在表面進行，由于內(nèi)部空氣含量較少不利于燃燒，燃燒會自行熄滅?？扇嘉锏亩逊e對其被引燃性有較大的影響，在不考慮地表導(dǎo)熱時大量的可燃物堆積，會使可燃物內(nèi)部處于缺氧狀態(tài)，燃燒僅在表面進行。

3.1.4 不同材料

對于固體可燃物材料的燃點、熱分解溫度、自身的物理結(jié)構(gòu)都會對引燃造成影響。各種可燃物的燃點是不同的，因為可燃混合物發(fā)生氧化反應(yīng)的能力不一樣，燃燒反應(yīng)是通過斷裂分子鍵和生成中間活性分子和自由基進行的，斷裂分子鍵的能量越大，進行氧化反應(yīng)也就越難，因而自燃點也就越高。物理結(jié)構(gòu)（是指材料空間結(jié)構(gòu)及疏密程度，直接影響材料接觸氧的比表面積，在散熱條件相同的情況下，某種物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的比表面積越大，則與空氣中氧氣的接觸面積越大，反應(yīng)速率越快，越容易被引燃。）棉花較疏松，能與空氣充分接觸，更易發(fā)生燃燒反應(yīng)。聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料都有較好的保溫效果，導(dǎo)熱系數(shù)較小。能減少焊珠掉落后的熱量損失，更易引燃可燃物。而木屑的引燃情況與其自身的含水量有較大關(guān)系，含水量少的木屑更易被引燃。

3.1.5 環(huán)境因素

環(huán)境條件包括環(huán)境溫度、濕度、空氣流速等，溫度過低或空氣濕度過大，點火源不能使可燃物達到起火所需最低溫度，也就很難將其引燃?？諝饬魉龠^快，溫度散失的就過快，無法達到起火能量。文章考慮的外部條件為環(huán)境溫度為22～26℃，空氣濕度為35～40%，室內(nèi)無風(fēng)。

3.2 實際意義

對實驗數(shù)據(jù)的分析，由于電焊熔珠的溫度高達2000℃，對可燃物的引燃能力極高，雖然在掉落過程中會存在熱量的散失、接觸地面后會因地表導(dǎo)熱系數(shù)的不同而使其溫度降低，但是對常見的這幾種可燃物來說，焊珠的溫度足以達到他們的燃點。

實驗中可以發(fā)現(xiàn)，可燃物一旦與足夠熱量的焊珠接觸，會較快的出現(xiàn)火焰。在火災(zāi)調(diào)查中，可以通過了解起火時間、電焊作業(yè)時間以及焊接時間、次數(shù)、焊接時周圍可燃物的位置等展開調(diào)查。實驗中在1.1m時焊珠最遠飛濺5.3m，這對焊接時的防火就提出了要求。在焊接作業(yè)時很多作業(yè)人員都會忽視防火安全。

參考文獻

[1]盧志剛，陳偉紅.電焊熔珠對棉布和聚氨酯泡沫的引燃能力研究[J].火災(zāi)科學(xué)，2009，19（1）：63-67.

[2]肖純棟，張晨杰，謝啟源.香煙頭引燃不同密度的聚氨酯泡沫實驗研究[J].建筑安全，2011，（3）：54-55.

[3]郭鐵男.中國消防手冊[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2006：129.

[4]蔣慧靈.高溫物體引燃能力的分析[J].消防科技，1998：24-25.

[5]趙增昌，于春華.白熾燈對棉質(zhì)材料的引燃性能研究[J].武警學(xué)院學(xué)報，2009（6）：17-20.