专利名称：一种悬挂马弗管的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种悬挂马弗管，特别是立式悬挂马弗管。
背景技术：
立式马弗光亮退火炉炉内有一个多节圆柱构成的阶梯状马弗管，马弗管采用耐高温的高镍合金材料(一般为601合金材质)制成，多个单节马弗材料卷曲成环形后依次焊接成为单节圆柱马弗管，多节圆柱状马弗管焊接拼成整段圆柱形阶梯状马弗管。马弗管的上端被固定在炉体上，处于悬挂状态的马弗管承受着热应カ的同时还承 受着自重载荷，在使用过程中，马弗管发生热蠕变和塑性变形并逐渐失效。焊接成整段马弗管的各单节马弗管因长度、厚度设计不合理，会导致整段马弗的应カ分布不合理。在高温状态下进行工作时，应カ分布不合理的整段马弗管容易出现颈缩、截面变形、香蕉状弯曲、开裂等缺陷，显著降低使用寿命，短则半年即需更换。日本公开特许公报平3-168588专利文件提出的技术方案是各马弗单节顶部的静应カ均布的设计方法，其各马弗单节顶部应カ均为O. lkg/_2。由于马弗管的工作温度高达1150°C，通过有限元仿真软件计算可知，采用马弗单节顶部的应カ均等的设计方法，其马弗顶部在高温条件下热-结构耦合应カ异常，显著高于马弗管其他部分的热-结构耦合应カ。由此，应カ分布不合理的整段马弗管在高温生产条件下，易加速失效。这里需要明确的是，在高温下马弗管的热-结构耦合应カ才是马弗管的真实エ况下的应力，而常温下的静应カ并不能真实反应马弗管工作时的应力分布情況。申请号为201110437181.0的中国专利申请文件中，提出了一种立式光亮退火炉用悬挂马弗的设计方法。该设计方法虽然采用了各马弗单节顶部的静应カ往下递减分布设计方法，但偏重于马弗管的单体应力研究，没有考虑马弗管两端与炉体连接部件的重量及其产生的应カ；而由于隔热需要，马弗上部和下部都会设置耐材及耐材托板以保护炉体温度，这是无法忽视的一个影响因素；该专利申请由于没有去除该误差影响，因而不能从整体上考虑马弗管相关连接部件对其应力的影响，无法准确反映马弗管的真实应力。按该设计长度制造的马弗管在高温条件下工作时，受马弗管两端与炉体连接部件的影响，其真实应力分布不合理，不利于马弗管的使用和使用寿命的预估。综上所述，目前针对立式悬挂马弗管各单节长度及顶部应力的设计研究，现有主要研究偏重于马弗管的静应カ研究，即使得马弗管各单节顶部应カ呈近似均等分布状态；或偏重于马弗管管身的单体应力研究，不能有效考虑马弗管相关连接部件对其应力的影响。均不能真实反应马弗管在高温条件下工作时的真实应力，也不能据此优化设计马弗管的结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供ー种悬挂马弗管，马弗管各处应カ合理分布，在高温(1150°C左右)下工作时，热-结构耦合应カ分布合理，能够有效提升马弗管的抗失效能力，提升马弗管的使用性和经济性。本发明解决其技术问题采用的技术方案是ー种悬挂马弗管，马弗管由多个厚度单节上下顺次连接构成；其特征在于上、下端部厚度单节内均固定有耐火材料及固定耐火材料的托板；相同厚度单节马弗中所用单节马弗材料厚度相等，不同厚度单节的马弗材料的厚度由薄至厚变化；同一厚度单节马弗中所用单节马弗材料长度相等或不等；在各单节马弗材料受カ在允许拉伸強度范围之内前提下，各厚度单节长度由各单节马弗材料厚度和材料规格确定；将上、下端部厚度单节内耐火材料及固定耐火材料的托板的重量分别计入所在厚度单节马弗管的重量之中，并由此确定各厚度单节顶端应力，且由下至上，各厚度单节顶端的许用应力依次递增；马弗管各厚度单节的规格參数按如下步骤确定首先结合厚度单节中各单节马弗材料规格，确定各厚度单节厚度由下至上同一厚度单节中的各单节马弗材料的厚度相等，且不同厚度单节中各单节马弗材料的厚度T1, T2, T3, T4,…ム由薄至厚，厚度为T1的单节马弗材料焊接构成的厚度单节ー处于悬挂的整段马弗的最下端；同一厚度单节中的各单节马弗材料的长度相等或不等；然后，根据各单节马弗材料的厚度和材料规格，在保证各单节马弗材料受カ在允许拉伸強度范围之内前提下，为使得设计后的各厚度单节尽可能的更长，通过使各厚度单节顶端应カ等于许用应カ而计算各厚度单节的理论最大长度；随后结合各单节马弗材料的厚度和最大长度规格，由各厚度单节理论最大长度除以各单节马弗材料的最大长度规格，得到各厚度单节需要焊接的实际单节马弗材料的段数和各厚度单节的实际长度；再后，由各厚度单节的实际长度相加得到整段马弗管长度；最后，各厚度单节经焊接拼成整段马弗管，且焊接后的各厚度单节顶端应カ呈依次递增状态。根据上述技术方案，确定各厚度单节厚度时，根据马弗材料的密度P、各厚度单节上端许用应力Q1, σ2，σ3，σ4，…σ Ν各厚度单节的横截面积S、以及各单节马弗材料的内外径规格，在使得各厚度单节重量最小且保证马弗管下部必要的力学性能的前提下，确定各单节马弗材料的厚度T1, T2，T3，T4,…ΤΝ。根据上述技术方案，各厚度单节的长度及整段马弗长度具体按以下方法配置厚度为T1的单节ー的长度配置方法为设定马弗材料的密度为P，厚度为T1的单节ー顶端应力σ i，单节一的横截面积为S1，为使得马弗重量最小且保证马弗下部必要的力学性能，选择单节一所用的单节马弗材料的板厚T1的实际值；为保证应カ在许用应カ范
G,
围内，单节ー顶部应力び丨=~φ^σ，单节一自重G1= P S1LJG1';为减小马弗自重，使得薄
板尽可能的更长，取σ 1= σ，进行单节一理论最大长度L1的计算，Z1 =，结合厚度为
PS1
T1的单节马弗材料的规格，由单节一理论最大长度L1除以单节一的马弗材料的最大长度规格，得到单节ー需要焊接的实际单节马弗材料的段数和单节ー的实际长度L1'；厚度为T2的单节ニ的长度配置方法为为保证应カ在许用应カ范围内，单节ニ马弗上端的应カAσ:为减小马弗自重，使得薄板尽可能的更长，取ο2=σ，进行单
节ニ的理论最大长度L2的计算，ち=·^-' ,Λ| (へ:结合厚度为T2的单节ニ马弗材料的
P P^2
规格，由单节ニ理论最大长度L2除以单节ニ的马弗材料的最大长度规格，得到单节ニ需要焊接的实际单节马弗材料的段数和得出单节ニ的实际长度L2';其中，马弗管下端部厚度单节内固定的耐火材料及固定耐火材料的托板重量总记为G1'；厚度为T3的单节三的长度配置方法为为保证应カ在许用应カ范围内，使单节三顶端应力等于许用应カ得出单节三的理论长度4 =--^A ' pSlU-;结合厚度为T3
P3
的马弗材料的规格，得出单节三的实际长度L3'； 由此类推，同理可得L4'、v、v、v、v、v、IV、…V ;其中，马弗管上端部厚度单节内固定的耐火材料及固定耐火材料的托板重量总记为Gn'；其中厚度为Tn的单节N的长度配置方法为为保证应カ在许用应カ范围内而使单节N顶端应カ等于许用应力，得出单节N的理论长度んλ =--AS|A| +Gl +P·、/'+Sn-Am+ 趙合厚度为ち的单节马弗材料的规格，得出单节N的实际长度IV ;各厚度单节长度相加得到马弗管总长度为L=L1' +L2' +IV +……+IV。按上述技术方案，各厚度单节顶端应カ0ι，σ2，σ3，σ4，…σΝ呈依次递增。按上述技术方案，所述各单节马弗材料的许用应カ值为σ =0. 8 I. 2N/mm2。按上述技术方案，各单节马弗材料许用应力o=0.9N/mm2。按上述技术方案，通过连接耐材及耐材托板至炉体，减小耐材及耐材托板总重G/、G/对马弗管应カ的影响。由此，该方法结合马弗材料的规格，从整体上考虑马弗管连接部件对应カ的影响，对马弗各厚度单节的长度和厚度进行设计，合理分布马弗管各处应力，保证经焊接拼成的马弗管各单节顶部应カ从马弗下端至上端呈依次递增分布状态，使得马弗管在高温(1150°C左右)下工作时，热-结构耦合应カ分布合理，提升马弗管的抗失效能力。
图I为本发明优选实施例悬挂马弗管的结构示意图；其中，附图标记1-13依次表示悬挂马弗管13个单节；14为耐火材料；15为固定耐火材料的托板；16为法兰。图2为本发明优选实施例悬挂马弗管静态应力分布图(由左至右的马弗管结构梯度、板厚梯度、应カ梯度分别对应)。
具体实施例方式以下结合实施实例及附图对本发明作进ー步说明，但不限定本发明。如附图I所示，悬挂马弗管13个单节(由附图标记I到13)所需的的单节马弗材料的厚度 T1, T2, T3, T4,…Tltl 由薄至厚依次为 5臟，6臟，7臟，8mm’ 10mm, 12臟，14mm, I 7mm’ 2Ctam,22mm,各单节马弗材料规格为分别卷曲成整圆后最大外径为1710mm,最大内径为1690mm;其中单节1-4 (附图标记1-4)的厚度相等，均为T1，因而在设计时视为同一个厚度为T1的单节，该单节长度为单节1-4长度之和；以此类推，后续分别为厚度为T2的单节、厚度为T3的单节，.....厚度为Tltl的单节；本实施例中对各单节马弗材料取许用应力O. 8 I. 2N/mm2,优选σ =0. 9N/mm2。厚度为T1的单节处于整段悬挂马弗管的最下端；该单节理论长度为L1,该单节上端许用应力最大为σ，马弗材料的密度为p，P=8. lX103kg/m3，该单节的横截面积为S1,为使得马弗重量最小且保证马弗的力学性能，厚度为T1的单节的板厚T1取5mm ;厚度为T1的单节最下端和厚度为Tltl的单节最上端均固定有耐火材料14及固定耐火材料的托板15 ;厚度为T1的单节中耐火材料14及固定耐火材料的托板15的重量合计为G/ =234kg，厚度为Tltl的单节中耐火材料14及固定耐火材料的托板15的重量合计为G10' =82kg ； 厚度为T1的单节自重G1= P S1L^G1'；为保证应カ安全，厚度为T1的单节顶部应力び丨=-^-<σ,为减小马弗自重，使得薄板尽可能的更长，取PL1=O 1= σ ,I, = (,1':,1 ;L1为厚度为T1的单节的理论最大长度，结合厚度为T1的马弗材料的规格，其长度为2330mm，即厚度T1为5mm的马弗材料可取四段焊接，得出厚度为T1的单节的实际长度L/ =9320mm。为保证应カ安全，厚度为T2的单节上的应カ为び2 ノハ2 くび;
ム为减小马弗自重，使得薄板尽可能的更长，取O2=O L = — -pS'!」'ぃ7| :し2为
P2
厚度为T2的单节最大理论长度，结合厚度为T2的马弗材料的规格，得出厚度为T2的单节的实际长度L2' =1790mm。同理可得厚度为T3的单节最大理论长度ん=-~ パ+ % + PS^ ;结合厚度为T3的马弗
PP>%
材料的规格，得出厚度为T3的单节的实际长度L3' =1560mm。同理可得L4' =1390mm>L5/ =2260mm>L6/ =ISSOmnuL/ =1600mm>L8/ =1960mm、L9' =1740mm、Llt/ =1000mm ；马弗总长度为=L=L1'+L21 +L3' +L4' +L51 +L6' +L7' +L81 +L9' +L10; =24500mm0经过材料力学公式计算与有限元法通过计算机仿真，将上述设计结果与背景技术中中国专利申请未考虑耐火材料及固定耐火材料的托板时的应カ分布进行了研究和比较。本发明中悬挂马弗管的各单节长度、厚度与顶端应力数据如表I前5列所示，表I最右侧一列为背景技术中中国专利申请不考虑耐材及其托板时的应カ分布情況。
表I
权利要求
1.一种悬挂马弗管，马弗管由多个厚度单节上下顺次连接构成；其特征在于上、下端部厚度单节内均固定有耐火材料及固定耐火材料的托板；相同厚度单节马弗中所用单节马弗材料厚度相等，不同厚度单节的马弗材料的厚度由薄至厚变化；同一厚度单节马弗中所用单节马弗材料长度相等或不等；在各单节马弗材料受力在允许拉伸强度范围之内前提下，各厚度单节长度由各单节马弗材料厚度和材料规格确定；将上、下端部厚度单节内耐火材料及固定耐火材料的托板的重量分别计入所在厚度单节马弗管的重量之中，并由此确定各厚度单节顶端应力，且由下至上，各厚度单节顶端的许用应力依次递增；马弗管各厚度单节的规格参数按如下步骤确定 首先结合厚度单节中各单节马弗材料规格，确定各厚度单节厚度由下至上同一厚度单节中的各单节马弗材料的厚度相等，且不同厚度单节中各单节马弗材料的厚度T1, T2，T3,T4,由薄至厚，厚度为T1的单节马弗材料焊接构成的厚度单节一处于悬挂的整段马弗的最下端；同一厚度单节中的各单节马弗材料的长度相等或不等； 然后，根据各单节马弗材料的厚度和材料规格，在保证各单节马弗材料受力在允许拉伸强度范围之内前提下，为使得设计后的各厚度单节尽可能的更长，通过使各厚度单节顶端应力等于许用应力而计算各厚度单节的理论最大长度； 随后结合各单节马弗材料的厚度和最大长度规格，由各厚度单节理论最大长度除以各单节马弗材料的最大长度规格，得到各厚度单节需要焊接的实际单节马弗材料的段数和各厚度单节的实际长度； 再后，由各厚度单节的实际长度相加得到整段马弗管长度； 最后，各厚度单节经焊接拼成整段马弗管，且焊接后的各厚度单节顶端应力呈依次递增状态。
2.根据权利要求I所述的悬挂马弗管，其特征在于确定各厚度单节厚度时，根据马弗材料的密度P、各厚度单节上端许用应力σ1; σ2，σ3，σ4，…0,各厚度单节的横截面积S、以及各单节马弗材料的内外径规格，在使得各厚度单节重量最小且保证马弗管下部必要的力学性能的前提下，确定各单节马弗材料的厚度T1, T2, T3, T4,…ΤΝ。
3.根据权利要求I或2所述的悬挂马弗管，其特征在于各厚度单节的长度及整段马弗长度具体按以下方法配置 厚度为T1的单节一的长度配置方法为设定马弗材料的密度为P，厚度为T1的单节一顶端应力σ i，单节一的横截面积为S1，为使得马弗重量最小且保证马弗下部必要的力学性能，选择单节一所用的单节马弗材料的板厚T1的实际值；为保证应力在许用应力范围内，单 节一顶部应力A =YlS σ,单节一自重G1= PS1LJG/ ;为减小马弗自重，使得薄板尽可能的更长，取σ ,ο，进行单节一理论最大长度L1的计算，A 二^^ ;结合厚度为T1的单节马弗材料的规格，由单节一理论最大长度L1除以单节一的马弗材料的最大长度规格，得到单节一需要焊接的实际单节马弗材料的段数和单节一的实际长度L1'； 厚度为T2的单节二的长度配置方法为为保证应力在许用应力范围内，单节二马弗上端的应力
4.根据权利要求3所述的悬挂马弗管，其特征在于各厚度单节顶端应力σP σ 2，σ 3，σ4,呈依次递增。
5.根据权利要求I或2或4所述的悬挂马弗管，其特征在于所述各单节马弗材料的许用应力值为σ=0·8 1·2Ν/_2。
6.根据权利要求5所述的悬挂马弗管，其特征在于各单节马弗材料许用应力ο =0. 9N/mm2。
全文摘要
本发明涉及一种悬挂马弗管，马弗管由多个单节上下顺次连接构成；上、下端部单节内均固定有耐火材料及固定耐火材料的托板；其特征在于结合各马弗管的结构特征，在计算应力时将上、下端部单节内耐火材料及固定耐火材料的托板的重量分别计入所在厚度单节马弗管的重量之中，并使各厚度单节上端许用应力呈依次递增状态。该方法可合理分布马弗管各处应力，使得马弗管在高温(1150℃左右)下工作时，热-结构耦合应力分布合理，提升马弗管的抗失效能力，提升马弗管的使用性和经济性。
文档编号F27B5/06GK102839261SQ201210346548
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者杨谦, 李卫杰 申请人:中冶南方(武汉)威仕工业炉有限公司