雷管箍低温退火后自燃烧结现象的分析

雷管箍低温退火后自燃烧结现象的分析
【摘要】雷管箍从井式回火炉出来后发现温度越来越高，有自然烧结现象发生，通过分析，找出原因，采取合理措施，改善装炉出炉时散热条件和严格控制加热过程中工件温度。

【关键词】雷管箍；自然；烧结
1 奇怪的自燃现象
当装满雷管箍的料篮从75千瓦井式回火炉里吊出时，操作者发现篮中工件的温度显然高于仪表指示的600℃再结晶退火温度。

位于料篮中央的雷管箍，温度甚至高达八百多度。

操作者企图按照惯例，等工件在篮里冷却后再取出。

但出乎意外，他们吃惊地看到，这篮已脱离热源的工件，温度并不随热量的散失而逐渐降低。

相反，温度却越来越高。

一小时后，料篮上方喷吐着火苗，像有易燃物在燃烧。

两小时后，料篮中央出现了熔化的铁水和一个直径30毫米的溶洞。

后来，温度逐渐下降。

冷至室温时，整篮雷管箍烧结成一个铁坨，当操作者把它从篮里倒出来后，他们又发现，，炽热的铁水已把蓝底一根直径22毫米的圆钢烧断了。

眼前发现的现象表明，雷管箍从600℃的炉中出来后，在空冷过程中发生了自燃，料篮中心部位温度升到1500℃以上。

2 自燃现象的分析
雷管箍出炉以后，为什么温度越来越高，它的热源在哪里？是什么物质在燃烧？
经认真的检查和分析判定，测温仪表并没失灵，炉子并未超温，工件里也没有混入其他易燃物质。

导致雷管箍烧结的原因只能来自工件本身。

分析认为，这是在特定条件下，雷管箍本身氧化放热反应，导致雷管箍自燃的结果。

雷管箍是一种小型薄壁零件，如图一所示，通常由厚度为0.25～0.35㎜的低碳钢经冲裁、拉伸加工而成。

为降低硬度，进行600℃再结晶退火。

图1 雷管箍
热力学计算结果证明，如果铁在570℃氧化放出的热量全部用来加热反应物，可以使其温度升高到摄氏三千度。

为了运算简便，低碳钢按纯铁计算，并假设铁的氧化反应全部在570℃（843K）完成。

计算分以下两步进行。

（1）计算570℃（843K）一个大气压下，反应：
3Fe+2O2（8N2）■Fe3O4（8N2）的热效应△H。

解：由基尔霍夫方程式：
△HT=■△Cp dT+△Ho
△H843=△H298+■△Cp dT
由Cp=a+b×10-3T （只取前两项）
△Cp=△a+△b×10-3T
其中△a=∑a产﹣∑a反；△b=∑b产﹣∑b反
n为参与反应的各物质的摩尔数，即反应方程式物质前面的系数。

故△H843=△H298+■△Cp dT
=△H298+△a（843﹣298）+■△b（8432-2982）×10-3
查表：△H298=-267×103cal/mol
Cp（Fe）=3.37+7.10×10﹣3T
Cp（O2）=8.27+0.26×10-3T
Cp（Fe3O4）=12.38﹢1.62×10-3T
故：△a=12.38﹣（3×3.37+2×8.27）
=﹣14.2
△b=1.62﹣（3×7.10+2×0.26）
=﹣20.2
代入式中，求得：
H843=-267×103+（-14.27）×（843-298）+■（-20.2）×（8432-2982）×10-3 =﹣281057.78cal
（2）计算铁在570℃氧化放出的热量全部用于使反应产物Fe3O4（8N2）从570℃（843K）升温，可能达到的最高温度。

为使运算简便，利用相对焓表[1]，有关数据列表如下。

分析判定，可能达到的理论计算温度T>1800K，故采用外推法进行计算。

由△H843=HT-H843
=（HT-H1800）+（H1800-H843）
∴HT-H1800=△H843-（H1800-H843）
=△H843-[（H1800-H298）-（H843-H298）]
=△H843-[﹙H1800-H298﹚-﹙H600-H298﹚-■（843-600）
把△H843=281057.78和Fe3O4、N2的相对焓值代入式中，则：
HT-H1800=281057.78-[﹙73750+8×11710﹚-﹙13060+8×2130﹚-■×﹙843-600﹚]
=171848.95cal
由于Cp1800为常数，故
HT-H1800=∑Cp×1800﹙T-1800﹚
T-1800=■
=■
=■
=1479.4158
T=1479+1800
=3279K
∴T=3006℃
在实际上，由于热量不可避免地散失，工件不可能升到这么高。

但是，在某个局部，由于散热条件差，温度可以升到足以引起工件熔化，甚至燃烧。

这已
被生产实践证明是完全可能的。

进行低温退火后的工件发生自燃烧结，是热处理工序中非常罕见的现象。

分析认为，雷管箍的自燃烧结是由于同时具备了以下四个条件才得以发生。

1）零件的比面积特别大。

雷管箍是一种壁厚仅有0.25～0.35毫米的小型零件。

它的F/V约为6～8，因而与空气接触的表面积非常之大。

资料[2]指出，固体物质的燃点都是不确定的，决定于其粉碎程度以及其他因素。

举例来说，细铁丝在火焰中加热后放在纯氧中就会迅速燃烧，但在相同条件下，直径为几毫米的一根铁棒却不会引燃。

用氢气还原法炼铁的实践还告诉我们，生成的细铁粉既使在缸里冷到100℃，取出放在空气里，也会因急剧氧化放热而自燃。

在这里，细铁丝和细铁粉之所以在一定条件下自燃，都是因为它们有着特别大的表面积。

因此，与通常的热处理件不同，雷管箍正是因为“粉碎程度”高，有着较低的燃点，当氧化放热反应达到其燃点时，就发生了自燃。

2）温度条件
室温下，雷管箍表面虽然也进行氧化放热反应，但因反应速度缓慢，放出的微量热随时散掉，工件温度不会升高。

当雷管箍在炉子里加热到一定温度时，氧化反应要快得多。

在此，举一个有趣的生产实例，说明导致雷管箍发生自燃烧结现象的临界温度。

采用550℃退火雷管箍时，炉里装了上下两篮，材质完全相同。

出炉时，没有发现两篮有明显的超温。

但两个小时后，上篮件因自燃烧结成一个铁坨，而下篮件却安然无恙。

分析认为，井式回火炉虽有风扇均温，但由于料篮较大，工件密集，透气性差，使炉温均存在着上下偏差，上部温度较高。

我们知道，570℃以上铁的氧化速度明显加快。

因此，可以判定570℃是导致雷管箍发生自燃现象的临界温度。

3）工件密集堆放
雷管箍在料篮中密集堆放，是导致自燃现象的一个重要条件。

用于退火雷管箍的料蓝尺寸比较大（Φ900×300），多次观察发现，出炉时和出炉后，靠近料蓝边缘的雷管箍由于散热条件好，温度并不高；而位于中心部位的雷管箍，在600℃退火条件下，常常超温互相粘连，出炉后如不立即分散空冷，就会产生自燃。

分析认为，雷管箍出炉后，由于氧气供应较炉内充足，氧化反应加速进行。

资料[2]在谈到自燃现象的原因时指出：“当在这一反应过程中，放出的热量不能从体系中散发出去，并因而积累起来而使反应物的温度升高到燃点时，可能会发生自燃。

”“燃烧是一种更剧烈的氧化放热反应，可以进行的足够快，而不需要再从外界获得热量。

”很显然，雷管箍正是由于密集堆放，造成料蓝中心部位热量的积累，使工件温度越来越高，以至最终自燃烧熔。

这正如煤场大堆的煤炭、造纸厂潮湿的草垛，由于通风不良，缓慢氧化所产生的热量不能散失而自燃，曾引起过许多高代价和灾难性的火灾。

4）工件的表面状态
目前乡镇企业加工的雷管箍，原料多来自大工厂的下脚料。

生产实践表明，在同样生产工艺条件下，用表面经镀锡和氧化处理的材料制作的雷管箍，不发生自燃烧结现象。

这显然与材料表面的防氧化作用有关，而表面未经这样处理的冷轧钢板制作的雷管箍，600℃退火时，每次都出现工件温度高于炉温、互相粘连的现象。

3 措施
真空退火可有效地防止小型薄壁件氧化，杜绝自燃烧结现象，但成本高。

对于价值低廉的雷管箍，我们采取以下措施，收到很好的效果。

1）装炉时，在料蓝中央加放通风孔，改善散热条件，减少热量积累。

2）严格控制加热温度和时间，随时观察炉中工件，发现工件温度偏高，立即出炉。

3）出炉后，迅速将篮中雷管箍倒出，散开空冷。

【参考文献】
[1]吉林工业大学，吉林工学院，合编.物理化学[M].1980.
[2][美]W.H内博盖尔，等.普通化学[M].张静华，等，译.1979.。