火場條件對剩磁的影響研究

鄧　亮，陳兵兵

(武警學院 a.消防工程系； b.研究生隊，河北 廊坊　065000)

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火場條件對剩磁的影響研究

鄧亮a，陳兵兵b

(武警學院 a.消防工程系； b.研究生隊，河北 廊坊065000)

研究了不同火場條件下，鐵磁體剩磁保持、減弱、消失等變化的規律。試驗結果表明火場高溫條件對鐵磁體的剩磁具有減弱作用，噴水冷卻、自然冷卻、放置時間對鐵磁體的剩磁不具影響性。

火災調查；電氣火災；剩磁

火災調查中，當懷疑火是由現場中導線或雷電引起而又無熔痕可作依據時，可以對導線及雷電周圍的鐵磁體進行剩磁檢測，依據剩磁的有無和大小來判定火災現場中是否出現過短路及雷電現象[1-2]。然而，火場中由于受火焰高溫、滅火時的消防射水、以及現場放置時間等影響，對鐵磁體保留的剩磁是否有消減作用，消減了多少，以及對火場剩磁檢測方法是否有影響等問題并無相關研究。本文通過模擬火場條件，研究了在火場高溫、消防射水、放置時間等條件影響下，鐵磁體剩磁保持、減弱、消失等變化的規律，為現場勘驗中如何進行剩磁檢測，獲取可靠的剩磁值提供試驗依據。

1　試驗部分

1.1試驗材料與設備

使用鋼制鋸條(300 mm×10.7 mm×1.0 mm)、鐵片(50 mm×35 mm×0.3 mm)分別作為試驗用鐵磁體，電焊機與4 mm2銅導線模擬閉合回路，箱式電阻爐用于模擬火場高溫條件，塑料噴壺用于模擬噴水冷卻條件，H-2000-2型特斯拉計(量程0～100 mT，精度為±2.5%，使用溫度為5～40 ℃)用于測量試驗中鐵磁體的剩磁值。

1.2試驗設計

1.2.1鐵磁體剩磁的制備

將電焊機與銅導線相連，構成閉合回路，調整好電焊機電壓，使通過銅導線的電流值達至試驗設定的300 A。然后分別將鋼制鋸條、鐵片與銅導線垂直交叉放置在同一水平面上，接通電焊機電源，讓電流通過銅導線，4 s后斷開電源。通過短時開關電焊機電源，模擬短路電流為300 A時，鋼制鋸條與鐵片被產生的磁場磁化。被磁化后的鋼制鋸條與鐵片靜置30 min后，用特斯拉計測量各點處的剩磁值，然后標記剩磁值為0.1、0.5、1.0 mT的位置，作為火場條件下剩磁比對的測量點。

1.2.2火場條件下的剩磁測量

火場高溫條件下的剩磁測定：將保留有剩磁的鋼制鋸條與鐵片放進箱式電阻爐中，分別加熱到100、200、300、400、500、600、700 ℃，到達指定溫度后保持10 min，待其自然冷卻后，用特斯拉計測量兩種鐵磁體標記位置處的剩磁值，重復試驗3次取平均值，觀察鐵磁體標記處剩磁值的變化。

消防射水冷卻條件下的剩磁測定：將分別加熱到100、200、300、400、500、600、700 ℃的兩種鐵磁體用噴壺均勻噴水冷卻，然后測量標記處的剩磁值。

放置不同時間的剩磁測定：將兩種鐵磁體放置在常溫、常壓環境下10天(15～23 ℃、無風、30%～40%RH)，每天測量標記處的剩磁值。

2　試驗結果與分析

2.1溫度對鐵磁體剩磁的影響

試驗結果表明，無論鐵磁體初始剩磁值大小如何，其剩磁都會隨著溫度的升高逐漸減小，直至最后消失，說明鐵磁體的高溫狀態對剩磁影響巨大。筆者認為，這主要與高溫作用下鐵磁體分子運動增強有關。高溫熱作用下的分子熱振蕩能夠破壞鐵磁體內部磁疇排列的一致性，使磁疇從有序變回到無序，從宏觀上表現為鐵磁體剩磁的減弱、甚至消失[3-4]，如圖1、圖2所示。

圖1　鋸條剩磁隨溫度變化規律

圖2　鐵片剩磁隨溫度變化規律

此外，無論是鋼制鋸條，還是鐵片，損失規律基本相同，說明鐵磁體一旦保留有剩磁，剩磁的減弱與鐵磁體的材質、形狀無關，而與鐵磁體的每個部位溫度高低有關。溫度越高，分子熱振蕩越劇烈，對磁疇的方向影響越明顯[5]，如圖3所示。

圖3　　　　鋸條與鐵片初始剩磁值為1.0 mT時

還需要注意的是，初始剩磁值為1.0 mT的鐵磁體完全消失磁性的溫度是600 ℃；初始剩磁值為0.5 mT的鐵磁體完全消失磁性的溫度是500 ℃；初始剩磁值為0.1 mT的鐵磁體完全消失磁性的溫度是400 ℃，說明初始剩磁值較高的鐵磁體完全消失磁性所需的熱能高于初始剩磁值較低的鐵磁體。而且，剩磁開始變化的溫度和剩磁完全消失的溫度并不一致。加熱至100 ℃，鐵磁體剩磁未發生任何損失。加熱至200 ℃時，剩磁初始值為1.0和0.5 mT的鐵磁體剩磁有所降低。而剩磁初始值為0.1 mT鐵磁體，加熱至300 ℃以上時剩磁才開始降低，說明要減弱鐵磁體的剩磁需要相當數量的能量，在未達到該能量級時，無法對鐵磁體內磁疇方向產生影響[6]。另一方面，0.1 mT降低到0 mT所需的熱能要大于1.0 mT降低到0.9 mT的熱能，也說明鐵磁體內各個磁疇被磁化改變方向的程度是不一樣的，一些易被磁化改變方向的磁疇，反而越能夠保持穩定的剩磁效果，越不易受外界溫度的影響[7]。

從勘驗角度分析，由于火場溫度一般在400～800 ℃之間，中心溫度甚至可達1 000 ℃以上，高溫對鐵磁體的剩磁影響較大，因此，選取測量時應盡量避免受熱較重的鐵磁體，必要時可沿導線尋找溫度較低范圍的鐵磁體進行剩磁測定。對于被高溫炙烤過的鐵磁體，即使沒有檢測到較大的剩磁值，也不能簡單地認為附近沒有大電流經過，還應綜合分析進行判斷。

2.2冷卻方式對鐵磁體剩磁的影響

取鋼制鋸條噴水冷卻與自然冷卻條件下的剩磁作對比，可以發現鋼制鋸條初始剩磁值為0.1 mT時，兩種冷卻方式下的剩磁減弱曲線完全一致。初始剩磁值為0.5 mT時，除400 ℃出現剩磁減弱差異外，其余曲線變化規律一致。初始剩磁值為1.0 mT時，除300 ℃時出現剩磁減弱差異外，其余曲線變化一致。取鐵片噴水冷卻與自然冷卻條件下的剩磁作對比，鐵片初始剩磁值為0.1 mT時，兩種冷卻方式下的剩磁減弱曲線也完全一致。初始剩磁值為0.5 mT時，除300 ℃出現差異外，其余剩磁曲線變化一致。初始剩磁值為1.0 mT時，除200 ℃時出現差異外，其余剩磁曲線變化一致，如圖4、圖5所示。

圖4　不同冷卻方式鋸條剩磁變化對比

圖5　不同冷卻方式鐵片剩磁變化對比

兩種冷卻方式主要改變的是鐵磁體受熱后，鐵磁體熱能的流失方式和速度。自然冷卻時鐵磁體慢慢把熱能傳遞到了空氣中，噴水冷卻時鐵磁體的熱能迅速傳遞給水，兩者熱能的傳導速率顯著不同。但試驗結果表明，當鐵磁體受熱溫度確定時，無論鋼制鋸條，還是鐵片，熱能的流失方式和速率對鐵磁體剩磁并無影響，鐵磁體所能達到的最高溫度決定了剩磁減弱的程度，與能量獲取或流失的方式和速度無關[7]。

2.3放置時間對鐵磁體剩磁的影響

試驗結果顯示，鐵片的剩磁在放置1天后，略有變化，此后始終保持穩定，而鋼制鋸條的剩磁在10天內也出現同樣的現象，總體上說，兩種鐵磁體的剩磁在10天內基本保持穩定，如圖6、圖7所示。結合2.1試驗中鐵磁體剩磁的減弱需要相當能量的結論，自然環境中的溫度波動顯然不足以削弱鐵磁體的剩磁，說明在沒有其他外界因素的影響下，單就時間而言，鐵磁體內部磁疇由有序向無序轉變極其緩慢，鐵磁體的剩磁基本保持不變。

而第1天中兩種鐵磁體的剩磁值略有下降，筆者認為這與鐵磁體中既存在被磁化后易改變方向的磁疇，也有不易改變方向的磁疇有關。被磁化后易改變方向的磁疇在外界磁場消失后，能保持較穩定的狀態，需要較高溫度才能對其產生影響，試驗2.1印證了此種情況。而較難改變方向的磁疇，即使受外界磁場影響改變了方向，在外界磁場消失后，也容易恢復原來的方向，宏觀上表現為一段時間后鐵磁體部分剩磁的消失，與本次試驗結果一致。

從勘驗角度來看，鐵磁體剩磁的穩定性給剩磁測量提供了較大的時限余地，但也帶來了一些問題。比如火災前某一鐵磁體附近有較大電流經過，磁化了該鐵磁體并使其保持了剩磁，由于鐵磁體剩磁的穩定性，如果之后發生火災，調查人員就會測量到該鐵磁體的剩磁，可能會誤導下一步的調查工作[8]。因此，調查時如果檢測到較大的剩磁值，還應仔細詢問此處之前是否發生過電氣故障或較大電流經過等情況。

3　結論

由以上試驗研究，可得出結論：(1)火場高溫條件對鐵磁體的剩磁具有減弱作用。初始剩磁值較高的鐵磁體，從200 ℃剩磁開始減弱，至600 ℃完全消失。對初始剩磁值較低的鐵磁體，則需較高的火場溫度才能完全消除剩磁。高溫的消磁作用，使得即使現場沒有檢測到較大的剩磁值，也不能簡單地認為沒有大電流經過，還應綜合分析判斷。(2)鐵磁體所能達到的最高溫度決定了剩磁減弱的程度，與能量獲取或流失的方式和速度無關。因此，在剩磁測定時，無需考慮消防射水對鐵磁體剩磁的影響。(3)在常溫環境中，鐵磁體的剩磁能保持相當的穩定性，不會隨放置時間的推移而發生根本改變。

[1] 錢耀民,譚世立,張建軍.淺談由電氣引發火災的技術鑒定與認定[J].消防科學與技術,2001,20(1):56-57.

[2] 胡建國.火災調查[M].北京：群眾出版社,2014.

[3] 嚴密,彭曉領.磁學基礎與磁性材料[M].杭州：浙江大學出版社，2006.

[4] 張志東.鐵磁材料的磁結構、磁疇結構和拓撲磁結構[J].物理學報,2015,64(6):067503(1-17).

[5] 劉鐵楠.低溫下鐵磁體介觀疇壁的量子動力學研究[D].長沙：中南大學,2004.

[6] 王博文.Sm-Nd-Fe磁致伸縮材料的顯微組織和磁性能研究[D].天津：河北工業大學,2013.

[7] 丁儒例.磁體與電磁[M].上海：上?？茖W技術文獻出版社,2012.

[8] 孫一飛,李少江,孫萌,等.剩磁法在一起特大火災事故中的應用[J].消防科學與技術，2006,25(5):697-699.

(責任編輯陳華)

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

鄧亮(1977—)，男，陜西臨潼人，副教授； 陳兵兵(1991—)，男，福建漳州人，在讀碩士研究生。

●火災調查

X928.7

A

1008-2077(2016)06-0085-04