郭平利

（河北新金煉鋼廠）

摘要：低碳低能耗成為當(dāng)今主要發(fā)展方向，現(xiàn)階段國(guó)家開(kāi)始大力發(fā)展風(fēng)電，光電等產(chǎn)業(yè)，由于這些產(chǎn)業(yè)不耗能，更綠色，更環(huán)保，因而得到快速發(fā)展。作為光電載體的光伏板在安裝過(guò)程中要用到大量支架，鐵質(zhì)支架強(qiáng)度高但重量比較重，如果支架的重量降不下來(lái)會(huì)限制光伏板的安裝范圍，因而支架用鋼需要實(shí)現(xiàn)輕量化，但在控制生產(chǎn)和成本的關(guān)系下，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)輕量化光伏用鋼也而臨一定挑戰(zhàn)。通過(guò)新金鋼鐵對(duì)光伏支架用鋼材的開(kāi)發(fā)，解決一些問(wèn)題的思路，開(kāi)發(fā)查找方法方面尋積累經(jīng)驗(yàn)，為廣大冶金工作者一起總結(jié)工業(yè)化大生產(chǎn)專用鋼材經(jīng)驗(yàn)和方法。

關(guān)鍵詞：光伏板；支架鋼；輕量化；強(qiáng)度

光伏產(chǎn)業(yè)作為新能源行業(yè)，屬太陽(yáng)能直接發(fā)電技術(shù)，‌受到國(guó)家政策的支持，‌如《‌擴(kuò)大內(nèi)需戰(zhàn)略規(guī)劃綱要(2022-2035年)》‌和《‌關(guān)于促進(jìn)新時(shí)代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施方案》‌等，‌這些政策為光伏生產(chǎn)制造和推廣都有助力，使國(guó)民認(rèn)識(shí)到政策的鼓勵(lì)方向，也使光伏的投資應(yīng)用得到發(fā)展。

光伏產(chǎn)業(yè)的推廣除生產(chǎn)光伏板環(huán)節(jié)外，行業(yè)又提出了對(duì)光伏支架用鋼的需求。最初光伏支架為取材便利一般用Q235類鋼種，薄板成型方鋼進(jìn)行焊接，這在一般場(chǎng)景下能夠使用，但是對(duì)一些限重結(jié)構(gòu)的建筑應(yīng)用方面，強(qiáng)度不足，保證強(qiáng)度又會(huì)產(chǎn)生過(guò)重的結(jié)構(gòu)，會(huì)限制光伏板的安裝密度，若減量或減薄控制，又會(huì)引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的衰減，影響抗風(fēng)抗震和抗災(zāi)使用，同時(shí)對(duì)成本控制也非?？量?，因而開(kāi)發(fā)一種兼顧使用和成本利益的光伏專用鋼種勢(shì)力必行。

1  光伏支架用鋼的要求

光伏支架鋼在使用過(guò)程中的要求主要表現(xiàn)為：1）設(shè)計(jì)的科學(xué)性，具備抵抗地震，風(fēng)災(zāi)，大雨等能力；2）材料應(yīng)用要達(dá)標(biāo)，具體為防腐敗能力，剛度和強(qiáng)度的保證，穩(wěn)定性和耐久性；3）對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，達(dá)到安裝的使用要求，包括在安裝過(guò)程中建筑物的減重要求；4）其它滿足光伏板長(zhǎng)期穩(wěn)定正常使用的條件。對(duì)于金屬材料的開(kāi)發(fā)，同時(shí)滿足以上條件才能達(dá)到光伏支架用鋼的需求，為此需要對(duì)成分，軋制參數(shù)，內(nèi)部質(zhì)量要求和外部質(zhì)量要求方面進(jìn)行有針對(duì)性地設(shè)計(jì)才能滿足要求。

2  光伏支架鋼的特點(diǎn)及限制性環(huán)節(jié)

針對(duì)光伏用鋼的使用要求，其中的強(qiáng)度，剛度，輕量化，穩(wěn)定性均要求對(duì)標(biāo)Q235展開(kāi)性能對(duì)比，另外的防腐能力則需要后期加工工藝的進(jìn)一步處理，比如可以走鍍鋅路線來(lái)實(shí)現(xiàn)，僅提高強(qiáng)度，剛度可以采用Q355系列鋼種實(shí)現(xiàn)，但成本較高，厚度大，重量多，同時(shí)要輕量化則產(chǎn)生了矛盾，顧此則會(huì)失彼。其限制性環(huán)節(jié)主要表現(xiàn)在高強(qiáng)度，輕量化，低成本方面。按照鋼鐵成分原理，想要高強(qiáng)度必須碳含量高以及合金含量高，想要輕量化，體積應(yīng)當(dāng)小，結(jié)構(gòu)件應(yīng)當(dāng)減薄或者細(xì)一些，而輕量化則必須經(jīng)過(guò)二次軋制或者熱軋薄板使用，延伸性能不能過(guò)低，兼顧成本時(shí)則要全面考慮才行。

圖1   國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700-2006 Q235成分要求^【1】

圖2   國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GF1591-2018 Q355成分要求^【2】

    市場(chǎng)流通的Q235和Q355鋼種板材一般厚度均大于5mm規(guī)格，作為結(jié)構(gòu)件使用完全能滿足要求，但是做為光伏板支架，一是沒(méi)有必要使用這么厚的板材，單位面積的光伏支架會(huì)增加使用成本，同時(shí)也使重量嚴(yán)重超標(biāo)，若要按照其高強(qiáng)度減薄設(shè)計(jì)，同時(shí)能夠達(dá)到高延伸，適合冷軋后使用，則能部分滿足使用要求，

3  光伏支架鋼的成分設(shè)計(jì)

按照冶金規(guī)律^【3-4】，相較于鐵素體鋼對(duì)比，鋼中碳含量提高后，鋼中珠光體的體只分?jǐn)?shù)增加，鋼的強(qiáng)度提高，但脆性增加，工業(yè)鋼中均加入一定數(shù)量的錳，它可以消除或削弱因硫所引起的勢(shì)脆性，形成固溶體，起固溶強(qiáng)化作用；同時(shí)它可以降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，細(xì)化鋼的組織，加入微合金元素，采用控軋控冷工藝，使組織細(xì)化，從而提高鋼的強(qiáng)韌性。結(jié)合客戶生產(chǎn)需求，終端市場(chǎng)要用到1mm厚度板材制作方鋼后投入使用，以最大程度降低重量，設(shè)定工藝路線為轉(zhuǎn)爐冶煉--連鑄澆注--熱軋卷板--冷軋--鍍鋅--安裝使用。如果采取Q355類鋼種，強(qiáng)度硬度較高，后期無(wú)法冷軋，且延伸不滿足加工；如果采用Q235類鋼種，則強(qiáng)度偏低，需要造厚度來(lái)提升強(qiáng)度和硬度，剛度等參數(shù)，且軋薄后更加存在沖突，無(wú)法滿足使用要求。最終經(jīng)過(guò)技術(shù)團(tuán)隊(duì)的集體研究表決，對(duì)現(xiàn)有成品材料性能基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改良，提出最初性能的成分設(shè)計(jì)。

表1  光伏用鋼性能要求

首先，必須滿足延伸率的要求。Q355低合金鋼碳含量高，合金含量高，相對(duì)脆性大，冷彎會(huì)發(fā)生折斷的情況，無(wú)法使用。所以成分設(shè)計(jì)首先要降碳，使其延伸率控制到25%以上。對(duì)比以往生產(chǎn)的Q355類鋼種，在碳含量為0.12%時(shí)，延伸率能達(dá)到23%以上，還無(wú)法滿足要求。

表2  部分Q355B鋼種性能參數(shù)

參考Q355B和Q235B成分要求，擬定企業(yè)光伏用鋼牌號(hào)GF350，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的性能數(shù)據(jù)以及本公司以往數(shù)據(jù)參數(shù)，因其要求屈服強(qiáng)度大于350MPa,初定碳含量為0.08-0.12%，錳強(qiáng)化錳含量為0.030-0.050%，硅含量為0.08-0.15%，外加鈦強(qiáng)化0.030%，成分制定后進(jìn)行試制。為保證性能符合要求，在軋制過(guò)程中嚴(yán)格控制軋機(jī)參數(shù)，加熱爐燒鋼溫度控制1300，將卷取溫度控制在580-600范圍內(nèi)，生產(chǎn)過(guò)程做好記錄，嚴(yán)格按工藝要求控制過(guò)程參數(shù)，以便于對(duì)比和參考改進(jìn)。

4  制造過(guò)程出現(xiàn)的異?？刂泣c(diǎn)

按照初步參考數(shù)據(jù)，制定成分范圍為碳0.08-0.12%，硅0.06-0.15%，錳0.30-0.50%，硫不大于0.035%，磷不大于0.035%，鈦0.030-0.045%。

生產(chǎn)過(guò)程中，工藝路線為120轉(zhuǎn)爐冶煉，終點(diǎn)控制碳0.06-0.08%，出鋼增碳工藝，出鋼過(guò)程加入硅錳合金和脫氧劑，頂渣二次脫氧，吹氬站吹氬攪拌，混勻和調(diào)渣，按照每爐鋼澆鑄30分鐘組織生產(chǎn)節(jié)奏。

在連鑄過(guò)程中，執(zhí)行全保護(hù)澆鑄，大包套管和下水口采用石板墊圈進(jìn)行初次密封，外部通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)通入氬氣保護(hù)，中包控渣層黑色液面，控制夾雜物的二次產(chǎn)生，冷卻采用弱冷方式，控制板坯晶粒度的長(zhǎng)大和方向來(lái)保證表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，以及性能的均一性。

在初次生產(chǎn)過(guò)程中，共生產(chǎn)三爐鋼水，鋼水成分控制成分如下：

表3  試制GF350成分結(jié)果

在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過(guò)程中，能夠按照既定路線落實(shí)計(jì)劃，但是在連鑄過(guò)程中，出現(xiàn)了液面波動(dòng)的情況，且比較嚴(yán)重，波動(dòng)范圍達(dá)到10mm,給生產(chǎn)安全帶來(lái)困擾，被迫降拉速生產(chǎn)到光伏鋼結(jié)束。結(jié)晶器液面圖顯示行程穩(wěn)定，說(shuō)明鋼水純凈度和溫度是正常狀態(tài)，結(jié)晶器液面波動(dòng)的發(fā)生，按照金屬學(xué)理論講，是鋼水成分處于包晶鋼范圍內(nèi)，鋼水體心立方和面心立方頻繁轉(zhuǎn)變，發(fā)生包晶反應(yīng)有關(guān)。

圖1a 有規(guī)律的波動(dòng)              圖1b  正弦曲線波動(dòng)

華北理工大學(xué)馬立興等研究包晶鋼凝固過(guò)程中^【5-6】，表示碳含量為0.07-0.16%鋼種為包晶鋼范圍，鑄坯在凝固過(guò)程中，會(huì)發(fā)生體心立方和面心立方的轉(zhuǎn)變，發(fā)生包晶反應(yīng)^[6]

δ+L=γ

即在此溫度下δ鐵素體（0.09%C），液本（0.53%C）和奧氏體（0.18%C）三相共存，溫度下降時(shí)發(fā)生的包晶反應(yīng)，對(duì)體積有影響^[7]。

體心立方的鐵素體同液相反應(yīng)，產(chǎn)生面心立方的奧氏體，體積發(fā)生劇烈收縮，同時(shí)放出的潛熱，又熔化了部分已初步凝固的坯殼體積，導(dǎo)致坯殼厚度不均，頻繁固液相變，影響了結(jié)晶器液面的平穩(wěn)。

連鑄在發(fā)生液面波動(dòng)時(shí)為防止卷渣和漏鋼，往往被迫降低拉速，這又會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)奏的不穩(wěn)定和板坯表面質(zhì)量的變差,間接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量^[8]。這一問(wèn)題造成影響相當(dāng)差，正常生產(chǎn)過(guò)程必須全力克服。

5  光伏支架鋼的生產(chǎn)路線

包晶鋼生產(chǎn),除設(shè)備狀態(tài)有影響以外，影響最明顯的是鋼水成分，若設(shè)備精度保證不了時(shí)，調(diào)整成分控制區(qū)間合理排布，仍然能夠?qū)⒁好娌▌?dòng)的現(xiàn)象控制到一定范圍內(nèi)。

首先我們對(duì)設(shè)備精度進(jìn)行了徹底的檢查，排查扇形段輥縫數(shù)據(jù)，調(diào)整對(duì)弧參數(shù)，整改出現(xiàn)隱患的輥?zhàn)?，更換出現(xiàn)異常的軸承以及保護(hù)套管，對(duì)于磨損超標(biāo)的軸芯及時(shí)更換，將扇形段精度提升了一個(gè)臺(tái)階。

針對(duì)包晶鋼易波動(dòng)的特性，在生產(chǎn)過(guò)程中選用包晶鋼專用耗材，包括中包覆蓋劑，包晶鋼專用結(jié)晶器保護(hù)渣，提升液面自控精度等原料，改善澆鑄和傳熱狀態(tài)，并對(duì)鋼水成分進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)等措施，避開(kāi)包晶鋼所要求的碳含量的區(qū)間，經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)，最終確定了GF350的成分設(shè)計(jì)范圍減少了光伏鋼板的包晶區(qū)間物理變化。

表4  優(yōu)化后的成分

一系列試驗(yàn)生產(chǎn)后，針對(duì)光伏板的特殊性能，從注流，冷卻等方面加強(qiáng)了工藝的針對(duì)性制定專門的工藝指導(dǎo)文件，約束標(biāo)準(zhǔn)化工藝參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了連鑄液面穩(wěn)定控制或者輕微的波動(dòng)，卷渣大幅減少以及成本最優(yōu)的目標(biāo)，達(dá)到質(zhì)量穩(wěn)定控制，穩(wěn)定的工業(yè)化生產(chǎn)，兼顧了產(chǎn)品性能要求和生產(chǎn)成本的平衡控制。

圖2  液面平穩(wěn)的曲線

    液面平穩(wěn)后，有助于結(jié)晶器液渣的平穩(wěn)融化，同時(shí)粉渣層和液渣面平穩(wěn)接觸鋼水本體，均勻傳熱，均勻潤(rùn)滑，避免了鋼水凝固過(guò)程中的卷渣現(xiàn)象發(fā)生，為大型夾雜物的控制提供較好的質(zhì)量控制條件。

6  結(jié)論

1）對(duì)新鋼種的開(kāi)發(fā)，應(yīng)當(dāng)考慮成熟鋼種對(duì)比的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，就近確定成分設(shè)計(jì)；

2）在試制過(guò)程中，要考慮對(duì)生產(chǎn)的影響，以有對(duì)質(zhì)量的影響，對(duì)使用性能的影響進(jìn)行微調(diào)成分和工藝路線 ；

3）結(jié)合現(xiàn)有裝備，驗(yàn)證冶金理論的過(guò)程中，參考成熟理論進(jìn)行指導(dǎo)工藝攻關(guān)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)結(jié)果所表現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)；

4）開(kāi)發(fā)包晶鋼過(guò)程盡量避開(kāi)包晶區(qū)間，減少包晶反應(yīng)帶來(lái)的不必要的浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)

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