浅谈大型体育场铸钢件制作工艺及质量控制

董世伟 尚文彪 位高仲

上海宝冶集团有限公司 上海 200941

引言

管桁架结构跨度和高度的不断增加，使得节点和构造复杂程度不断增大，传统相贯节点难以满足需求。在关键的节点上，往往需要有很高的强度、耐性、塑性和可焊性。而铸钢件的使用，正避免了杆件焊接时的残余应力较大的问题，又方便了施工，可以更加便利的保障施工质量，因此铸钢件取得了越来越多的过程应用。

安阳市文体中心体育场为大型公共建筑，钢结构主要内容为管桁架屋盖，节点形式复杂。该结构主要由主承重结构、环向结构和支撑体系组成。主承重结构悬挑达45m，截面为正三角，悬挑桁架结构支撑于下部四叉柱上，通过四叉柱交叉点将受力传递到支座处。相贯节点较为复杂，尤其在四叉柱位置甚至与八至十个不同管相贯，为了保障结构的安全性，经节点有限元计算将四叉柱附近的关键节点使用铸钢节点。目前，体育场每榀主桁架上有8个铸钢件，总共608件，材质为G20Mn5QT，铸钢件的质量影响整个管桁架结构的施工质量。

1 铸钢件制作工艺

铸钢件的制作工艺依照先后顺序主要包括有：铸钢件的图纸确认、铸钢件铸造工艺方案制定、铸钢件模型制作、铸钢件模型检测、模型检测合格、钢水熔炼（熔炉前炉成分检测、熔炼钢水成分检测）、砂型制作（与钢水熔炼同时进行）、钢水浇筑、钢水成分终检、铸钢件清理、铸钢件热处理（试棒随炉热处理、机械性能检测）、铸钢件打磨、修补（铸钢件外形尺寸检测）、铸钢件质量检测（铸钢件磁粉检测、铸钢件超声检测）、铸钢件涂装。

在铸钢件制作过程中针对该工程铸钢件节点的造型特点，根据铸钢件常出现的质量缺陷[1]，在制作过程中应着重主要模型制作、砂型制作、冶炼浇筑三方面的制作工艺，才能保证最后成品的制作质量。

图1 典型铸钢件节点

2 关键工艺质量控制

2.1 模型制作

本项目的铸钢件主要集中在复杂节点位置，尺寸偏差应符合现行国家标准CT13级的要求[2]，相邻两轴线角度偏差为30′。现场采用根据图纸制作加工程序，中心节点采用机床机械加工，外管采用人工切割，再进行拼装，在节点处进行硬化，最后进行表面的硬化及编号，在投入使用之前再进行模型检测。最后能够满足规范要求的角度偏差范围再投入使用。

图2 模型制作工艺

2.2 砂型制作

本工程铸钢件节点分叉较多，砂型在投放后不易取出，因此选用泡沫制作后的消失模制作砂型。砂型制作的原料一般为的二氧化碳水玻璃铬铁矿砂和二氧化碳水玻璃石英砂，石英砂的SiO2含量应大于96%，含水率小于2%，一般采用化学分析法检测SiO2的含量，烘干法检测含水率。铬铁矿砂采用南非进口铬铁矿砂。Cr2O3的含量大于36%。

图3 砂型制作工艺

为避免影响到砂型的精度，在砂型制作完成后，用高温铁棒将模型切开来取出模型。铸钢件管芯呈中空，制作砂芯时，首先由程序制作好的模具中进行人工制作。在制作模型时，管口位置一般会多做一段同砂芯尺寸相同的模型，可确保成型的砂型的中心位置更加精确。砂型制作时，吊芯位置为整个砂型制作中最关键的位置，本工程中节点分叉交出，会有分叉管处于砂型砂箱中，会有部分的砂芯处在砂箱中处于悬空状态而形成吊芯，因此制作吊芯的过程中，除了顶部需要使用钢丝固定，还需要在四个方位靠近节点位置进行固定。

2.3 冶炼与浇筑工艺

体育场铸钢件的材质为G20Mn5QT，其化学成分的含量对铸钢件质量起到了决定性因素。在冶炼时，严格控制碳、硫、磷等化学元素的含量，参照欧盟标准DIN EN 10293，相关的化学元素如下表。

表1 铸钢件相关化学成分要求

为保证铸钢件的相关化学成分控制在标准要求内，需严格遵守低合金钢电弧炉的操作规程，废钢采用低合金钢下脚料以保证钢水原始的纯净度。等待钢水化清后，对碳和磷进行化验，不足0.30%时补足脱碳量。在钢水氧化的末期对磷的含量进行化验，脱到0.005%以下可达到还原期。还原期的白渣应稳定十分钟后进行化学成分的检测并进行调整，达到相关化学成分要求的标准后出钢。在出钢后还要进行化学成分终检，本项目铸钢件的化学分析依照标准[3]的要求采用直读光谱仪（OBLF）进行检测分析，作为该炉铸钢件的最终化学成分数值。

铸钢件的容易出现的质量通病如易产生缺陷和均匀性差，大多是因为浇筑工艺不达标，铸钢的熔点较高流动性差，钢水容易发生氧化而最终形成缩孔、裂纹、粘砂等质量缺陷[4]。因此需重点对浇筑温度进行控制，首先出钢的温度应达到1600度以上，在浇注时控制在1580度左右。前期浇注时，速度适当要快一些。当钢水上升至冒口位置处时，放慢浇筑速度直至浇满。随后在冒口处加入保温剂，延长钢水凝固时间，避免产生裂纹。在浇筑时应注意，随炉浇注试棒3组，一拉三冲为一组。

3 结束语

铸钢件在大型体育场馆中应用越来越普遍，铸钢件的质量影响着整个工程的安全性。安阳文体中心体育场的铸钢件在制造时，对初期模型和砂型制作的质量控制保障了铸钢件节点的精度，对冶炼浇筑的质量控制保证了铸钢件成型后化学成分合格，物理强度达标。通过严格控制模型制作、砂型制作、冶炼与浇筑这三道关键工序，最终确保产品质量合格。