冷凝燃氣鍋爐用鋁合金鑄件力學性能分析

張翀宇，李隆駿，馬剛，盧沛

（臺州市特種設備監督檢驗中心，浙江 臺州 318000）

傳統鍋爐中，排煙溫度一般在160～250℃，煙氣中的水蒸汽仍處于過熱狀態，不可能凝結成液態的水而放出汽化潛熱，因此，傳統鍋爐熱效率一般只能達到87%～91%，而冷凝燃氣鍋爐用低溫水將鍋爐的排煙溫度降到煙氣冷凝溫度以下，使煙氣中呈過熱狀態的水蒸氣凝結成水，放出汽化潛熱，把這一部分的熱量回收仍利用于鍋爐。冷凝燃氣鍋爐能夠把排煙溫度降低到50～70℃，充分回收了煙氣中的顯熱和水蒸汽的凝結潛熱，熱效率達到97%以上，最高可達109%。

1 冷凝燃氣鍋爐與傳統鍋爐相比主要的優勢

（1）環保。普通燃氣熱水鍋爐采用大氣式燃燒的方式，造成混合氣體中的過?？諝庀禂灯?，在高溫條件下反應生成氮氧化物，造成大氣污染。冷凝熱水鍋爐采用全預混燃燒器，它會將燃料和空氣進行充分混合后再點火燃燒，這就減少了混合氣體中的過剩空氣量，從而減少了氮氧化物的生成量，提高了鍋爐的環保性能。

（2）高效節能。我們知道鍋爐的主要熱損失為排煙熱損失，普通燃氣鍋爐的排煙溫度不低于110℃，冷凝鍋爐通過降低鍋爐的排煙溫度為55℃左右，不僅吸收了煙氣中的顯熱，同時吸收了天然氣燃燒產物汽化水的潛熱，使得冷凝鍋爐比普通燃氣鍋爐的熱效率提高了15%左右。

（3）安全性能高。冷凝式熱水鍋爐具有多項保護功能，即過熱保護、點火前預清掃系統、風機停轉安全保護等，在發生了異常情況之后，系統會自動停止運轉。

（4）冷凝式燃氣鍋爐體積小、噪聲低、大流量、小揚程、可實行需求多臺并聯。

冷凝技術的核心就是減少了燃料燃燒的熱損失，高效地吸收了燃料產生的熱能，同時由于煙氣冷凝將煙氣中的有害物質收集到冷凝水中，減少了酸性物質及其他污染物向空氣中排放。目前，冷凝式鍋爐在國外應用已相當廣泛，而國內的市場也正在飛速發展中。

2 鋁硅鎂合金材料

全預混冷凝鍋爐的排煙溫度可以控制在50℃左右，此時煙氣中會產生大量的冷凝水，這對鍋爐材料的耐腐蝕性有很高的要求。目前用于制造全預混冷凝鍋爐的材料主要有鋁硅鎂合金和不銹鋼2 種，二者都有良好的耐腐蝕性，相對于不銹鋼材料，鋁硅鎂合金具有更大的優勢。首先鋁硅鎂合金主要材料為鋁，不銹鋼主要材料為鐵，鋁比鐵的重量要輕，所以鋁硅鎂合金的冷凝鍋爐重量比不銹鋼冷凝鍋爐重量要輕；其次，鋁的導熱性是鋼導熱性的7～10 倍，因此鋁硅鎂合金冷凝鍋爐能夠更快把熱量傳遞給水；硅又保證了很強的耐腐蝕性。輕型及耐用的鋁硅鎂合金材料降低了鍋爐的重量，提高了鍋爐的使用壽命。鋁硅(Al-Si)合金，一般Si 的質量分數為4%～22%。由于Al-Si 合金具有優良的鑄造性能，如流動性好、氣密性好、收縮率小和熱烈傾向小，經過變質和熱處理后，具有良好的力學性能、物理性能、耐腐蝕性能和中等的機加工性能，是鑄造鋁合金中品種最多、用途最廣的一類合金。本文以冷凝燃氣鑄鋁熱水鍋爐專用的EN AC-43000 材料為對象重點研究鑄鋁材料的力學性能。

冷凝燃氣鑄鋁熱水鍋爐結構型式一般為鍋殼式，殼體采用鋁合金整體鑄造，主體材料現常用為EN AC-43000（EN AC-AlSi10Mg（a）），來源于EN 1706《鋁和鋁合金鑄件——化學成分和機械性能》。該材料標準為歐洲鍋爐產品標準EN 15502-1《燃氣供暖鍋爐燃氣供暖鍋爐——第一部分：總要求和測試》所引用，同樣美國ASME 有色金屬材料規范所引用。所以該牌號為國外成熟鍋爐用有色金屬材料牌號。參考國內標準GB/T1173-2013《鑄造鋁合金》，與該牌號最為相近的材料牌號為ZL104(ZAlSi9Mg)，其化學成分對比如表1 所示。

表1 EN AC-AlSi10Mg（a）與ZAlSi9Mg 化學成分主要元素對比

3 鑄鋁材料的力學性能。

（1）材料的力學性能是指材料在不同環境（溫度、介質、濕度）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變應力等）時所表現出的力學特征，反映了金屬材料在各種形式外力作用下抵抗變形或破壞的某些能力，其中包括彈性和剛度、強度、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度及疲勞強度等，它們是衡量材料性能極其重要的指標。

本文以冷凝燃氣鑄鋁熱水鍋爐專用的EN AC-43000 材料為對象，查閱其標準EN 1706《鋁和鋁合金鑄件——化學成分和機械性能》，標準中只給出了常溫下材料的基本力學性能數據。按照“鍋爐壓力容器用材料技術評審管理辦法”中的規定，數據應覆蓋的溫度范圍為：20℃至最高使用溫度加50℃，溫度間隔為50℃；因此，本文對EN AC-43000鑄鋁材料進行低溫拉伸與高溫拉伸試驗，完善該材料的力學性能數據，為冷凝燃氣鑄鋁熱水鍋爐的設計與制造提供了可靠的數據支持。

（2）拉伸試驗是指在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的試驗方法。利用拉伸試驗得到的數據可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強度、屈服點、屈服強度和其它拉伸性能指標。本次拉伸試驗測量在-120～250℃的溫度區間內，EN AC-43000 鑄鋁材料的強度與塑性。強度是指材料在外力作用下抵抗產生彈性變形、塑性變形和斷裂的能力，用屈服強度Rp0.2和抗拉強度Rm來表征。屈服強度Rp0.2指材料產生的殘余塑性變形為0.2%時的應力值，抗拉強度Rm是指材料在斷裂前所達到的最大應力值。塑性是指金屬材料在載荷作用下產生塑性變形而不致破壞的能力，用斷后伸長率A 來表征。斷后伸長率A是指材料試樣受拉伸載荷折斷后，總伸長度同原始長度比值的百分數。本文實驗材料選用浙江音諾偉森熱能科技有限公司生產的冷凝燃氣鑄鋁熱水鍋爐專用的EN AC-43000 材料為研究對象,金屬拉伸試驗的形狀和尺寸參照GB/T 1173-2013《鑄造鋁合金》6.3 的規定進行制備。

圖1 金屬拉伸試樣尺寸

金屬拉伸試驗的試驗標準為 GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》；GB/T228.2-2015《金屬材料拉伸試驗 第1 部分：高溫試驗方法》和GB/T13239-2006《金屬材料低溫拉伸試驗方法》。120℃以下（包括120℃）的拉伸試驗由AG-1C 萬能試驗機完成；120℃以上的拉伸試驗由ZWICK-Z250 電子萬能材料試驗機完成。拉伸試樣的平行長度LC為70mm，原始標距Lo為50mm，引伸計標距Le為25mm。20℃拉伸全過程試驗速率采用0.00025/s，高溫拉伸全過程試驗速率采用0.00007/s，低溫拉伸全過程試驗速率采用0.0003/s。

（3）試驗結果分析：對比13 組試驗溫度，每組6 個試樣（表1）。

表1 拉伸試驗結果匯總

圖2 屈服強度隨試驗溫度的變化曲線

圖3 抗拉強度隨試驗溫度的變化曲線

圖4 斷后伸長率隨試驗溫度的變化曲線

對6 個試樣的數據取平均值，繪制與溫度的關系曲線圖，如圖2～4 所示。

如圖所示，從-120～250℃，鋁合金鑄件材料EN AC-43000 的屈服強度和抗拉強度呈下降趨勢，當溫度高于120℃之后，材料的強度下降明顯；而斷后伸長率隨著溫度的提高呈上升趨勢。由此可見，在低溫狀態下，材料的強度較高，塑性較差；在高溫狀態下，材料的強度明顯下降，而塑性性能顯著提高。因此，在確定EN AC-43000 材料的冷凝燃氣鍋爐適用溫度，應綜合考慮材料的強度和塑性。本文對EN AC-43000 在低溫與高溫下的力學性能進行了試驗研究，結果表明，該材料的屈服強度和抗拉強度隨著溫度的升高而增大，斷后伸長率隨溫度的升高而減少。這說明，該材料在低溫狀態下材料的強度較高，塑性較差；在高溫狀態下材料的強度明顯下降，而塑性性能顯著提高。