專利名稱：一種懸掛馬弗管的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種懸掛馬弗管，特別是立式懸掛馬弗管。
背景技術：
立式馬弗光亮退火爐爐內有一個多節圓柱構成的階梯狀馬弗管，馬弗管采用耐高溫的高鎳合金材料(一般為601合金材質)制成，多個單節馬弗材料卷曲成環形后依次焊接成為單節圓柱馬弗管，多節圓柱狀馬弗管焊接拼成整段圓柱形階梯狀馬弗管。馬弗管的上端被固定在爐體上，處于懸掛狀態的馬弗管承受著熱應カ的同時還承 受著自重載荷，在使用過程中，馬弗管發生熱蠕變和塑性變形并逐漸失效。焊接成整段馬弗管的各單節馬弗管因長度、厚度設計不合理，會導致整段馬弗的應カ分布不合理。在高溫狀態下進行工作時，應カ分布不合理的整段馬弗管容易出現頸縮、截面變形、香蕉狀彎曲、開裂等缺陷，顯著降低使用壽命，短則半年即需更換。日本公開特許公報平3-168588專利文件提出的技術方案是各馬弗單節頂部的靜應カ均布的設計方法，其各馬弗單節頂部應カ均為O. lkg/_2。由于馬弗管的工作溫度高達1150°C，通過有限元仿真軟件計算可知，采用馬弗單節頂部的應カ均等的設計方法，其馬弗頂部在高溫條件下熱-結構耦合應カ異常，顯著高于馬弗管其他部分的熱-結構耦合應カ。由此，應カ分布不合理的整段馬弗管在高溫生產條件下，易加速失效。這里需要明確的是，在高溫下馬弗管的熱-結構耦合應カ才是馬弗管的真實エ況下的應力，而常溫下的靜應カ并不能真實反應馬弗管工作時的應力分布情況。申請號為201110437181.0的中國專利申請文件中，提出了一種立式光亮退火爐用懸掛馬弗的設計方法。該設計方法雖然采用了各馬弗單節頂部的靜應カ往下遞減分布設計方法，但偏重于馬弗管的單體應力研究，沒有考慮馬弗管兩端與爐體連接部件的重量及其產生的應カ；而由于隔熱需要，馬弗上部和下部都會設置耐材及耐材托板以保護爐體溫度，這是無法忽視的一個影響因素；該專利申請由于沒有去除該誤差影響，因而不能從整體上考慮馬弗管相關連接部件對其應力的影響，無法準確反映馬弗管的真實應力。按該設計長度制造的馬弗管在高溫條件下工作時，受馬弗管兩端與爐體連接部件的影響，其真實應力分布不合理，不利于馬弗管的使用和使用壽命的預估。綜上所述，目前針對立式懸掛馬弗管各單節長度及頂部應力的設計研究，現有主要研究偏重于馬弗管的靜應カ研究，即使得馬弗管各單節頂部應カ呈近似均等分布狀態；或偏重于馬弗管管身的單體應力研究，不能有效考慮馬弗管相關連接部件對其應力的影響。均不能真實反應馬弗管在高溫條件下工作時的真實應力，也不能據此優化設計馬弗管的結構。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供ー種懸掛馬弗管，馬弗管各處應カ合理分布，在高溫(1150°C左右)下工作時，熱-結構耦合應カ分布合理，能夠有效提升馬弗管的抗失效能力，提升馬弗管的使用性和經濟性。本發明解決其技術問題采用的技術方案是ー種懸掛馬弗管，馬弗管由多個厚度單節上下順次連接構成；其特征在于上、下端部厚度單節內均固定有耐火材料及固定耐火材料的托板；相同厚度單節馬弗中所用單節馬弗材料厚度相等，不同厚度單節的馬弗材料的厚度由薄至厚變化；同一厚度單節馬弗中所用單節馬弗材料長度相等或不等；在各單節馬弗材料受カ在允許拉伸強度范圍之內前提下，各厚度單節長度由各單節馬弗材料厚度和材料規格確定；將上、下端部厚度單節內耐火材料及固定耐火材料的托板的重量分別計入所在厚度單節馬弗管的重量之中，并由此確定各厚度單節頂端應力，且由下至上，各厚度單節頂端的許用應力依次遞增；馬弗管各厚度單節的規格參數按如下步驟確定首先結合厚度單節中各單節馬弗材料規格，確定各厚度單節厚度由下至上同一厚度單節中的各單節馬弗材料的厚度相等，且不同厚度單節中各單節馬弗材料的厚度T1, T2, T3, T4,…ム由薄至厚，厚度為T1的單節馬弗材料焊接構成的厚度單節ー處于懸掛的整段馬弗的最下端；同一厚度單節中的各單節馬弗材料的長度相等或不等；然后，根據各單節馬弗材料的厚度和材料規格，在保證各單節馬弗材料受カ在允許拉伸強度范圍之內前提下，為使得設計后的各厚度單節盡可能的更長，通過使各厚度單節頂端應カ等于許用應カ而計算各厚度單節的理論最大長度；隨后結合各單節馬弗材料的厚度和最大長度規格，由各厚度單節理論最大長度除以各單節馬弗材料的最大長度規格，得到各厚度單節需要焊接的實際單節馬弗材料的段數和各厚度單節的實際長度；再后，由各厚度單節的實際長度相加得到整段馬弗管長度；最后，各厚度單節經焊接拼成整段馬弗管，且焊接后的各厚度單節頂端應カ呈依次遞增狀態。根據上述技術方案，確定各厚度單節厚度時，根據馬弗材料的密度P、各厚度單節上端許用應力Q1, σ2，σ3，σ4，…σ Ν各厚度單節的橫截面積S、以及各單節馬弗材料的內外徑規格，在使得各厚度單節重量最小且保證馬弗管下部必要的力學性能的前提下，確定各單節馬弗材料的厚度T1, T2，T3，T4,…ΤΝ。根據上述技術方案，各厚度單節的長度及整段馬弗長度具體按以下方法配置厚度為T1的單節ー的長度配置方法為設定馬弗材料的密度為P，厚度為T1的單節ー頂端應力σ i，單節一的橫截面積為S1，為使得馬弗重量最小且保證馬弗下部必要的力學性能，選擇單節一所用的單節馬弗材料的板厚T1的實際值；為保證應カ在許用應カ范
G,
圍內，單節ー頂部應力び丨=~φ^σ，單節一自重G1= P S1LJG1';為減小馬弗自重，使得薄
板盡可能的更長，取σ 1= σ，進行單節一理論最大長度L1的計算，Z1 =，結合厚度為
PS1
T1的單節馬弗材料的規格，由單節一理論最大長度L1除以單節一的馬弗材料的最大長度規格，得到單節ー需要焊接的實際單節馬弗材料的段數和單節ー的實際長度L1'；厚度為T2的單節ニ的長度配置方法為為保證應カ在許用應カ范圍內，單節ニ馬弗上端的應カAσ:為減小馬弗自重，使得薄板盡可能的更長，取ο2=σ，進行單
節ニ的理論最大長度L2的計算，ち=·^-' ,Λ| (へ:結合厚度為T2的單節ニ馬弗材料的
P P^2
規格，由單節ニ理論最大長度L2除以單節ニ的馬弗材料的最大長度規格，得到單節ニ需要焊接的實際單節馬弗材料的段數和得出單節ニ的實際長度L2';其中，馬弗管下端部厚度單節內固定的耐火材料及固定耐火材料的托板重量總記為G1'；厚度為T3的單節三的長度配置方法為為保證應カ在許用應カ范圍內，使單節三頂端應力等于許用應カ得出單節三的理論長度4 =--^A ' pSlU-;結合厚度為T3
P3
的馬弗材料的規格，得出單節三的實際長度L3'； 由此類推，同理可得L4'、v、v、v、v、v、IV、…V ;其中，馬弗管上端部厚度單節內固定的耐火材料及固定耐火材料的托板重量總記為Gn'；其中厚度為Tn的單節N的長度配置方法為為保證應カ在許用應カ范圍內而使單節N頂端應カ等于許用應力，得出單節N的理論長度んλ =--AS|A| +Gl +P·、/'+Sn-Am+ 趙合厚度為ち的單節馬弗材料的規格，得出單節N的實際長度IV ;各厚度單節長度相加得到馬弗管總長度為L=L1' +L2' +IV +……+IV。按上述技術方案，各厚度單節頂端應カ0ι，σ2，σ3，σ4，…σΝ呈依次遞增。按上述技術方案，所述各單節馬弗材料的許用應カ值為σ =0. 8 I. 2N/mm2。按上述技術方案，各單節馬弗材料許用應力o=0.9N/mm2。按上述技術方案，通過連接耐材及耐材托板至爐體，減小耐材及耐材托板總重G/、G/對馬弗管應カ的影響。由此，該方法結合馬弗材料的規格，從整體上考慮馬弗管連接部件對應カ的影響，對馬弗各厚度單節的長度和厚度進行設計，合理分布馬弗管各處應力，保證經焊接拼成的馬弗管各單節頂部應カ從馬弗下端至上端呈依次遞增分布狀態，使得馬弗管在高溫(1150°C左右)下工作時，熱-結構耦合應カ分布合理，提升馬弗管的抗失效能力。


圖I為本發明優選實施例懸掛馬弗管的結構示意圖；其中，附圖標記1-13依次表示懸掛馬弗管13個單節；14為耐火材料；15為固定耐火材料的托板；16為法蘭。圖2為本發明優選實施例懸掛馬弗管靜態應力分布圖(由左至右的馬弗管結構梯度、板厚梯度、應カ梯度分別對應)。
具體實施例方式以下結合實施實例及附圖對本發明作進ー步說明，但不限定本發明。如附圖I所示，懸掛馬弗管13個單節(由附圖標記I到13)所需的的單節馬弗材料的厚度 T1, T2, T3, T4,…Tltl 由薄至厚依次為 5臟，6臟，7臟，8mm’ 10mm, 12臟，14mm, I 7mm’ 2Ctam,22mm,各單節馬弗材料規格為分別卷曲成整圓后最大外徑為1710mm,最大內徑為1690mm;其中單節1-4 (附圖標記1-4)的厚度相等，均為T1，因而在設計時視為同一個厚度為T1的單節，該單節長度為單節1-4長度之和；以此類推，后續分別為厚度為T2的單節、厚度為T3的單節，.....厚度為Tltl的單節；本實施例中對各單節馬弗材料取許用應力O. 8 I. 2N/mm2,優選σ =0. 9N/mm2。厚度為T1的單節處于整段懸掛馬弗管的最下端；該單節理論長度為L1,該單節上端許用應力最大為σ，馬弗材料的密度為p，P=8. lX103kg/m3，該單節的橫截面積為S1,為使得馬弗重量最小且保證馬弗的力學性能，厚度為T1的單節的板厚T1取5mm ;厚度為T1的單節最下端和厚度為Tltl的單節最上端均固定有耐火材料14及固定耐火材料的托板15 ;厚度為T1的單節中耐火材料14及固定耐火材料的托板15的重量合計為G/ =234kg，厚度為Tltl的單節中耐火材料14及固定耐火材料的托板15的重量合計為G10' =82kg ； 厚度為T1的單節自重G1= P S1L^G1'；為保證應カ安全，厚度為T1的單節頂部應力び丨=-^-<σ,為減小馬弗自重，使得薄板盡可能的更長，取PL1=O 1= σ ,I, = (,1':,1 ;L1為厚度為T1的單節的理論最大長度，結合厚度為T1的馬弗材料的規格，其長度為2330mm，即厚度T1為5mm的馬弗材料可取四段焊接，得出厚度為T1的單節的實際長度L/ =9320mm。為保證應カ安全，厚度為T2的單節上的應カ為び2 ノハ2 くび;
ム為減小馬弗自重，使得薄板盡可能的更長，取O2=O L = — -pS'!」'ぃ7| :し2為
P2
厚度為T2的單節最大理論長度，結合厚度為T2的馬弗材料的規格，得出厚度為T2的單節的實際長度L2' =1790mm。同理可得厚度為T3的單節最大理論長度ん=-~ パ+ % + PS^ ;結合厚度為T3的馬弗
PP>%
材料的規格，得出厚度為T3的單節的實際長度L3' =1560mm。同理可得L4' =1390mm>L5/ =2260mm>L6/ =ISSOmnuL/ =1600mm>L8/ =1960mm、L9' =1740mm、Llt/ =1000mm ；馬弗總長度為=L=L1'+L21 +L3' +L4' +L51 +L6' +L7' +L81 +L9' +L10; =24500mm0經過材料力學公式計算與有限元法通過計算機仿真，將上述設計結果與背景技術中中國專利申請未考慮耐火材料及固定耐火材料的托板時的應カ分布進行了研究和比較。本發明中懸掛馬弗管的各單節長度、厚度與頂端應力數據如表I前5列所示，表I最右側一列為背景技術中中國專利申請不考慮耐材及其托板時的應カ分布情況。
表I
權利要求
1.一種懸掛馬弗管，馬弗管由多個厚度單節上下順次連接構成；其特征在于上、下端部厚度單節內均固定有耐火材料及固定耐火材料的托板；相同厚度單節馬弗中所用單節馬弗材料厚度相等，不同厚度單節的馬弗材料的厚度由薄至厚變化；同一厚度單節馬弗中所用單節馬弗材料長度相等或不等；在各單節馬弗材料受力在允許拉伸強度范圍之內前提下，各厚度單節長度由各單節馬弗材料厚度和材料規格確定；將上、下端部厚度單節內耐火材料及固定耐火材料的托板的重量分別計入所在厚度單節馬弗管的重量之中，并由此確定各厚度單節頂端應力，且由下至上，各厚度單節頂端的許用應力依次遞增；馬弗管各厚度單節的規格參數按如下步驟確定 首先結合厚度單節中各單節馬弗材料規格，確定各厚度單節厚度由下至上同一厚度單節中的各單節馬弗材料的厚度相等，且不同厚度單節中各單節馬弗材料的厚度T1, T2，T3,T4,由薄至厚，厚度為T1的單節馬弗材料焊接構成的厚度單節一處于懸掛的整段馬弗的最下端；同一厚度單節中的各單節馬弗材料的長度相等或不等； 然后，根據各單節馬弗材料的厚度和材料規格，在保證各單節馬弗材料受力在允許拉伸強度范圍之內前提下，為使得設計后的各厚度單節盡可能的更長，通過使各厚度單節頂端應力等于許用應力而計算各厚度單節的理論最大長度； 隨后結合各單節馬弗材料的厚度和最大長度規格，由各厚度單節理論最大長度除以各單節馬弗材料的最大長度規格，得到各厚度單節需要焊接的實際單節馬弗材料的段數和各厚度單節的實際長度； 再后，由各厚度單節的實際長度相加得到整段馬弗管長度； 最后，各厚度單節經焊接拼成整段馬弗管，且焊接后的各厚度單節頂端應力呈依次遞增狀態。
2.根據權利要求I所述的懸掛馬弗管，其特征在于確定各厚度單節厚度時，根據馬弗材料的密度P、各厚度單節上端許用應力σ1; σ2，σ3，σ4，…0,各厚度單節的橫截面積S、以及各單節馬弗材料的內外徑規格，在使得各厚度單節重量最小且保證馬弗管下部必要的力學性能的前提下，確定各單節馬弗材料的厚度T1, T2, T3, T4,…ΤΝ。
3.根據權利要求I或2所述的懸掛馬弗管，其特征在于各厚度單節的長度及整段馬弗長度具體按以下方法配置 厚度為T1的單節一的長度配置方法為設定馬弗材料的密度為P，厚度為T1的單節一頂端應力σ i，單節一的橫截面積為S1，為使得馬弗重量最小且保證馬弗下部必要的力學性能，選擇單節一所用的單節馬弗材料的板厚T1的實際值；為保證應力在許用應力范圍內，單 節一頂部應力A =YlS σ,單節一自重G1= PS1LJG/ ;為減小馬弗自重，使得薄板盡可能的更長，取σ ,ο，進行單節一理論最大長度L1的計算，A 二^^ ;結合厚度為T1的單節馬弗材料的規格，由單節一理論最大長度L1除以單節一的馬弗材料的最大長度規格，得到單節一需要焊接的實際單節馬弗材料的段數和單節一的實際長度L1'； 厚度為T2的單節二的長度配置方法為為保證應力在許用應力范圍內，單節二馬弗上端的應力
4.根據權利要求3所述的懸掛馬弗管，其特征在于各厚度單節頂端應力σP σ 2，σ 3，σ4,呈依次遞增。
5.根據權利要求I或2或4所述的懸掛馬弗管，其特征在于所述各單節馬弗材料的許用應力值為σ=0·8 1·2Ν/_2。
6.根據權利要求5所述的懸掛馬弗管，其特征在于各單節馬弗材料許用應力ο =0. 9N/mm2。
全文摘要
本發明涉及一種懸掛馬弗管，馬弗管由多個單節上下順次連接構成；上、下端部單節內均固定有耐火材料及固定耐火材料的托板；其特征在于結合各馬弗管的結構特征，在計算應力時將上、下端部單節內耐火材料及固定耐火材料的托板的重量分別計入所在厚度單節馬弗管的重量之中，并使各厚度單節上端許用應力呈依次遞增狀態。該方法可合理分布馬弗管各處應力，使得馬弗管在高溫(1150℃左右)下工作時，熱-結構耦合應力分布合理，提升馬弗管的抗失效能力，提升馬弗管的使用性和經濟性。
文檔編號F27B5/06GK102839261SQ201210346548
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月17日 優先權日2012年9月17日
發明者楊謙, 李衛杰 申請人:中冶南方(武漢)威仕工業爐有限公司