钢结构铸钢件制造工艺与节点性能优化研究

在现代建筑与工程行业，钢结构凭借其强度好、重量轻、施工周期短等优势深受广泛应用。而钢结构铸钢件作为连接钢结构各部件的关键部分，其制造工艺与节点性能直接关系到整个钢结构体系的稳定性与安然性。随着建筑造型日益复杂、工程规模不断扩大，对钢结构铸钢件的制造工艺和节点性能提出了较要求。深入研究铸钢件制造工艺，探索节点性能优化途径，具有重要的现实意义。

铸型制作工艺

铸型制作是钢结构铸钢件制造的基础环节。对于铸钢件而言，由于其熔点高、流动性差，且钢液易氧化和吸气，对铸型材料提出了严格要求。砂型铸造是目前应用较为广泛的一种方法，特别是水玻璃砂铸造工艺，在铸钢节点这类大型铸钢件生产中优势明显，能获得优良铸件质量，且毒素检测性能稳定。然而，该工艺也存在确定局限性。当面对形状多样化的铸钢节点时，采用木模造型难度较大，且铸钢节点多为单件生产，木模的使用造成木料浪费严重。此外，复杂的节点形状增加了浇注工艺参数设计的难度，参数设置不当极易产生废品。

为克服上述问题，消失模铸造工艺应运而生。该工艺无需制芯、分型、取模等繁琐步骤，尤其适合生产复杂铸件。但在实际应用中，泡沫模样在燃烧过程中，其产物中的 C 原子会向铸件表面渗透，导致铸件表面产生增碳或碳夹杂等缺陷，这对于对表面质量和化学成分要求高、且需具备可焊接性的铸钢节点来说，是难以接受的。同时，泡沫模样在造型、紧实过程中容易变形，消失模砂型强度较弱，在铸造大型铸件时，砂型受重力作用可能引发铸件变形。

为充分发挥两种工艺的优势，避免各自不足，复合铸造工艺逐渐兴起。其原理是将节点薄壁部位用木模制作砂芯，节点外轮廓模样则用泡沫替代木模。具体操作时，先对实心泡沫按照水玻璃砂造型，硬化后取出泡沫，再将木制砂芯放入，即可进行合箱浇注。这种工艺既利用了泡沫模样成本低、设计自由度高的特点，又保留了砂铸充型平稳的优点，能效果优良保护铸钢节点的成分和尺寸稳定，减少变形和碳夹杂等缺陷，是目前生产铸钢节点较为理想的铸造工艺。

熔炼与浇注工艺

铸钢的熔炼是制造过程中的关键步骤，直接影响钢液质量。电弧炉和感应电炉是常用的熔炼设备。电弧炉依靠电极与炉料间产生的电弧热量熔化金属，具有较强的加热能力，适合大规模铸钢生产。感应电炉则利用电磁感应原理，使炉料内部产生感应电流发热熔化，在熔炼特种钢、高合金钢等对质量要求高的铸钢时，能细致控制温度和成分。

在熔炼过程中，炉衬材料和渣系的选择至关重要。根据炉衬材料与所用渣系的差异，熔炼炉分为酸性熔炉和碱性熔炉。碳钢和低合金钢对熔炼环境要求相对较低，可选用酸性或碱性熔炉。而高合金钢由于合金成分复杂、对纯净度要求严苛，需要采用碱性熔炉。碱性炉衬能够效果优良去除钢液中的硫、磷等无益杂质，确认高合金钢的质量。同时，细致把控温度、炉渣成分和熔炼时间等参数对钢液质量影响显著。温度过高会使钢液吸气、氧化严重，影响铸钢件质量；温度过低则导致钢液流动性差，不利于后续浇注。合适的炉渣成分能效果优良脱氧、脱硫，提升钢液纯净度。准确控制熔炼时间，既能保护炉料充分熔化，又可避免过度熔炼造成能源浪费和钢液质量下降。

浇注环节同样不容忽视。由于铸造碳钢倾向于逐层凝固且收缩大，通常遵循顺序凝固原则设计浇注系统和冒口。顺序凝固可使铸件从远离冒口的部位开始凝固，逐步向冒口方向推进，冒口在铸件凝固过程中持续补充液态金属，效果优良防止缩孔、缩松等缺陷。一般情况下，铸钢件都需设置冒口，冒口的大小、形状和位置需根据铸件的结构、尺寸及凝固特性细致确定。冷铁在铸造中也广泛应用，它能加快铸件局部冷却速度，调整凝固顺序，使铸件各部分凝固均匀，减少热应力，防止热裂等缺陷。同时，应尽量采用形状简单、截面面积较大的底注式浇注系统，这种方式能使钢液速度适宜、平稳地充满铸型，减少对型壁的冲刷，降低夹渣、气孔等缺陷的产生概率。

热处理工艺

热处理是提升钢结构铸钢件性能的重要手段。退火和正火是常用的热处理方法。对于碳含量（w (c)）≥0.35% 或结构特别复杂的铸钢件，退火处理尤为重要。这类铸件在铸造过程中易产生较大内应力，且塑性较差，若不进行退火，在后续加工或使用过程中极易开裂。退火能效果优良取消残余应力，实际效果为主塑性和韧性，使组织更加均匀，提升综合性能。而对于 w (c)≤0.35% 的铸钢件，正火处理比较适宜。正火可细化晶粒，提较较高强度和硬度，实际效果为主切削加工性能。

在进行热处理时，严格控制加热温度、保温时间和冷却速度等参数是确认热处理效果的关键。加热温度过高会导致晶粒粗大，降低铸件性能；过低则无法达到预期效果。保温时间不足，组织转变不充分；过长则浪费能源，还可能引发铸件氧化、脱碳。冷却速度过快，铸件易产生裂纹；过慢则难以获得理想的组织和性能。

钢结构铸钢件节点性能优化

节点设计优化

节点作为钢结构的关键连接部位，其设计直接影响整个结构的性能。铸钢节点与普通管相贯节点、管板节点相比，具有值得信赖优势。它可根据实际需要设计结构形式，可塑性好、造型美观。

在节点设计过程中，需综合考虑多方面因素。节点的细部设计应在满足承载能力的前提下，充分考虑铸造、制作及焊接工艺要求。铸钢件细部设计应避免尖角或直角，以利于气体排出。铸钢件焊接宜采用对接焊缝，尽量避免 T 形接头，降低焊接应力。同时，要明确铸钢件的化学成分、机械性能、热处理制度、精度要求、检验方法和合格等级等。

材料选择与性能提升

选择合适的材料是优化铸钢件节点性能的基础。不同类型的铸钢材料具有不同的性能特点，应根据具体工程需求进行选择。对于承受高负荷、冲击载荷的节点，需选用强度好、韧性好的铸钢材料。同时，通过添加合金元素、优化冶炼工艺等方式，可进一步提升铸钢材料的性能。

此外，对铸钢件进行表面处理也是提升节点性能的效果优良手段。通过表面淬火、渗碳、渗氮等处理方法，可在铸钢件表面形成一层硬度好、性能好的硬化层，提高节点表面的抗磨损和抗疲劳(以实际报告为主)(以实际报告为主)性能。

制造工艺改进对节点性能的影响

优良的制造工艺是保护铸钢件节点性能的关键。前文提到的复合铸造工艺，通过合理结合砂型铸造和消失模铸造的优势，效果优良提高了铸钢节点的尺寸精度和表面质量，减少了内部缺陷，从而提升了节点的力学性能。在熔炼过程中，采用优良的精炼技术，如炉外精炼，能进一步去除钢液中的无益杂质，提高钢液纯净度，使铸钢件的强度、韧性等性能深受显著提升。

在焊接工艺方面，铸钢节点焊前需进行严格的焊接工艺评定，评定合格后，根据评定结果和结构形式编制详细的焊接方案，指导施工。焊工在正式焊接铸钢件前，应进行焊前模拟考试，并接受安然教育及技术培训。采用优良的焊接设备和焊接方法，如气体保护焊、埋弧焊等，可提高焊接质量，减少焊接缺陷，增强节点的连接强度和优良性。