本發(fā)明涉及一種用于在蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化工藝中使用的氫氣轉(zhuǎn)化爐的耐火隧道及其耐火部件，所述耐火隧道也被稱為轉(zhuǎn)化器煙氣隧道。具體而言，本發(fā)明提供了一種不使用砂漿的重量輕、獨(dú)立式隧道結(jié)構(gòu)，其更好地適用于氫氣轉(zhuǎn)化器，它使用具有機(jī)械學(xué)上更堅固的設(shè)計的耐火部件，所述耐火部件由比目前使用的材料性能更高的材料制備。

背景技術(shù)：

氫氣轉(zhuǎn)化爐通過一系列的催化反應(yīng)將天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣。將甲烷(CH₄)轉(zhuǎn)化為石油化學(xué)產(chǎn)品的一種最普遍的路徑是通過生產(chǎn)氫氣，或氫氣和一氧化碳的混合物。該氫氣/一氧化碳材料被稱為“合成氣體”或“合成氣”。事實(shí)上，天然氣或合成氣的蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化(SMR)是生產(chǎn)商業(yè)級(bulk)氫氣以及用于工業(yè)合成氨的氫氣的最常用方法。在大約1000℃的溫度下，在金屬基催化劑存在的情況下，蒸汽與甲烷反應(yīng)以產(chǎn)生一氧化碳和氫氣。

這兩個反應(yīng)本質(zhì)上是可逆的：

該反應(yīng)是吸熱的，需要導(dǎo)入大量的熱以維持反應(yīng)。加熱氣體占整個工藝氣體需求量的80％。

氫氣轉(zhuǎn)化爐的一個常見類型被稱為“自頂向下”，或“頂燒式”加熱爐。圖1是一個傳統(tǒng)型氫氣轉(zhuǎn)化爐800的透視剖視圖。天然氣燃燒爐(未顯示)被設(shè)置在加熱爐800的頂部并在催化劑管道70的列(也被稱為道)之間，并通過燃燒產(chǎn)生熱量。燃燒爐向下燃燒，并與烴蒸汽混合物流體平行，其方向穿越催化劑管道70，所述催化劑管道70是離心澆鑄的鉻鎳管道，其一般為10-40英尺長，并垂直地安裝在加熱爐800中。管道70包括呈例如顆粒狀或球狀的附著在氧化鋁載體上的活化的鎳催化劑。將處理氣體和蒸汽穿過催化劑向下供給，并從管道70的底部去除。

在700-800℃的溫度范圍操作主轉(zhuǎn)化器。然后，熱氣體穿過對流傳熱區(qū)域，產(chǎn)生的蒸汽反過來供給至主轉(zhuǎn)化器。該單元被用來產(chǎn)生合成燃料，其可以變成多種為內(nèi)燃機(jī)提供動力的液體燃料。還經(jīng)常被用于在工廠燃燒爐中產(chǎn)生用于其它工藝的氫氣，所述工廠燃燒爐中，火焰和熱氣體輻射為管道提供熱輸入以支持高的吸熱反應(yīng)。氣體從加熱爐800的底部一側(cè)排出。根據(jù)燃燒爐和加熱爐出口的位置，氣流和熱分布是不均一的。在這種情況下，熱氣體直接流動到出口是很常見的，這導(dǎo)致該單元的背后產(chǎn)生冷區(qū)域以及臨近出口前產(chǎn)生溫度高至足以損壞催化劑管道的熱點(diǎn)。為了校正這種情況，提供起燃燒氣體集合管的作用的煙氣隧道80，從而促進(jìn)均勻的熱分布以提高效率和延長管道70的壽命。

盡管SMR是成熟的工藝，并且隨著時間推移也付出了大量努力來優(yōu)化該工藝的各方面以提高效率，但大部分焦點(diǎn)圍繞于以下方面來改善這些轉(zhuǎn)化器：催化劑、金屬合金、燃燒爐、原料等。然而，與SMR工藝改善有關(guān)的一個方面完全被忽略了。也就是說，在構(gòu)造這些單元中使用的耐火設(shè)計數(shù)十年來保持停滯不前。特別是，盡管顯然需要基于性能可靠性問題的改善，運(yùn)輸燃燒氣體通過火焰加熱器的煙氣隧道并沒有進(jìn)行改變。

這些隧道80平均為約8英尺高、3英尺寬，并貫穿加熱爐單元100的整個長度運(yùn)行(例如40-50英尺)。由于這些隧道80的尺寸及其結(jié)構(gòu)中使用的耐火材料的體積，它們傳統(tǒng)上使用基本的磚形狀(例如標(biāo)準(zhǔn)的矩形形狀，如圖2所示)，并以建造任何結(jié)構(gòu)性磚墻相似的方式制造。隧道80的墻81頂端覆蓋有一系列矩形砌塊82以形成蓋(見例如圖1-3)。歷史上，傳統(tǒng)的隧道墻81在加熱條件下以及隨著時間推移很容易出現(xiàn)機(jī)械故障。這些煙道隧道失敗的主要模式涉及耐火設(shè)計、安裝工藝、運(yùn)行中機(jī)械濫用、以及初始材料選擇。

雖然存在問題，但這些隧道80對于加熱爐單元800的均勻加熱和實(shí)現(xiàn)所需的效率是必須的。例如，如果頂燒式轉(zhuǎn)化器沒有將隧道80包含在它的單元結(jié)構(gòu)中，那么所有的燃燒氣體將會在轉(zhuǎn)化器的出口進(jìn)入煙道。如上所述，這會在整個單元中導(dǎo)致不均勻的溫度，即遠(yuǎn)離煙道的寒冷區(qū)域和靠近單元出口的熱點(diǎn)。結(jié)果，轉(zhuǎn)化器不僅會效率降低，而且會使靠近出口的催化劑管道過熱導(dǎo)致發(fā)生過早的故障。

SMRs中傳統(tǒng)的煙氣隧道80的設(shè)計和結(jié)構(gòu)涉及使用典型尺寸為3英寸×9英寸×6.5英寸的平磚。建造墻81使得一半的砌塊(block)以規(guī)則模式被排除以允許氣體透過墻81進(jìn)入隧道80(未顯示)。典型地，在建造中磚被砂漿固定在原地以使得墻81保持在一起。標(biāo)準(zhǔn)平磚的常見取代是標(biāo)準(zhǔn)的舌槽磚83、84(見例如圖4和圖5)。盡管這些類型的磚存在多種大小和構(gòu)造，當(dāng)以常規(guī)方式垂直地堆疊時，這種傳統(tǒng)類型的磚一般使用簡單的舌槽特征以使得彼此機(jī)械接合。如圖4和圖5所示，傳統(tǒng)的磚83和84包括垂直地堆疊時可以組裝在一起的簡單的舌832、842和槽型配合特征833、843。

在過去，在傳統(tǒng)的隧道結(jié)構(gòu)中，提供了較大的、沿隧道墻每6-10英尺設(shè)置的膨脹間隙，以允許系統(tǒng)的熱膨脹。該膨脹間隙是設(shè)計和建造的關(guān)鍵方面，因?yàn)楸仨毴菁{預(yù)期的熱膨脹。然而，在該情況下，由于這些較大的膨脹間隙的存在，每個隧道實(shí)際上是由若干較大的獨(dú)立式墻組成的。為了協(xié)助支撐隧道墻的這些獨(dú)立部分，因此也提供了中間支撐墻或半露方柱(未顯示)。這些中間支持墻連接催化劑管道之間的隧道的外墻，以防止墻傾斜或倒塌。半露方柱也被稱為扶壁，起相同的作用，并且被構(gòu)造成位于隧道墻外側(cè)的一列列磚(未顯示)。

隧道墻結(jié)構(gòu)的另一個特征是端墻(未顯示)。也稱為交叉墻(cross-over wall)或靶墻(target wall)，這些磚墻部分在單元的出口連接隧道，防止氣體繞道穿過周圍內(nèi)襯(surrounding lining)。除了提供額外的橫向支撐，端墻也確保所有的燃燒氣體可以經(jīng)由煙氣隧道80排出。

一旦建造好隧道墻，就將隧道蓋子(蓋)放在上面。這些蓋子，經(jīng)常被稱為棺材蓋，一般是由耐火材料的大板制造的。盡管設(shè)計可能很簡單，但是它們起重要的目的，因?yàn)椴怀晒Φ纳w子會降低單元效率，導(dǎo)致隧道墻因倒塌而失效，以及導(dǎo)致更短的管道壽命。棺材蓋有四種主要類型。主要的類型是矩形或方形實(shí)心設(shè)計(見例如圖3的蓋82)。這代表了傳統(tǒng)方法，其僅僅是跨越墻81之間的水平距離(間隙)的耐火材料的實(shí)心板。這些實(shí)心蓋82也可具有凹口表面或在底部或側(cè)面上形成有配合特征，其可以和隧道墻機(jī)械地接合并提供額外的支撐(未顯示)。另一種類型是中空或擠出的蓋821(見圖6和圖7)。蓋821的這些類型具有與矩形實(shí)心蓋82相同的外觀尺寸，但是在中間包括一對被挖空的部分(空腔)822以降低蓋的重量和合成應(yīng)力。

另一種常見的蓋設(shè)計是偏置蓋831，如圖8所示。該實(shí)心蓋的特征是傾斜的幾何結(jié)構(gòu)，其可以有助于相鄰蓋子之間的接合，其在翻倒期間提供額外的支撐，并在蓋失效時幫助支撐破裂的蓋子。圖9顯示了帶舌槽蓋851，它是偏置蓋831的另一種類型，但是它的機(jī)械配合特征(即舌851a和槽851b)提供了與相鄰蓋851更多的接合。

該領(lǐng)域出現(xiàn)的失敗的當(dāng)前一種類型是隧道全長的一部分蓋子或全部蓋子塌陷。一旦安裝完，蓋子起到橫梁的作用，蓋子中間的裂縫經(jīng)常是跨距和材料厚度的比例的結(jié)果。然后，增加替換蓋的橫切面(厚度)，但是在另一次運(yùn)行(campaign)之后，失效一般比前一次更嚴(yán)重。這是因?yàn)?，蓋子的失效不是靜負(fù)重的結(jié)果。手動計算結(jié)合計算機(jī)模擬表明僅靜負(fù)重本身給予蓋子傳遞的壓力很小，其并不會導(dǎo)致失效。在穩(wěn)定的操作溫度1900℉下，使用計算機(jī)對安裝在隧道的9英寸寬×9英寸高×42英寸長的實(shí)心矩形蓋(見例如圖3)運(yùn)行有限元分析(FEA)表明，除了它自身的重量，沒有外力作用于蓋子。結(jié)果是最大應(yīng)力為非常適中的10psi。

通過多種材料，斷裂模量(MOR)在更高的溫度下顯著降低，也可能選擇較低級耐火蓋材料，其MOR在操作偏離溫度時降低至即使輕微的與靜負(fù)重有關(guān)的應(yīng)力也能導(dǎo)致失效的點(diǎn)。然而，大多數(shù)工程耐火材料供應(yīng)商會表征斷裂熱模量(HMOR)，并提供用于蓋的材料選項，其具有足夠高的HMOR使得即使強(qiáng)度降低，靜負(fù)重仍然具有非常顯著的與之相關(guān)的安全系數(shù)?；贔EA結(jié)果與公布的HMOR的比較，可以得出結(jié)論：大多數(shù)蓋子的失效不是靜負(fù)重本身的結(jié)果，其是與熱狀態(tài)有關(guān)的應(yīng)力導(dǎo)致的結(jié)果。

在該情況下的熱應(yīng)力以多種方式顯示。一方面，如果沒有合適地控制熱膨脹，導(dǎo)致過度的壓縮力，那么部件可能失效。因?yàn)樯w子被放置在墻部分的頂部上并且唯一的限制物是摩擦力或砂漿，故熱膨脹不會限制到故障點(diǎn)。通常使用的耐火砂漿的HMOR大約為500psi，遠(yuǎn)低于選擇用于隧道蓋的耐火材料的HMOR。因此，如果熱應(yīng)力達(dá)到該水平，砂漿會斷裂，蓋子會根據(jù)需要自由地膨脹。

作為熱應(yīng)力的結(jié)果，部件也可能失效，所述熱應(yīng)力是操作期間產(chǎn)生的任何溫度差異所導(dǎo)致產(chǎn)生的，其不限為大翻倒的例子。當(dāng)部件的一個區(qū)域的熱膨脹不同于另一個區(qū)域的熱膨脹時的熱應(yīng)力失效結(jié)果，導(dǎo)致應(yīng)力高于材料的屈服強(qiáng)度。如果加熱爐的對流部分的溫度不同于隧道內(nèi)的溫度，即使出現(xiàn)時間較短，也存在熱應(yīng)力的可能。安裝在隧道上的9英寸寬×9英寸高×42英寸長的實(shí)心矩形蓋(見例如圖3)中，在蓋上表面的溫度為1910℉以及蓋下表面的溫度為1900℉的情況下，其FEA顯示，除了自身重量，沒有額外的力作用在蓋上。整個蓋的10度溫差導(dǎo)致1500psi的最大應(yīng)力，其高于下端耐火材料的HMOR。當(dāng)在相同的運(yùn)行期間隧道的大量蓋子均失效而沒有任何的墻塌陷時，失效的模式很有可能是熱應(yīng)力。

隧道蓋性能的另一個重要因素是材料的抗蠕變性。當(dāng)材料在長時間暴露于高水平的低于材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下緩慢但永久地變形時，會產(chǎn)生蠕變。這對隧道墻的結(jié)果是在垂直方向傳送蓋子質(zhì)量，這補(bǔ)充了隧道墻的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)。蓋子的蠕變會導(dǎo)致中央跨度的“下垂”，并將改變蓋子和隧道墻之間的相互作用力，并最終導(dǎo)致失效。蠕變可以通過ASTM標(biāo)準(zhǔn)測試表征，其為使用隧道蓋的代表，并且是材料選擇的重要部分。高級磚的ASTM測試的結(jié)果在2,600℉下有7.86％偏差。對隧道墻的結(jié)果是以一定的角度傳送蓋子質(zhì)量，所述角度偏離垂直軸一些度數(shù)，其使得隧道墻在頂部比底部彼此間更進(jìn)一步分離。

全部隧道塌陷可能實(shí)際上是若干不同的失效模式的結(jié)果。傳統(tǒng)的隧道建造使用成百上千噸耐火磚和蓋子，其構(gòu)成的質(zhì)量最終依賴于防火磚(IFB，未顯示在圖1A和圖1B中)的最終基底層。帶有6英寸寬的磚，96英寸高的隧道墻，以及9英寸厚的實(shí)心蓋子的傳統(tǒng)的隧道橫切面導(dǎo)致支持性IFB層上的負(fù)重為11.6psi。使用ASTM測試公布的數(shù)據(jù)表明，在轉(zhuǎn)化爐中的溫度下，IFB基底層會在100小時內(nèi)在那些負(fù)重下變形1％。IFB基底層的變形表現(xiàn)為如下兩種方式中的一種：要么該變形會過早地壓縮纖維以允許熱膨脹，或該變形會降低IFB基底的整體隔熱值(insulating value)。已知兩種情況均導(dǎo)致失效。

溫度和隧道質(zhì)量的效應(yīng)不限于加熱爐內(nèi)部，也可以引起支持性加熱爐結(jié)構(gòu)的變形，從而導(dǎo)致不均勻的爐底。傳統(tǒng)的隧道設(shè)計使用砂漿接縫以將磚彼此穩(wěn)固，有效地將大量的小磚轉(zhuǎn)變成少量的大的墻壁部分。這些墻壁部分以單個墻體起作用，并且加熱爐底不能包含任何主要的尺寸變化。支持性加熱爐結(jié)構(gòu)的變形會因此導(dǎo)致傳統(tǒng)型隧道的失效。

差異性熱膨脹不僅在使用不同設(shè)計材料的情況下發(fā)生，而且在預(yù)計能擔(dān)任單個墻體的大部分材料的情況下發(fā)生。傳統(tǒng)的隧道設(shè)計也在每隔約6-10英尺墻壁長度處使用纖維膨脹接頭，其中全部的建筑成分使用耐火砂漿彼此間粘結(jié)。該耐火砂漿也導(dǎo)致墻壁部分表現(xiàn)得像單個墻體。沒有加熱爐具有完全均一的溫度分布，然而，在某些點(diǎn)，差異性熱膨脹會在整個墻壁部分發(fā)生。施加到墻壁部分的應(yīng)力和在單個墻體內(nèi)導(dǎo)致熱沖擊的那些應(yīng)力是相同的。

執(zhí)行FEA以測定與完全砂漿化的10英尺墻壁部分從頂端至底端的差異性溫度有關(guān)的應(yīng)力水平，其中，出于分析的目的，完全砂漿化墻壁部分作為單個墻體進(jìn)行處理。墻壁部分的底部為1925°F，墻壁部分的頂部為1900°F，底部和頂部之間的溫度分布均一。FEA還包括隧道蓋的模擬重量和重力。但是沒有其它外力。這表明系統(tǒng)的應(yīng)力超過了標(biāo)準(zhǔn)耐火砂漿的500psi HMOR。由于砂漿接縫是墻壁最脆弱的點(diǎn)，故它們會裂開以減輕應(yīng)力。砂漿墻壁發(fā)生的開裂越多，該墻壁部分會變得越小，并且任何一部分的應(yīng)力會變得越低。

適當(dāng)?shù)厝菁{熱膨脹是任何熱應(yīng)用設(shè)計中最困難的方面之一。傳統(tǒng)的隧道設(shè)計，針對隧道蓋和隧道基底使用不同的材料和設(shè)計。很多隧道在支撐IFB列的墻之間的“基底”區(qū)域具有低密度耐火或纖維絕緣。隧道蓋可以膨脹至多3/8英寸，因此推開隧道墻，其中纖維絕緣不會對隧道墻產(chǎn)生任何膨脹力。所產(chǎn)生的梯形易屈曲和塌陷。在特定情況下，在加熱爐運(yùn)行(campaign)完結(jié)時，發(fā)現(xiàn)隧道在橫向方向具有另外的運(yùn)動。這更普遍稱為“蛇行”，它是整個隧道試圖比內(nèi)置允許膨脹的更大的結(jié)果。該運(yùn)動會使得砂漿破裂，將墻壁與蓋子分離，并將墻壁推離IFB基底；這均導(dǎo)致失效。盡管帶有圓形截面的傳統(tǒng)型舌槽磚的設(shè)計(見圖4和圖5)在防止橫向運(yùn)動方面多少是有效的，但該設(shè)計不足以阻止屈曲，因?yàn)橐粋€砌塊相對于它下面的砌塊的旋轉(zhuǎn)會使得舌從槽中分離出，從而導(dǎo)致完全的系統(tǒng)塌陷(見例如圖15)。

除了上述傳統(tǒng)型墻壁設(shè)計和部件本身的問題，安裝傳統(tǒng)型隧道系統(tǒng)需要大量的熟練工人，這變得越來越有挑戰(zhàn)性，特別是針對臨時的需求。這經(jīng)常產(chǎn)生一種情況，其中沒有具有適當(dāng)水平的熟練工人，并且所得安裝的隧道系統(tǒng)的整體質(zhì)量會妥協(xié)，或者安裝成本比預(yù)期更高。在一些情況下，傳統(tǒng)型隧道系統(tǒng)已經(jīng)操作了其原始設(shè)計的整個壽命跨度，但是由于短時間框架的周轉(zhuǎn)時間安排，隧道不能完全被維修或被替換，因此必須在延長的運(yùn)行期間繼續(xù)使用。安裝傳統(tǒng)型隧道系統(tǒng)所需的時間長度和高技術(shù)水平因此成為可靠性問題的一個原由。可能給予隧道系統(tǒng)的完全程度的損害，在周轉(zhuǎn)之前經(jīng)常是不為人知的，因此維修工程人員只有幾周時間來檢查、設(shè)計和執(zhí)行維修，那意味著僅僅保持隧道系統(tǒng)可操作直至下次周轉(zhuǎn)而已，其中可以再次嘗試這種維修。當(dāng)失效導(dǎo)致計劃外的中斷時，考慮與替換隧道相關(guān)的較長的研發(fā)時間和安裝時間，這對于工廠可能是非常危險的賭博。

安裝和維修所需的延長的時間框架和高技術(shù)水平，給傳統(tǒng)型隧道系統(tǒng)的質(zhì)量輸出帶來不期望的變化。因此，維修需要比工廠周轉(zhuǎn)時間的可用時間窗更長不是一個可行的選擇，并經(jīng)常導(dǎo)致不期望的延長的隧道運(yùn)行(campaign)。為了降低質(zhì)量上的變化，存在降低整體安裝時間以及降低對高度熟練工人的需要的強(qiáng)烈意愿。在一些情況下，傳統(tǒng)的隧道系統(tǒng)需要安裝空中吊車以幫助處理較重的隧道蓋。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種不使用砂漿的重量輕、獨(dú)立式隧道結(jié)構(gòu)，從而可以更好地適用于氫氣轉(zhuǎn)化器，它使用機(jī)械上更堅固的耐火部件，所述耐火部件由性能更高的材料制備。更具體而言，本發(fā)明的一個目的是通過以下方法來克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷：提供重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的部分，實(shí)行避免將單個部件置于張力下的系統(tǒng)設(shè)計，并使用帶有均勻分布、高度工程化膨脹間隙的網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，以確保用于熱生長的適量空間；且安裝不需要進(jìn)行任何精確的測量。

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于蒸汽轉(zhuǎn)化爐的耐火隧道組件。耐火隧道組件包括：

多個中空的基底部件，每個基底部件包括多個對應(yīng)機(jī)械配合件；多個中空的墻砌塊，每個墻砌塊包括多個對應(yīng)的與基底部件的機(jī)械配合件對應(yīng)的機(jī)械配合件；多個中空的蓋部件，每個蓋部件包括多個與基底部件和墻砌塊的機(jī)械配合件對應(yīng)的機(jī)械配合件。基底部件被設(shè)置為沿定義所述隧道組件的寬度的水平排列方向(第一方向)延伸，和沿定義所述隧道組件的長度的縱向排列方向延伸。墻砌塊在垂直排列方向(第二方向)上沿縱向排列方向通過對應(yīng)的機(jī)械配合件堆疊在基底部件上并與之機(jī)械地相互連接而不使用砂漿；所述墻砌塊在垂直排列方向和縱向排列方向上通過對應(yīng)的機(jī)械配合件堆疊在另一個墻砌塊上并與之機(jī)械地相互連接而不使用砂漿，從而定義出兩個平行的隧道墻，所述隧道墻在水平排列方向(定義隧道的內(nèi)部寬度)上彼此間相隔一段距離，其中隧道墻從基底部件沿垂直排列方向向上延伸并沿基底部件上的隧道組件的長度(沿縱向排列方向)延伸。所述多個蓋部件在垂直排列方向上沿縱向排列方向通過機(jī)械配合件堆疊在墻砌塊上并與之機(jī)械地相互連接而不使用砂漿，從而使蓋沿縱向排列方向和水平排列方向延伸，用以覆蓋所述兩個隧道墻之間沿所述隧道組件的所述長度的至少一部分的水平排列方向的距離。

優(yōu)選地，基底部件、墻砌塊和蓋部件都包括相同的材料。

根據(jù)一個方面，多個機(jī)械配合件包括在每個基底部件、墻砌塊和蓋部件的上表面和下表面的對應(yīng)位置提供的至少一對凸形部件和凹形部件。

優(yōu)選地，凸形部件包括從每個基底部件、每個墻砌塊和每個蓋部件的每個的上表面延伸的突出部分，并且凹形部件包括每個基底部件、墻砌塊和蓋部件的下表面中的對應(yīng)開口。

根據(jù)另一個方面，至少一對對應(yīng)的凸形部件和凹形部件包括在每個基底部件、墻砌塊和蓋部件的上表面和下表面的對應(yīng)位置提供的兩對凸形部件和凹形部件。

也優(yōu)選，多個墻砌塊中的至少一部分還包括至少一個通孔，所述通孔在墻砌塊的相對側(cè)表面中形成有開口，所述通孔與所述隧道連通但不與所述中空墻砌塊的內(nèi)腔連通。

優(yōu)選地，多個墻砌塊中的至少一部分還包括在砌塊的側(cè)表面中接近其上表面處形成的拉桿支架，以及耐火隧道組件還包括至少一個在隧道墻之間、在水平延伸方向上延伸的拉桿。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于蒸汽轉(zhuǎn)化爐隧道的耐火砌塊，該耐火砌塊包括：

中空的主體部分，其具有定義第一端、相對的第二端、上表面、相對的下表面、第一側(cè)面和相對的第二側(cè)面的外周表面。

提供至少一個定義為突出部分的第一機(jī)械配合件，其從主體部分的上表面的一部分開始延伸；在主體部分的下表面的一部分中形成至少一個定義為與突出部分相對應(yīng)的開口的第二對應(yīng)的機(jī)械配合件；在主體部分的第一端和相對的第二端的一個的一部分中或者主體部分的第一側(cè)面和相對的第二側(cè)面的一個的一部分中，提供至少一個定義為突出部的第三機(jī)械配合件；在主體部分的另一個第一端和第二端中或者主體部分的另一個第一側(cè)面和相對的第二側(cè)面中形成至少一個第四機(jī)械配合件，其包括與突出部對應(yīng)的槽，以及形成在耐火砌塊的主體部分的下表面中的至少一個空腔。

優(yōu)選地，耐火砌塊的壁厚的范圍為0.65-0.875英寸。

優(yōu)選地，至少一個第一機(jī)械配合件包括兩個第一機(jī)械配合件，以及至少一個第二對應(yīng)的機(jī)械配合件包括兩個第二對應(yīng)的配合件。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，砌塊包括用于隧道組件的基底部件，并且至少一個所述第三機(jī)械配合件包括設(shè)置在主體部分的第一側(cè)面和相對的第二側(cè)面中的一個的水平相對部分中的兩個突出部，以及至少一個第四機(jī)械配合件包括在主體部分的第一側(cè)面和相對的第二側(cè)面中的另一個的相應(yīng)位置中形成的兩個槽。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，砌塊包括用于隧道組件的蓋部件，并且至少一個第三機(jī)械配合件包括在主體部分的第一側(cè)面和相對的第二側(cè)面中的一個的水平相對部分中設(shè)置的兩個突出部，并且至少一個第四機(jī)械配合件包括在主體部分的另一個第一側(cè)面和相對的第二側(cè)面中形成的兩個槽。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，耐火砌塊包括用于隧道組件的墻砌塊，所述第三機(jī)械配合件的突出部設(shè)置在主體部分的第一端和相對的第二端中的一個的一部分中，對應(yīng)突出部的所述槽(第四機(jī)械配合件的)在主體部分的另一個第一端和第二端中形成。還優(yōu)選，墻砌塊還包括至少一個通孔，該通孔具有在墻砌塊的第一側(cè)面和相對的第二側(cè)面中形成的相對的開口，并且通孔與耐火砌塊的主體部分的至少一個空腔不連通。

與整個墻體的溫度差異相關(guān)的熱應(yīng)力能導(dǎo)致源自熱沖擊的失效。目前有多種用來將熱應(yīng)力降低到低于耐火部件的屈服強(qiáng)度的方法。降低耐火部件的壁厚使得材料可以進(jìn)行熱傳導(dǎo)以維持墻體溫度均衡并消除與熱差異相關(guān)的應(yīng)力。在不影響隧道系統(tǒng)整體穩(wěn)定性的情況下，壁厚應(yīng)當(dāng)盡可能的薄。由于隧道系統(tǒng)是僅自支撐的，故降低全部部件的壁厚也會降低整個系統(tǒng)的重量。

通過適當(dāng)?shù)钠胶鈴?qiáng)度和重量，可實(shí)現(xiàn)提供最佳壁厚。越薄的墻體可以降低熱應(yīng)力和系統(tǒng)重量，但是越厚的墻體可以支撐更多的負(fù)重。綜上，壁厚范圍優(yōu)選為大約0.5-1.5英寸，最優(yōu)選范圍為0.625-0.875英寸。每個部件的理想重量如此處所述：即砌塊為約40-60lb(磅)、蓋為50-75lb(磅)，以及基底為70-150lb(磅)。

除了減少單個部件的壁厚，也減少隧道系統(tǒng)中的“部分”從而使得單個部分中觀察到的差異性溫度最小化。理想地，隧道系統(tǒng)中的“部分”應(yīng)當(dāng)和單個構(gòu)建部件一樣大。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，每個砌塊都必須處理它自身的熱膨脹，并且整個系統(tǒng)必須不含砂漿，但是為了穩(wěn)定性維持，整個系統(tǒng)又必須完全相互連接。通過提供精確形成的、堅固的機(jī)械相互連接的耐火部件來完成上述目標(biāo)，并且安裝工藝自動地容納每個部件的變化。

為了確保適當(dāng)?shù)臒崤蛎浱幚?，隧道系統(tǒng)也使用由相同材料制造的基底部件，并且該基底部件和蓋(蓋子)部件具有實(shí)質(zhì)相同的尺寸。這確保了隧道在墻壁的上部和底部均等膨脹和收縮，以維持整體結(jié)構(gòu)和降低應(yīng)力，否則會引起屈曲。通過墻部件中具有堅固和緊密的公差互鎖機(jī)械配合特征可以防止屈曲，使得砌塊相對于它下面的砌塊的旋轉(zhuǎn)不會破壞直接接觸。

即使可以適當(dāng)?shù)奶幚頍崤蛎?，為了進(jìn)一步防止出現(xiàn)因延遲點(diǎn)火或不均一的加熱爐底導(dǎo)致的屈曲問題，在預(yù)定位置處還提供橫梁或拉桿(連桿)支撐。

選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾桶惭b工藝對于防止“蛇行”也是非常重要的。當(dāng)再加熱時，很多材料會增加整體尺寸，這會增加可變性并給熱膨脹處理增加挑戰(zhàn)。由于耐火部件的熱膨脹系數(shù)是非線性的，它必須完全被表征和理解以確保產(chǎn)生適當(dāng)?shù)呐蛎浗宇^。選擇適當(dāng)?shù)牟牧弦恢笔桥c傳統(tǒng)的隧道設(shè)計相關(guān)的妥協(xié)和犧牲。也就是說，傳統(tǒng)上，磚具有足夠的耐火值以防止加熱爐支持物變形，但其并不總是具有足夠的強(qiáng)度以充分地支撐隧道系統(tǒng)；并且具有更高強(qiáng)度的磚不具有所需的耐火值。傳統(tǒng)的材料包括各種耐火磚和超級耐用磚。

所選材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)不應(yīng)當(dāng)簡單地視為隧道系統(tǒng)中使用的材料的線性函數(shù)。具有充分表征(fully characterized)的CTE對于確保膨脹行為的適當(dāng)處理是優(yōu)選的。當(dāng)在單個部件水平上處理熱膨脹時，這變得更加關(guān)鍵。適當(dāng)?shù)牟牧线x擇優(yōu)選包括，當(dāng)與相關(guān)的靜負(fù)重應(yīng)力相比時，確定加熱爐工作時的斷裂模量和加熱爐的溫度偏移具有足夠的安全系數(shù)。選擇HMOR提高的材料可以立刻增加系統(tǒng)的安全系數(shù)。

僅僅知道耐火材料的室溫MOR不足以適當(dāng)?shù)卦O(shè)計隧道系統(tǒng)。

此外，選擇用于轉(zhuǎn)化爐的任何材料應(yīng)優(yōu)選具有合理可用的最高的抗蠕變性，因?yàn)槿渥兊慕档涂梢匝娱L隧道系統(tǒng)的壽命并防止過早的失效。優(yōu)選使用抗蠕變性提高的材料，這可以降低頂部蓋子的底側(cè)的張力，并減少頂部蓋子對隧道磚墻施加的外力。使用具有完全表征的CTE、更高的HMOR以及抗蠕變性增加的材料可以共同改善隧道系統(tǒng)的整體可靠性。

綜上，在本發(fā)明中，用于磚(砌塊)、基底和蓋子(蓋)的適當(dāng)?shù)牟牧习ǖ幌抻冢豪缪趸X基耐火材料、堇青石(鎂鋁硅酸鹽)、和氧化鋯。更優(yōu)選，砌塊、蓋和基底是由選自于由以下物質(zhì)構(gòu)成的組中的材料制造的：中級耐火磚(氧化物結(jié)合氧化鋁，包括至少30重量％的氧化鋁)、高級耐火磚(氧化物結(jié)合氧化鋁，包括至少35重量％的氧化鋁)、超級耐火磚(氧化物結(jié)合氧化鋁，包括至少40重量％的氧化鋁)以及高鋁耐火磚(氧化物結(jié)合氧化鋁，包括至少60重量％的氧化鋁)。最優(yōu)選，本發(fā)明使用莫來石結(jié)合氧化鋁，其包括88重量％的氧化鋁，或氧化物結(jié)合氧化鋁，其包括95重量％的氧化鋁。

根據(jù)本發(fā)明的隧道也使用在比傳統(tǒng)設(shè)計大出約5倍的區(qū)域上分散墻體的重量負(fù)載的基底部件。本發(fā)明的重量輕設(shè)計以及本發(fā)明的基底部件，典型地導(dǎo)致了基底層的負(fù)重為1.4psi。這允許高度絕緣材料的使用，使得可以改善加熱爐的結(jié)構(gòu)支撐的整體可靠性以及整個系統(tǒng)的整體可靠性。

如前所述，磚的寬度為6英寸、隧道墻高為96英寸、以及實(shí)心蓋為9英寸厚的傳統(tǒng)的隧道橫切面，會導(dǎo)致支撐性IFB層在運(yùn)行(campaign)的第一個100個小時內(nèi)的負(fù)載為11.6psi和變形為1％。將整個隧道系統(tǒng)的整體重量降低60％可產(chǎn)生顯著較低的PSI負(fù)載，并使得基底層產(chǎn)生更低數(shù)量級的變形，從而增加隧道的有效生產(chǎn)壽命和效率。

根據(jù)本發(fā)明提供的降低的壁厚和改善的材料，通過兩位工人可以容易地安裝或去除重量輕的隧道蓋。此外，一位工人可以容易地處理具有互鎖部件的重量輕、無砂漿的砌塊設(shè)計，該隧道結(jié)構(gòu)還可根據(jù)需要安裝、維修和/或拆開而不會產(chǎn)生重大后果或不需要高水平的技能。在周轉(zhuǎn)期間，可以容易地增加或去除橫梁支持物(即拉桿)而不限制進(jìn)入其它隧道部件，這可以確保維修是徹底的和有效的?？焖侔惭b和維修時間允許更容易地進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S修，從而改善系統(tǒng)的整體可靠性。

降低部件的重量并維持建筑砌塊的結(jié)構(gòu)完整，使得可以消除對下游磚的大部分?jǐn)D壓力。提供重量輕、結(jié)構(gòu)正確的蓋子(蓋)部件可以克服前述與使那些部件變得更厚以更強(qiáng)從而給整個系統(tǒng)不利地增加額外的負(fù)重相關(guān)的缺點(diǎn)。在每塊磚之間包含膨脹間隙和從系統(tǒng)中去除砂漿，確保組件可以膨脹和收縮，而不會產(chǎn)生大的累積應(yīng)力，并降低隧道整體的安裝時間。

附圖說明

為了更好地理解本發(fā)明的本質(zhì)和目的，需要參考下述實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選的模型的細(xì)節(jié)描述，并結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀，其中：

圖1A是傳統(tǒng)的氫轉(zhuǎn)化爐的透視剖視圖，圖1B是圖1A所示的轉(zhuǎn)化爐的截面(sectional)端視圖；

圖2是用于圖1A和1B所示的轉(zhuǎn)化爐的傳統(tǒng)的隧道組件的透視圖；

圖3是傳統(tǒng)的實(shí)心蓋的透視圖；

圖4是傳統(tǒng)的單舌槽型砌塊(磚)的透視圖；

圖5是傳統(tǒng)的雙舌槽型砌塊(磚)的透視圖；

圖6是傳統(tǒng)的中空蓋的端視圖；

圖7是圖6所示的傳統(tǒng)的中空蓋的透視圖；

圖8是傳統(tǒng)的偏置(off-set)蓋的透視圖；

圖9是傳統(tǒng)的舌槽蓋的透視圖；

圖10是根據(jù)本發(fā)明一個方面所述的半個砌塊(磚)的頂部透視圖；

圖11是根據(jù)本發(fā)明一個方面所述的完整砌塊(磚)的頂部透視圖；

圖12是圖11所示的完整砌塊的底部透視圖；

圖13是圖11所示的兩個砌塊堆疊排列的截面端視圖；

圖14是圖13所示的堆疊排列在旋轉(zhuǎn)力下的截面端視圖以說明堆疊的砌塊不會分離；

圖15是圖4所示的現(xiàn)有技術(shù)的砌塊在旋轉(zhuǎn)力下的端視圖以說明那些砌塊在相同類型的旋轉(zhuǎn)力下會分離；

圖16A和16B是包括通孔的完整砌塊的頂部透視圖和底部透視圖；

圖17是具有兩個通孔的完整砌塊的透視圖；

圖18A和18B是根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的水平互鎖的完整砌塊的頂部透視圖和底部透視圖；

圖19是圖18所示的砌塊的端視圖；

圖20是圖18所示的砌塊的部分組件堆疊的透視圖；

圖21是根據(jù)本發(fā)明的全寬基底部件的頂部透視圖；

圖22是圖21所示的全寬基底部件的底部透視圖；

圖23是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的單側(cè)基底部件的頂部透視圖；

圖24是圖23所示的單側(cè)基底部件的底部透視圖；

圖25是圖16所示的完整砌塊的透視圖，還設(shè)有拉桿支架；

圖26是拉桿的透視圖；

圖27是根據(jù)圖25的兩個完整砌塊和根據(jù)圖26的拉桿的透視圖，所述拉桿位于各自的拉桿支架中并跨越其間的水平距離；

圖28是根據(jù)本發(fā)明另一方面的兩個完整砌塊和另一拉桿的透視圖；

圖29是根據(jù)本發(fā)明的蓋的頂部透視圖；

圖30是圖29所示的蓋的底部透視圖；

圖31是根據(jù)本發(fā)明的隧道組件的透視圖；

圖32是圖31所示的隧道組件的側(cè)視圖；

圖33是圖31和圖32所示的隧道組件的端視圖；和

圖34是圖31所示的組件的透視圖，其中去除了部分墻砌塊以顯示拉桿的位置。

具體實(shí)施方式

砌塊(在本文中也可互換地稱為磚)

根據(jù)本發(fā)明的煙氣隧道包括多個耐火砌塊或耐火磚，其設(shè)計有精密互鎖機(jī)械配合特征，以便于堆疊互連從而形成獨(dú)立式、不需要使用砂漿的隧道墻。這些機(jī)械配合特征還特別設(shè)計為允許使用期間的熱膨脹，并同時防止隧道墻過早地分離。

配合特征的一個例子是具有需要水平安裝并防止砌塊垂直地分離的幾何結(jié)構(gòu)。圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明的“半塊磚”1，以及圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明的“整塊磚”10。圖12是圖11中顯示的整塊磚10的底視圖。應(yīng)當(dāng)理解，圖10所示的半塊磚1的相應(yīng)的底視圖(未顯示)應(yīng)該和圖12所示的相同，只是其尺寸的一半。標(biāo)準(zhǔn)磚的尺寸為，例如6.5英寸寬×18英寸長×10英寸高，但是該設(shè)計也同樣適用于小至2英寸寬×4英寸長×2英寸高的磚和大至9英寸寬×24英寸長×18英寸高的磚。優(yōu)選地，每個砌塊(磚)的重量范圍為20-70lb(磅)，更優(yōu)選40-50lb，使得一個人可以容易地單獨(dú)操縱砌塊，同時將構(gòu)建隧道墻所需的砌塊的總數(shù)降低至可能的最小數(shù)量。

每塊磚1、10具有定義第一端(1a、10a)、相對的第二端(1b、10b)、上表面(1c、10c)和相對的下(底)表面(1d、10d)的外周表面。這些磚1、10被挖空以從非關(guān)鍵區(qū)域除去所有可能的材料。優(yōu)選地，這些磚1、10的墻壁的壁厚“t”(參見例如圖12)在0.5-1.5英寸范圍，優(yōu)選0.625-0.875英寸。所得隧道組件只有傳統(tǒng)隧道重量的約60％。該挖空部分在各自砌塊1、10中限定出一個或多個、優(yōu)選多個空腔2。

砌塊1、10的上表面1c、10c各自包括根據(jù)本發(fā)明的耐火砌塊的精密互鎖機(jī)械配合特征的凸形部分。突出部分3從表面1c、10c抬高一定距離以定義從砌塊1、10中延伸的幾何構(gòu)件，并且用作與在砌塊1、10的下表面1d、10d中形成的開口4精確配合的鎖定部分。如圖所示，突出部分3是具有倒角和圓形開口3a的大致矩形隆起，所述圓形開口3a穿過它的中心且連通空腔2。圓形開口3a僅僅是出于制造和去除材料的考慮，其并不關(guān)鍵。如圖10和圖11所示，開口3a連通空腔2。然而，如下面更詳細(xì)描述地，并不總是這種情況。

盡管突出部分3的精確形狀無需限定于此處所示的形狀，但是優(yōu)選地與對應(yīng)的開口4的形狀幾何匹配，稍微錯位(off-set)以適應(yīng)工藝公差(tolerance)。砌塊1、10的突出部分3必須精確地配合在垂直相鄰的砌塊1、10的開口4內(nèi)以確保垂直相鄰的砌塊1、10彼此牢固地接合，以便于構(gòu)建不使用砂漿的獨(dú)立式隧道墻。也必須有足夠的公差以解決如上所述的熱膨脹的考慮，并保持接觸以防止屈曲。

開口4與砌塊1、10的空腔2相通，并且以緊密的互鎖方式接收突出部分3，以便以如圖13所示垂直堆疊的方式將砌塊1、10彼此牢固地連接而不使用砂漿。考慮到如上所述的機(jī)械因素和熱量問題，開口4的形狀不是關(guān)鍵的，只要它的形狀和大小可以精確地與突出部分3的形狀和大小相對應(yīng)即可。

重點(diǎn)是相應(yīng)的突出部分3與突出部分3配合到其中的開口4之間具有微小錯位的幾何匹配。優(yōu)選地，錯位的范圍是0.020至0.060英寸。由導(dǎo)致砌塊對砌塊的可變性的工藝公差能力來限定最小錯位。如果發(fā)生屈曲，必須有足夠的高度和緊密性以牢固接合。為了確保與開口4充分接合并防止屈曲，優(yōu)選地，突出部分3的總高度“h”或突出部分3從砌塊1、10的上表面1c、10c延伸的距離為至少0.75英寸。開口4的大小應(yīng)盡可能地緊貼突出部分，同時允許工藝公差。理想地，與制造需求相平衡的均一的壁厚決定該大小。

單個砌塊1、10進(jìn)一步包括額外的機(jī)械配合特征，例如一端上的突出部和另一端上的槽，其間隙允許每個砌塊隨著操作溫度增加而膨脹直到它的密封部分(seals)抵靠到水平排列方向任一側(cè)的砌塊。如圖10-12所示，砌塊1、10的第一側(cè)面1a、10a包括槽或狹槽5，以及相對的第二側(cè)面1b、10b被形成為包括垂直配合到水平相鄰的砌塊1、10的相應(yīng)槽5中的相應(yīng)“突出部”或突出部6。優(yōu)選地，該槽比突出部大最小工藝公差；優(yōu)選地，該突出部是砌塊的總寬度的30-75％。

也可以提供一種可壓縮的高溫絕緣纖維(未顯示)，其位于槽5中以減少氣體旁路，同時在使用中容納一定范圍的溫度波動。纖維被指定為具有足夠的壓縮可變性，以在600-1200℃的較寬操作溫度范圍內(nèi)減少氣體旁路。該纖維也可以用在砌塊的層之間以防止點(diǎn)負(fù)載。如下所述，基底部件和頂蓋(蓋子)均具有類似的突出部和槽設(shè)計，并使用纖維襯墊或纖維編結(jié)物來減少在操作溫度范圍內(nèi)的氣體旁路。

優(yōu)選地，由于砌塊1、10被排列形成隧道墻，砌塊1、10水平錯位砌塊長度的一半，或一組機(jī)械配合特征，以增加該排列的機(jī)械堅固性(參見例如圖34)。如圖14所示，該排列也幫助防止屈曲，其通過堅固且緊密的公差互鎖機(jī)械配合特征來阻止屈曲，使得一個砌塊相對于它下面的另一個砌塊的旋轉(zhuǎn)不會導(dǎo)致各自的突出部分3和開口4之間的直接接觸斷裂。另一方面，圖15顯示了現(xiàn)有技術(shù)的舌槽型砌塊(見圖4)上的旋轉(zhuǎn)力如何能夠?qū)е缕鰤K之間的分離，并且顯著地破壞各自舌和槽特征之間的直接接觸，這會導(dǎo)致墻塌陷。

為了使隧道能夠合適地用作加熱爐出口的煙道，它必須具有可變的入口條件(墻上的開口)，以允許更多的氣體進(jìn)入距出口最遠(yuǎn)的隧道以及更少的氣體進(jìn)入最接近出口的隧道。這在爐內(nèi)產(chǎn)生了更均一的氣體和溫度分布。如上所述，傳統(tǒng)的隧道墻設(shè)計僅僅利用半磚在不同位置形成墻壁中的間隙。然而，這種傳統(tǒng)的半磚在方形開口的頂部上產(chǎn)生沒有支撐的位置，從而產(chǎn)生失效位置。如圖16-17所示，根據(jù)本發(fā)明的隧道系統(tǒng)使用耐火砌塊100、101，其包括形成在其中的一個以上通孔7，以允許氣體進(jìn)入隧道。該設(shè)計將由通孔7產(chǎn)生的載荷均勻地分布到周圍材料。通孔7可以在磚100、101最初形成(例如鑄造)時形成，或通過加工工藝或任何適當(dāng)?shù)墓に囯S后形成。

通孔7可以具有任何幾何形狀，但是優(yōu)選為半圓形。通孔7的大小可以從1平方英寸變化至與砌塊100、101的整個尺寸基本相等，其整個尺寸一般為約144平方英寸，但是優(yōu)選為12-36平方英寸。砌塊100、101優(yōu)選每個砌塊具有1個或2個通孔7，但是可以在各個位置具有多個孔以便根據(jù)需要獲得相同的最終結(jié)果。如圖所示，這些通孔7可以是閉合的，即不與構(gòu)成隧道墻內(nèi)部區(qū)域的砌塊100、101中的互連的內(nèi)部空腔2相通；或替代地，少量的砌塊可以具有開向隧道墻的內(nèi)部區(qū)域的通孔。

如圖16A和16B所示，突出部分3中的開口3b僅僅是材料去除部分，并且不與空腔2相通(不流體連通)。通孔7類似于穿過腔體2的管道，但是通孔7的內(nèi)表面7a不與空腔2流體連通，因此，通過通孔7的外表面7b，通孔7(氣體從此處通過)對空腔2(即隧道墻的內(nèi)表面區(qū)域)封閉。圖17顯示了具有兩個通孔7的砌塊101，但是在那種情況下，突出部分3不包括任何材料去除部分。該突出部分3替代地具有實(shí)心幾何形狀以防止引入隧道中的氣體進(jìn)入壁腔空間(即，隧道墻的內(nèi)表面區(qū)域)。

圖18-20顯示了根據(jù)本發(fā)明另一方面的具有不同類型的機(jī)械配合特征的耐火砌塊20的一個例子，該特征要求垂直安裝并且可以防止砌塊20水平分離。每塊磚20均具有定義第一端20a、相對的第二端20b、上表面20c、和相對的下(底)表面20d的外周表面。

每個砌塊20的上表面20c均包括多個根據(jù)本發(fā)明的精密互鎖機(jī)械配合特征的凸形部分。突出部分23從表面20c抬高以定義幾何構(gòu)件，該幾何構(gòu)件用作當(dāng)可滑動地水平引入時，精確地配合到形成在砌塊20的下表面20d中的開口(狹槽)24中的鎖定部。如圖所示，突出部分23的端面和砌塊20的第一端20a(端面)及砌塊20的第二端20b(端面)齊平地形成。如圖18B所示，砌塊20是中空的，并且包括多個(例如2個)空腔2。如果砌塊20包括通孔7(未顯示)，那么將形成更淺的空腔，并且在大多數(shù)情況下，將形成穿過空腔但不與其相通的通孔。砌塊20的壁厚“t”與前述相同。

突出部分23是具有倒角且形狀為大致矩形的隆起或截頂?shù)木匦温∑?。然而，突出部?3的確切形狀不限于此處所示的形狀，即任何頂部尺寸大于底部尺寸的橫截面形狀，例如改進(jìn)的倒梯形形狀。砌塊20的突出部分23必須精確地水平裝配(滑動)在垂直相鄰的砌塊的開口(狹槽)24內(nèi)，以將垂直相鄰的砌塊彼此牢固地接合，以便于構(gòu)造獨(dú)立的隧道墻，而不需要使用砂漿。公差必須足以確保牢固的機(jī)械接合并考慮到如上所述的熱膨脹因素和制造可變性。

如圖18B所示，開口24在砌塊墻壁上形成，基本沿著砌塊20的整個長度從第一端20a到第二端20b延伸，并且以緊密的互鎖方式可滑動地容納突出部分23從而使得砌塊20以垂直堆疊的方式彼此牢固地連接，如圖20所示。每個突出部分23也包括唇緣(lip)23a，其沿著開口24與脊(ridge)24a接合以進(jìn)一步防止堆疊的砌塊20的垂直脫離。開口24的形狀不是關(guān)鍵的，只要它的形狀和大小可以精確地與突出部分23的形狀和大小相對應(yīng)即可。如圖所示，Dl>D2>D3。

如圖20所示，這些砌塊20的安裝還優(yōu)選交錯半個寬度距離，而不使用砂漿，使得單個砌塊20接合其上方的行中的兩個砌塊20，以及其下方的行中的兩個砌塊20(例如，如上所述通過一個配合特征接合錯位)。該類型的機(jī)械配合也通過限制任何單個部件從其初始位置相對于其周圍的砌塊20可以偏離多遠(yuǎn)，來控制砌塊20的膨脹。

上述兩個機(jī)械配合特征通過機(jī)械地接合砌塊而為系統(tǒng)增加了冗余(redundancy)，這防止了隧道墻傾斜和倒塌，而不需要切斷配合特征或以其他方式穿透它們所連接的砌塊的墻。

基底部件

根據(jù)本發(fā)明的隧道的另一個特征是如圖21和22所示的基底部件30。多個基底部件30沿著隧道的長度延伸并跨越隧道的水平寬度“w”，以使用與如上所述的墻砌塊10、100相同的配合特征將兩個墻連接在一起(參見例如圖33和34)。

每個基底部件30均具有帶有上表面30c和相對的下(底)表面30d的外周表面，互鎖機(jī)械配合特征33、34在其上形成。突出部分33對應(yīng)與砌塊1、10、100相關(guān)的如上所述的突出部分3；以及開口34對應(yīng)與砌塊1、10、100相關(guān)的如上所述的開口4。與上述機(jī)械配合構(gòu)件和壁厚相同的關(guān)鍵尺寸要求也適用于基底部件。優(yōu)選地，每個基底部件30的總重量在約75-150lb范圍內(nèi)，更優(yōu)選約100lbs。

突出部分33設(shè)置在基底部件30的上表面30a上，靠近兩個相對端30a、30b，以便與其上將構(gòu)建的隧道墻的橫向(水平)相對位置相對應(yīng)。如圖22所示，開口34在相應(yīng)位置處設(shè)置在基底部件30的底表面30d中。基底部件30具有多個空腔32，從中去除不必要的材料以降低基底砌塊的重量。如圖所示，開口4與這種空腔32連通，并且沿著基底部件30的長度設(shè)置多個額外的空腔32，空腔32由具有足夠厚度“t”的內(nèi)部砌塊壁分開，以提供足夠的材料從而確保保持部件的結(jié)構(gòu)完整性。該壁厚優(yōu)選范圍為0.5-1.5英寸，優(yōu)選0.625-0.875英寸?；撞考?0還具有附加的機(jī)械配合/膨脹特征，例如在側(cè)表面30f上形成的槽35(見圖22)和在側(cè)表面30e上形成的突出或突出部36(見圖21)。這些特征起到與砌塊1、10相關(guān)的上述特征5和6相同的目的和作用。這些機(jī)械/膨脹特征35、36的位置對應(yīng)于與另一個基底部件30和要在其上堆疊的壁砌塊的配合對準(zhǔn)(特征)，以下結(jié)合圖31-34更詳細(xì)地描述。

如上所述，為了適當(dāng)?shù)夭⒂行У匮a(bǔ)償熱因素和應(yīng)力因素，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，雖然基底是更重的部件，但是基底部件30的尺寸和材料與蓋(以下將更詳細(xì)討論)基本相同是很重要的。

另一種基底部件40的例子如圖23和24所示。該基底部件被稱為單個側(cè)基底，并且它基本上是一個標(biāo)準(zhǔn)的具有增大的底部橫截面面積42的墻砌塊10(見例如圖11)以將墻的重量分散在高至標(biāo)準(zhǔn)砌塊3倍的面積上。如圖所示，在基底砌塊40的一側(cè)或兩側(cè)上可以設(shè)置切開的、支撐的凸緣41。

當(dāng)砌塊40被澆鑄時，凸緣結(jié)構(gòu)41、42可以作為砌塊40設(shè)計的整體部分而形成，并可以作為獨(dú)立的元件形成并隨后通過粘附劑和/或共燒工藝而添加，或可以使用已知的工藝進(jìn)行機(jī)械成形(加工)。該設(shè)計在下述應(yīng)用中是特別適合的，其中二次加工的使用允許其它制造工藝生產(chǎn)相同形狀的鑄件。

拉桿(在本文中也交替地稱之為橫梁支撐)

在本發(fā)明中，如圖33和34所示，在組件不同位點(diǎn)中使用拉桿部件以固定墻從而防止向內(nèi)和向外移動。拉桿50(也被稱為連桿或橫梁支撐)如圖26所示。如下所述，該拉桿50以多種方式接合并支撐隧道墻。

圖25顯示了根據(jù)本發(fā)明的砌塊100的一個實(shí)施例，其進(jìn)一步包括在其上形成的拉桿支架15，它是一個在面向隧道墻內(nèi)側(cè)的砌塊100的上表面10c和側(cè)表面10e上形成的預(yù)鑄式鞍(支架)。拉桿支架15是一個具有內(nèi)部環(huán)形邊緣特征的半圓柱狀突出物，當(dāng)垂直地放置在其內(nèi)時，以在拉桿50的端50a、50b處引導(dǎo)、接收和保持相應(yīng)的環(huán)形凸緣51(見圖27)。當(dāng)建設(shè)隧道墻時，帶有在其上形成的支架15的耐火砌塊100可以位于隧道墻的多個位置，并且拉桿50可以在安裝期間容易地添加，或根據(jù)需要后續(xù)去除，而不需要實(shí)質(zhì)性的停機(jī)時間或產(chǎn)生有害的維修問題。

如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地確定，拉桿50位于系統(tǒng)的多個位點(diǎn)處以改善工作中的隧道的整體穩(wěn)定性。如圖27所示，連桿52可以接合墻的任一側(cè)的單個點(diǎn)，或多個點(diǎn)。

例如，不使用單個橫梁形狀的拉桿50，可以使用H形拉桿(未顯示)以同時接合相對的隧道墻上的多個點(diǎn)(每側(cè)兩個點(diǎn))。拉桿50的跨距與頂蓋和基底部件的跨距基本相同，其可小至12英寸或?qū)捴?0英寸，雖然優(yōu)選的大小范圍是24-36英寸(對應(yīng)隧道的內(nèi)部寬度)。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解拉桿的長度嚴(yán)格受隧道的設(shè)計寬度控制，其間隙允許熱膨脹。拉桿50的橫截面直徑優(yōu)選為1-8英寸，更優(yōu)選3-4英寸。

圖28顯示了隧道墻初始建造時，另一種在隧道墻中放置連桿52的方法。然而，在該情況下，將每個砌塊102的接近上表面10c的相應(yīng)部分10g的四分之一圓的面積去除，從而提供一個足以容納將連桿52放置在凸緣51和53之間的俘獲區(qū)域的位置。

蓋(在本文中也交替地稱之為蓋子)

在本發(fā)明中，雖然優(yōu)選的尺寸范圍為24-36英寸，但頂蓋60的跨距可以小至12英寸，或?qū)捴?0英寸。優(yōu)選地，每個蓋部件的總重量范圍為50-125lb，更優(yōu)選范圍60-80lbs。

如圖29所示，蓋60的上表面60c具有成角的側(cè)面的平頂。蓋的上表面60c包括如上所述相同的連接砌塊1、10和基底部件30的互鎖機(jī)械配合特征63。針對蓋60，突出部分63起兩個作用。首先，突出部分63以與上述相同的方式為其它墻砌塊10、100提供了與對應(yīng)開口4相關(guān)的機(jī)械配合特征，使得可以在組件中使用蓋60，其中最上面的部件不是蓋60，而是放置在蓋60的頂部的額外的隧道墻砌塊10、100，并且墻繼續(xù)垂直向上。其次，由于突出部分63沿著蓋60的整體表面幾何(沿垂直方向)延伸至少0.5英寸的距離，這允許在蓋60的頂部放置夾板(plywood board)以定義加熱爐周轉(zhuǎn)期間的走道(walkway)。因?yàn)橹苯游挥谒淼缐ι希叩涝试S工人在隧道頂部進(jìn)入加熱爐而不會對蓋的無支撐的跨距的中心產(chǎn)生重量，反過來可以將他們的重量導(dǎo)向可以容易地被支撐的隧道墻。

蓋60也是從底表面60d挖空以去除非關(guān)鍵區(qū)域的全部可能的材料，通過改善橫截面單位面積上的力比值來最小化應(yīng)力。如圖30所示，由此形成較大的中央空腔62，以及連通定義機(jī)械配合特征的開口64的兩個較小的空腔62。機(jī)械配合特征(開口)64與砌塊10、100的突出部分3接合形成墻8以安全地將蓋60結(jié)合至墻8的一側(cè)，并將內(nèi)部隧道寬度橫跨在墻結(jié)構(gòu)之間。機(jī)械配合特征的關(guān)鍵尺寸與上述相同。優(yōu)選地，蓋的壁厚“t”的范圍為0.5-1.5英寸，更優(yōu)選0.625-0.875英寸。

蓋60也有額外的機(jī)械配合特征，例如在側(cè)面30f上形成的槽65(見圖30)和在側(cè)面60e上形成的突出或突出部66(見圖29)。這些特征起到下述相同的目的和作用：如上所述與砌塊1、10、100相關(guān)的機(jī)械配合特征/膨脹間隔特征5和6，以及如上所述與基底部件30相關(guān)的35、36。這些配合/膨脹特征65、66的位置對應(yīng)于與其它蓋60和其下面堆疊的墻砌塊10、100匹配對準(zhǔn)，以下結(jié)合圖31-34對此進(jìn)行更詳細(xì)描述。在本發(fā)明中，雖然優(yōu)選的尺寸范圍是24-36英寸，但蓋60的跨距可以小至12英寸，或?qū)捴?0英寸。

隧道組件(在本文中也交替地稱之為隧道)

排列多個基底部件30以水平地延伸(以第一方向或水平排列方向，即定義隧道的寬度)，并將該多個基底部件30彼此之間相對以定義沿隧道縱向延伸方向(長度)的基本連續(xù)的基底表面。通過機(jī)械配合件35、36將基底部件30彼此間固定而不使用砂漿。將多個形成墻的砌塊10沿著隧道的縱向延伸方向垂直地堆疊在基底部件30相對的兩側(cè)，這進(jìn)一步幫助固定基底部件30。使用各自的機(jī)械配合件33(來自基底部件30的突出部分)和4(砌塊10上的開口)將砌塊10安全地固定在基底部件30上而不使用砂漿，砌塊10通過一半長度在基底部件30上以順序錯位方式排列。通過各自的機(jī)械配合件5、6，砌塊10也彼此間固定。以相似的、半砌塊錯位的方式，沿砌塊10這排的縱向延伸方向，將多個砌塊100垂直地堆疊。

然后，通過各自的機(jī)械配合件3、4、5和6繼續(xù)以半砌塊錯位方式將其它砌塊10、100交替地堆疊在另一個上以垂直地和水平地固定彼此而不使用砂漿，從而定義兩個平行的、垂直導(dǎo)向的隧道墻8，其從基底部件30沿隧道的第二方向(即垂直排列方向)和縱向延伸方向延伸。如圖所示，一些砌塊對應(yīng)如圖11所示的砌塊10(不含通孔7)，一些砌塊對應(yīng)如圖16所示的砌塊100，其包括通孔7。

隧道墻8在水平排列方向彼此間隔預(yù)定距離(即12-16英寸，優(yōu)選24-36英寸)，由基底部件30的水平跨距確定。根據(jù)需要，拉桿50在預(yù)定位置插入到支架15。通過貫穿隧道墻8的頂部放置多個蓋60來固定隧道組件；所述蓋60通過機(jī)械配合特征(例如蓋中的開口64和墻砌塊10的突出部分3)固定到最上面的砌塊10上，并通過蓋60上的機(jī)械配合件65、66進(jìn)一步固定到另一個蓋60以建造隧道200(也被稱為隧道組件，見例如圖31-34)。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的隧道200中，降低全部部件的重量并維持每個單獨(dú)部件的結(jié)構(gòu)完整性，使得可以消除其對下游磚的大部分?jǐn)D壓力(即基底部件30)。提供重量輕、結(jié)構(gòu)正確的蓋子(蓋)部件60可以克服之前為了更堅固使得傳統(tǒng)蓋子更厚相關(guān)的缺點(diǎn)，該缺點(diǎn)給整個系統(tǒng)不利地增加了額外的負(fù)重。在每個磚之間包含受控制的膨脹間隙，并從整個系統(tǒng)中去除砂漿可以確保隧道組件200可以膨脹和收縮而不會產(chǎn)生大的累積應(yīng)力，并減少整個隧道組件200的安裝時間。

通過降低壁厚以及改善用于根據(jù)本發(fā)明的部件的材料，可以通過兩位工人容易地安裝或簡單地去除該重量輕的隧道蓋60。此外，一位工人可以容易地處理該重量輕、無砂漿的帶有互鎖機(jī)械配合特征的砌塊，并且該隧道結(jié)構(gòu)200還可根據(jù)需要被安裝、維修和/或拆開而不會產(chǎn)生重大后果或不需要高水平技能。在周轉(zhuǎn)期間，橫梁支撐物(即拉桿50)可以容易地被添加到隧道組件20或從隧道組件20中去除，而無需限制通向其它隧道部件的入口，這使得維修是完整的和有效的。更快的安裝和維修時間也允許更容易地進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S修，從而提高系統(tǒng)的整體可靠性。

雖然結(jié)合具體實(shí)施例，已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了上述解釋和描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明絕不限于這些實(shí)施例，在不背離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以容易地對本發(fā)明做一些變化和修改。