摘要: 為了評估超細（xì）粉體滅火裝置用於電火花成形機床的技術（shù）可行性（xìng），通過全尺度滅火實驗研究與計算分析，研究超細（xì）粉體滅火裝置對電火花成形機床火（huǒ）災的（de）滅火有效性，進一步提出適宜的滅火應（yīng）用方式和滅火劑設計用量計算方法。結果表（biǎo）明，超細粉（fěn）體滅火裝置可迅速、有（yǒu）效撲滅電火花成形機火災，超細粉體滅火（huǒ）劑的最低滅火用量為90g，裝置響應時間為7 ～ 24s，滅火時間為1 ～4s; 基於頂（dǐng）部敞口設計（jì）模式（shì）的（de）電火花成形機床不符合全（quán）淹沒滅火應用條件（jiàn），應采用局部滅（miè）火（huǒ）應用方式; 根據局部應用（yòng）滅火係統體（tǐ）積法設計（jì）方法，提出了超細粉體滅火裝置用於電火（huǒ）花成形機床時的滅火劑設計用量計算（suàn）方法。該研（yán）究有（yǒu）助於超細粉（fěn）體滅火裝置（zhì）的工（gōng）程設計，對電（diàn）火花成形機床的火災防護具有重要意義。
 
       關（guān）鍵詞: 超細粉（fěn）體; 滅火裝置; 電火花成形機床; 火災
 
      0 引言
 
      電火花成形機床［1 － 3］是一種利用放電腐蝕原理進行模（mó）具、零件等加（jiā）工的特（tè）種機（jī）床，目前被廣泛用於機（jī）械、宇航、輕工、汽車（chē）等行（háng）業或領域。由於電火花（huā）成形（xíng）機床加工過（guò）程中大量使用（yòng）可燃性工作液，且放電區的電火花（huā）溫（wēn）度瞬（shùn）時可（kě）達10000 ～ 12000℃，一旦（dàn）出現工（gōng）作液（yè）液麵下降、液（yè）麵放電打火等（děng）異常情況，就（jiù）會引（yǐn）燃工作液，進而引發火災。如果不采取及時有效的滅（miè）火撲救措施，就可能（néng）使價值昂貴的機床設備燒毀（huǐ），尤其是當機床（chuáng）處於全自動化作業狀態時，甚至（zhì）會導致整個加工車間或工廠發（fā）生重特大火災事故。
 
      在哈龍（lóng）滅火劑因環保問題（tí）淘（táo）汰之前，用（yòng）於電火花成（chéng）形機床（chuáng）自動滅火（huǒ）裝置的（de）滅火劑［3］主要是（shì）哈（hā）龍1211滅火劑。自哈龍1211 淘汰以後，國內外科（kē）研人員（yuán）均（jun1）在尋找合適的哈龍替代滅火劑（jì）及替代技術［4 － 6］，目前我國主要是采用二（èr）氧化碳和（hé）七氟丙（bǐng）烷滅火劑作為哈龍臨時替代物（wù）。
 
     超細粉體滅火劑［7 － 8］粒徑小、單位質量比表麵積（jī）大、活性高，具有類氣體滅火劑性質，既（jì）適用於局部滅火應用，也適用於全淹沒滅火應用。目前有關超細粉體滅火技術的研究主要針對滅火劑的配方設計、製（zhì）備工藝及應用技術［9］，也有部分研究探討了超細粉體滅火劑在不同條件下的滅火性能［10］，而針對超細粉體滅火（huǒ）技術在電火花成形（xíng）機床等電火花加工機（jī）床的應用鮮有（yǒu）研究。筆（bǐ）者（zhě）通過建立全尺寸電火花成形（xíng）機床實驗模型，開展了超細粉體滅火裝置在電火花（huā）成形機床的應用研究，分析提（tí）出了適宜的滅火應用方式及滅火劑（jì）設計用（yòng）量計（jì）算方法（fǎ），以期為探火管（guǎn）式超細粉體滅（miè）火裝置的（de）工程設計及應用（yòng）提供指導。
 
      1 、實驗
 
     1. 1 實驗裝置
  
     全尺寸（cùn）電火花成形機床實驗模型由工作（zuò）液槽、油箱、主（zhǔ）立柱、主軸頭、油盤以及（jí）超細粉體（tǐ）滅火裝置等構成。實驗在1. 3m × 0. 7m × 0. 5m 的工作液（yè）槽內（nèi）進行，在（zài）工作（zuò）液槽底部的四個角落（luò）各布置一個油盤，在（zài）工作液（yè）槽底部的中心正對主軸頭的位置並排放置（zhì）兩個油盤，油盤尺寸均為0. 34m × 0. 20m。探火管纏繞固定在實（shí）驗模型的主軸（zhóu）頭下端，正對（duì）工作（zuò）液槽中心位置（zhì）的油盤，且距油盤上沿約為0. 2m。探火管一端接末端壓力表，另一（yī）端與（yǔ）自行（háng）開發的超細粉體滅火裝置相連通，該滅火裝置主要由滅火劑儲罐、瓶頭閥（fá）、虹吸管（guǎn）、連接球閥、探火（huǒ）管、單向閥（fá）、壓力傳感器等部件組成，淨容積為0. 6L。在每個油盤正上方50 ～ 100mm 處布置一個直徑3mm 的K 型（xíng）熱電（diàn）偶，采用熱電偶和NI CDAQ9174 數據采集係統（tǒng）測量油盤溫度（dù）。采用YC － 202 型壓力傳感器和NICDAQ9174 數據采集係統（tǒng）測量滅火裝置內部及探火管末端（duān）的壓力，傳（chuán）感器測量範圍為0 ～ 1. 6MPa，測（cè）量精度為0. 2 級。使用HF S30 型攝像機拍攝滅火動態過程，使用精（jīng）度0. 1g 的電子稱稱量滅（miè）火（huǒ）劑。圖1為電火花成形（xíng）機床實驗模型示意圖。
 

                      圖（tú）1 電火花成形機床實驗模型示意/mm
   
     1. 2 實驗材料
 
     實驗采用以磷酸二氫銨為基料的超細粉體滅火劑，磷酸二氫銨含量為90%。按照GA578 － 2005《超細幹粉滅（miè）火劑》標準試驗方（fāng）法對超細粉體滅火劑的粒徑和鬆密度進行了測試（shì）分（fèn）析，結果見表1 和圖2。

                                    表1 滅火劑樣本性能

      
  
                                 圖2 超細粉體滅火劑的粒（lì）度分布
   
     電火花成形機（jī）床火災主要（yào）是工作液槽的可（kě）燃液體火災，即以煤油為基體的可燃液體火災，因此實驗燃料選擇煤油。
 
     2 、結果（guǒ）與討論
 
     2. 1 滅（miè）火實驗結果與分（fèn）析
   
     通過模擬實體電火花成形機床火災（zāi）滅火實（shí）驗，考察（chá）了探火（huǒ）管式超細粉體滅火裝置在不同滅（miè）火劑充裝量條件下的滅火效能，實驗結果詳（xiáng）見表2。其中，探火管長度（dù）為4m，裝（zhuāng）置及探火（huǒ）管內部采用（yòng）驅（qū）動氮氣充（chōng）壓，充裝壓力為1. 2MPa，並按照圖1 所示進行固定安裝（zhuāng）。實驗時，首先向各油盤內加入30mm 厚煤油，底部墊20mm 厚水，然後按照先點燃（rán）角落（luò）油盤（pán）、後點燃中心油（yóu）盤的順（shùn）序迅速引（yǐn）燃各油盤，在火焰（yàn）的作用下自動啟動（dòng）滅火裝置，實施滅火。
   
                             表（biǎo）2 不同（tóng）滅火劑（jì）充裝量下的滅火實驗結果
     

               
   
     實驗結果表明，滅火劑充裝量（liàng）對裝置滅火效（xiào）能影（yǐng）響較大（dà）。滅火（huǒ）劑（jì）充裝量越大，滅火時間（jiān）就越（yuè）短，滅火速度就越（yuè）快。當滅火劑充裝量為90 ～ 180g 時，所有滅（miè）火實驗均取得了成（chéng）功，裝置（zhì）響應時間（jiān）為7 ～24s，滅火時間為1 ～ 4s。裝置啟動後（hòu）噴射形成的滅火氣溶膠（jiāo）可迅速擴（kuò）散至工作液槽內的各個位置，並達到滅火濃度（dù），從而將油盤火完全熄滅，且繼續抑製60s 後（hòu），油（yóu）盤不發（fā）生複燃。以實驗3 為例，滅火實（shí）況如圖3，滅火過程中的溫度變化如（rú）圖4，其中，T1為中部油盤溫度，T2 ～ T4為四個角落處油盤溫度，詳見圖1，具體滅火過程分析如下:
 
     ①先點燃工作（zuò）液槽底部各角落的油盤（pán），再點燃中部油盤，火焰迅（xùn）速充滿整個（gè）工作液槽，工作液槽內部溫度迅速上升，此時開始計時;
     ②8s 時，探火管受熱爆破，滅火裝置啟動，開（kāi）始向工作液槽內噴射滅火劑，形（xíng）成氣溶膠，氣溶膠覆蓋位置的溫度開始迅速下降;
     ③11s 時，即滅火裝置啟（qǐ）動3s 後，滅火（huǒ）氣（qì）溶膠迅速充滿整個工作液槽，將火災全部撲滅，工作液槽內各處的溫度逐漸開始下降;
     ④25s 時，隨著工作液槽內部氣溶膠顆粒的逐漸沉（chén）降和飄（piāo）散，氣溶膠逐（zhú）漸變稀薄，慢慢露出油盤;
     ⑤68s 時，工作液槽內部（bù）氣（qì）溶膠（jiāo）基本完全消散，各測溫（wēn）點溫度基本都（dōu）下（xià）降至100℃以下。
  

      
  
                                      圖（tú）3 實驗3 的滅火實況
  

     
  
                             圖4 實（shí）驗3 滅火過程中溫度變（biàn）化曲線
   
    實驗（yàn）結果表明，探火管布置在電火花成形機床主軸頭下部距離（lí）工作液0. 2m 處具有技術（shù）可行（háng）性。從裝置響應時間來看，自探火管正下方油盤點（diǎn）燃開始至（zhì）探火管爆破啟動的時間主要集中在7 ～ 13s，響應（yīng）時間較短，裝置啟動（dòng）較快，基本滿足（zú）了實（shí）際應用需求; 從實際滅火過程來看，實驗中未見燃油飛濺現象，這證明探火管到（dào）工作液距離較合理。
 
    當超細粉體滅火劑充裝量（liàng）降至80g 時，則無法將電火花機床火災（zāi）撲滅，滅火實驗過程中的溫度變化如圖5。從滅火實驗過程以及溫度變化曲線（xiàn）可以看出，裝置啟動後噴射口正對工作液槽（cáo）一側的油盤火( T4和T5) ，噴射（shè）形成（chéng）的滅火氣溶膠僅（jǐn）能夠將這一側的兩個油盤火（huǒ）迅速熄滅，而無法將中部油盤火( T1) 和另一側油盤火( T2和T3) 熄滅。
 
    這主要（yào）是由於滅火劑用量太小（xiǎo），導致裝置啟動後噴射的（de）滅火氣溶膠（jiāo）僅能在噴射口正對的一側（cè）達到滅火濃度，而無法（fǎ）在全部油盤周圍或整個（gè）工作液槽（cáo）內部形（xíng）成高濃度的滅火氣（qì）溶膠（jiāo），進而導致無法全（quán）部滅（miè）火。此外，從溫度變化曲線可以看出，在滅火氣溶膠與油盤火的相互作用下，工作液槽中部油盤和另一側油（yóu）盤上方的溫升均出現下降現象。其中，位於側麵的油盤上方溫升變化最為明顯，首先是在氣溶膠的抑（yì）製作用下逐漸下降（jiàng），然後隨著氣溶膠的擴散、沉降及化學反應，油（yóu）盤上方的氣溶（róng）膠越來越稀薄，油（yóu）盤火（huǒ）又逐漸變大，溫度開始迅（xùn）速回升，為（wéi）保（bǎo）護實驗設備，在裝置啟動後約27s，采（cǎi）用手提式滅火器（qì）將剩餘油（yóu）盤火撲滅。
  

     
  
                           圖5 實驗5 滅火過程中溫度變（biàn）化曲線
   
    通過上述實驗研究表明，探（tàn）火管式超細（xì）粉體滅火裝置對於（yú）電火花成形機床火災（zāi）具有響（xiǎng）應及時、滅（miè）火迅（xùn）速、滅火效能高的特點，可將電火花機床火災撲滅在初期階段，從而極大降低火災損失。對於給定（dìng）尺寸的電火花成形機床火災實驗模型，超細粉體滅火劑的最低充裝量或臨界滅火用（yòng）量為90g。
 
    2. 2 適宜滅火應（yīng）用方式判（pàn）定
 
    目前，國內外尚未製定出超細粉體滅火係統設計規範，其工程設計基本上是參照（zhào）《幹粉滅火係統設計規範》( GB 50347 － 2004) 。依據該規範，幹粉滅火係統按照應用方式可分為全淹沒滅火係（xì）統和局部應用滅火係統。撲救封（fēng）閉空間內的火災應（yīng）采用全淹沒滅火係統，撲救具體保護對象的火災應采用局部應用滅火係統。采用全淹沒滅火係（xì）統（tǒng）的防護區，應符合規定: “係（xì）統啟動時不能自（zì）動關（guān）閉的防護區開口（kǒu），其（qí）總麵積（jī）不應大於該防護（hù）區總（zǒng）內表麵積的15%，且開口不應設（shè）在底麵”。
 
     根據調研，電火花成形機床基本都是頂部敞口設計，其防護（hù）區( 即工作液槽) 是否滿足（zú）全淹沒滅火應用條件，應根據防護區開（kāi）口麵積及總內表麵積大小進行計算判定。本文通過大量調（diào）研而建立的全尺寸電火花成形機床（chuáng）實驗模（mó）型（xíng）的工作液（yè）槽尺寸為1. 3m × 0. 7m × 0. 5m，頂部敞口設計，則防護（hù）區頂部開口麵積Aoi為1. 3 × 0. 7 = 0. 91 ( m2 ) ，總內表麵積Av為( 1. 3 × 0. 7 + 0. 7 × 0. 5 + 1. 3 × 0. 5) × 2= 3. 82 ( m2 ) ，Aoi /Av × 100% = 23. 8%，超過了15%，因此不滿足全淹沒滅火應用（yòng）條件，應采用局部滅火應用方式。
 
     2. 3 滅火劑設計用量計算方法分析（xī）
 
    根據局部應用滅火係（xì）統體積法設計方法，保護對象的計算體積V1應采用假定的（de）封閉罩（zhào）的體積，封閉罩的（de）底應是實際底麵（miàn），封（fēng）閉罩的側麵及頂部當無實際圍護結構（gòu）時，它們至保護對象的距離不應小於1. 5m。對於本文建立的（de）敞口模式的電火（huǒ）花成形機床實驗模型，其局部應用滅火係統體積法設計示意圖以及假定的封閉罩如圖6。其中，封閉罩的底為實際底麵，由於電火花成形機床（chuáng）頂部無（wú）實（shí）際圍護結構，故封閉（bì）罩（zhào）頂部至電火花成形機床上端的距離( h2) 不應小於1. 5m。
 

              圖6 體積法（fǎ）設計示意圖

                              表3 設計噴射強度計算結果

     
  
     3) 滅火劑噴射時間確定
 
    根據GB 50347 － 2004《幹粉滅火係統設計規範》，室內局部應用幹粉滅火係統的幹粉噴射時（shí）間不應小於30s。而根據實驗研究（jiū）表明，超細粉體滅火劑的噴射時間隻需要2 ～ 3s 即可成功撲滅電火花機床火災，並且（qiě）不發生（shēng）複燃。這主（zhǔ）要是因為超細粉體滅火劑粒徑小，在空氣中的懸浮時間較長，裝（zhuāng）置啟動後形成的滅火氣溶膠可以在電（diàn）火花機（jī）內進行（háng）長時
間滅（miè）火抑製，防止複燃發生，超細粉體滅火劑的（de）局部淹沒滅火性（xìng）能和抗複燃性能（néng）相對於幹粉滅火劑顯著（zhe）提高。因此，在考慮到1. 3 倍安全係數的條件下，超細粉（fěn）體滅火劑的噴射時間t 可取（qǔ）3 ～ 4s。值得注意的是，對於探火管式超細粉體滅火裝置，在滅火裝置體積、充（chōng）裝壓力等一定的情況下，裝置的有效噴射時間和噴射（shè）速率（lǜ）是相關的，且都和滅火劑充（chōng）裝量有關。實際工程設計計算（suàn）時，建議根據上述研究確定的設計噴射強度和噴射時間（jiān）分（fèn）別（bié）研究推算滅火（huǒ）劑用量，並取（qǔ）最大值（zhí）作為滅火劑設計用量。當超細粉體滅火劑主要（yào）組分和性（xìng）能（néng）與本試驗樣品差（chà）別較大時，或者裝置充裝比和充（chōng）裝壓力（lì）改變較大時，設計（jì）噴射強度qv應根據試驗重新確定。
 
    3 、結論（lùn）
 
    1) 探火管式超細粉體滅火裝置可有效撲滅電火花機火災，且具有滅（miè）火劑用量小、滅火效（xiào）能高的特點，可（kě）為電火花（huā）成（chéng）形機床提供有（yǒu）效火災防護，防止引發重大火災事故。對於（yú）給定尺寸的電火（huǒ）花成形機床火（huǒ）災實驗模型，超細粉體滅火劑的最低滅火用量為90g。
 
    2) 探火管式（shì）超細粉體滅火裝置對於電火花成形機床火災具有響應及時、滅火迅（xùn）速（sù）的特點，可將電火花機床火災撲滅在初期階段。當探火管布置在電火花成形機床主軸頭（tóu）下部距離工作液0. 2m 處時，裝置響應時間為7 ～ 24s，滅火時間為1 ～ 4s，基本滿足了實際應用需求。
 
    3) 電火花成形機床通常是頂部敞口（kǒu）設計模（mó）式，其（qí）關鍵防護區( 即（jí）工作液槽) 是否滿足全淹沒滅火應用條件，應根據頂部總開口麵積及總內表麵積大小進行計算判（pàn）定。對於實（shí）驗中給定的電火花成形機床火災實驗模型，其不符合全（quán）淹沒滅火應用條件，因此應采用局部滅火應用方式。
 
    4) 根據局（jú）部應用滅火係統體積法（fǎ）設計方法，提出了（le）探火管式超（chāo）細粉體滅火裝置（zhì）用於電（diàn）火花（huā）成形機床時的滅（miè）火劑設計用量計算（suàn）方法，為該類滅火裝置的工程設計及推廣應用奠定了基礎。