冷凝燃气锅炉用铝合金铸件力学性能分析

张翀宇，李隆骏，马刚，卢沛

（台州市特种设备监督检验中心，浙江 台州 318000）

传统锅炉中，排烟温度一般在160～250℃，烟气中的水蒸汽仍处于过热状态，不可能凝结成液态的水而放出汽化潜热，因此，传统锅炉热效率一般只能达到87%～91%，而冷凝燃气锅炉用低温水将锅炉的排烟温度降到烟气冷凝温度以下，使烟气中呈过热状态的水蒸气凝结成水，放出汽化潜热，把这一部分的热量回收仍利用于锅炉。冷凝燃气锅炉能够把排烟温度降低到50～70℃，充分回收了烟气中的显热和水蒸汽的凝结潜热，热效率达到97%以上，最高可达109%。

1 冷凝燃气锅炉与传统锅炉相比主要的优势

（1）环保。普通燃气热水锅炉采用大气式燃烧的方式，造成混合气体中的过剩空气系数偏大，在高温条件下反应生成氮氧化物，造成大气污染。冷凝热水锅炉采用全预混燃烧器，它会将燃料和空气进行充分混合后再点火燃烧，这就减少了混合气体中的过剩空气量，从而减少了氮氧化物的生成量，提高了锅炉的环保性能。

（2）高效节能。我们知道锅炉的主要热损失为排烟热损失，普通燃气锅炉的排烟温度不低于110℃，冷凝锅炉通过降低锅炉的排烟温度为55℃左右，不仅吸收了烟气中的显热，同时吸收了天然气燃烧产物汽化水的潜热，使得冷凝锅炉比普通燃气锅炉的热效率提高了15%左右。

（3）安全性能高。冷凝式热水锅炉具有多项保护功能，即过热保护、点火前预清扫系统、风机停转安全保护等，在发生了异常情况之后，系统会自动停止运转。

（4）冷凝式燃气锅炉体积小、噪声低、大流量、小扬程、可实行需求多台并联。

冷凝技术的核心就是减少了燃料燃烧的热损失，高效地吸收了燃料产生的热能，同时由于烟气冷凝将烟气中的有害物质收集到冷凝水中，减少了酸性物质及其他污染物向空气中排放。目前，冷凝式锅炉在国外应用已相当广泛，而国内的市场也正在飞速发展中。

2 铝硅镁合金材料

全预混冷凝锅炉的排烟温度可以控制在50℃左右，此时烟气中会产生大量的冷凝水，这对锅炉材料的耐腐蚀性有很高的要求。目前用于制造全预混冷凝锅炉的材料主要有铝硅镁合金和不锈钢2 种，二者都有良好的耐腐蚀性，相对于不锈钢材料，铝硅镁合金具有更大的优势。首先铝硅镁合金主要材料为铝，不锈钢主要材料为铁，铝比铁的重量要轻，所以铝硅镁合金的冷凝锅炉重量比不锈钢冷凝锅炉重量要轻；其次，铝的导热性是钢导热性的7～10 倍，因此铝硅镁合金冷凝锅炉能够更快把热量传递给水；硅又保证了很强的耐腐蚀性。轻型及耐用的铝硅镁合金材料降低了锅炉的重量，提高了锅炉的使用寿命。铝硅(Al-Si)合金，一般Si 的质量分数为4%～22%。由于Al-Si 合金具有优良的铸造性能，如流动性好、气密性好、收缩率小和热烈倾向小，经过变质和热处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和中等的机加工性能，是铸造铝合金中品种最多、用途最广的一类合金。本文以冷凝燃气铸铝热水锅炉专用的EN AC-43000 材料为对象重点研究铸铝材料的力学性能。

冷凝燃气铸铝热水锅炉结构型式一般为锅壳式，壳体采用铝合金整体铸造，主体材料现常用为EN AC-43000（EN AC-AlSi10Mg（a）），来源于EN 1706《铝和铝合金铸件——化学成分和机械性能》。该材料标准为欧洲锅炉产品标准EN 15502-1《燃气供暖锅炉燃气供暖锅炉——第一部分：总要求和测试》所引用，同样美国ASME 有色金属材料规范所引用。所以该牌号为国外成熟锅炉用有色金属材料牌号。参考国内标准GB/T1173-2013《铸造铝合金》，与该牌号最为相近的材料牌号为ZL104(ZAlSi9Mg)，其化学成分对比如表1 所示。

表1 EN AC-AlSi10Mg（a）与ZAlSi9Mg 化学成分主要元素对比

3 铸铝材料的力学性能。

（1）材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征，反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，其中包括弹性和刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度及疲劳强度等，它们是衡量材料性能极其重要的指标。

本文以冷凝燃气铸铝热水锅炉专用的EN AC-43000 材料为对象，查阅其标准EN 1706《铝和铝合金铸件——化学成分和机械性能》，标准中只给出了常温下材料的基本力学性能数据。按照“锅炉压力容器用材料技术评审管理办法”中的规定，数据应覆盖的温度范围为：20℃至最高使用温度加50℃，温度间隔为50℃；因此，本文对EN AC-43000铸铝材料进行低温拉伸与高温拉伸试验，完善该材料的力学性能数据，为冷凝燃气铸铝热水锅炉的设计与制造提供了可靠的数据支持。

（2）拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。本次拉伸试验测量在-120～250℃的温度区间内，EN AC-43000 铸铝材料的强度与塑性。强度是指材料在外力作用下抵抗产生弹性变形、塑性变形和断裂的能力，用屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm来表征。屈服强度Rp0.2指材料产生的残余塑性变形为0.2%时的应力值，抗拉强度Rm是指材料在断裂前所达到的最大应力值。塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不致破坏的能力，用断后伸长率A 来表征。断后伸长率A是指材料试样受拉伸载荷折断后，总伸长度同原始长度比值的百分数。本文实验材料选用浙江音诺伟森热能科技有限公司生产的冷凝燃气铸铝热水锅炉专用的EN AC-43000 材料为研究对象,金属拉伸试验的形状和尺寸参照GB/T 1173-2013《铸造铝合金》6.3 的规定进行制备。

图1 金属拉伸试样尺寸

金属拉伸试验的试验标准为 GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验 第1 部分：室温试验方法》；GB/T228.2-2015《金属材料拉伸试验 第1 部分：高温试验方法》和GB/T13239-2006《金属材料低温拉伸试验方法》。120℃以下（包括120℃）的拉伸试验由AG-1C 万能试验机完成；120℃以上的拉伸试验由ZWICK-Z250 电子万能材料试验机完成。拉伸试样的平行长度LC为70mm，原始标距Lo为50mm，引伸计标距Le为25mm。20℃拉伸全过程试验速率采用0.00025/s，高温拉伸全过程试验速率采用0.00007/s，低温拉伸全过程试验速率采用0.0003/s。

（3）试验结果分析：对比13 组试验温度，每组6 个试样（表1）。

表1 拉伸试验结果汇总

图2 屈服强度随试验温度的变化曲线

图3 抗拉强度随试验温度的变化曲线

图4 断后伸长率随试验温度的变化曲线

对6 个试样的数据取平均值，绘制与温度的关系曲线图，如图2～4 所示。

如图所示，从-120～250℃，铝合金铸件材料EN AC-43000 的屈服强度和抗拉强度呈下降趋势，当温度高于120℃之后，材料的强度下降明显；而断后伸长率随着温度的提高呈上升趋势。由此可见，在低温状态下，材料的强度较高，塑性较差；在高温状态下，材料的强度明显下降，而塑性性能显著提高。因此，在确定EN AC-43000 材料的冷凝燃气锅炉适用温度，应综合考虑材料的强度和塑性。本文对EN AC-43000 在低温与高温下的力学性能进行了试验研究，结果表明，该材料的屈服强度和抗拉强度随着温度的升高而增大，断后伸长率随温度的升高而减少。这说明，该材料在低温状态下材料的强度较高，塑性较差；在高温状态下材料的强度明显下降，而塑性性能显著提高。