張翀宇，李隆駿，馬剛，盧沛

（臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江 臺(tái)州 318000）

傳統(tǒng)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(tài)，不可能凝結(jié)成液態(tài)的水而放出汽化潛熱，因此，傳統(tǒng)鍋爐熱效率一般只能達(dá)到87%～91%，而冷凝燃?xì)忮仩t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(tài)的水蒸氣凝結(jié)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?xì)忮仩t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(jié)潛熱，熱效率達(dá)到97%以上，最高可達(dá)109%。

1 冷凝燃?xì)忮仩t與傳統(tǒng)鍋爐相比主要的優(yōu)勢(shì)

（1）環(huán)保。普通燃?xì)鉄崴仩t采用大氣式燃燒的方式，造成混合氣體中的過?？諝庀禂?shù)偏大，在高溫條件下反應(yīng)生成氮氧化物，造成大氣污染。冷凝熱水鍋爐采用全預(yù)混燃燒器，它會(huì)將燃料和空氣進(jìn)行充分混合后再點(diǎn)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(huán)保性能。

（2）高效節(jié)能。我們知道鍋爐的主要熱損失為排煙熱損失，普通燃?xì)忮仩t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(shí)吸收了天然氣燃燒產(chǎn)物汽化水的潛熱，使得冷凝鍋爐比普通燃?xì)忮仩t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(xiàng)保護(hù)功能，即過熱保護(hù)、點(diǎn)火前預(yù)清掃系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)安全保護(hù)等，在發(fā)生了異常情況之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）冷凝式燃?xì)忮仩t體積小、噪聲低、大流量、小揚(yáng)程、可實(shí)行需求多臺(tái)并聯(lián)。

冷凝技術(shù)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(chǎn)生的熱能，同時(shí)由于煙氣冷凝將煙氣中的有害物質(zhì)收集到冷凝水中，減少了酸性物質(zhì)及其他污染物向空氣中排放。目前，冷凝式鍋爐在國(guó)外應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，而國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)也正在飛速發(fā)展中。

2 鋁硅鎂合金材料

全預(yù)混冷凝鍋爐的排煙溫度可以控制在50℃左右，此時(shí)煙氣中會(huì)產(chǎn)生大量的冷凝水，這對(duì)鍋爐材料的耐腐蝕性有很高的要求。目前用于制造全預(yù)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(duì)于不銹鋼材料，鋁硅鎂合金具有更大的優(yōu)勢(shì)。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(dǎo)熱性是鋼導(dǎo)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(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～22%。由于Al-Si 合金具有優(yōu)良的鑄造性能，如流動(dòng)性好、氣密性好、收縮率小和熱烈傾向小，經(jīng)過變質(zhì)和熱處理后，具有良好的力學(xué)性能、物理性能、耐腐蝕性能和中等的機(jī)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?xì)忤T鋁熱水鍋爐專用的EN AC-43000 材料為對(duì)象重點(diǎn)研究鑄鋁材料的力學(xué)性能。

冷凝燃?xì)忤T鋁熱水鍋爐結(jié)構(gòu)型式一般為鍋殼式，殼體采用鋁合金整體鑄造，主體材料現(xiàn)常用為EN AC-43000（EN AC-AlSi10Mg（a）），來源于EN 1706《鋁和鋁合金鑄件——化學(xué)成分和機(jī)械性能》。該材料標(biāo)準(zhǔn)為歐洲鍋爐產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)EN 15502-1《燃?xì)夤┡仩t燃?xì)夤┡仩t——第一部分：總要求和測(cè)試》所引用，同樣美國(guó)ASME 有色金屬材料規(guī)范所引用。所以該牌號(hào)為國(guó)外成熟鍋爐用有色金屬材料牌號(hào)。參考國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T1173-2013《鑄造鋁合金》，與該牌號(hào)最為相近的材料牌號(hào)為ZL104(ZAlSi9Mg)，其化學(xué)成分對(duì)比如表1 所示。

表1 EN AC-AlSi10Mg（a）與ZAlSi9Mg 化學(xué)成分主要元素對(duì)比

3 鑄鋁材料的力學(xué)性能。

（1）材料的力學(xué)性能是指材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)、濕度）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)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(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度及疲勞強(qiáng)度等，它們是衡量材料性能極其重要的指標(biāo)。

本文以冷凝燃?xì)忤T鋁熱水鍋爐專用的EN AC-43000 材料為對(duì)象，查閱其標(biāo)準(zhǔn)EN 1706《鋁和鋁合金鑄件——化學(xué)成分和機(jī)械性能》，標(biāo)準(zhǔn)中只給出了常溫下材料的基本力學(xué)性能數(shù)據(jù)。按照“鍋爐壓力容器用材料技術(shù)評(píng)審管理辦法”中的規(guī)定，數(shù)據(jù)應(yīng)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(duì)EN AC-43000鑄鋁材料進(jìn)行低溫拉伸與高溫拉伸試驗(yàn)，完善該材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，為冷凝燃?xì)忤T鋁熱水鍋爐的設(shè)計(jì)與制造提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

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

圖1 金屬拉伸試樣尺寸

金屬拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》；GB/T228.2-2015《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1 部分：高溫試驗(yàn)方法》和GB/T13239-2006《金屬材料低溫拉伸試驗(yàn)方法》。120℃以下（包括120℃）的拉伸試驗(yàn)由AG-1C 萬能試驗(yàn)機(jī)完成；120℃以上的拉伸試驗(yàn)由ZWICK-Z250 電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)完成。拉伸試樣的平行長(zhǎng)度LC為70mm，原始標(biāo)距Lo為50mm，引伸計(jì)標(biāo)距Le為25mm。20℃拉伸全過程試驗(yàn)速率采用0.00025/s，高溫拉伸全過程試驗(yàn)速率采用0.00007/s，低溫拉伸全過程試驗(yàn)速率采用0.0003/s。

（3）試驗(yàn)結(jié)果分析：對(duì)比13 組試驗(yàn)溫度，每組6 個(gè)試樣（表1）。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖2 屈服強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度的變化曲線

圖3 抗拉強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度的變化曲線

圖4 斷后伸長(zhǎng)率隨試驗(yàn)溫度的變化曲線

對(duì)6 個(gè)試樣的數(shù)據(jù)取平均值，繪制與溫度的關(guān)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度高于120℃之后，材料的強(qiáng)度下降明顯；而斷后伸長(zhǎng)率隨著溫度的提高呈上升趨勢(shì)。由此可見，在低溫狀態(tài)下，材料的強(qiáng)度較高，塑性較差；在高溫狀態(tài)下，材料的強(qiáng)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?xì)忮仩t適用溫度，應(yīng)綜合考慮材料的強(qiáng)度和塑性。本文對(duì)EN AC-43000 在低溫與高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，該材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高而增大，斷后伸長(zhǎng)率隨溫度的升高而減少。這說明，該材料在低溫狀態(tài)下材料的強(qiáng)度較高，塑性較差；在高溫狀態(tài)下材料的強(qiáng)度明顯下降，而塑性性能顯著提高。