廖永章

（廣東萬和熱能科技有限公司 順德 528305）

引言

TSG G0001-2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（下簡稱《鍋規(guī)》）是我國鍋爐執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，包括了鍋爐的設(shè)計、檢驗、安裝、維護(hù)保養(yǎng)等等，在材料方面，《鍋規(guī)》對鍋爐受壓元件、承載構(gòu)件、緊固件的材料使用都有嚴(yán)格規(guī)定。但鋁制鍋爐的材料還未寫入其中，縱觀其他國家，鋁制鍋爐，尤其是鑄鋁材料在歐洲已經(jīng)使用了50多年。國內(nèi)在近年來也逐漸引進(jìn)歐洲鑄鋁冷凝鍋爐技術(shù)，從使用情況來看，在安全、節(jié)能方面也達(dá)到了較好的效果。因此筆者認(rèn)為有必要對鑄鋁材料在冷凝鍋爐上的應(yīng)用作分析。

1 鍋爐選材依據(jù)

鍋爐要能長期、安全、穩(wěn)定地運行，選用材料，尤其是受壓件選材，十分重要，必須根據(jù)有關(guān)計算（如熱力計算，汽水阻力計算，管壁金屬溫度計算等）的計算結(jié)果，正確選用。在這些計算中，對選材影響最大的是壁溫計算和強(qiáng)度計算，前者決定材料種類，即計算壁溫必須小于所選材料的許用溫度，后者決定壁厚，就是取用壁厚必須大于等于最小需要壁厚（一般都是大于）。

鍋爐受壓件選材原則：

1）安全可靠性：根據(jù)元件的工作環(huán)境，工作狀態(tài)、工作參數(shù)（如壓力、溫度、工作介質(zhì)）等因素，并考慮它們同時作用時的最苛刻的條件之組合。

2）經(jīng)濟(jì)合理性：在滿足1）條的前提下，對選用壁厚能薄則??；對選材等級能低則低。

3）盡可能的考慮材料的工藝性能：如熱處理、焊接、鑄造等。

4）選用的材料應(yīng)符合有關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

在歐洲的鑄鋁冷凝鍋爐中，使用的主要材料為硅鎂鋁合金材料牌號：EN AC-43000（AlSi10Mg），因此以此牌號的鑄鋁材料進(jìn)行分析。

2 鑄鋁硅鎂鋁合金的材料性能

2.1 化學(xué)成分

EN AC-43000鋁合金為Al-Si-Mg系鑄造鋁合金，可熱處理強(qiáng)化，鑄造性能良好，無熱裂傾向，氣密性高，線收縮??；但形成針孔的傾向較大，熔煉工藝較復(fù)雜，同時耐蝕性好，適用于鑄造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、耐蝕以及承受較高靜載荷和沖擊載荷的鑄件。

2.2 力學(xué)性能

EN AC-43000材料的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)于球墨鑄鐵HT150（GB/T 9439-2010），而《鍋規(guī)》2.3.5中規(guī)定鍋爐用鑄鐵件材料中灰鑄鐵應(yīng)不低于HT150牌號。

壁溫過高會使材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度迅速降低，由于鋁合金的熔點低，更要保證控制鍋爐壁溫在安全范圍內(nèi)。對于壁溫計算，外表面壁溫tct：

式中：

t—管件計算斷面上流動介質(zhì)的平均溫度；

△tT—區(qū)段中管內(nèi)介質(zhì)溫度大于平均溫度的值

μ—熱散漫系數(shù)

β—d/dr=d/d-2δ——管子外徑與內(nèi)徑的比值；

δ—管子壁厚；

λM—管壁金屬導(dǎo)熱系數(shù)；

α2—管壁向被加熱介質(zhì)的放熱系數(shù)；

表1 EN AC-43000化學(xué)成分

表2 EN AC-43000力學(xué)性能

表3 鍋爐用鑄鐵件材料

表4 灰鑄鐵材料力學(xué)性能

qmarc—在熱負(fù)荷最大的管子上吸熱量最大處的熱負(fù)荷。

為簡化計算，可用以下簡單方法計算管壁計算溫度：

t1—出水溫度℃；

t2—回水溫度℃：

根據(jù)《鍋規(guī)》，對于D級熱水鍋爐，出水溫度≤90 ℃，按照20 ℃溫差計算，進(jìn)水溫度≤70 ℃，管壁計算溫度≤170 ℃，參照《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》材料之“第十八條”之“（二）”規(guī)定“…其他牌號的鋁和鋁合金，其設(shè)計溫度范圍為零下269～200 ℃?！狈习踩?guī)定。

為了更可靠地保證壁溫≤200 ℃，現(xiàn)有歐洲鑄鋁冷凝鍋爐在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，保證整個燃燒腔被水道所包圍，稱之為全水冷結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的最大特點是無需保溫材料，通過不斷循環(huán)流動的水帶走高溫?zé)煔鉄崃?，保證壁溫控制在安全范圍內(nèi)。

2.3 耐腐蝕性

鋁具有良好的耐蝕性，這是由于鋁與空氣中的氧反應(yīng)形成致密的Al2O3氧化膜，能牢固地與材料表面結(jié)合，起到耐蝕作用。如果鋁的氧化膜被破損，在多數(shù)環(huán)境中能立刻重新形成。

下圖為鋁的電位-pH圖，表現(xiàn)出鋁的氧化膜的熱力學(xué)穩(wěn)定條件?？梢钥吹?，在pH值約為4～8.5區(qū)間，被鋁的氧化膜保護(hù)，屬于鈍化區(qū)。鈍化區(qū)的范圍隨溫度、氧化膜的類型及其在電解液中溶解速率的變化而稍有變化。

2.2.1 合金元素對鋁耐蝕性的影響

鎂——對耐蝕性有好的影響，Al-Mg合金是主要的防銹鋁合金之一，加入鎂可提高對堿性溶液（如石灰和碳酸鈉）的耐蝕性。

錳——有較好的影響，Al-Mn合金也屬于一種防銹鋁合金，在有些合金中加入少量錳代鉻，可獲得較好的耐應(yīng)力腐蝕性能。

硅——使鋁合金的耐蝕性稍有降低，具體影響決定于它的形態(tài)和分布情況

耐蝕鋁合金主要有Al-Mg、Al-Mn、Al-Mn-Mg、Al-Mg-Si四個系列。鋁中加入鎂、鋅、錳、硅、銅這些元素后，鋁合金的電極電位也隨著變動。

2.2.2 在燃?xì)馊紵螽a(chǎn)物中耐蝕性

圖1 鋁的Pourbaix電位－pH圖

冷凝燃?xì)忮仩t在燃燒的過程中產(chǎn)生的酸性氣體除了SO3外，還有 SO2，NO，NO2，CO2，HCl，HF 等，與水或水蒸氣反應(yīng)生成亞硫酸（HSO3）、硝酸（HNO3）、碳酸以及氫氟酸。因此鍋爐產(chǎn)生冷凝水為酸性，影響冷凝水pH值的因素比較復(fù)雜，相關(guān)資料顯示冷凝水pH值大約在4～5左右，呈弱酸性，對于硅鎂鋁合金（AlSi10Mg），處在鈍化區(qū)內(nèi)，免受酸性腐蝕。

2.2.3 在水質(zhì)中耐蝕性

水質(zhì)對鍋爐影響主要表現(xiàn)在兩個方面：A）水垢；B）腐蝕；

1）水垢的成分主要以碳酸鈣、碳酸鎂和氫氧化鎂為主。當(dāng)水中含有的鈣、鎂離子和碳酸氫根、硫酸根和碳酸根，在加熱時，當(dāng)水達(dá)到一定溫度，其中的鈣、鎂離子與酸根結(jié)合，生成碳酸鈣、碳酸鎂、硫酸鈣等析出沉淀，從而形成水垢，影響換熱效率，導(dǎo)致局部過熱。如圖4所示，針對高溫區(qū)容易產(chǎn)生水垢，在結(jié)構(gòu)設(shè)計需提高高溫區(qū)流速，保證沖刷速度；

2）pH酸堿度越高對管網(wǎng)的腐蝕性越大，鍋爐系統(tǒng)使用時間長以后，pH值最高可達(dá)到10，屬于堿性，鋁及鋁合金在堿中由于表面氧化膜很快溶解為偏鋁酸鹽而發(fā)生全面均勻腐蝕，其腐蝕速度隨堿濃度的增加和堿液溫度的提高而增加。為了減少系統(tǒng)中堿性離子對鍋爐的腐蝕，可用板式換熱器將鍋爐分為一次側(cè)二次側(cè)系統(tǒng)，減少鍋爐側(cè)容水量，可有效地降低系統(tǒng)堿性，使鍋爐腐蝕處于鈍化區(qū)內(nèi)，如圖5。

圖2 主要合金元素對鋁電極電位的影響

2.3 工藝性能

2.3.1 鋁合金鑄造性能特點

①具有優(yōu)良的鑄造工藝性能，無熱裂紋形成傾向，氣密性高，線收縮率為1.0 %。澆鑄溫度為680～750 ℃。

②適用砂型和金屬型鑄造工藝，可制造各種薄壁零件，也可用于壓力鑄造工藝。

圖3 冷凝水弱酸性對鋁的影響

圖4 鑄鋁鍋爐水道結(jié)構(gòu)設(shè)計

③應(yīng)合理控制合金硅含量。硅含量在上限時，可改善流動性和氣密性，并提高力學(xué)性能；而降低硅含量，則有利于減少鑄錠集中縮孔的形成。

④由于該合金形成針孔傾向較大，要采取有效技術(shù)措施來消除針孔形成的條件，使鑄件的致密度和氣密性有較大的提高。

⑤為獲得致密鑄件，還應(yīng)在澆鑄過程中使液態(tài)金屬保持平穩(wěn)流動，防止從空氣和鑄型中吸收氣體。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型鑄件，可采用壓力釜澆注

2.3.2 鑄造過程注意的工藝問題

而在制造過程中，對鑄鋁影響最大的是如何獲得致密的金相組織。對于鑄鋁件，在熔煉和澆注過程中容易從外界吸收了氣體，在凝固過程中來不及析出而以氣孔、針眼形式存在鑄件中。金屬中的氣體主要是氫、氧、氮三種，其中氫占85 %以上，氫是唯一能大量溶解于鋁或鋁合金中的氣體，是導(dǎo)致鋁合金形成氣孔的主要原因，是鋁合金中最有害的氣體。降低合金機(jī)械性能，特別是疲勞性能、沖擊韌性及延伸率；降低溶體流動性，惡化鑄造性能；惡化切削加工性能，使鑄件中加工過程中易開裂。

需要在以下方面控制氫的來源：

①原材料、工具管控，用前烘干；

②縮短熔煉時間，減少吸氣量；

③控制模具的透氣性；

④增強(qiáng)砂芯的排氣能力

3 實際使用情況

國內(nèi)許多廠家在2011年后開始量產(chǎn)鑄鋁冷凝鍋爐，最早一批已運行近數(shù)年。以下是一臺80 kW鑄鋁冷凝鍋爐運行4年后的照片：

如圖6和圖7，換熱器主體集熱銷釘表面在長時間運行后覆蓋一層保護(hù)膜，由于風(fēng)機(jī)吸入一些雜質(zhì)，通過燃燒器掉落到換熱器上，并未出現(xiàn)其他異常情況；在冷凝水集水槽中出現(xiàn)少許點蝕現(xiàn)象。

如圖8，由于使用了板式換熱器，將鍋爐與采暖系統(tǒng)分隔開，換熱器水道內(nèi)壁層出現(xiàn)了薄薄一層水垢，由于出口與水管接口處通徑減少，存在小范圍的沖刷死區(qū)，接口處的結(jié)垢較多，并未對換熱器水道流量造成影響。而從圖9、圖10板換一次側(cè)、板換二次側(cè)水道可以看出，鍋爐與采暖系統(tǒng)分隔后，鍋爐系統(tǒng)水垢形成量非常少，能有效地保護(hù)鍋爐。

圖5 減少系統(tǒng)中堿性離子對鍋爐的腐蝕

圖6 換熱器主體

圖7 冷凝水集水槽

圖8 換熱器水道口

圖9 板換二次側(cè)

4 結(jié)語

從鑄鋁材料的力學(xué)性、耐腐蝕性、和工藝性上都可以達(dá)到應(yīng)用要求，同時在實際應(yīng)用過程中，經(jīng)歷耐久使用的考驗。而鑄鋁鍋爐在設(shè)計過程中需要考慮到鑄鋁材料熔點比較低，需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，保證壁溫低于200 ℃；在鑄造過程中要考慮到通過控制原材料和工具干燥，縮短熔煉時間，控制模具透氣性和增加砂芯排氣能力等工藝來保證獲得致密的金相組織；在系統(tǒng)安裝過程要通過分隔系統(tǒng)等手段來保證它的可靠運行。

圖10 板換一次側(cè)