Architectural & Functional Glass №6 2019
- 18 -0 引言
液晶显示器玻璃窑炉钢结构，是整个玻璃窑炉的支撑体系。整个玻璃窑炉耐火材料有数千吨甚至上万吨，并且整个钢结构是在高温情况下长期运行的。钢结构不仅承受空间力系的各种力、力矩或力偶。同时直接或间接受到高温或热辐射的影响，产生高温蠕变，甚至产生失效。因此，对碹角梁在强度、刚度、稳定性有更高要求。 1 碹角梁受力分析
如图1所示，窑炉碹顶结构布局，包括碹角工字钢、碹角砖、碹顶砖等。在水平方向上，碹角工字钢梁受到水平张力的作用和高温膨胀力。保证碹顶耐火材料的支撑，保证高温状态下受力稳定。在竖直方向上，碹角工字钢梁主要受到耐火材料重力作用的分解力。所以碹角梁工字钢受力，主要为压应力和弯曲应力[1]。属于压缩和弯曲组合变形。由碹角梁两端压应力形成的力偶形成的扭转应力，不做考虑，基本可以忽略。 如图2所示，单侧碹角梁受力分析图。理论上，碹角工字钢梁，受到玻璃窑炉大碹斜向下力F 1和固定力F 2。都是非均布力。计算时可以按照均布载荷进行计算。将F 1分解为垂直方向的力F 1y 和水平方向的力F 1x （θ是F 1与水平面夹角，锐角）
。F 1x =F 1sinθF 1y =F 1cosθ
将F 2和F 1合并后，工字钢梁受到水平方向的力：F x =F 1sinθ-F 2
工字钢梁受到竖直方向的力：F y =F 1
cosθ
图1
碹顶结构布局图
图2 单侧碹角梁受力分析图液晶显示器玻璃窑炉碹角梁结构设计探讨
王光祥1 穆美强1 李青21.郑州旭飞光电科技有限公司2.平板显示玻璃技术和装备国家工程实验室
摘要：液晶显示器（LCD ）玻璃熔化温度高，耐火材料膨胀系数大。钢结构自身受力情况复杂，窑炉整体结构紧凑，导致碹角钢结构整体变形大，甚至造成钢结构断裂，窑炉耐火材料遭到破坏。优化钢结构的结构设计，通过设计多种方法和技术手段的配合使用，达到窑炉整体钢结构的稳定和窑炉安全运行。在碹角梁结构设计时充分考虑到不同耐火材料之间，热力学性能的不同，留足膨胀空间，减少钢构件的变形。同时参考相关玻璃窑炉各相关参数的经验数值。
建筑玻璃与工业玻璃2019，№6
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2 碹角梁的选取
2.1 碹顶耐火材料物理性质分析[2]
大碹耐火材料为β-Al 2O 3砖。化学成分Al 2O 3＞
95%，SiO 2＜0.5%，Na 2O ＜1%，CaO、MgO、ZrO 2少量。
耐火度37（SK ），气孔率＜15%，真密度/（g/cm 3）4.0。荷重软化温度在1550℃～1650℃之间。2.2 钢材选取
碹角梁热量来源于玻璃窑炉的热量。并且此部分热量以传导传热为主，以辐射传热为辅。对于刚玉质[3]大碹耐火材料。其热膨胀系数8.0×10-6mm/℃（20℃～1000℃），导热系数λ=5.87（W/m ·℃）（1000 ℃），比重3.99×103/m 3。性质稳定，对酸、碱有良好的抵抗性。
单层耐火材料导热量计算公式：
Q =
台球杆架λ
t
（
相框组合
t 1-t 2）S 式中：t 1为大碹内部表面温度；
t 2为大碹外部表面温度；t 为大碹厚度；
弹簧网λ为大碹耐火材料的导热系数；S 为碹角钢梁和大碹之间的导热面积。λ=5.87（W/m ·℃），炉内温度为1500℃，炉外温度未知。当采用400mm，刚玉材质砖时，根据热工手册和相关经验，Q =28000W/m 2。
反算，并验证，炉外温度。
Q =λt （t 1-t 2）S =λ
t
（t 1-t 2）S =5.87（W/m ·℃）/0.4m ×（1500
℃-300℃）×1.5m 2
=26400W
碹角梁环境工作稳定，安装按300℃选取。同时受到H 2S、HNO X 、HCl 等酸性气体的腐蚀作用。2.
3 碹角钢选取2.3.1 碹钢材质的选取
在高温情况下选取耐热钢，初步选取SUS304耐热钢，材质为1Cr18Ni9Ti；查机械设计手册，材料牌号1Cr18Ni9Ti；热处理方式淬火，硬度≤192HBW，抗拉强度550MPa，屈服点220MPa，弯曲疲劳极限205MPa，扭转疲劳极限120MPa，许用静应力220MPa，许用疲劳应力130MPa ～150MPa；适用场合，可以用于在高、低温及强腐蚀条件下工作的钢结构。
水密电缆2.3.2 碹角钢梁的计算步骤[4]
①碹角钢梁截面模数W （cm 3）W x =0.14S
②根据计算的碹角梁抗弯截面模数W （cm 3），查机械设计手册，选取型钢的型号和根数。
③碹角梁弯矩值M max =PL +（qL 2）/2
式中：q 为所受负载，N/m；P 为集中载荷，N；L 为长度，m。④水平方向的最大弯矩M x =(F 1sinθ-F 2)L 1
⑤竖直方向的最大弯矩M y =F 1cosθL 2
水平弯矩大于竖直方向的弯矩，所以按照水平方向的弯矩，来选取碹角钢。
⑥碹角梁抗弯截面模数W x W =
σM 许用应力
弯矩
碹角钢许用应力一般取117MPa ～142MPa，查机械设计手册，可得碹角钢尺寸。
2.3.3 碹角钢梁尺寸的选择
大碹重力T =40×103(g)=4×105
（N ）
大碹水平方向受力F ：F =a T 2cot
管道防爬刺θ
2
a =1+R d
b b +−121=1+
1.8240.430.5822×0.582+−1
1=1.494式中：大碹高度b 为0.582m；
大碹半径R 为1.824m；大碹厚度d 为0.43m。
碹角梁所受水平压力：
F =a T 2cot θ2
=1.494××4100000×2cot
482=6.72×105（N ）
碹角梁水平方向均布载荷：
P =F L =6.721000001.19
×=5.65×105（N ）
捕虾机电路图
M 弯矩=0.125×P ×L 2=0.125××××5.65 1.2 1.2105
=1.017×105N ·m
碹角梁弯曲属于静应力，弯曲许用应力220MPa ～420MPa 之间。
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许用应力σ取120MPa。碹角梁水平方向受力，大于竖直方向的受力，所以，按照水平方向的受力，选择碹角钢梁的尺寸。
所以碹角梁抗弯截面模数W x =
1.01710
12010××6
5
=83cm 3。
查相关型钢表，或机械设计手册，选取18#
工字钢，截面积42.128cm 2，重量是33.070cm 3，W x =309cm 3，I x =3400cm 4。
3 碹角梁弯曲问题及解决方案
3.1 碹角梁弯曲现象
经过原因分析后，认为由于高温膨胀不一致，载荷分布不均匀，两侧所受载荷较大，产生弯曲应力。实际投入生产后，碹角钢结构受力并不均匀。窑炉砌筑过程中各种耐火材料之间并不是均匀的间隙。在玻璃窑炉升温后，耐火材料前后膨胀的不均匀，导致碹角钢结构会产生各种小的力偶。
窑炉实际运行之后，碹角钢结构高温膨胀和钢材的高温力学性能下降。经过对比运行以后，碹角钢结构中间出现明显的凹陷、变形和弯曲。3.2
对碹角梁按照经验重新设计
图3 碹顶结构三维立体视图
如图3所示，碹顶钢结构立体视图，比较清楚地反映各相关构件的物理位置。
对碹角梁，在长度方向重新进行应力分析。膨胀是在实际高温运行中产生的变形，此种应力，不易测量和估计。此处根据经验进行改造。如图4所
示为碹角梁所受弯曲应力分析图。
图4 碹角梁所受弯曲应力分析图
考虑不均匀载荷的作用，按照均布载荷的110%～123%之间重新计算。
在碹角钢梁外侧增加方钢，以增加碹角钢梁的抗弯曲强度。碹角梁抗弯截面模数增加到按照均布载荷的110%～123%之间，但是由于玻璃窑炉大碹为刚玉耐火材料，池炉已经选择，不便于修改。所以考虑在工字钢外侧重新增加一个方钢梁，以增加碹角梁抗弯截面模数。如图5
所示。
图5 碹角梁外侧增加方钢
为进一步抵抗碹角工字钢梁的弯曲变形，如图6所示在方钢外侧增加顶丝数量用以固定碹角钢梁，
并同时提高碹角梁的抗弯曲强度。
图6 碹角梁方钢外侧增加顶丝改造后，再次运行，碹角梁未出现弯曲变形，也未出现应力失效现象，相关问题得以解决。
4 结语
碹角钢梁的设计[5]，主要是按照碹角梁的受力
分析、应力计算、热力学特性，初步选择碹角梁的规格尺寸。必须结合玻璃窑炉的耐火材料特性重新调整新的计算系数，用以改进碹角梁的结构形式。
热工设计中，必须处处考虑高温问题，除了使用碳钢外，考虑耐热不锈钢材料的选用。虽然碳素结构钢静力学性良好，但碳素结构钢长期高温下工作容易失去力学性能。所以选用SUS304不锈钢或者材料牌号1Cr18Ni9Ti的钢材甚至含铬量更高的钢材。
参考文献
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[4] 陈国平，毕洁，玻璃工艺热工设备 [M].北京：高等教育出版社，2006，10.
[5] 闻邦春，机械设计手册第五版 [M].北京：机械工业出版社，2010，1.
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