广州某电视塔φ×半圆钢球加工制作技术

广州**电视塔Φ1000×50半圆钢球试验研究通过新塔Φ1000×50半圆钢球的试验研究，掌握半球热压加工前后性能变化和壁厚减薄的规律，为今后制作大型钢结构用球提供技术支撑。前言伴随着国内钢结构行业的腾飞，沪宁钢机近几年得到长足发展，我们先后承建北京2008奥运工程“鸟巢”和上海2010世博工程“世博中心”等标志性工程，与此同时又承建了广州**电视塔（简称新塔）等一大批经典建筑。一切源自于诚信与品质的钢结构精品比翼齐飞，共同铸造了沪宁钢机的辉煌。新塔高610m，由一座高达454m的主塔体和一个高156m的天线桅杆组成，建成后成为世界上最高的钢塔结构之一。结构设计新颖独特，造型优美线条流畅。它是汇集实用性、观赏性和时代性于一身的高科技含量的建筑，高耸入云昂立在广州市新中轴线上。广州**电视塔凝聚众多设计者和建设者的聪明才智，钢结构加工制作难度实属罕见。其中Φ1000×50的大型半圆钢球的试验研究,就是新塔钢结构工程千千万万构件加工制作的一个重要环节。二、半圆钢球热压加工（一）半球放样下料新塔半球使用的钢材是湘潭钢铁公司生产的Q390GJC-Z15厚度为50mm的钢板，正火状态交货，经进货检验其技术指标符合GB/T19879-2005《建筑结构用钢板》要求，详见表1和表2。如果忽略半球毛坯板厚t1在热压加工过程中的变化，根据面积不变的原理，下料板坯直径D计算公式为D=d=1.414d,其中d为中和轴直径（d=1000-50=950）。实际放样下料考虑到半球端口，由于模具间隙不均、板厚变化及定位不准等因素影响，使热压后半球端面不齐，必须进行修边，所以最后放样下料的板坯直径由1343.3mm增大到1368mm，见图1。表1Q390GJC-Z15钢板性能每力学性能寨ReH(摧MPa)厚Rm(M肥Pa)伍A(%)挥冲击吸收贷功乒0虑℃君,Akv傲,J晓180景°茶弯曲试蝇验沫飘果D叹弯心直阀径孕相焦a熄试样厚度还厚度方向仆性能竹结论丝标准值脑38厚0签～丈500病49绣0唤～锅610棵≥若22金≥俘34提D=3花a筹无裂纹脆Z15驱合牵格涌实测值侦400惭545丝33.5欧180.绿197.获201屡无裂纹蹄Z=51烫%表2Q390GJC-Z15钢板化学成分（%）老化学元素馒C隶Mn磁Si雨P取S稀V怖Nb而Ti叛Als鸡Cr酸Cu泡Ni第结论健标准值届≤倍0.20本≤境1.60杀≤例0.55逝≤屿0.02宅0刮≤辜0.01获0箱0.02弟0袭～阻0.20毁0呢0.01放5将～常0.06趣0昆0.01宝0娇～升0.03荷0休≥植0.01重5膝≤旋0.30俩≤切0.30画≤靠0.70饭合豪格灶实测值锄0.16遮1.57棒0.34述0.00隙8黎0.00给1必0.05锻1步0.02绍2融0.01欧0妈0.02悬4但0.03护5屯0.02裕8踪0.02明5（放样后圆板坯料）（热压后半球）图1放样下料示意图一般半球放样下料计算公式可取D=1.414d+t1/2，这里需要指出的是，只有在中和轴直径大于板厚（壁厚）5倍以上时，半球中和轴的位置才与壁厚t2的一半重合，否则中和轴直径将小于球内径与板厚之和。（二）热压加工成型按GB50205《钢结构工程施工质量与验收规范》规定，钢板压成半球后，表面不应有裂纹和褶皱等缺陷。为保证热压加工后半球质量，在压制前必须检查圆板料有无麻点、裂纹和毛刺等表面缺陷，上下模应固定安装好，使其中心线在同一垂直线上，做到间隙均匀一致，同时将模具内氧化皮等杂质清理干净。上下模具见图2，其中下模端口的圆弧R取二倍的板厚。热压热弯是将钢材加热至（900-1100）℃，在模具上进行压制弯曲加工，它适用于厚板及较复杂形状构件的制作。处在高温下的钢材塑性好，成型性能好，施压的压力也小。热压半球时我们首先将Φ1368×50的圆板料置于加热炉内，在炉内温度为1000℃的加热炉中保温20分钟，出炉后随即吊运至800t油压机的下模上压制成半球（见图2），始压温度950℃，终压温度790℃，然后半球脱模放平后空冷。兆众所周知限正火是将翼钢件加热邻到一定温沸度一般跃为耀AC两3尘以上作（史30-5寺0专）卧℃董，保温一六定时间，决然后在静室止空气中庄冷却，得创到珠光体呈组织的热丈处理工艺贱。半球热火压成型的泻过程，相求当于对圆老板料又进蚊行一次正思火处理，劣从而进一部步细化晶着粒均匀组膛织性能更弊优。但由泳于周围环愉境和空冷狮条件的差盟异，热压兼加工后的她半球性能悔往往较原欲材料力学引性能有所董波动，但絮影响不会敏太大。嘉热压成型学后将半球制脱离上模切，曾经是卸困扰我们蒸的难题。蹈往往由于迟脱模不及牵时，因热羡胀冷缩效亲应，使半臣球紧紧裹糠住上模压抓头，加上极半球与上馅模的摩擦全力，使其悲难以下脱做，且下脱务时间越长浩难度越大醉。针对上锤述情况，习我们曾经糊采用瑞（鸟3-制4洗）捡只附50授t胞油泵支牢宿固定上模付工作台，糊下口顶牢怀半球边势筐的方法，泊并采用几进把火工龙右头烘烤半传球，使其芹热胀，从言而达到脱侵模的目的易。经过多种次摸索总渡结经验教巴训，现在幻我们采取至在灼热的腊圆板坯料怪压至下模圆底完成半吴球成型后于，迅采速在半球浪与下模端屡口间插慈入古“以叉弧查钳菠”它，元800钥t咬油压机乘方热立即提究升上模压晴头。这时鸡由于叉弧笔钳阻挡半厌球跟着上悬模提升，数从而实现震半球顺利近脱离，起娱到了事半等功倍的效情果。庭（三）半猎球成型后匆的加工制拜作否半球热压爬成型后，村因压制伸记长变形，昨再加上下伙料时预留欣的余量，绵半球端口睛多余部分廊必须切割柔掉。我们瓶采用专用债自动回转矩平台切割融完成（见俊图岛3京），然后咬再在半球昏壳体内部竞焊制加强盗筋，半球萄产品就顺炸利诞生了泰。景许奏图牛2粘顷在模具中骂热压半室球戏蚊删螺才伙图化3轻涉自动回转端平台切割岸半球端面委三、半球义解剖试验锐（一）半胀球实物取睬样芳根福据团GB/T克297建5闷《钢及钢珍产品力学工性能试验惑取样位置谣及试样制说备》规定缸，应在外碗观及尺寸购合格的半贯球钢产品遭上取样，仁试料应有场足够的尺症寸以保证宝机加工出兔足够的试讽样进行规国定的试验斤和复试。矿鉴于在产追品不同位慰置取样时或力学性能村的差异，管按照标准尊要求，考南虑到半球这不同部位修厚度和材驴质的不均诉匀性，我标们分别切仅取有代表蚕性的四块偿试料，见脖图升4描。序我们解剖仅试验研究铅的半球是芹新塔辨第欢4地5贤节劲性柱君顶半球（狗热压加工级），弧状靠试露件者4篮取自半球墨端部，尺浇寸酿为虏180×斩60×t沾2德。试草件慈1加、电2接、慎3克尺寸至为瞧18障0辈（弧长胳）播×100禁×t浓2才。试验项挠目为圆拉申伸试验、纸冲击试验烦、布氏硬钢度试验和茶化学光谱矿分析。炸图碗4斤中试查件嘱A胜、寿B灿点为壁厚扑减薄的测避量位置。饮（二）试贤样制备帝为了保证象试样理化僵性能测试呈数据的可阀比性和代干表性，我挣们制备理定化试样均惠按相关国明家标准规姨定进行，象见知表投3征。航表筹3耻省试样规格筐试样名称筝规格裕（房m制m梦）板标准奇圆拉伸试昏样煎Φ宾1友0久短比例试忠样倚GB/T框228蚀冲击试样以10×1男0×5看5轿，虹V盯型稀GB/T宪229款硬度试样卵（兼作光道谱分析试但样）顺20×3盛5×55淘GB/T便231艰及学GB/T否2006攀6招、哲GB/T里4336休这里需要剃对硬度试授样的制备暖及硬度试欺验方法的魂选择作一美些说明，舱硬度是金难属材料力拾学性能试盘验中最常流用的一个伍性能指标巨，它是指敢金属表面柏抵抗另一冒更硬物体份压入的能出力。硬度期测试方法兔不同，硬隐度值不一窃样。由于扯硬度与强僻度存在一隶定的对应苏关系，因向此在本试爽验研究中嘴，可以将右半球解剖火后制备成堆试样，在油试验室内没测试，也简可以采用立里氏硬度咬等试验方董法在工程路现场测试遍实物硬度轿，从而估虚算新塔半曾球的抗拉胳强度值。潮鉴于影响袜硬度测试惭结果的因标素较多，低同一试样蒜取样位置稀不同，试码样厚薄、滤大小、重闹量和表面片状态，都赖会影响试伐验结果。叨在新塔半查球热压成建型后，钢毫材表面容伟易氧化，忍改变热压翻件的表面梅粗糙度。掉同时高温巷下表面往衰往有脱碳售现象，外免表氧化层蜘脱落，内旗表氧化皮喊压入等情晃况，都会亡造成硬度炮值偏低。代对半球壳粉体当采用往动力试验离法测试实布物硬度时译，由于硬翁度冲击装若置与地面区的夹角不听一样，还兵要对测试权结果修正旁。因此无川论在试验债室内或工款程现场，扑无论是制纤备的试样熊还是实物沟进行硬度定试验，都宾必须满足砖标准规定顷的试验条妖件，否则禽测试的硬密度值偏低腰或不准，忙造成对实割物性能的烈误判。捎（三）试傲验结果雨1迎.舅半球壁厚凉圆板料经容热压加工废后，整体妻发生变形其。我们对难半球制取咬的试件，匆分别测量腰壁厚。用裂游标卡尺湿测量试件散壁厚的结殖果见拉表假4互，超声波热测厚仪测筒量半球实园体壁厚的幸结果见尸表鱼5锣，超声波该测厚仪现肃场测量壁置厚见梨图棉5签，半球壁佛厚变化情勺况见正图圾6荣，半球壁辅厚减薄率秤随纬度变钩化曲线见把图钞7究。闭表涉4珠和盼表专5中的同一纬姥度位置壁哲厚基本一继致，但有乞差异，引没起误差的奇因素是由窗于采取不西同的测量河工具。佩图遥4柄烘半球取样屑位公置摇症争夏唤秧娱蓄图痰5老元超声波测枝厚仪测量期壁千厚醋痛碧娃图蚂6临担半球壁厚双变情化孝夫灭屋手改雁图侧7坟半球壁厚村减薄率随妻随纬度变诸化曲线票表烫4翁新塔爱第柿4笨5阴节劲性柱克顶半球减伙薄率（游发标卡尺测面量）徐试件号智原试件板纷料厚规度克t灭1绸(染mm)罢热压后试倒件泰厚轻度维t娃2晃(渔mm)畜减薄率圣（须t架1业-t峰2鲁)/t桨1塔×100禁%枝A胡处奔B粱处只A观处凑B渔处哪试暴件劈1藏50.5纺51.0谅拒(巷纬故度复0°)暴50.0幕(税约纬黄度煎20°)啊-0.9始9%鲁0.99辱%式试字件视2诞50.5刑49.0镜(禁约纬厚度拒40°)障48.0携(宴约纬卷度岛60°)紫2.97艇%申4.95狠%永试狠件烦3躬50.5它48.0膝(基约纬挣度究60°)卡47.3粗(显约纬星度剖80°)但4.95租%宪6.34招%贩试染件肆4裁50.5登51.0漫(客端面纬虹度皱0°)坐50.5转（内面约顷纬乡度零7仆°证）旧-0.9暴9%馋(央端面纬喷度犁0°)餐0%驻（内面约信纬抛度朋7男°艰）释表原5茎新塔烧第发4突5宵节劲性柱没顶半球减役薄率（超援声波测厚察仪测量）洗测试位置赞原板料厚慢度疗t总1卷(mm裂)络本体厚吓度胃t请2跳(mm笛)语减薄派率棕(扬t亚1健-t弄2蜘)/t享1亦×100旺%木纬柏度洪0°络50.5竭51.0委-0.9目9翅%怨（腿t虹2炉约等尼于篮1.01性t咸1姜）怜纬归度狼10°励50.5递50.4我0.20渗%鸡（侄t虑2衣约等拘于贝1.00量t盼1施）循纬嚼度摊20°慕50.5学50.1值0.79沸%侵（盛t蕉2草约等杀于玉0.99观t齿1葵）种纬敢度宫30°晚50.5扛49.9幅1.19唤%傲（这t妈2源约等搭于险0.99精t错1忍）中纬壳度浪40°弯50.5提49.1洞2.77甩%闻（术t响2名约等技于脸0.97缘t影1向）订纬绝度境50°借50.5筒48.8邮3.37颗%帆（锤t烧2岩约等筹于矛0.95昼t页1化）良纬烦度耗60°贵50.5鸦48.0车4.95赖%废（厌t缠2磨约等竞于蜓0.93的t缎1意）没纬制度恳70°做50.5绩47.1壶6.73潜%努（幅t锯2盲约等炭于失0.94秘t繁1瞧）遭纬管度怀80°录50.5严47.3悠6.34衫%劫（书t朵2傲约等验于甜0.94也t击1倚）膨纬苗度乡90°弯50.5蒸47.3科6.34都%熟（俩t壁2胁约等球于家0.94壶t钞1纤）供2晋.恒半球材质地理化性能风热压半球仙空冷后截矮取沈的馋4烧块试件，般分别加工糟制备成圆剖拉伸试样豆、冲击试换样和布氏塞硬度试样败（兼做光箩谱分析）涌。经万能搅材料试验哈机、半自挤动冲击试申验机、布依氏硬度计解和直读光泻谱仪检测陷，测试结其果分别见悦表开6工和羊表既7嘉，里氏硬书度计现场祝半球实物用里氏硬度讽测试结果耻见浑表捡8降。贺这里需要彻说明的是爽原材料的越化学成分筋分析值和宅热压半球筛后材质化服学成分分赌析值的差方异，除因林材料本身垒化学成分倘偏析因素煤外，其测池试误差磁在刘GB/T另222-矮200刷6性《钢的成准品化学成净分允许偏坛差》允许电范围内。奋实物里氏滔硬度值经吗过两次换砌算后得到随的抗拉强芦度值，比拢试样实测捎的抗拉强慕度值稍低免，除因为肢采用不同衣的试验方冈法外，主朽要是由于盗热压后半培球表面氧搁化皮和脱姓碳等因素忠影响。因桐此在现场挣测试硬度季时，实物尽表面氧化贤皮和脱碳怠层一定要结清除干净含。我们对装试件在清燕除安（痛0.2-涝1置）喘m凳m稳表面层后俘测试维氏价硬度值，杜换算得到怖的强度值遭就更加接大近圆拉伸糟试样测试瓜的抗拉强举度值界。望具患享唤面丛表喘6长脉热压半球放后材质力饭学性能陪试样编号俱ReH(券MPa)虽Rm(M约Pa)挡A(%)六冲击吸收喝功电0大℃龟,Akv改,J孩布氏硬傅度创HB禁结论想试捧样巧1削400择580荡28挎198叫174笛188屋156骑157卧157头符梁合姿GB/T电1987芳9宵试贷样者2钱390找565还32锻248剃252恐248如160辱160扯160前符芒合谢GB/T沾1987沫9半试傅样榜3半410似575坑34.5替262洗250掏238呜159域160邪160邀符秀合惧GB/T抛1987腔9腹试坦样缎4乱435填585政31炕204寨258弟179简175耳167歼166辆符届合遭GB/T瘦1987贝9咐表悲7稿热压半球使后材质化凯学成分木（启%级）血化学元素睁C阅Si亏Mn伟S系P默Ni右Cr挪V鸟Als数Ti疗Nb饥Cu攀结论妹试翠样割1怠0.16养0.35豆1.58示0.00狂1堡0.00凭7绳0.02仰3绒0.03澡6猪0.04烤8绸0.02纪3执0.01痛0今0.02忆2镜0.02秤9沫符闭合暮GB/T仅1987萍9周试样雨2宵0.14际0.35旷1.58翠0.00沙1货0.00铁8汤0.02饲1饥0.03参5蛮0.05其2变0.02愧4宜0.00启9悠0.02孟2有0.02廉8茂符掌合演GB/T衡1987茧9骂试赖样带3拐0.15代0.34悔1.57姐0.00切1柿0.00泉8角0.02竟8扣0.03眯5秆0.05善2萍0.02唐4符0.00瞒9死0.02棉2情0.02灵8秃符挪合培GB/T屠1987促9妨试垃样违4适0.15秤0.36乒1.58截0.00狡1或0.00碎9诉0.02赴2松0.03盲5怠0.05竭2您0.02光4未0.00虑9程0.02绸3擦0.02灿9减符班合纽GB/T祖1987业9伯表搞8币热压半球摸后实物里住氏硬度值融里氏硬度直值艇HLD桥430朵421究428而432线425斥427.辜2搂(相平均拔值僻)询换算贸成贤HB肺165蜓158凯163军166果161丘162.见6仁(废平均香值受)口相当从于次R撕m谢（巧MP学a拍）点529圈551花570介582蛛563芒569淡(皱平均爹值罗)侄四、设计防完善挂由于半球墙热压成型搁，实际最松大减薄量陡为历3.4m丸m仔，原预估箱减薄量那为殊4m恩m懒左右。在猴设计时已依考虑这些今因素，将侧此部分材云质成由叶Q345在GJC-狠Z1武5烂改崖为枝Q390轧GJC-瞒Z1色5懒，提高了亡一个强度初等级。站国内建造街船舶钢结酿构，在遇陷到缺材代唤材等问题惧时，曾采汇用择优选颂材的方法槽解决这个筛问题，即脏材料牌号晓不一定选刊用强度等策级高一个绳级别的牌逼号，而是羞在原牌号望的材料中违挑选替代叨品薄，殿Q34朝5叙改顽为亩Q39泽0编屈服强度寸提高线了联13蓝%纽，而抗拉锅强度相差尾不大，前身者市（吐490-外61乡0奴）锄MP炼a闭，后者絮（病490-伍65煤0正）布MP炉a屠，因此我侦们可以在椒工厂库存凶的谱Q345史GJC-丰Z1储5虚中逐张钢喜板筛选，攻从中选取贯实测强度蚂较高的钢耀板，作为虹半球用材否，实现择坊优选材。崭既解决了童工厂缺材蓄问题，也勿产生较好竿的经济效档益。这里雹特别强调刃一点，我絮们在择优楼选材过程类中，必须肢得到验船辨师或监理问现场见证正。拔在半球结唉构设计过各程中，设里计部门充漏分考虑到占因半球壁赏厚减薄，拨带来承载治力下降和没局部需要炸加强的问闯题，为保择证局部的祖强度和稳笛定性，在展半球壳体蛋内增设纵营向和横向笑加筋板，毫且加筋板身的形式，黎由起初根的酱“陷工窄”液字型修改侨为蚂“Ⅱ箱”芳字型，最铲终定淋为骨“泉井武”俗字型（见咐图剩8厅），并要滑求加筋板射磨平顶紧券，从而达枣到局部加术强的效果罩，提高了罚半球承载攻力，实本现餐“糖球顶千弯斤竖”来。刃图汽8随段半球加强竹筋竖五、试验梅分析与启秋迪懒1偿．半球钢艰板用料不得仅要保证冤材质性能恶，而且表刚面质量也既十分重要寨，它是保并证半球质骄量的前提休，因此要影严格按照紧标准加强阔对钢板的蚊进货检验矛，既要检沸验钢板的闪力学性能固、工艺性挠能和化学祸成分，也庆要检验钢巡板的外观禽质量。嚼2岩．圆板坯上料直径态取剖D=1禽.414袖d+t菌1/懂2薯是可行的洞，热压后齿半球几何赞尺寸基本叙符合要求东，本次试王验半球端庄部需切割盖的加工余沾量勤约丽25m议m竞。港3桐．半球热涉压过程相罩当于对钢壶板进行正浙火处理，禁除其化学唱成分不会险变化外，酬从试验结吩果来看，跌半球材质裁力学性能柱基本稳定联波动不大饥，强度略喝有升高，召冲击韧性卖平均值有战所提升，垄这是符合损热处理规旗律的。笔4供．为了保您证热压质男量，必须法控制开始辨压制温度宝和结束压叠制温度，休开始的压救制温度决罚定于加热牢温度，其喝高低由材潮料的成分册和板厚决跪定，对厚隆度跟15m宇m面至谦50m佣m获的低碳钢浴板为僻（锅1000扰-105红0胃）教℃陪；对较薄径或较厚的扣低碳钢板穿为聪110塔0践℃诵左右；对理低合金钢乞板为惠（愈900-未100厘0浅）益℃慢。加热温受度过高容男易将材料圆烧坏，温谈度过低不傅能起到加础热作用。烦一般低碳妥钢、碳钢耗和低合金夹钢加热至迹（晶250-叼30穗0妈）景℃壳时，将使任强度极限腰和屈服点演升高，而断塑性显著虎下降，这奇种现象称咱为蓝脆，姓所以应避械免在蓝脆落温度下压召制。碳钢加（低碳钢然）结束压偿制的温度旬一般不低颈于触75好0沫℃岛，低合金嫁钢一滑般不低肠于允80判0迟℃出，温度过冷低会使钢赞板发生冷侄作硬化，硬出现裂纹源。本次试才验我们均腰用红外线闭测温仪测挨试和控制泪温度。搂5康．热压成邀型后半球熔壁厚较原刑材料板厚粉呈下降趋戒势，其中辣半球端部符壁厚不但券没有减薄材反而略有硬增加，端栽部附近壁迷厚减薄不赞明显。在新纬羡度剪30辩°谅以后，壁颗厚明显减裂薄，减薄喘率随纬度街的增加拍成介“帽正锦比惕”掉的增加，在超过纬创度爪7