在冶金行业国内外的大跨度(大于4.5米)轧钢加热炉上,炉顶往往采用平面吊挂顶板,通过锚固在耐火浇筑料或耐火可塑料中的吊挂件,吊挂在炉顶围护的钢结构上,吊挂件一般采用长度180~620mm、AL2O3约60%的高铝锚固砖。
依据操作工艺、使用和设计条件,平面吊挂顶板采用炉顶整体浇筑或捣打吊挂和预制块拼装吊挂两种方式,预制块拼装吊挂有安装施工便捷、维护更换迅速的优点,但整体气密性差;炉顶整体浇筑或捣打吊挂,气密性好,但不宜维护更换,要求炉顶全部的吊挂件处于均匀受力状态,尤其是当单个吊挂锚固砖断裂时,可能会使炉顶的所有吊挂锚固砖产生多米诺骨牌效应,出现整个炉顶坍塌的现象,究其原因可以从吊挂锚固砖的应力状态分析入手:吊挂锚固砖在实际中承受静载荷力(自重和部分平面吊挂顶板重量)、动载荷(由于振动等原因)和温度变化产生的热应力作用,炉体正常工作时,吊挂锚固砖在炉内的热端温度可达1300℃甚至更高,而露在平面吊挂顶板外部的冷端温度在50℃~300℃,从有限元热应力数值计算和模拟实际热应力测试可以知道,吊挂锚固砖高温表面存在压应力场,低温表面存在拉应力场,温差愈大、其应力值越大,对吊挂锚固砖产生弯曲作用,而且热端较冷端大,使热端较容易破坏。
炉体降温时,吊挂锚固砖在炉内的热端温度也下降,其附近的应力场由压应力转变为拉应力,温度下降越快,应力场的转变速度也越快,形成吊挂砖两端受拉的应力状态,当超过其极限抗拉强度时,吊挂锚固砖就会产生裂纹甚至断裂。若炉顶吊挂砖断裂后,那么这块吊挂锚固砖邻近的砖承受的静载荷力和动载荷就相应地增大,当综合拉应力超过其抗拉强度时,也会发生断裂,相应地依此效应整个炉顶的吊挂锚固砖就会依次地断裂,出现整个炉顶坍塌的现象。因此如何准确地测量吊挂锚固砖的抗拉强度,对于工业炉设计、选材、炉体生产操作工艺有着重要的指导意义。
高铝锚固砖作为高温材料,其损坏机理主要是热机械应力。在实际应用中,当材料的局部压应力达到耐压强度,或者局部拉应力达到抗拉强度时,裂纹就在此处最先形成,在热应力和残余应力的综合作用下扩展,最终造成高铝锚固砖的开裂和剥落。 以下是实验测试各种不同的AL2O3含量的锚固砖抗拉强度。
对高铝锚固砖进行了一些试验,结果表明,高铝锚固砖抗拉能力低于抗折和耐压能力,抗拉强度只有耐压强度的1/13左右,抗折强度的1/2~1/3;同时也验证高铝锚固砖在受压时呈弹塑性状态,受拉和受折时呈脆性状态的分析研究。 并用试验数据表明高铝锚固砖的抗拉强度低于抗折强度,远低于耐压强度,在选用时应分析其受力状态,选取合理的性能参数。