钢铁冶炼技术的研究及应用

1. 前言

随着城市的发展，建筑越来越向高处发展，钢材也扮演了越来越重要的角色，从混凝土中的钢筋，到主体钢结构。作为“工业之母”的钢材，因为其杰出的结构性能和易加工性，是现代建筑不可取代的材料之一。

作为建筑的外维护结构的幕墙，铝型材因为其几乎可以挤压成任意希望的形状，以及重量轻，防腐性能好，易于切割加工等优异的性能，成了建筑幕墙重要的框架结构材料。钢材基本上是属于辅助的角色，用在埋件，连接码件，以及不可视部位的结构构件，或者是结构上铝没法做到的部位，比如说雨篷，采光顶的结构部位。

这些年来，由于建筑表现的要求，以及建筑功能性的要求，越来越多的建筑师希望展示钢材的阳刚性，将作为结构的钢材外露，这也推动了钢型材越来越来越往“精致”方向发展。钢材的加工精度得到了极大的提升，很多钢材的外观效果已经不亚于铝型材，“精制钢”被越来越多的项目所采用。

2. 钢幕墙系统的需求

钢幕墙是根据建筑设计的要求或者结构及功能需求来决定是否使用的，虽然它不能完全取代铝结构，但它在某些方面的性能，远超铝结构，可以在铝结构不能满足的方面做到很好的补充。分析下来，主要上有以下几个原因：

a. 结构的需求

普通的幕墙结构是采用铝型材作为支撑骨架的，但是在层高较高，或者跨层没有主体结构的位置，比如说首层大堂，或者一些场馆等对空间要求比较高的建筑上，铝作为幕墙的支撑结构就可能无法满足结构的要求。在这些部位，主要控制的一般不是强度，而是结构的挠度，而钢的弹性模量达到206000 Mpa，是铝的三倍(铝的弹性模量是70000 Mpa)，可以很好的降低结构变形程度。这样可以让立柱横梁等框架构件更加纤细，达到更好的建筑效果。

b. 防火的要求

在建筑设计上，由于一些建筑间距，防火空间的需求，经常要求某些部位的幕墙需要采用防火幕墙，来达到防火隔断的要求。在这些部位，铝型材的幕墙就达不到建筑防火时效要求，因为铝的熔点仅为660℃，燃烧到一定程度就结构失效了。而钢的熔点达到1500℃，远远超过钢的熔点。基于良好的防火性能，基本上所有具有防火要求的幕墙，基本采用钢框架加防火玻璃及具备防火性能的辅助材料构成。

c. 建筑外观的要求

钢作为建筑中重要的材料之一，作为主要的受力构件，越来越多的建筑师希望能直接展示钢材的“阳刚之美”。将钢材直接外露，对钢材的加工精度和表面处理有了更多的要求，这也直接促进了钢材的加工厂家开始学习国外的先进经验，对加工工艺、精度和表面处理的提高，达到了更高的标准。

d. 环境的要求

铝在电解过程中，不仅需要消耗大量的能源，而且还会产生大量的废弃物，这些废弃物如果处理不好，对环境会造成极大的影响。而钢的冶炼过程产生的主要为铁矿渣，有害物质极少。同样在铝的挤压成型所消耗的电量也远远大于精密钢型材制作所消耗的能量。所以，在国家“碳达峰，碳中和”的政策引领下，钢幕墙的运用趋势也会进一步扩大。

除了以上一些原因，钢结构幕墙相对与铝还有两方面的优势：一方面是钢的线膨胀系数仅为1.2*10-5l/℃，几乎只是铝的一半，这样就能降低温度变形对幕墙系统的影响，可以做得更长，减少接缝;另外一方面是钢的传热系数比铝低很多，铝的传热系数是200W/(mk)，而钢的传热系数仅为50W/(mk)，钢幕墙可以比铝幕墙有更好热工表现。

3. 早期铝包钢幕墙系统及缺陷

在之前的大部分项目上，钢材由于加工精度和成本的原因，几乎都是用在不可视的区域，在石材，铝板幕墙上，几乎是采用钢作为主要的结构支撑构件。而在玻璃幕墙部分，几乎都是在外面包铝型材或者铝板，这种做法，存在以下缺陷：

a. 成本浪费

钢铝结合的做法，一般使以钢作为主要受力结构，外包的铝型材或铝板作为装饰材料，这样等于在钢材的基础上，还要加上铝的成本。这会造成成本的极大增加。

b. 造型笨重

由于安装的空间需要，包的铝的构件宽度比钢结构的宽度至少要增加50mm左右，这样就会显的立柱和横梁的框架比较粗重，而在大部分大跨度部位采用钢框架结构的目的都是为了让幕墙框架显得更加纤细。这种笨重的造型在一定程度上降低了感官效果。

c. 结合度差

由于钢和铝的加工精度不一样，常规做法上钢的精度比铝差很多，而且钢材和铝型材在加工过程中自身几乎都会存在弯曲等现象。由于弯曲不是一致的，在组装上必须留有足够的空间去吸收这种差异。而这些空间也会影响到他们之间的传力效果。虽然设计上会考虑通过设置垫片来使二者结合紧密，但在实际施工过程中确很难真正做到，这也导致了二者的结合度很难达到设计期望的效果。

d. 电位差

钢和铝之间存在电位差，如果表面未作特殊处理直接接触的话，会导致电化学腐蚀现象。

4. 国内精制钢幕墙的发展

国内精制钢幕墙发展基本上可以分为以下几个阶段

a. 进口钢幕墙系统主导阶段

精密成型钢材技术在国外发展的比较早，比较出名的有德国的WEISER和瑞士的JANSEN等，这两家都有百年以上的历史，早期产品主要是用在汽车方面，后来才逐步运用到门窗和幕墙。真正作为精密钢幕墙产品引进中国的时间大约是2010年左右，但是由于生产设备和模具的原因，造价居高不下。一套生产设备大约要6000万人名币，而一套模具就要50万人民币左右。由于一套幕墙系统基本上需要将近10个模具，这样整体造价就很贵，每吨的精密钢型材造价会在5-16万元，远超铝合金幕墙和普通的铝包钢幕墙的价格。所以只有局部特殊要求的部位才会使用。但这也促进了国内精密钢型材的发展。

b. 国内精密钢型材的发展

2012年，上海宝钢集团投资数亿元联合北京多所知名大学开展钢铁精密复杂成型技术的研发，从德国采购设备与软件，引进北科大的博士，进行精密成型技术的研发。随后几年，国内一些企业也陆续开始了精密成型技术的研发，而且在技术上陆续取得一些突破。2018年之后，国内精制钢幕墙得到高速的发展，技术上得到了很大的突破，不管是冷弯薄壁方面，还是焊接直角方钢管以及异形精制钢方面都得到了很大的发展。

类是冷弯薄壁型钢，它主要用于常规的幕墙系统，一般的横竖料壁厚在2-5mm左右，采用标准化、规模化生产方式，使用冷轧钢板等材料制作，具有特定几何截面，用作外露的幕墙系统的支撑框架。在这个成型过程中，材料和冷弯成型工艺是重点。钢板通常采用轧辊工艺成型，不改变钢铁成分和特性。但是在这过程中，容易产生变形和应力集中，成型后容易开裂。

在成型过程中，主要控制两个关键点：一个是R角的控制，外露的构件一般要求外R角越小越好，但是实现小外R角难度极大，而且容易造成开裂，现在进口和国产精密钢型材的外R角一半控制在0.5-2mm之间。

另外一个控制要点是截面的精度，进口的精密钢型材的截面尺寸偏差基本可控制在0.2mm，国产基本可以控制在0.3毫米，一般的在2.5mm左右。

钢幕墙系统的设计，和铝幕墙系统既有相通性，也有自己的特点。首先，它的型材不是像铝型材一样是挤压出来的，截面厚度可以随意变化，它的厚度基本上是统一的，而且截面局部形状受工艺影响较大。其次，由于钢材较硬，而且厚度普遍较薄，局部厚度不易增厚，所以螺栓连接很受限制，如何设计结构满足又安装方便的系统连接方式是重点。以下为常规钢幕墙系统的一些做法，通常也是分隐框和明框两种做法。

明框做法分竖明和横明两种，通常做法是在立柱和横梁做个内凹的槽，然后用螺栓将外压条连接到竖梁或横梁上。外装饰扣盖分压条和盖板，分别起到固定玻璃和装饰的作用。

隐框做法分竖隐和横隐两种，玻璃面板采用结构胶固定到副框上，然后再把面板和副框通过压块固定到立柱或者横框上。外侧玻璃面板接缝通常采用泡沫棒加密封胶的做法，来保证气密，水密和结构变形等功能。

冷弯薄壁型钢幕墙系统在国内不少大型场馆得到了推广，例如北京大兴国际机场、北京冬奥会、苏州博物馆、雄安新区高铁站等项目都采用了精密钢型材系统。国内厂家做的较好的有湖南省金为新材料科技有限公司等。

第二类是焊接直角方钢管以及异形精制钢，一般来说厚度更大，大可以达到60mm。一般是选用适合的高精钢板或钢带，通过焊接成型，再通过打磨，校正，应力，喷涂等工艺，作为大跨度，异形建筑幕墙造型等的外露支撑构件。

作为外露的幕墙钢结构，和钢结构工程虽然有很多相似之处，但仅满足钢结构的验收标准肯定是不能满足外露幕墙构件的要求。在平整度，直线度，R角等加工精度方面，精制钢构件和普通钢结构工程有以下的区别：

这类精制钢比较适用于各种不同造型幕墙交接的构架，在上海图书馆东馆，冰雪世界等项目上得到了很好的应用。国内做的较好的厂家有始博实业集团有限公司等。

5. 国内精制钢幕墙需要提高的瓶颈

国内虽然通过学习，在部分工艺上已经赶上或者超过了国外的产品，但是在整体上还需要提高，具体体现在以下方面：

a. 系统设计方面

精制钢幕墙作为一个新型的幕墙体系，和铝幕墙有着很大的不同。如何达到气密，水密，结构，位移，保温，隔声等性能要求，除了要在设计上下功夫，设计合理的构件和连接方式，还需要作相应的测试来验证和提高。现在大部分的厂家都是直接抄袭国外的系统，对系统的真正破坏模式完全不了解，而自己本身又没有相应的系统设计能力，这样造成产品的可行性和附加值都比较低。只有做好相应的面板，构件，辅件和连接的设计，并经测试和实际检验，才可能真正做好钢幕墙。

b. 加工生产精度方面

现在国内的精制钢厂家，有少数的加工精度已经达到或接近国外的先进水平，但是大部分的厂家的产品加工精度还比较差。加工生产精度较差不仅会影响外观效果，还可能会严重影响幕墙的气密，水密等各项性能指标。所以，在这方面还是要持续提升工艺，降低缺陷率，确保构件的安全性、实用性和美观性。

c. 抗腐蚀性方面

由于普通钢材抗腐蚀性比较差，而钢幕墙的构件有部分在室内，但还有部分会暴露在室外，这部分的防腐会是钢幕墙成功与否的关键。虽然构件表面可以进行粉末喷涂或氟碳烤漆等表面处理，但是在构件开孔加工和切口的部位就很难保证表面处理能确实到位。所以选择合适的耐候钢可能是钢幕墙系统能真正发扬光大的道路。

d. 生产和验收标准

现在钢幕墙的生产验收没有自己的标准，几乎都是照搬铝门窗幕墙和钢结构的标准，这是很不合理的。钢幕墙的构件精度要求肯定要比钢结构的精度要求高，但是完全用铝的精度标准来套钢材的加工精度标准也是不合适的。好在现在有关钢幕墙的工程和材料行业标准也正在编写中，应该很快就能有钢幕墙自身的生产和验收标准供实际工程使用。

6. 总结

研发钢幕墙，不是为了取代铝合金幕墙，而是在建筑和功能上做更好的补充。铝合金幕墙发展到现在，有他不可取代的优势。包括轻质，抗腐蚀，易加工方面，特别适合超高层幕墙。而钢幕墙，则适合大跨，异形，以及由防火功能要求的部位。只有共同发展，百花齐放，幕墙行业才可能发展的越来越好。