CN110817138B - 一种耐火圆筒容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐火圆筒容器，包括耐火工作层，由耐火材料成形为圆筒形状，以盛装高温物料；隔热层，覆盖耐火工作层的外表面；隔热层外表面贴设N组垫板，每组垫板围绕耐火圆筒容器形成一垫板环；每组垫板环上环绕设置有M组导管，每组导管对应一组应力筋，一组应力筋穿设过对应组的导管形成一应力环，应力环以耐火圆筒容器的轴线上的一点为圆心，并与轴线垂直；一组应力筋中设有弹簧，拉紧一组应力筋至预设应力时弹簧的伸长量在预设长度以内，松弛一组应力筋时弹簧复位。本发明通过拉紧应力筋，为耐火圆筒容器增加一个指向圆心的附加压应力，以降低耐火材料开裂几率，提高容器使用寿命。

Description

一种耐火圆筒容器

技术领域

本申请涉及耐火设备技术领域，尤其涉及一种耐火圆筒容器。

背景技术

立式耐火圆筒容器是冶金及其他高温行业较常应用的热工设备，主要用于盛装和运输800℃以上的液态或固态物体，一些常用的应用包括钢包、铁包、渣罐等。

耐火圆筒容器的通常结构是由圆筒形的钢壳和耐火材料内衬组成，耐材贴着钢壳砌筑或浇注施工，经养护烘烤后形成具有一定厚度的筒型容器。当该类容器盛装和运输高温物体一段时间后，由于盛装物料对耐材衬体的挤压、冲刷(例如在冶金领域，容器盛装的物料的重量通常在50～300t)的综合作用，以及高温物料反复的装卸和耐材本身固有的脆性和抗热震性差的因素，导致耐材内衬很快就会产生裂纹，随着裂纹的扩展耐材内衬出现剥落掉料，此时只能将容器下线修补，因此耐火圆筒容器的使用寿命较低，并且经常性的维护影响了生产节奏，提高了产品的生产成本和设备维护成本，在严重时甚至发生高温熔体物料从筒壁中渗漏，造成人员伤亡和经济损失。因此，亟需一种新型的耐火圆筒容器，降低耐火内衬的开裂几率，以提高容器使用寿命，降低维护成本。

发明内容

本发明提供了一种耐火圆筒容器，以解决或者部分解决现有的耐火圆筒容器的耐材内衬容易开裂，使用寿命不长的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种耐火圆筒容器，包括耐火工作层、隔热层、垫板、导管、应力筋、弹簧；

耐火工作层，由耐火材料成形为圆筒形状，以盛装高温物料；

隔热层，覆盖耐火工作层的外表面；隔热层外表面贴设N组垫板，每组垫板围绕耐火圆筒容器形成一垫板环；N大于等于1且为正整数；

每组垫板上环绕设置有M组导管，每组导管对应一组应力筋；一组应力筋穿设过对应组的导管，与对应组的导管共同形成一应力环；应力环以耐火圆筒容器的轴线上的一点为圆心，并与轴线垂直；M大于等于1且为正整数；

一组应力筋中设有弹簧；其中，在每个应力环中，拉紧一组应力筋至预设应力时，弹簧的伸长量在预设长度以内，松弛一组应力筋时，弹簧复位。

可选的，导管的长度为[30mm，150mm]；导管的直径为[5mm，30mm]。

可选的，在导管的顶端增设通孔以安装定滑轮，定滑轮的轮轴平行于耐火圆筒容器的轴线，并设有凹槽，一组应力筋套设至定滑轮的凹槽内。

进一步的，定滑轮是双凹槽结构；一组应力筋中包含两圈应力筋，两圈应力筋分别套设于定滑轮的凹槽中，并相互平行。

进一步的，单个凹槽的宽度为[2mm，12mm]。

可选的，一组垫板包括8～18块垫板，每块垫板上设有至少一根导管；

导管与应力筋形成一个以上的应力环。

进一步的，处于同一应力环的全部导管所连接的垫板的规格相同，以垫板的水平方向的侧边为弧长，与侧边同水平面的耐火圆筒容器轴线上的一点为圆心，所构成的扇形的圆心角的范围为[18°，43°]。

进一步的，当垫板上设有一根导管时；处于同一应力环的导管的间隔距离相等；

当垫板上设有两根以上的导管时，处于同一应力环的每块垫板上的相邻导管的间隔距离相等。

如上述的技术方案，应力筋为环氧树脂涂层钢绞线，抗拉强度≥1000MPa。

如上述的技术方案，弹簧的倔强系数的范围是[5kN/m,100kN/m]，抗拉强度≥1000MPa。

通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种耐火圆筒容器，利用耐火材料抗压强度高的特点，在耐火工作层外的隔热层上环绕设置一组以上的垫板，然后在每组垫板上设置一组以上的应力环，应力环包括与垫板固定连接的导管和导管上穿设的应力筋，应力筋由弹簧连接，通过拉紧应力筋获得预设压应力，经由导管和垫板将其均匀传递给耐火工作层。本发明的技术方案能够至少实现以下4个有益效果：(1)由应力筋产生的预应力可以抵消或降低来自圆筒内物料对耐火工作层内壁带来的指向圆外的径向压应力，从而降低或消除来自物料的压应力所产生的切向拉应力，从而显著的降低了裂纹萌生和扩展的可能性；(2)应力筋施加的预应力是一种向内作用的力，当圆筒内某一块耐材发生了突然变形或开裂后，预应力产生的附加力矩以及变形开裂后区域对应的应力筋对该区域产生的侧压力与突然变形开裂的方向相反，将使开裂处的结构趋向自动愈合；(3)预应力的出现可以部分抵消耐火工作层中的耐火材料因为冷热面的较大温差所产生的热应力场，从而大大减少开裂剥落的情况；(4)在增加了上述的垫板、导管、应力筋以后，显著降低了耐火工作层的开裂几率，并显著提高了使用寿命，耐火圆筒容器不再需要传统结构中的钢构外壳，即节省了成本，也提高了设备维护的便捷性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的耐火圆筒容器的俯视结构图；

图2示出了根据本发明一个实施例的导管和定滑轮的结构图；

图3示出了根据本发明一个实施例的耐火圆筒容器的前视图。

附图标记说明：1、耐火工作层；2、隔热层；3、垫板；4、导管；5、定滑轮；6、应力筋、7、弹簧。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

研究表明，盛装高温物料的耐火材料内衬要同时承受径向压应力和环向拉应力，径向压应力是由于耐材内衬的内壁对大重量的高温物料的阻碍作用所产生的，在当内衬的内壁受到360°的指向圆筒外部的径向压应力时，相对的内衬的外壁将受到拉应力，同时，由于高温物料反复的装卸和耐材本身具有一定的厚度和隔热能力，因此耐火材料内衬的冷热面温差可能很大，导致耐材还要承受巨大的热应力。而耐火材料作为脆性的非金属材料，其固有特性是弹性变形很小，抗压强度虽高但抗拉强度很低，断裂韧性差，并且抗冷热交替的热震性很差。因此耐火材料内衬在受到拉应力和频繁的热震情况下极易萌生裂纹，这是导致耐火材料内衬使用寿命不长的主要因素。本发明从这一因素入手，提供了一种新的耐火圆筒容器，以解决传统的耐火材料内衬容易开裂，使用寿命不长的技术问题。

如图1所示，在本实施例中提供了一种耐火圆筒容器，包括：

耐火工作层，由耐火材料成形为圆筒形状，以盛装高温物料；

隔热层，覆盖耐火工作层的外表面；隔热层外表面贴设N组垫板，每组垫板围绕耐火圆筒容器形成一垫板环；N大于等于1且为正整数；

每组垫板环上环绕设置有M组导管，每组导管对应一组应力筋；一组应力筋穿设过对应组的导管，与对应组的导管共同形成一应力环；应力环以耐火圆筒容器的轴线上的一点为圆心，并与轴线垂直；M大于等于1且为正整数；

一组应力筋中设有弹簧；其中，在每个应力环中，拉紧一组应力筋至预设应力时，弹簧的伸长量在预设长度以内，松弛一组应力筋时，弹簧复位。

具体来说，本实施例中的耐火圆筒容器对现有的耐火材料内衬的结构进行了改进，利用耐火材料抗压强度高的特点，增加了一个向圆筒轴心施加预应力的机构，以抵消或降低高温物料对容器内壁的径向压应力所产生的拉应力。需要注意的是，这里的耐火圆筒容器不仅包括上下直径一样的圆柱容器，也包括上下直径不一致的圆柱容器，例如上部粗下部细的容器，只要是圆筒形的容器均可以实施本发明的方案。接下来的实施例以上下直径一致的圆柱形耐火圆筒容器为例进行说明，本领域的技术人员在得知了相应的实施原理后，完全可以将其复用至其他类型的耐火圆筒容器中。

在本发明的所有实施例中，耐火圆筒容器由内之外的结构分别为：耐火工作层1、隔热层2、垫板3、导管4和应力筋6：

与容器中的高温物料，如钢水、铁水、渣料等直接接触的是耐火工作层1的内壁或内表面，耐火工作层1是通过耐火砖砌筑或耐火浇注料浇注(也可以采用其他施工方式，如捣打、喷射)而成，耐火工作层1的厚度为20～200mm，根据具体应用场景决定。

隔热层2紧贴耐火工作层1的外表面，起隔热和保温作用，在本实施方式中要求隔热层2的材质能够任意弯曲变形以紧密贴合耐火工作层1的外表面，根据具体应用场景可以使用体积密度在0.6～1.0g/cm³，使用温度在200℃～900℃(低温)和900～1200℃(中温)的隔热耐火材料，材质优选为硅酸铝纤维和纳米反射绝热板，要求是能任意弯曲变形，紧密贴合到圆筒的外表面。隔热层2的厚度根据具体工况保温和隔热需要进行确定，通常可设置为耐火工作层1厚度的5％～20％。

垫板3贴合于隔热层2的外表面，作用是将导管4传递过来的预应力均匀传递给隔热层2和耐火工作层1，所以首要的是垫板3能够均匀应力传递且能够稳固连接导管4；同时由于耐火圆筒容器需要长时间盛装高温物料，垫板3也要承受高温的影响，且垫板3需要能够贴合圆筒外壁，要求足够的塑性和高温强度，在一些情况下还需要有一定的抗腐蚀能力，因此垫板3的材质采用耐热合金板或高温合金板，可以选择奥氏体耐热不锈钢，垫板3的形状根据实际贴合的耐火圆筒容器确定，若是上下端直径一致的直圆筒容器，垫板3为上下水平边呈弧形的类矩形；还可以是梯形状的，用于贴合上粗下细的耐火圆筒容器，在此不做具体的限定。垫板3的厚度可以根据实际需要确定，优选厚度范围为20mm～40mm，包括端点值。一组垫板中包含的垫板3的数量可以根据耐火圆筒容器的大小和应力传递的均匀性的要求进行灵活调整，例如可以采用一整块耐热合金板进行包覆，也可以选择多块耐热合金板、彼此相互间隔一定距离进行包覆；对于垫板的组数也是根据具体情况调整，对于高度较低的容器可以在容器侧壁环绕包覆一组垫板3，对于高度较高的容器，可以在容器侧壁环绕包覆两组以上的垫板3，根据应力均匀传递的实际需要进行调整。垫板只设于耐火工作层的侧壁上，在耐火工作层的底面上不设置垫板。

本实施例中对耐火容器圆筒施加的预应力是通过导管4、应力筋6和弹簧7实现的，以垫板的角度来看，导管4是竖直固定在垫板3上的，导管4垂直于固定位置处的垫板3，其作用是将应力筋6撑起，使其不与垫板3直接接触，这是因为应力筋6在高温的作用下抗拉强度将显著下降，无法为耐火圆筒容器提供足够的预应力。为了保证预应力传递过程中的稳定性，可以将导管4的底端焊接在垫板3上，导管4所在的延长线指向耐火圆筒容器轴线上的某个圆心。一组导管上对应有一组应力筋，一组应力筋中可以根据所需要的应力大小，包含一圈或者数圈应力筋6；一组应力筋6穿设在对应组的所有导管4的顶端，且围绕耐火圆筒容器形成一个圆圈形。可以用一个弹簧7同时连接一组应力筋中的全部应力筋，也可以在一组应力筋中的每圈应力筋上设置弹簧7，在张拉收紧一组应力筋时，将弹簧7拉伸到预设长度后维持当前状态，就可以为耐火圆筒容器提供预设的压应力。总的来说，一组垫板3中至少包括一组导管4，一组导管4上对应于一组应力筋6，一组应力筋中可以包括一圈以上的应力筋，一组导管4和所对应的一组应力筋6均处于同一个圆面内形成了一应力环，该应力环的圆心位于耐火圆筒容器轴线上，且垂直于轴线。一组垫板中至少包括一个以上的应力环。在进行实际应用时，首先根据耐火圆筒容器的尺寸和盛装的高温物料，确定出应力环所需要提供的预设应力值，然后通过张拉应力筋6到预设应力，此时就可以稳定的通过导管4传递给垫板3一个指向容器轴心的径向压应力，垫板3将从导管4处获得径向压应力均匀传递给耐火工作层1。在实际控制中，应力环具体数量根据实际需要确定。

可选的，应力环所需要提供的预设应力的一种确定方法如下：

首先计算盛装有物料的圆筒形筒仓所受到的侧壁压应力，然后根据侧壁压力等于外加预应力，再根据应力筋的规格算出每根筋所承受的单位面积拉力，即压强的值。圆筒形筒仓的侧壁压应力的计算公式如下：

p_h＝C_hγρ(1-e^-μks/ρ)/μ

其中，C_h—深仓贮料水平压力修正系数；

γ—贮料的重力密度(kN/m³)；

ρ—筒仓水平净截面的水力半径(m)；

μ—贮料与仓壁的摩擦系数；

k—侧压力系数；

e—自然对数；

s—贮料顶面或贮料锥体重心至所计算截面的距离(m)；

—贮料的内摩擦角(°)。

在没有盛装物料时，可以松弛应力筋6和弹簧7，以解除此时应力筋6给耐火工作层1所施加的不必要的压应力。

可选的，在一组应力筋6上设有应力筋张紧机构，优选的，可以使用预应力锚具，以拉紧或松弛应力筋6。

预应力锚具是为了方便的对应力筋6进行张紧或松弛而引入的，可选的，当圆筒直径较小时，使用一个预应力锚具牵拉一组应力筋，此时一组应力筋中的每圈应力筋实际上包括两根应力筋6，每根应力筋6的两端分别与弹簧7和预应力锚具连接成为一个完整的圆形；当圆筒直径较大时，可以在一组应力筋上设置两个预应力锚具，两个预应力锚具呈中心对称分布，分别将一组应力筋的两端汇聚固定，可同时进行拉伸或松弛，此时一圈应力筋中实际包含三根应力筋6，三根应力筋6的两端分别连接两个预应力锚具和弹簧7，形成一个完整的圆形。在耐火圆筒容器盛装高温物料时使用预应力锚具拉伸应力筋6获得预应力，装料结束后预应力锚具松弛应力筋6，以停止对空容器继续施加压应力。在一些可能的应用场景，如需求不高的预应力时，除了预应力锚具，也可以在应力筋6两端设置挂钩，在张紧预应力筋6时使用牵引装置将挂钩相连，松弛应力筋6时分开挂钩即可。

本实施方式提供了一种耐火圆筒容器，利用耐火材料抗压强度高的特点，在耐火工作层外的隔热层上环绕设置一组以上的垫板，然后在每组垫板上设置一组以上的应力环，应力环包括与垫板固定连接的导管和导管上穿设的应力筋，应力筋由弹簧连接，通过拉紧应力筋获得预设压应力，经由导管和垫板将其均匀传递给耐火工作层。本发明的技术方案能够至少实现以下4个有益效果：(1)由应力筋产生的预应力可以抵消或降低来自圆筒内物料对耐火工作层内壁带来的指向圆外的径向压应力，从而降低或消除来自物料的压应力所产生的切向拉应力，从而显著的降低了裂纹萌生和扩展的可能性；(2)应力筋施加的预应力是一种向内作用的力，当圆筒内某一块耐材发生了突然变形或开裂后，预应力产生的附加力矩以及变形开裂后区域对应的应力筋对该区域产生的侧压力与突然变形开裂的方向相反，将使开裂处的结构趋向自动愈合；(3)预应力的出现可以部分抵消耐火工作层中的耐火材料因为冷热面的较大温差所产生的热应力场，从而大大减少开裂剥落的情况；(4)在增加了上述的垫板、导管、应力筋以后，显著降低了耐火工作层的开裂几率，并显著提高了使用寿命，耐火圆筒容器不再需要传统结构中的钢构外壳，即节省了成本，也提高了设备维护的便捷性。

可选的，导管4的直径为[5mm，30mm]，导管4的长度为[30mm，150mm]。

本实施例中的导管主要有两个作用：稳定的传递应力，在实际应用过程中应力筋的拉伸应力通常在数百兆帕；以及将应力筋撑起隔离垫板，避免直接受到高温物料的热辐射的影响而软化。导管通常也是采用耐热合金或高温合金制成，根据温度辐射的计算，导管的长度应在30mm以上，否则隔热效果不足以保证应力筋的强度。导管的实际长度也与圆筒内所承装高温物料的温度有关，所装物体温度越高，管子长度要相应增长，但导管长度也不能过长，否则导管在压应力作用下容易弯曲变形，因此可选的导管长度范围是30mm～150mm，包括端点值，优选值可以是60mm，80mm，100mm。同时根据管状金属强度的计算，长度和管径比在5～6之间的金属管的强度较高，在受轴向压应力时不容易发生弯曲变形，导管的直径可选值是5mm～30mm，包括端点值，优选值根据导管长度和应力筋的规格综合确定。

基于上述实施例的实施原理，在又一个可选的实施例中，在导管4的顶端增设通孔以安装定滑轮5，定滑轮5的轮轴平行于耐火圆筒容器的轴线，并设有凹槽，一组应力筋6套设至定滑轮5的凹槽内。

如图2所示，在导管4顶端安装带凹槽的定滑轮5，再将一组应力筋套设在凹槽内，可以防止应力筋6在张拉过程中因为摩擦力产生自锁，从而导致张拉无效的状况。滑轮虽然安装在导管4顶端的通孔内，但凹槽部分高出导管4顶端边缘，因此预应力筋6不会触碰到导管4的边沿影响张拉。实际使用过程中，滑轮的凹槽宽度根据应力筋6的规格确定，以稳定的套设应力筋6。

可选的，定滑轮5是双凹槽结构；一组应力筋中包含两圈应力筋，两圈应力筋分别套设于定滑轮5的凹槽中，并相互平行。

进一步的，单个凹槽的宽度为[2mm,12mm]。

对于不同规格和盛装不同物料的耐火圆筒容器所需求的预应力不同，应力筋6的规格也不相同，在一些应用场景下，例如，需求较大预应力的容器，可以使用双凹槽的定滑轮5，每个凹槽中套设一圈应力筋6，一个应力环中的一组应力筋实际包含两圈应力筋6，且两圈应力筋6之间相互平行，既能提供稳定的压应力，又能选择通用的应力筋6的规格进行搭配，提高了应力筋6选择的灵活性和适用性。在选择不同规格的应力筋6后，滑轮的槽宽也要进行相应的调整，进而影响到滑轮直径和导管4直径的选择。通常情况下滑轮直径以不超过导管4直径的80％为宜，当导管4的优选值是5mm～30mm时，滑轮直径范围对应为4mm～24mm，双凹槽的滑轮的单槽直径范围对应为2mm～12mm，以上范围均包括端点值，具体取值根据所选的应力筋6的规格确定。

作为一个可选的实施例，一组垫板包括8～18块垫板3，每块垫板3上设有至少一根导管4；

导管4与应力筋6形成一个以上的应力环。

如上所述，垫板可以根据需要设置一组，也可以设置多组，为了提高预应力传递的均匀性，每一组垫板的数量优选值可以是8～18块，并且每一块垫板上至少设有一根导管。在每一组垫板中，导管和导管上应力筋构成的应力环可以是一环，也可以是数环。举例来说，若一组垫板中包含16块垫板，每一块垫板上可以设有1根导管，总数为16根导管，这16根导管既可以分为1组，也可以分为2组或4组，对应的形成了1个、2个或4个应力环，对应的一个应力环中分别包括16根、8根、4根导管。每一块垫板上也可以设置2根或4根导管，那么导管的总数为32根或64根，同样的，这些导管和应力筋也可以形成一环或多环应力环。如图3所示，给出了一个垫板上设置有2根导管的情况，2根导管呈竖直排列，每一组垫板上形成两个应力环，每个应力环中包括16根导管。当然每个垫板上的2根导管也可以水平排布，形成一个应力环，该应力环中包括32根导管。若一个垫板上设有4根导管，一个可选的排列方式是两排两列，呈矩形分布，形成两个应力环，每个应力环中包含32根导管。

上述数字只是举例说明原理，不实际限制导管数量和应力环数，本领域的技术人员得知原理后可将其扩展到其他数量的排列方式。

可选的，处于同一应力环的与全部导管4所连接的垫板3的规格相同，以垫板3的水平方向的侧边为弧长，与侧边同水平面的耐火圆筒容器轴线上的一点为圆心，所构成的扇形的圆心角的范围为[18°，43°]。

上述限定是为了保证将应力筋6产生的预应力均匀的传递给耐火工作层1。试验表明，对于任何规格的耐火圆筒容器，将同一组垫板中的相邻垫板3的左右相邻竖直侧边的间隔控制在20mm～200mm时，能够将预应力完整的传递到整个圆筒容器的侧壁周身，避免局部区域应力集中发生开裂。在同时满足上述垫板3之间间隔距离的要求和垫板环中的垫板3数量为8～18块的条件下，每一块垫板3的水平方向的侧边的两个端点，应当与耐火圆筒容器处于同一水平面的圆心的连线夹角范围在18°～43°，根据圆心角的范围实际确定垫板3的具体尺寸。

进一步的，在上述实施方式的基础上的，当一块垫板3上设有一根导管4时；处于同一应力环的导管4的间隔距离相等；

当一块垫板3上设有两根以上的导管4时，处于同一应力环的每块垫板3上的相邻导管4的间隔距离相等。

具体来说，本方案的目的是对导管的位置进行优化，以保证应力环为耐火圆筒容器施加均衡的压应力。当垫板上设有一根导管时，处于同一个应力环上的导管应该平均分布，间距相等；而一块垫板上设有多根导管时，且同一块垫板上有多根导管处于同一个应力环时，那么处于同一个应力环且位于同一块垫板上的相邻导管的间距，在所有垫板上都应该是相同的。

举例来说，一个可选的方式如下：

如果一个垫板上设置有1根导管，则导管处于垫板的中心点；

如果一个垫板上设置为2根导管，若导管竖直分布形成2个应力环(如图3所示)，那么每根导管距离垫板的水平侧边的垂直距离均为矩形的垂直侧边的边长的1/4，即两个导管之间的距离为垂直边边长的1/2；

如果一个垫板上设置有2根导管，若导管水平分布形成一个应力环，那么每根导管距离垫板垂直侧边的水平距离均为垫板水平侧边边长的1/4，两个导管之间的距离为水平侧边边长的1/2；

如果一个垫板上设置有4根导管，若导管呈上下左右连线为矩形的分布，也就是两排两列的排布方式，那么它们的排列相当于同时结合上述两种方式，每根导管距离垫板相邻边的距离均为另一边的边长的1/4。

可选的，上述实施例中的应力筋6可以是钢绞线，优选为环氧树脂涂层钢绞线，抗拉强度≥1000MPa。

钢绞线是用冷拔钢丝绞扭而成，再经低温回火处理即可，根据深加工的要求不同可分为包括普通松弛钢绞线、低松弛钢绞线、镀锌钢绞线、环氧涂层钢绞线和模拔钢绞线。

环氧树脂涂层钢筋有很好的耐蚀性，防滑耐磨性，考虑到所应用的圆筒工况可能承装带有腐蚀性的物料或在腐蚀性的气氛下运行，对钢筋的使用造成影响，所以本发明优选为环氧树脂涂层钢筋，当然，如果圆筒中盛装的物料工况没有腐蚀性或腐蚀性较弱，也可以使用普通钢绞线。

钢绞线规格有2股、3股、7股和19股等。7股钢绞线由于面积较大、柔软、施工定位方便等，是目前国内外应用最广的一种预应力筋。本发明应用的单根应力筋可以选择3股或7股的钢绞线。

可选的，上述实施例中的弹簧7的倔强系数的范围是[5kN/m,100kN/m]，抗拉强度≥1000MPa。

具体来说，上述实施例使用的是耐高温材质的弹簧，可选材料体系包括CrSi、CrV、Inconel高温合金，弹簧可在150℃～950℃范围内使用，若使用温度在400℃以下也可采用不锈钢材质，总体上是根据使用要求选择适合的材质。上述实施例中根据圆筒所使用的温度不同，可挑选下表内不同种类的高温拉伸弹簧，优选是高温合金(GBn 175)。

另外，选择具有一定倔强系数的弹簧的原则是：将应力筋拉到预设应力时，弹簧不超过其最大弹性极限，且弹簧的最大伸长量不超过与弹簧相邻的两根导管之间距离的2/3。

基于上述实施例的实施原理，接下来结合具体实施数据对本申请的耐火圆筒容器的制造和使用过程进行说明。

在一个可选的实施例中，需制作一个内径为6m，高5m的圆筒，用于盛装温度1200℃左右的半固态熔渣，盛装物料重量约250t。具体步骤如下：

1)先用耐火砖砌筑耐火工作层，砖厚度为180mm，砌筑成内径为6m，高5m的圆筒形。

2)在耐火工作层外表面贴一层耐火纤维毡作为隔热层，厚度为15mm，起到隔热作用，防止圆筒内物料高温传递到外部对预应力结构造成损害。

3)圆筒上的一组垫环中均匀放置18块垫板，每块垫板厚度为20mm，上下边弧长是1m，左右边长为1m，弧两端和圆心连线的夹角为19°，一组垫板中每两块垫板左右邻边之间的间隔为115mm。垫板共设置4组，相邻两组垫板的上下邻边之间的间隔为200mm。

4)每块垫板在竖直方向布置两根导管(如图3所示)，即一组垫板中包括两组导管，全部圆筒上共有4×2＝8组导管，一组导管包括18根导管，每根导管长80mm，直径为16mm，距离垫板上下边的垂直距离均为250mm，导管底端和垫板焊接，每块垫板上两根导管底端之间的距离是500mm。

5)导管外端放置定滑轮；每个定滑轮采用双凹槽设计，每个槽宽为8mm，用于放置两圈应力筋，两圈应力筋为一组应力筋。

6)在每一组导管中，选取某相邻两根导管的中间位置，用30W4Cr2VA弹簧同时连接两圈应力筋，应力筋选用直径为8mm的环氧涂层钢绞线。总共形成8个应力环。

7)经计算，每一个应力环的预拉应力在800MPa可以满足使用要求，而每环相邻两根导管的外端连线长度为1092mm，即弹簧的最大伸长量为728mm，因此选用倔强系数≥60kN/m的高温高强弹簧连接。

8)用预应力锚具同时张拉最下环的一组应力筋，直到弹簧的伸长量达到预设张力(在本实施例是500mm)后，停止张拉；然后依次从下往上每环进行同样的张拉过程，直到8个应力环的弹簧伸长量都满足要求。

9)该耐火圆筒容器经烘烤后即可投入使用，不需要制作钢构外壳，并且使用寿命从原来1年增加至3年且中间无需修补。

在又一个可选的实施例中，需制作一个内径为4m，高4.8m的圆筒，用于盛装温度1500℃左右的铁水，盛装物料重量约200t。具体步骤如下：

1)先用耐火浇注料浇注耐火工作层，浇注成厚度为200mm，内径为4m，高4.5m的圆筒形。

2)在耐火工作层外表面贴两层纳米反射绝热板作为隔热层，厚度为7.5mm，起到隔热作用，总厚度为15mm。

3)圆筒上的一组垫环中均匀放置14块垫板，每块垫板厚度为25mm，上下边弧长是900mm，左右边长为900mm，弧两端和圆心连线的夹角为23°，一组垫板中每两块垫板左右邻边之间的间隔为94mm。垫板共设置5组，相邻两组垫板的上下邻边之间的间隔为50mm。

4)每块垫板在竖直方向布置两根导管，即一组垫板中包括两组导管，全部圆筒上共有5×2＝10组导管，一组导管包括14根导管，每根导管长100mm，直径为12mm，距离垫板上下边的垂直距离均为225mm，导管底端和垫板焊接，每块垫板上两根导管的底端之间的距离是450mm。

5)导管外端放置定滑轮；每个定滑轮采用双凹槽设计，每个槽宽为6mm，用于放置两圈应力筋，两圈应力筋为一组应力筋。

6)在每一组导管中选取某相邻两根导管的中间位置，用GH 4145弹簧同时连接两圈应力筋，应力筋选用直径为6mm的环氧涂层钢绞线。总共形成10个应力环。

7)经计算，每一个应力环的预拉应力在500MPa可以满足使用要求，而每环相邻两根导管的外端连线长度为939mm，即弹簧的最大伸长量为626mm，因此选用倔强系数≥30kN/m的高温高强弹簧连接。

8)用预应力锚具同时张拉最下环的一组应力筋，直到弹簧的伸长量达到预设张力(在本实施例是400mm)后，停止张拉；然后依次从下往上每环进行同样的张拉过程，直到10个应力环的弹簧伸长量都满足要求。

9)该耐火圆筒容器经烘烤后即可投入使用，不需要制作钢构外壳，并且使用寿命从原来半年增加至2年且中间仅需少量修补，大大减轻了劳动强度，具有较好的经济效益。

在一个可选的实施例中，需制作一个内径为3m，高3m的圆筒，用于盛装温度1100℃左右的保护渣，盛装物料重量约40t。具体步骤如下：

1)先用耐火砖砌筑耐火工作层，砖厚度为160mm，砌筑成内径为3m，高3m的圆筒形。

2)在耐火工作层外表面贴一层耐火纤维毡作为隔热层，厚度为10mm，起到隔热作用，防止圆筒内物料高温传递到外部对预应力结构造成损害。

3)圆筒上的一组垫环中均匀放置8块垫板，每块垫板厚度为20mm，上下边弧长是1.2m，左右边长为1.0m，弧两端和圆心连线的夹角为41°，一组垫板中每两块垫板左右邻边之间的间隔为110mm。垫板共设置2组，相邻两组垫板的上下邻边之间的间隔为340mm。

4)每块垫板布置1根导管，即一组垫板中包括一组导管，全部圆筒上共有2×1＝2组导管，一组导管包括8根导管，每根导管长30mm，位于垫板的中心位置，导管底端和垫板焊接，两根导管的底端之间的距离是1300mm。

5)导管外端放置定滑轮；每个定滑轮采用单凹槽设计，槽宽为2mm，用于放置一圈应力筋，一圈应力筋为一组。

6)在每一组导管中选取某相邻两根导管的中间位置，用1Cr18Ni9Ti弹簧连接应力筋，应力筋选用直径为2mm的环氧涂层钢绞线。总共形成2个应力环。

7)经计算，每一个应力环的预拉应力在100MPa可以满足使用要求，而每环相邻两根导管的外端连线长度为1350mm，即弹簧的最大伸长量为900mm，因此选用倔强系数≥5kN/m的高温高强弹簧连接。

8)用预应力锚具同时张拉最下环的一组应力筋，直到弹簧的伸长量达到预设张力后停止张拉；然后依次从下往上每环进行同样的张拉过程，直到8个应力环的弹簧伸长量都满足要求。

9)该耐火圆筒容器经烘烤后即可投入使用，不需要制作钢构外壳，并且使用寿命从原来1年增加至3年且中间无需修补。

在又一个可选的实施例中，需制作一个内径为6.8m，高6.2m的圆筒，用于盛装温度1600℃左右的钢水，盛装物料重量约350t。具体步骤如下：

1)先用耐火浇注料浇注耐火工作层，浇注成厚度为200mm，内径为6.8m，高6m的圆筒形。

2)在耐火工作层外表面贴两层纤维毡作为隔热层，每层纤维毡厚度为20mm，起到隔热作用，总厚度为40mm。

3)圆筒上的一组垫环中均匀放置18块垫板，每块垫板厚度为40mm，上下边弧长是1.1m，左右边长为1.1m，弧两端和圆心连线的夹角为18°，一组垫板中每两块垫板左右邻边之间的间隔为170mm。垫板共设置5组，相邻两组垫板的上下邻边之间的间隔为125mm。

4)每块垫板布置4根导管，每根导管长150mm，直径为30mm，4根导管按水平方向两根和竖直方向两根、以两排两列的方式排布成矩形状，即一组垫板中包括两组导管，全部圆筒上共有5×2＝10组导管；一组导管包括18×2＝36根导管，一块垫板中的导管距离垫板侧边的垂直距离均为275mm，导管底端和垫板焊接，每块垫板上两根导管的底端之间的距离是550mm。

5)导管外端放置定滑轮；每个定滑轮采用双凹槽设计，每个槽宽为12mm，总宽24mm，用于放置两圈应力筋，两圈应力筋为一组。

6)在每一组导管中选取某相邻两根导管的中间位置，用GH 4145弹簧同时连接两根应力筋，应力筋选用直径为12mm的环氧涂层钢绞线。总共形成10个应力环。

7)经计算，每一个应力环的预拉应力在1500MPa可以满足使用要求，而每环相邻两根导管的外端连线长度最长为720mm，即弹簧的最大伸长量为480mm，因此选用倔强系数≥100kN/m的高温高强弹簧连接。

8)用预应力锚具同时张拉最下环的的一组应力筋，直到弹簧的伸长量达到预设张力后，停止张拉；然后依次从下往上每环进行同样的张拉过程，直到10个应力环的弹簧伸长量都满足要求。

9)该耐火圆筒容器经烘烤后即可投入使用，不需要制作钢构外壳，并且使用寿命从原来一个季度左右增加至一年以上且中间仅需少量修补，大大减轻了劳动强度，具有较好的经济效益。

通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种耐火圆筒容器，利用耐火材料抗压强度高的特点，在耐火工作层外的隔热层上环绕设置一组以上的垫板，然后在每组垫板上设置一组以上的应力环，应力环包括与垫板固定连接的导管和导管上穿设的应力筋，应力筋由弹簧连接，通过拉紧应力筋获得预设压应力，经由导管和垫板将其均匀传递给耐火工作层。本发明的技术方案能够至少实现以下4个有益效果：(1)由应力筋产生的预应力可以抵消或降低来自圆筒内物料对耐火工作层内壁带来的指向圆外的径向压应力，从而降低或消除来自物料的压应力所产生的切向拉应力，从而显著的降低了裂纹萌生和扩展的可能性；(2)应力筋施加的预应力是一种向内作用的力，当圆筒内某一块耐材发生了突然变形或开裂后，预应力产生的附加力矩以及变形开裂后区域对应的应力筋对该区域产生的侧压力与突然变形开裂的方向相反，将使开裂处的结构趋向自动愈合；(3)预应力的出现可以部分抵消耐火工作层中的耐火材料因为冷热面的较大温差所产生的热应力场，从而大大减少开裂剥落的情况；(4)在增加了上述的垫板、导管、应力筋以后，显著降低了耐火工作层的开裂几率，并显著提高了使用寿命，耐火圆筒容器不再需要传统结构中的钢构外壳，即节省了成本，也提高了设备维护的便捷性。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种耐火圆筒容器，其特征在于，包括：

耐火工作层，由耐火材料成形为圆筒形状，以盛装高温物料；

隔热层，覆盖所述耐火工作层的外表面；所述隔热层外表面贴设N组垫板，每组垫板围绕所述隔热层形成一垫板环；N大于等于1且为正整数；

每组垫板上环绕设置有M组导管，每组导管对应一组应力筋；所述一组应力筋穿设过对应组的导管，与所述对应组的导管共同形成一应力环；所述应力环以所述耐火圆筒容器的轴线上的一点为圆心，并与所述轴线垂直；M大于等于1且为正整数；其中，在所述导管的顶端增设通孔以安装定滑轮，所述定滑轮的轮轴平行于所述耐火圆筒容器的轴线，并设有凹槽，所述一组应力筋套设至所述定滑轮的凹槽内；

所述一组应力筋中设有弹簧；其中，在每个所述应力环中，拉紧所述一组应力筋至预设应力时，所述弹簧的伸长量在预设长度以内，松弛所述一组应力筋时，所述弹簧复位。

2.如权利要求1所述的耐火圆筒容器，其特征在于，所述导管的长度为[30mm，150mm]；所述导管的直径为[5mm，30mm]。

3.如权利要求1所述的耐火圆筒容器，其特征在于，所述定滑轮是双凹槽结构；所述一组应力筋中包含两圈应力筋，所述两圈应力筋分别套设于所述定滑轮的凹槽中，并相互平行。

4.如权利要求3所述的耐火圆筒容器，其特征在于，单个所述凹槽的宽度为[2mm，12mm]。

5.如权利要求1所述的耐火圆筒容器，其特征在于，

一组所述垫板包括8～18块所述垫板，每块所述垫板上设有至少一根所述导管；

所述导管与所述应力筋形成一个以上的应力环。

6.如权利要求5所述的耐火圆筒容器，其特征在于，处于同一应力环的与全部所述导管所连接的所述垫板的规格相同，以所述垫板的水平方向的侧边为弧长，与所述侧边同水平面的所述耐火圆筒容器轴线上的一点为圆心，所构成的扇形的圆心角的范围为[18°，43°]。

7.如权利要求6所述的耐火圆筒容器，其特征在于，

当一块所述垫板上设有一根所述导管时；处于同一应力环的所述导管的间隔距离相等；

当一块所述垫板上设有两根以上的所述导管时，处于同一所述应力环的每块所述垫板上的相邻所述导管的间隔距离相等。

8.如权利要求1～7任一权项所述的耐火圆筒容器，其特征在于，所述应力筋为环氧树脂涂层钢绞线，抗拉强度≥1000MPa。

9.如权利要求1～7任一权项所述的耐火圆筒容器，其特征在于，所述弹簧的倔强系数的范围是[5kN/m,100kN/m]，抗拉强度≥1000MPa。

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