用于耐火衬里的锚固系统.pdf

本发明提供一种用于对过程容器的双层耐火衬里加以支承的锚固系统。耐火衬里包括邻近过程容器的内表面定位的第一层(绝热层)和邻近第一层定位的第二层(热面层)。该锚固系统包括多个分叉锚固件，这些分叉锚固件从过程容器的内表面穿过第一层延伸到与第一层邻近的双层衬里的第二层，其中所述多个分叉锚固件具有安置于第二层内的分叉。

1.  一种用于支承过程容器的双层耐火衬里的锚固系统，所述双层耐火衬里包括邻近过程容器的内表面定位的第一层和邻近第一层定位的第二层，其中所述锚固系统包括多个分叉锚固件，所述分叉锚固件从过程容器的内表面延伸穿过第一层且进入到与第一层邻近的双层衬里的第二层内，其中所述多个分叉锚固件具有安置于第二层内的分叉。

2.  根据权利要求1所述的锚固系统，其中分叉点(如从锚固件顶点测量)定位在第二层中在远离第一层与第二层之间的界面一定距离处，所述距离等于第二层厚度的至少15％。

3.  根据权利要求2所述的锚固系统，其中分叉点(如从锚固件顶点测量)定位在第二层中在远离第一层与第二层之间的界面一定距离处，所述距离等于所述第二层厚度的15％至75％。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的锚固系统，其中所述锚固件的顶端(或者实际上，位于距过程容器的内表面最远离处的锚固件的任何部件)定位在远离第二层的暴露表面一定距离处、在第二层的暴露表面下方，所述距离为第二层厚度的至少20％。

5.  根据前述权利要求中任一项所述的锚固系统，其还包括从过程容器的内表面延伸到第一层内的多个其它锚固件。

6.  根据前述权利要求中任一项所述的锚固系统，其还包括安装到过程容器的内表面上的一或多个加强件。

7.  根据前述权利要求中任一项所述的锚固系统，其包括锚固件与加强板的组合，所述加强板从过程容器的内表面延伸到与过程容器的内表面邻近的双层衬里的第一层内，且所述锚固件包括一或多个第一锚固件和多个第二锚固件，所述第一锚固件从过程容器的内表面延伸到第一层内，所述第二锚固件包括分叉锚固件，所述分叉锚固件从过程容器的内表面延伸穿过第一层且进入到与第一层邻近的双层衬里的第二层内，其中所述多个分叉锚固件具有安置于第二层内的分叉。

8.  一种用于过程容器的衬里，其包括与过程容器的内表面邻近定位的第一层和与所述第一层邻近定位的第二层，所述衬里具有多个分叉锚固件，所述分叉锚固件从过程容器的内表面延伸穿过第一层并进入到与第一层邻近的双层衬里的第二层内，其中所述多个分叉锚固件具有安置于第二层内的分叉。

9.  根据权利要求8所述的衬里，其中分叉点(如从所述锚固件顶点测量)定位在第二层内在远离第一层与第二层之间的界面一定距离处，且所述距离等于第二层厚度的至少15％。

10.  根据权利要求9所述的衬里，其中分叉点(如从所述锚固件顶点测量)定位在第二层内在远离第一层与所述第二层之间的界面一定距离处，且所述距离等于第二层厚度的15％至75％。

11.  根据权利要求8至10中任一项所述的衬里，其中所述锚固件的顶端(或实际上，位于距过程容器的内表面最远离处的锚固件的任何部分)定位在远离第二层的暴露表面一定距离处、在第二层的暴露表面下方，所述距离为第二层厚度的至少20％。

12.  根据权利要求8至11中任一项所述的衬里，其中所述衬里还包括安装到过程容器的内表面上的一或多个加强件。

13.  根据权利要求8至12中任一项所述的衬里，其中所述衬里还包括延伸到第一层内但未延伸到第二层内的多个锚固件。

14.  根据权利要求8至13中任一项所述的衬里，其中第二层被分段成矩形或正方形区块，所述区块具有200mm至1000mm的宽度或长度。

用于耐火衬里的锚固系统
技术领域
本发明涉及用于过程容器(process vessel)衬里的锚固件。特别地，本发明涉及用于支承过程容器的双层衬里的锚固件。
背景技术
用耐火混凝土、砖和其它陶瓷材料加衬的过程容器用于多种应用中，包括在水泥、石油、石油化工、矿物加工、氧化铝和其它工业中。这些过程容器通常包括具有耐火衬里的外壳体(通常由钢或其它金属制成)。衬里有时会损毁且需要替换或修复。过程容器衬里的失效包括耐火层的脱粘(de-bonding)，锚固件支承件失效，耐火层中的分层剥离、空隙化(voiding)、开裂或蜂窝化等。
为了维持用耐火材料加衬的过程容器，大体上需要使得过程容器脱机，并检查耐火衬里，然后根据需要进行修复或替换。使得过程容器脱机以对耐火衬里进行检查和修复导致显著的生产力损失。某些过程容器可能需要数小时，或甚至数天来充分冷却、或处于检查和修复的状态。对耐火衬里的检查和修复也是一种潜在危险的操作。操作者进入过程容器以便检查并确定衬里状态。已经出现过当操作者在容器内时衬里从过程容器掉落的事件。希望最小化对耐火衬里容器修复的需要。
过程容器常常利用双层衬里系统来加衬，双层衬里系统合并了绝热层和热面层。绝热层由耐火锚固件加以支承而抵靠着过程容器的内壁。热面层被支承而抵靠着绝热层，且也由耐火锚固件加以支承。
用于支承衬里系统的锚固件大体上由钢棒形成且常常为V形或Y形。V形锚固件使它们的相应臂发散地延伸穿过绝热层进入热面层内。
在用于支承双层衬里的替代系统中，也已使用Y形耐火锚固件，在使用中，这些Y形锚固件附连到过程容器上且延伸到衬里内。双层衬里是被浇铸的，从而使得Y的分叉或顶点嵌入于绝热层内、或者在绝热层与热面层之间的交界面处。
虽然这些锚固件提供用于支承双层衬里的适用且有效的锚固系统，但替换衬里的高成本，特别是在过程容器的停机时间方面，意味着需要更可靠且有效的锚固系统来改进过程容器的效率和操作。
在过程容器中，特别是在两层衬里系统(绝热和热面)中，诸如钢耐火锚固件这样的耐火锚固件的失效大体上由两种主要失效模式造成，这两种主要失效模式可被描述为蠕变断裂和屈服。
蠕变断裂是由于锚固件上的小恒定负荷造成，且这可能是耐火的可浇铸材料的重量和/或操作期间的热负荷。蠕变断裂应力是将会导致锚固件失效的1,000，10,000或100,000小时的负荷。负荷越高和温度越高，意味着达到失效之前的时间将会有所缩短。锚固件的屈服是由于在操作期间施加到锚固件上的过量负荷造成。其通常与热面可浇铸材料的移动相关联，这是由于可浇铸材料缺少支承/约束、或对可浇铸材料的不正确的支承/约束。
现已发现用于过程容器的双层耐火衬里的锚固系统降低了双层耐火衬里的失效率，并且克服或减轻上述缺点中的至少一种缺点。通过下文的描述，本发明的其它目的和优点将变得显而易见。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种锚固系统用于支承过程容器的双层耐火衬里，过程容器的双层耐火衬里包括邻近着过程容器的内表面而定位的第一层、和邻近着第一层而定位的第二层，其中，该锚固系统包括多个分叉锚固件，分叉锚固件从过程容器的内表面穿过第一层并延伸到与第一层邻近的双层衬里的第二层内，其中所述多个分叉锚固件具有安置于第二层内的分叉。
在某些实施例中，分叉点位于第二层中、且与介于第一层与第二层之间的界面隔开。本发明人发现在分叉点定位于距第一层与第二层之间的界面尽可能远的点的情况下实现最佳结果。但应了解锚固件的顶端或分叉点不应过于靠近第二层的暴露表面而定位。应了解第二层的暴露表面在使用期间形成热面。如果锚固件的顶端或分叉点靠近热面而定位，则它们暴露于更高温度，这可能会导致锚固件的有所增加的腐蚀或氧化。在某些实施例中，分叉点(如从锚固件顶点测量)在距第一层与第二层之间的界面一定距离处定位于第二层中，且该距离等于第二层厚度的至少15％，更优选地为第二层厚度的15％至75％。还希望锚固件的顶端(或者实际上，位于距过程容器的内表面最远处的锚固件的任何部分)在距第二层的暴露表面一定距离处定位于第二层的暴露表面下方，该距离为第二层厚度的至少20％。
在某些实施例中，锚固系统还包括多个其它锚固件，这些锚固件从过程容器的内表面延伸到第一层内。
在其它实施例中，锚固系统还可包括安装至过程容器内表面的一或多个加强件。加强件可包括从过程容器的内表面延伸到第一层或第二层内的一或多个加强板。该一或多个加强板可(例如)通过焊接而安装到过程容器的内表面。
在又一实施例中，锚固系统包括锚固件与加强板的组合，加强板从过程容器的内表面延伸到与过程容器的内表面邻近的双层衬里的第一层或第二层内，且该锚固件包括一或多个第一锚固件和多个第二锚固件，该一或多个第一锚固件从过程容器的内表面延伸到第一层内，该第二锚固件包括分叉锚固件，分叉锚固件从过程容器的内表面延伸穿过第一层并进入到与第一层邻近的双层衬里的第二层内，其中所述多个分叉锚固件具有安置于第二层内的分叉。
本发明的某些实施例的锚固系统提供延伸到热面层内的锚固件上的张应力的减小。虽然本发明的锚固系统可在第一锚固件上施加相对较高的张应力，但第一锚固件位于非关键区域中，其中温度较低且失效的结果并不太显著。
本发明的锚固系统可用于多种过程容器中，诸如在石油、石油化工产品的生产中、在矿物加工、氧化铝和其它工业中所使用的那些过程容器。该耐火系统可用于向过程容器的内表面或壳体加衬。
该过程容器的内表面可被配置成用以接收锚固件。在一实施例中，过程容器的内表面可具有附连到其上用于接收耐火锚固件的套筒。在另一实施例中，该过程容器的内表面可具有凹口、凸耳或其它附连件用于固结耐火锚固件。
双层衬里的第一层通常为绝热层，该绝热层可被配置成提供所希望的过程容器的热性质。在典型配置中，绝热层可具有50至150mm的厚度。第一层可由耐火混凝土或类似物形成。第一层的组成对于本发明而言并不特别关键。
在根据本发明的加衬过程容器的构造中，第一锚固件和分叉的第二锚固件附连到过程容器的内表面并且第一层被浇铸到所希望的厚度，优选地覆盖第一锚固件从而使得第一层得以被支承而抵靠着过程容器的内表面。
可为了方便起见选择第一锚固件的形状。已发现合意的情况是使用具有V字形状的第一锚固件。优选地，V字形第一锚固件的臂之间的角度是锐角。
双层衬里的第二层通常为热面层且被浇铸于第一层上方，从而使得分叉的第二锚固件嵌入于热面层内，优选地在其表面下方至少25mm处。已发现通过提供经分割的第二层，可减小第二锚固件上的张应力源。优选地，第二层被分割成与锚固系统中锚固件阵列中第二锚固件分布相对应的正方形或长方形。优选地，第二层被分割为正方形，其具有范围在从大约200mm×200mm变化至1000mm×1000mm的尺寸。
分叉的第二锚固件从过程容器的壳体延伸穿过第一层并进入到双层衬里的第二层内。第二锚固件具有分叉、或分支，其安置于第二层内。为了方便起见，可使分叉的第二锚固件的分支成角度。但优选地，分叉的第二锚固件的分支形成钝角。
在本发明的锚固系统中，优选地，第一锚固件和分叉的第二锚固件被排列成规则的阵列，其中第一锚固件插置于分叉的第二锚固件之间。优选地，在分叉的第二锚固件之间的中心到中心的尺寸为大约200mm。
锚固件可由任何方便构造材料制成。构造材料将大体上基于过程容器中的工作条件进行选择。对用于整体式衬里的锚固件材料的选择大体上是基于温度。这意味着工艺气体温度越高，所使用的合金就越不稳定(exotic)。对于高于1000℃的条件，所选的最常用的钢合金是310不锈钢(310ss)。但也可使用其它合金钢，包括253MA、因科镍铬不锈钢DS(Incoloy DS)、因科内尔铬镍铁合金601(Inconel 601)。本发明在其范畴内涵盖了常规情况下用来制作耐火锚固件的任何材料的使用。
虽然310ss在氧化气氛下具有高的起氧化皮温度(scalingtemperature)，据报道为1150℃，已知其合金在550℃至900℃的温度范围中经受σ相形成。σ相以两种方式影响钢，一为其降低抗氧化性(由于铬已从溶液移除)，且二为在低于200℃的温度显著地降低了抗冲击性。但其它合金钢也具有等于或小于310ss的起氧化皮温度。
特种金属公司(Special Metal Corporation)[SMC-097]主张的是，合金DS抗σ相脆化且可在600℃至900℃范围内无定限地加热而不用担心、或者可在更高温度操作而不会有σ相形成。但是，我们的研究表明合金DS可形成类似于σ相的铬相络合物(complex)。
虽然非常重点地强调了通过使用氧化气氛中的材料的起氧化皮温度来进行的对耐火锚固件的选择，但已发现仅基于起氧化皮温度来选择钢可能会导致耐火系统的过早失效，因为这个选择标准并未充分考虑蠕变或热诱导应变(热负荷)。已发现本发明的耐火锚固系统用来减小耐火锚固件上的热诱导负荷和蠕变断裂的影响。对锚固系统的分析发现，由于在高温所施加的低水平应力，蠕变断裂应力是非常关键的。
蠕变断裂与静态结构相关联，其中在锚固件上的应力较低但恒定。应力可由于耐火混凝土层的自身重量和/或热应变而造成。已发现通过理解蠕变失效，可做出更好的结构寿命预测且可减小灾变性失效的可能性。
对用于耐火锚固件的310ss、合金DS和Inconel 601而言的蠕变断裂应力是时间的函数。在1100℃，在35,040小时后，Inconel 601和310ss的蠕变断裂应力分别从2.8MPa和1.4MPa发生变动。温度对蠕变断裂能力具有显著影响。举例而言，在9,636小时，Inconel 601的蠕变断裂应力从980℃的7.7MPa减少至1150℃的3.4MPa。
在许多环境下，耐火锚固件上的应力随着时间增加，这是由于在氧化环境中在针对可浇铸材料对氧化率的影响而经校正过的温度下发生钢氧化所造成的厚度损失。假定钢氧化沿着锚固件均匀地进行、且以比在空气中更慢的速率进行。310ss、Inconel 601和DS合金的腐蚀率类似。但是，工艺条件可显著地改变腐蚀率。
对于用于耐火锚固件的某些钢合金，例如310ss，合金DS和Inconel 601，根据Larsen Millar参数(LMP)，蠕变断裂应力(CRS)与时间和温度相关。结果是基于已发布的数据且当使用所发布的范围之外的数据时必须要谨慎。在1050℃在30,000小时后对于253MA和DS合金耐火锚固件的预测CRS分别为4MPa和1.5MPa，且不会出现钢的腐蚀。如果将在1050℃时锚固件钢(由于氧化而造成的)腐蚀考虑在内，那么失效前的时间对于253MA钢估计为～7,000小时且对于DS合金锚固件估计为～9,000小时。将锚固件暴露温度增加至1100℃可使得寿命从数万小时显著地缩短到数千小时。如果(例如)通过将材料(热面)密度从2300kg/m³变成3000kg/m³来增加锚固件上的负荷，那么锚固件(253MA)上的应力也将增加30％。这意味着由于蠕变断裂应力，锚固件的寿命从～30,000小时缩短至～8,000小时。或者，如果耐火(热面)增加7.7％，即，额外的10mm，这意味着锚固件(253MA)的寿命将从～30,000小时缩短至～20,000小时。但使用ATENA(一种使用非线性断裂力学的建模程序包)的数值分析已发现这种简单的线性弹性负荷检测是不准确的。
合金601具有优于310ss和Incoloy DS合金的蠕变断裂应力。简单说来，通过使用这种合金(601)，锚固件的寿命在理论上可延长到＞40,000小时。但也知道由于高的镍含量，这种材料在硫环境中非常易于腐蚀。
使用蠕变断裂应力数据，已计算出8mm 310不锈钢锚固件的断裂应力以1.16MPa的轴向应力为条件，在1050℃寿命为大约28,000小时(3年)。如果考虑腐蚀，那么锚固件寿命可缩短至大约～16,000小时(～1.9年)。
已发现在绝热层与热面层之间的界面上方移动V字形锚固件的分叉将会降低由于材料重量造成的锚固件张应力。还发现在较大锚固件之间包括较小锚固件将会转移来自较大锚固件的某些应力至较小锚固件。有可能利用金属加强板来替换小的V字形锚固件。金属加强板可以按至少1m隔开的间距而焊接到壳体上，且彼此成直角放置。金属加强件的使用减小了该结构中由于热膨胀造成的弯折。相称地，金属加强件的深度为绝热层的至少50％(在整个本说明书中，绝热层也被称作第一层)。而且通过将“热面”分成200×200的正方形区块，最大为1000mm，将会降低锚固件张应力。最终结果是，较大分叉锚固件上的张应力可被显著降低。对于具有直径10mm大锚固件且具有焊接到壳体上的加强板的一种致密混凝土热面(3000kg/m³)，大锚固件上的张应力将减小至小于1MPa，与之相对比的是，在仅采用为Y形的、且有锚固件分叉在界面处或界面下方的耐火锚固件的一种设计中张应力为23MPa。
所分析的衬里系统代表着一种大体上最差情况位置和一种耐火衬里系统，以及使用较低密度的材料将会在锚固件上具有较低张应力。
根据本发明的第二方面，提供一种用于过程容器的衬里，其包括邻近过程容器的内表面定位的第一层和邻近第一层定位的第二层，衬里具有多个分叉锚固件，所述多个分叉锚固件从过程容器的内表面延伸穿过第一层且进入到邻近第一层的双层衬里的第二层内，其中所述多个分叉锚固件具有安置于第二层内的分叉。
在某些实施例中，锚固件安置于衬里中从而使得分叉点(如从锚固件顶点测量)定位于第二层中、在远离介于第一层与第二层之间的界面的一定距离处，且该距离等于第二层厚度的至少15％，更优选地为第二层厚度的15％至75％。还希望锚固件的顶端(或实际上，位于与过程容器内表面最远离处的锚固件的任何部分)定位于第二层的暴露表面下方、在远离第二层的暴露表面一定距离处，该距离为第二层厚度的至少20％。
在某些实施例中，衬里还包括安装到过程容器的内表面上的一或多个加强件。加强件可包括从过程容器的内表面延伸到第一层内的一或多个加强板。该一或多个加强件可安装到过程容器的内表面，例如，通过焊接。加强件可延伸到第一层内一段距离，该距离等于第一层深度至少50％的距离。在某些实施例中，加强件可延伸到第二层内。加强件可包括彼此成直角且以至少1m隔开的间距而焊接到过程容器的内表面上的加强板。换言之，在此实施例中，加强板可在过程容器的内表面上形成大体上矩形或正方形的网格，正方形或矩形由最大宽度或长度为1m的加强板限定。
在其它实施例中，衬里可包括延伸到第一层内但未延伸到第二层内的多个锚固件。
第二层也可被分成宽度或长度为从200mm至1000mm的矩形或正方形区块。合适地，第二层被分成尺寸在大约200mm×200mm至1000mm×1000mm的范围的正方形区块。
锚固件可附连到过程容器从而用以确保获得从锚固件的良好传热。就此而言，沿着锚固件到过程容器壳体的传热被合意地最大化以便于降低靠近第一层与第二层之间界面处的锚固件或锚固件杆的温度。为了获得良好的热交换，例如，锚固件可被焊接到过程容器的外壳体上、或者锚固件可安装于安装卡夹中，安装卡夹附连到壳体上且向卡夹涂覆传热化合物。这些布置可将第一层与第二层界面处或附近的锚固件温度减小100℃至150℃。在蠕变断裂方面而言，以这个量降低是显著的，因为蠕变断裂能力随温度呈对数增加，意味着温度的较小降低对应于蠕变断裂应力的较大减小。
附图说明
为了可以更全面地理解并实行本发明的各个方面，将参看附图来描述几个优选实施例，在附图中：
图1示出根据本发明的一个实施例的锚固系统与衬里的侧视示意图；
图2示出根据本发明的另一实施例的锚固系统和衬里的侧视示意图；
图3是示出适用于本发明的分叉锚固件的实施例的侧视示意图；
图4是示出适用于本发明的分叉锚固件的另一实施例的侧视示意图；
图5是示出适用于本发明的分叉锚固件的较详细视图的侧视示意图；
图6示出根据本发明的实施例的衬里的示意图，其示出锚固件形状和耐火衬里构造；
图7示出用于耐火衬里的根据本发明实施例的锚固件设计的ATENA轴对称模型(1m部段)的侧视示意图，其示出由于重力负荷造成的位移和锚固件应力。材料密度3000kg/m³且锚固件直径为：大的直径为10mm，小的直径为8mm；
图8示出用于耐火衬里的根据本发明实施例的锚固件设计的ATENA模型(1m部段)的侧视示意图，耐火衬里具有区块热面和在绝热层中的切口，其示出由于温度和重力负荷造成的位移和轴向锚固件应力。材料密度为3000kg/m³且锚固件的大的直径为10mm；以及
图9示出根据本发明用于1m长耐火衬里的锚固件设计的ATENA模型的侧视示意图，其示出由于温度和重力负荷造成的位移和轴向锚固件应力。热面层和绝热层可自由膨胀。材料密度为3000kg/m³且锚固件直径为10mm。壳体被固定以表示钢加强件的存在。
具体实施方式
应了解，提供附图是为了对本发明实施例加以说明的目的。因此，应了解本发明不应被认为限于附图所示的特点。
图1示出根据本发明实施例的锚固系统和衬里的侧视示意图。在图1中，通常由诸如钢这样的金属制成的过程容器的外壳体10具有固结到其内表面11上的多个第一锚固件12。外壳体10还具有固结到其内表面11上的多个第二锚固件14。多个第二锚固件中的每一个包括杆16和分叉臂18、20。分叉臂基本上从分叉点22延伸。
在图1中，衬里还包括第一绝热衬里层24。第一层24位于与外壳体10的内表面11邻近处。然后，致密混凝土(热面)的第二层26位于第一层24上。第二层26可(例如)为绝热层或更致密的混凝土层，其在使用中形成过程容器里的热面。应了解第二层26向在过程容器操作期间所经历的高加工温度暴露。
如从图1可以看出，分叉臂18、20的端部并不一直延伸到第二层26的暴露表面。以此方式，在过程容器使用期间，热面层26向分叉臂提供保护使其免受过程容器内所经历的高温的损坏。
而且，如从图1可以看出，对分叉点22加以定位从而使得分叉点22安置于第二层26内。
图2示出根据本发明另一实施例的锚固系统和衬里的侧视示意图。图2的实施例包括与图1所示的实施例共同的多个特点，并且为了方便起见，图2中这些共同特点由与图1中所用附图标记相同的附图标记来表示，但添加了′。这些特点无需进一步描述。其中，图2所示的实施例与图1所示的实施例的不同之处在于并非具有如图1所示的第一锚固件12，图2所示的实施例具有多个加强板30。加强板30焊接到过程容器10′的壁的内表面11′上。加强板30还包括与图2所示的加强板30成直角延伸的其它加强板。为了清楚起见，这些额外加强板在图2中未示出。但本领域技术人员应了解加强板30和额外加强板(未图示)在过程容器10′的内表面上形成大体上网格状图案。网格状图案中限定的正方形或开口合适地在对网格开口的相对壁加以限定的相对置加强板之间具有至少一米的最小开口。
图3示出用于本发明的替代分叉锚固件的示意图。在图3中，锚固件40包括杆42，杆42具有第一臂44和第二臂46。臂44和46基本上与杆42成直角延伸。因此，臂44和46基本上是共线的。图3所示的锚固件40可被描述为“T”形锚固件。图3所示的锚固件40的分叉点48的位置使得其在完成的壁衬里中位于第二绝热层内。
图4示出适用于本发明的替代锚固件。图4所示的锚固件50具有杆52、第一分叉臂54和第二分叉壁56。臂54、56从分叉点58向外延伸。分叉点58定位于完成的壁衬里中第二绝热层中。图4所示的锚固件50类似于图1所示的锚固件14，除了锚固件50的分叉臂形成比锚固件14的分叉臂更钝的角。
图4所示的锚固件比图3所示的锚固件更适用于本发明。图3所示的锚固件的臂44、46弯曲成与锚固件杆42成直角延伸。相比而言，图4所示的锚固件50的臂54、56相对于杆52弯曲成小于直角的角度。这用于降低冷应力，冷应力是由于锚固件制造期间锚固件弯曲或箍缩(pinching)在该点造成，其可导致图3所示锚固件中的应力剃刀(razor)。
图5示出图4所示的锚固件50的较详细视图。图5所示的锚固件50′包括第一线60，第一线60在分叉点62处弯曲以形成臂64和杆部66。锚固件50′还包括第二线70，第二线70在分叉点72处弯曲以形成臂74和杆部76。为了完成图5所示的锚固件50′的构造，杆部66和76接合在一起，例如通过焊接。尽管在图5中未示出，锚固件50′还可包括从杆部66和76的下端垂直地延伸的小的选择，以使得能将端部容易地安装到过程容器的内表面上。
图6至图9示出根据本发明的实施例的锚固系统和耐火衬里的实施例的各种模型，包括由这些布置的ATENA模型化所获得的结果。
在图6中，锚固件的分叉点被定位成远高于第一绝热层与第二绝热层之间的界面。第二层或“热面”层已被分成尺寸200mm×200mm的正方形。膨胀线被切到绝热层或第一层内。已发现这些步骤将会降低锚固件上的张应力。发现在第一层中的额外的小V字形锚固件可减小较长锚固件上仅由于材料重量引起的张应力。还发现利用焊接到壳体上的金属加强板来替换小锚固件(如图6所示)将降低或控制由于热负荷引起的锚固件张应力。最终结果是可显著地降低大锚固件上的张应力。
图7示出在锚固件上由于具有直径为8mm在第一层中的小锚固件以及直径为10mm的大锚固件的致密混凝土热面(每立方米3000kg)的重力负荷所致的实际应力。当与现有锚固系统相比较时，在大锚固件上的张应力已减至大约1MPa，而与之相比常规设计中为大约13MPa。
在做出图7所示的这些变化时，发现小V字形锚固件中的轴向张应力在某些位置已增至大约6MPa的值。但是，这个锚固件处于较低温度区(由于其较远离热面定位)，其中蠕变断裂应力和屈服应力是高得多的。这些小锚固件也处于非关键区域，其中在靠近顶端的点处的失效将不会影响热面衬里的完整性。
图8示出1m长部段，其中热面分成区块并允许完全膨胀，且且向第一绝热材料层添加切口。过程容器的壳体在每一端处被固定且允许由于热膨胀而弯曲。第一层中的切口具有大约每200mm的间距。分析示出在小于或等于1150℃的温度，对于用于耐火衬里的大多数合金，在第一层与第二层之间界面周围的锚固件轴向张应力低于蠕变断裂应力。
图9示出热面与绝热的1m长部段，其中允许热面充分膨胀。第一绝热层并无膨胀切口但在每一端处受到约束，如同被焊接到壳体上的金属加强件所包含。壳体沿着其长度保持就位，如同在两个方向中有刚度，其将由于热膨胀而引起某些弯折。
图8和图9示出锚固件张应力最差的情况，即，热面的自由膨胀和由于热膨胀造成的结构弯折。分析示出在小于或等于1150℃的温度，对于用于耐火衬里的大多数耐火合金，在第一层与第二层之间的界面周围的锚固件张应力低于蠕变断裂应力。
在设计根据本发明的锚固系统和壁衬里中，应了解随着第二层(热面层)厚度增加，锚固件直径必须增加。随着第一层(或绝热层)的密度或弹性模数降低，那么锚固件直径必须增加。当与顶板位置相比时，第二层的嵌板大小在竖直壁位置可增加。
本发明者还发现利用软涂层来涂覆第一层中锚固件杆的下部以允许绝热层中锚固件的横向移动也可具有有益效果。锚固件杆的下部可用(例如)塑料薄膜来涂覆。另外，将第一层中的切口置于第一层厚度至少50％的深度有助于控制开裂和减小热膨胀应力。切口可为大约2mm至4mm宽且它们可间隔开200至500mm。
在本发明的最优选实施例中，过程容器具有焊接到壳体内侧或外侧上(但优选地在壳体内侧上)的金属加强板以阻止壳体挠曲或变形并控制第一层的膨胀。加强板可具有绝热层厚度至少50％的深度且可延伸到热面层内。加强板也可彼此成直角定向且具有不大于1m隔开的间隔。第二层(或热面层)可形成为区块形状的一系列嵌板，区块具有200mm×200mm至1000mm×1000mm的尺寸。热面层(或第二层)也可具有膨胀接头从而使得第二层在设计或操作温度下被压缩。
本领域技术人员应了解可对本发明做出本文未具体描述的变化或修改。应了解本发明涵盖属于本发明的精神和范畴内的所有变化和修改。