锚钉设计、安装使用注意事项

锚钉设计、安装使用注意事项

世界水泥（W.C）2013年第11期刊登了两篇有关预分解窑系统耐火浇注料所配制的锚钉设计、安装、使用的情况，供参考。

图1　燃烧器耐火浇注料模型

1　燃烧器耐火浇注料配制锚钉型式

预分解窑燃烧器前端耐火浇注料衬体承受高达1800～2000℃的火焰温度和1400℃以上的熟料高温热辐射，1000℃以上的含尘二次空气的对流及传导传热，还有易堆积和悬挂粉尘熟料（俗称“雪人”）的高温熟料熔融体以及不同程度的热化学应力、热机械应力的侵蚀，是烧成系统内所有装备衬体承受应力最为苛刻的部位，也是使用寿命最短的衬体。

近年来，随着烧成系统热耗进一步降低，以及燃料品种的贫化，燃烧器的冲量要求越来越大，火焰形状缩短，温度越来越高，出现的飞砂料、“雪人”现象越来越多，化学、机械应力越来越大。燃烧器前端衬体的使用寿命成为全球共同面临的难题。

图2　计算机模拟的不同型式锚钉

耐火浇注料衬体是由锚钉和耐火浇注料组成的。锚钉使用的好坏直接影响衬体的寿命，目前市场上使用的锚钉的形状较多，对其所承受的热机械应力国内外少有研究，为此，北京通达耐火技术公司和武汉科技大学合作，通过计算机模拟，采用Hypermesh有限元分析软件，对市场上最常见的U型、Y型和波型锚钉进行热应力分析，结果如下：

表1　常温下HTTMAX耐火浇注料物理性能（110℃×24h）

1.1计算机模拟基础条件

燃烧器耐火浇注料衬体计算机的模拟模型见图1，不同型式锚钉见图2，所使用的耐火浇注料锚钉钢材的物理性能参数见表1、表2、表3，燃烧器工况见表4。

1.2温度领域分析（略）

1.3温度和热应力分析结论

表2　常温下HTTMAX耐火浇注料导热率（110℃×24h），W/m·K

表3　耐热钢不同温度下的物理性能参数

表4　燃烧器的初始和边界温度分析

表5　不同型式锚钉所承受的温度和热应力

燃烧器耐火浇注料锚钉温度和热应力通过模拟计算的结果如下：三种不同型式温度和热应力分析结果见表5，温度场见图4，热应力场见图5。

U型和波型锚钉具有较为均匀的温度分布，而三种型式锚钉的耐火浇注料和燃烧器管道温度差别不大，因此，不同型式锚钉对燃烧器管道温度影响不大。

不同型式的锚钉所承受的热应力是不一致的，U型锚钉所承受的最大应力为

1530MPa，Y型为2080MPa，而波型为道2380MPa。计算所示U型锚钉所承受的应力料最低。

图4　不同型式锚钉温度场

表5所示，锚钉所承受的应力均大于耐火浇注料和燃烧器管道，这意味着，燃烧器热端耐火浇注料内锚钉易受热应力损坏，从而造成耐火浇注料的损坏，因此在选用锚钉时，应注意锚钉型式。

图5　不同型式锚钉热应力场

表6　金属锚钉最大操作温度

2　锚钉的合理选择和使用

南非Dickinson集团从事设计、制造、安装

耐火浇注料锚钉近30年，有关经验简介如下：

（1）必须完整地考虑耐火浇注料及其配用锚钉，锚钉不仅需要选择合适的尺寸和型式，而且需要选用合适的高性能材料，不同工况温度选用的耐热钢品种见表6。

（2）锚钉距耐火浇注料热面最小间距为25mm，锚钉最高使用温度应低于耐火浇注料热面温度150～350℃。考虑到耐火浇注料使用后的磨蚀，锚钉温度相应增高。在选用锚钉的温度时，以耐火浇注料热面工况温度为宜。

表7　不同厚度浇注料衬体锚钉数量表

（3）锚钉在使用时，应考虑其热膨胀，设置塑料顶盖仅解决锚钉的纵向膨胀，而横向膨胀必须在锚钉上涂以沥青或清漆。这些有机物在高温下焚烧，留下空间供锚钉热膨胀用。

（4）常用的Y型锚钉，纵向长度一致有利于制造，但Y型顶部尺寸相同造成的剪切应力平面易损坏热面耐火浇注料，缩短使用寿命。若将Y型锚钉纵向一边缩短10mm，则有利于减缓剪切应力平面（图6）对耐火浇注料衬体的损坏。

（5）耐火浇注料衬体内设计锚钉设置时，考虑到锚钉要支撑耐火浇注料，必须预留施工空间。不同厚度衬体内锚钉距离及每平方米数量见表7。V型U型锚钉的纵向不宜设置在一条直线上，若空间合适，作90°设置，以减缓剪切应力。

图6　不等纵向Y型锚钉

（6）回转窑内锚钉焊接在窑筒体上，随窑筒体回转而拉动耐火浇注料砌体，易使衬体受力损坏。为此设计了活动锚钉，也就是将固定块焊接在窑筒体上，锚钉穿过固定块上孔洞，在运行中可以活动，减少应力。活动锚钉也用于高温浇注料衬体，减少高温下金属筒体变形对锚钉的影响。

（7）窑料和窑气中所含的碱、硫、氯化合物易对金属锚钉造成腐蚀，宜使用陶瓷锚固件。

陈友德编译自

No.11/2013 World Cement