銅導線短路迸濺熔珠對粉狀α-纖維素的引燃能力

雷心怡

楊凌示范區消防救援支隊，陜西 楊凌 712100

0 引言

綜上所述，國內外學者對高溫金屬顆粒引燃可燃材料的規律進行了深入系統研究，但多數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，而實際短路過程是電弧將金屬熔化，短路電弧能量為迸濺熔珠提供產生、飛行和自身凝固所需的能量，其能量大小決定著熔珠的數目及引燃能力。因此，本文通過采集短路瞬時電壓、電流，并使用CCD相機記錄熔珠的引燃情況，通過計算短路電弧能量、熔珠引燃概率，研究短路迸濺熔珠的引燃規律。

1 試驗設計

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線截成15 cm長的若干段，兩端剝去2 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正下方5 cm處，相機從被引燃物正上方垂直俯拍，記錄熔珠引燃情況，Phantom VEO640高速攝像機中軸線與短路點所在平面垂直，捕捉熔珠飛行過程，如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖

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，數據采集頻率為15 kHz，采集的數據可以電子表格和波形圖的形式輸出，本試驗固定電流值240 A。該裝置的高數據采集頻率可以準確描繪短路瞬間電流值和電壓值的變化情況，故能夠計算短路瞬間產生的電弧能量。將制得的熔珠分為引燃與非引燃兩類，逐一測量尺寸，并觀察其金相組織特征。

1.2 試驗材料

為使研究結果與前人研究具有可比性，本試驗參考美國加州大學伯克利分校的高溫金屬顆粒引燃試驗，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-纖維素是木質素材料的最大組成部分，占比65%以上，且其化學性質穩定，粒徑均勻，相對于刨花、紙屑等更為復雜的材料，更適合作為被引燃物。

圖2 粒徑25 μm的α-纖維素粉

2 試驗結果與討論

2.1 引燃邊界判定及引燃概率統計

如圖3所示，迸濺熔珠著陸后，出現兩種現象，熔珠部分熱量傳遞到可燃物表面使之發生熱分解，火焰輪廓從熔珠向外擴展(第三幀)，表明熱解氣體從熔珠向周圍空氣擴散，產生的熱解氣體與空氣混合，釋放出的熱量使混合后的可燃氣體燃燒產生持續1 s以上的火焰[10]，并蔓延擴大；而部分熔珠在與粉狀纖維素接觸后只出現炭化。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程

圖4 引燃與非引燃熔珠宏觀形貌

迸濺熔珠對粉狀α-纖維素的引燃情況與引燃邊界如圖5所示，藍色星號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域、可能引燃區域和不引燃區域。引燃邊界線擬合方程為：

圖5 迸濺熔珠對粉狀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)二次項系數很小，因此函數變化趨勢平緩，說明引燃邊界線隨短路電弧能量的增大未發生較大波動，且迸濺熔珠直徑大于3 mm時，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)

不引燃邊界線呈現三次函數曲線，短路電弧能量為100 J左右時出現一個拐點。短路電弧能量小于100 J時，曲線呈單調遞減趨勢；應注意的是，當短路電弧能量在100～250 J時，曲線出現明顯的單調遞增趨勢，但由圖中引燃點和不引燃點分布可以看出，當熔珠直徑小于1.0 mm時，均不能引燃粉狀纖維素。方程的R2是趨勢線擬合程度指標，其數值大小反映趨勢線的估計值與對應的實際數據之間的擬合程度，當R2等于1或接近1時，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，趨勢線具有很高的可靠性。

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

百年風雨，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)

本試驗將電弧能量和熔珠直徑取整進行統計，短路迸濺熔珠對粉狀α-纖維素的引燃概率統計如圖6所示。圖6中圓點表示熔珠直徑和電弧能量的關系。圓點的顏色表示Pig，即觀察到的引燃概率，對照比色卡可知各顏色所代表的引燃概率數值。因此，紅色圓點對應未觀察到明火引燃的試驗條件，藍色圓點對應該條件下所有熔珠均可使纖維素發生持續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結果一致。可以清楚地看到，對于可能引燃區域范圍內的熔珠而言，直徑增加1 mm對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計

不同短路電弧能量條件下各直徑迸濺熔珠數目如圖7所示。電弧能量為50～100 J時得到的熔珠最多，并向兩邊呈遞減趨勢?？梢挤蹱罾w維素的熔珠多數直徑大于1 mm，電弧能量增大時，1～2 mm和2～3 mm熔珠數量明顯多于不可引燃熔珠的數量，且存在3 mm以上熔珠，直徑小于1 mm的熔珠極少。不能引燃區域0～1 mm的小熔珠數量明顯增多，且未出現直徑在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，并對典型特征進行統計分類，進一步區別短路迸濺熔珠。觀察可能引燃區域直徑1～3 mm引燃熔珠的金相組織特征，共154個，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出分布較均勻、晶界較粗且晶粒較大的等軸晶或晶界較細的大晶粒，存在分布均勻且較小的氣孔。對154個熔珠的金相組織特征進行分類統計，結果如表1所示。

表1 引燃熔珠金相組織特征統計表

(a)電弧能量120.496 J時2.01 mm熔珠(100×)

(b)電弧能量53.621 J時2.99 mm熔珠(50×)

(c)電弧能量97.863 J時1.17 mm熔珠(200×)

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

觀察可能引燃區域中1～3 mm非引燃熔珠的金相組織特征，共556個，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小的胞狀晶、柱狀晶和樹枝晶為主，晶粒生長較為繁密，熔珠內部氣孔小而多，且分布均勻。另外，非引燃熔珠還存在一種旋渦狀紋理，內部有一個較大氣孔和極少小氣孔的特征組織。對556個熔珠的金相組織特征進行分類統計，結果如表2所示。

(a)電弧能量188.331 J時1.3 mm熔珠(100×)

(b)電弧能量62.946 J時1.03 mm熔珠(200×)

(c)電弧能量65.352 J時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計表

3 分析與討論

3.1 短路迸濺熔珠引燃粉狀α-纖維素過程分析

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-纖維素的簡化示意圖。該模型的建立基于各區域之間的邊界是絕熱和封閉這一假設，熔珠是二者進行能量和物質交換的唯一媒介，且本試驗假設熔珠有一半嵌入纖維素中，這些假設保證了流體的流動和擴散僅在徑向發生。為簡單起見，假設一旦蒸氣離開固相，它就在熔珠周圍流動，并隨熔珠表面進入其邊界處的氣態區域。試驗初始溫度為室溫(298 K)[19]。

圖10 短路迸濺熔珠引燃模型

假設粉狀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。當高溫金屬顆粒嵌入纖維素中，纖維素會經歷一個由固體燃料到揮發物的單步反應，由于熱傳導的作用，近金屬顆粒表層纖維素會受熱，且隨著溫度的升高，開始迅速進行熱分解，并釋放出揮發物。在高溫金屬顆粒的邊界處熱分解速率最大，溫度可達500～600 K。熱分解的氣體產物會沿金屬顆粒表面，擴散到顆粒鄰近區域內的環境介質中，與氧氣混合形成氣態可燃混合物。當氣態可燃混合物沿著金屬熱顆粒側面流動直至引燃時，可燃混合物就會收到額外的熱量繼續被加熱，進而加速纖維素粉末的分解，釋放出更多可燃氣體，導致局部熱源附近的可燃氣體增多，如此循環，直至形成穩定燃燒。

3.2 引燃區域分布及引燃概率變化規律分析

由圖5、圖6可知，對于直徑3 mm以上的較大熔珠而言，電弧能量的改變對引燃情況的影響微乎其微，但直徑的增減卻對引燃情況有顯著影響。這表明熔珠直徑大小是控制其發生引燃的決定性因素，而非電弧能量值。這是由于短路過程中，制備裝置所采集到的短路電弧能量主要為：(1)向所處環境散失，包括向空氣中進行熱輻射散失和向導線本體熱傳導散失等；(2)金屬導線的熔化，包括由于液態金屬在導線線端凝聚所形成的線端熔痕與短路發生過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性，難以準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，并沒有顯著變化，引燃情況主要受熔珠直徑影響。

而對于直徑2.0 mm以下的較小熔珠，由圖5可知，不燃邊界曲線呈現先遞減后遞增的趨勢，電弧能量小于100 J時熔珠出現集中分布，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，說明對于小直徑熔珠而言，電弧能量的增減對其所攜帶能量有較大影響，進而影響熔珠的引燃能力。當電弧能量超過100 J時，此時由于熔池能量高，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。

而由圖6可知，熔珠處于可能引燃區域時，圖中概率點的顏色在縱向并未呈現顯著的規律性變化，而橫向卻可以看出明顯的規律，這同樣印證了電弧能量對引燃能力沒有明顯作用，但直徑增大可使引燃概率有明顯增大的結論。

3.3 不同短路電弧能量條件下各直徑迸濺熔珠數量變化規律分析

短路迸濺熔珠是一種高能熱顆粒，其產生與離子撞擊力、電場力、蒸氣反作用力等產生的軸向壓力差有關，這些軸向作用力會對熔池有拉伸作用，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，當電弧熱能和電磁收縮力給予熔珠的動能大于表面張力時，熔珠就會從熔池表面迸出并形成迸濺熔珠。電弧能量增大，產生的電弧能、電場力及離子沖擊力等會增加，液態金屬從短路點迸濺時受到的作用力大，迸濺出的液態金屬體積占比會增大，凝固后形成的噴濺熔珠粒徑隨之增大，因此，熔珠的體積會增加。由于較大粒徑的迸濺熔珠噴濺時，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，而數量減少，故50～100 J時熔珠數量最多，且0～1 mm的小粒徑熔珠數量多于大粒徑熔珠。

3.4 不同引燃情況熔珠金相組織特征分析

對于非引燃熔珠，其接觸被引燃物后直接冷卻，呈現出胞狀晶、柱狀晶和樹枝晶，晶粒整體較小，且晶界細。當熔珠可引起纖維素明火燃燒時，由于其在未凝固時受到火焰的二次加熱，金屬材料受熱后，會發生回復、再結晶、晶粒長大、熔化等一系列變化過程[22]。在二次受熱過程中，晶粒之間會相互吞并長大，這會直接導致晶界發生移動，而晶界遷移會產生界面能，彎曲的晶界為降低界面能，總是向曲率中心發生移動，進而趨于平直化，使得原本彎曲細小的晶界逐漸向平直的趨勢發展，造成晶粒不斷長大，且形狀更加規則，晶粒組織整體發生形狀改變并長大，出現晶界較粗的等軸晶或大晶粒。

4 結論

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