郭平利

（河北新金煉鋼廠）

摘要：低碳低能耗成為當今主要發展方向，現階段國家開始大力發展風電，光電等產業，由于這些產業不耗能，更綠色，更環保，因而得到快速發展。作為光電載體的光伏板在安裝過程中要用到大量支架，鐵質支架強度高但重量比較重，如果支架的重量降不下來會限制光伏板的安裝范圍，因而支架用鋼需要實現輕量化，但在控制生產和成本的關系下，開發生產輕量化光伏用鋼也而臨一定挑戰。通過新金鋼鐵對光伏支架用鋼材的開發，解決一些問題的思路，開發查找方法方面尋積累經驗，為廣大冶金工作者一起總結工業化大生產專用鋼材經驗和方法。

關鍵詞：光伏板；支架鋼；輕量化；強度

光伏產業作為新能源行業，屬太陽能直接發電技術，‌受到國家政策的支持，‌如《‌擴大內需戰略規劃綱要(2022-2035年)》‌和《‌關于促進新時代新能源高質量發展的實施方案》‌等，‌這些政策為光伏生產制造和推廣都有助力，使國民認識到政策的鼓勵方向，也使光伏的投資應用得到發展。

光伏產業的推廣除生產光伏板環節外，行業又提出了對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，薄板成型方鋼進行焊接，這在一般場景下能夠使用，但是對一些限重結構的建筑應用方面，強度不足，保證強度又會產生過重的結構，會限制光伏板的安裝密度，若減量或減薄控制，又會引起結構強度的衰減，影響抗風抗震和抗災使用，同時對成本控制也非常苛刻，因而開發一種兼顧使用和成本利益的光伏專用鋼種勢力必行。

1  光伏支架用鋼的要求

光伏支架鋼在使用過程中的要求主要表現為：1）設計的科學性，具備抵抗地震，風災，大雨等能力；2）材料應用要達標，具體為防腐敗能力，剛度和強度的保證，穩定性和耐久性；3）對環境的適應性，達到安裝的使用要求，包括在安裝過程中建筑物的減重要求；4）其它滿足光伏板長期穩定正常使用的條件。對于金屬材料的開發，同時滿足以上條件才能達到光伏支架用鋼的需求，為此需要對成分，軋制參數，內部質量要求和外部質量要求方面進行有針對性地設計才能滿足要求。

2  光伏支架鋼的特點及限制性環節

針對光伏用鋼的使用要求，其中的強度，剛度，輕量化，穩定性均要求對標Q235展開性能對比，另外的防腐能力則需要后期加工工藝的進一步處理，比如可以走鍍鋅路線來實現，僅提高強度，剛度可以采用Q355系列鋼種實現，但成本較高，厚度大，重量多，同時要輕量化則產生了矛盾，顧此則會失彼。其限制性環節主要表現在高強度，輕量化，低成本方面。按照鋼鐵成分原理，想要高強度必須碳含量高以及合金含量高，想要輕量化，體積應當小，結構件應當減薄或者細一些，而輕量化則必須經過二次軋制或者熱軋薄板使用，延伸性能不能過低，兼顧成本時則要全面考慮才行。

圖1   國家標準GB/T 700-2006 Q235成分要求^【1】

圖2   國家標準GF1591-2018 Q355成分要求^【2】

    市場流通的Q235和Q355鋼種板材一般厚度均大于5mm規格，作為結構件使用完全能滿足要求，但是做為光伏板支架，一是沒有必要使用這么厚的板材，單位面積的光伏支架會增加使用成本，同時也使重量嚴重超標，若要按照其高強度減薄設計，同時能夠達到高延伸，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計

按照冶金規律^【3-4】，相較于鐵素體鋼對比，鋼中碳含量提高后，鋼中珠光體的體只分數增加，鋼的強度提高，但脆性增加，工業鋼中均加入一定數量的錳，它可以消除或削弱因硫所引起的勢脆性，形成固溶體，起固溶強化作用；同時它可以降低臨界轉變溫度，細化鋼的組織，加入微合金元素，采用控軋控冷工藝，使組織細化，從而提高鋼的強韌性。結合客戶生產需求，終端市場要用到1mm厚度板材制作方鋼后投入使用，以最大程度降低重量，設定工藝路線為轉爐冶煉--連鑄澆注--熱軋卷板--冷軋--鍍鋅--安裝使用。如果采取Q355類鋼種，強度硬度較高，后期無法冷軋，且延伸不滿足加工；如果采用Q235類鋼種，則強度偏低，需要造厚度來提升強度和硬度，剛度等參數，且軋薄后更加存在沖突，無法滿足使用要求。最終經過技術團隊的集體研究表決，對現有成品材料性能基礎上進行優化改良，提出最初性能的成分設計。

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，相對脆性大，冷彎會發生折斷的情況，無法使用。所以成分設計首先要降碳，使其延伸率控制到25%以上。對比以往生產的Q355類鋼種，在碳含量為0.12%時，延伸率能達到23%以上，還無法滿足要求。

表2  部分Q355B鋼種性能參數

參考Q355B和Q235B成分要求，擬定企業光伏用鋼牌號GF350，結合國家標準的性能數據以及本公司以往數據參數，因其要求屈服強度大于350MPa,初定碳含量為0.08-0.12%，錳強化錳含量為0.030-0.050%，硅含量為0.08-0.15%，外加鈦強化0.030%，成分制定后進行試制。為保證性能符合要求，在軋制過程中嚴格控制軋機參數，加熱爐燒鋼溫度控制1300，將卷取溫度控制在580-600范圍內，生產過程做好記錄，嚴格按工藝要求控制過程參數，以便于對比和參考改進。

4  制造過程出現的異?？刂泣c

按照初步參考數據，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%。

生產過程中，工藝路線為120轉爐冶煉，終點控制碳0.06-0.08%，出鋼增碳工藝，出鋼過程加入硅錳合金和脫氧劑，頂渣二次脫氧，吹氬站吹氬攪拌，混勻和調渣，按照每爐鋼澆鑄30分鐘組織生產節奏。

在連鑄過程中，執行全保護澆鑄，大包套管和下水口采用石板墊圈進行初次密封，外部通過特殊結構通入氬氣保護，中包控渣層黑色液面，控制夾雜物的二次產生，冷卻采用弱冷方式，控制板坯晶粒度的長大和方向來保證表面質量和內部質量，以及性能的均一性。

在初次生產過程中，共生產三爐鋼水，鋼水成分控制成分如下：

表3  試制GF350成分結果

在轉爐生產過程中，能夠按照既定路線落實計劃，但是在連鑄過程中，出現了液面波動的情況，且比較嚴重，波動范圍達到10mm,給生產安全帶來困擾，被迫降拉速生產到光伏鋼結束。結晶器液面圖顯示行程穩定，說明鋼水純凈度和溫度是正常狀態，結晶器液面波動的發生，按照金屬學理論講，是鋼水成分處于包晶鋼范圍內，鋼水體心立方和面心立方頻繁轉變，發生包晶反應有關。

圖1a 有規律的波動              圖1b  正弦曲線波動

華北理工大學馬立興等研究包晶鋼凝固過程中^【5-6】，表示碳含量為0.07-0.16%鋼種為包晶鋼范圍，鑄坯在凝固過程中，會發生體心立方和面心立方的轉變，發生包晶反應^[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，溫度下降時發生的包晶反應，對體積有影響^[7]。

體心立方的鐵素體同液相反應，產生面心立方的奧氏體，體積發生劇烈收縮，同時放出的潛熱，又熔化了部分已初步凝固的坯殼體積，導致坯殼厚度不均，頻繁固液相變，影響了結晶器液面的平穩。

連鑄在發生液面波動時為防止卷渣和漏鋼，往往被迫降低拉速，這又會導致生產節奏的不穩定和板坯表面質量的變差,間接影響最終產品的質量^[8]。這一問題造成影響相當差，正常生產過程必須全力克服。

5  光伏支架鋼的生產路線

包晶鋼生產,除設備狀態有影響以外，影響最明顯的是鋼水成分，若設備精度保證不了時，調整成分控制區間合理排布，仍然能夠將液面波動的現象控制到一定范圍內。

首先我們對設備精度進行了徹底的檢查，排查扇形段輥縫數據，調整對弧參數，整改出現隱患的輥子，更換出現異常的軸承以及保護套管，對于磨損超標的軸芯及時更換，將扇形段精度提升了一個臺階。

針對包晶鋼易波動的特性，在生產過程中選用包晶鋼專用耗材，包括中包覆蓋劑，包晶鋼專用結晶器保護渣，提升液面自控精度等原料，改善澆鑄和傳熱狀態，并對鋼水成分進行優化改進等措施，避開包晶鋼所要求的碳含量的區間，經過一系列的試驗，最終確定了GF350的成分設計范圍減少了光伏鋼板的包晶區間物理變化。

表4  優化后的成分

一系列試驗生產后，針對光伏板的特殊性能，從注流，冷卻等方面加強了工藝的針對性制定專門的工藝指導文件，約束標準化工藝參數，最終實現了連鑄液面穩定控制或者輕微的波動，卷渣大幅減少以及成本最優的目標，達到質量穩定控制，穩定的工業化生產，兼顧了產品性能要求和生產成本的平衡控制。

圖2  液面平穩的曲線

    液面平穩后，有助于結晶器液渣的平穩融化，同時粉渣層和液渣面平穩接觸鋼水本體，均勻傳熱，均勻潤滑，避免了鋼水凝固過程中的卷渣現象發生，為大型夾雜物的控制提供較好的質量控制條件。

6  結論

1）對新鋼種的開發，應當考慮成熟鋼種對比的數據作為依據，就近確定成分設計；

2）在試制過程中，要考慮對生產的影響，以有對質量的影響，對使用性能的影響進行微調成分和工藝路線 ；

3）結合現有裝備，驗證冶金理論的過程中，參考成熟理論進行指導工藝攻關過程中出現的問題，對結果所表現出來的問題對參數進行微調；

4）開發包晶鋼過程盡量避開包晶區間，減少包晶反應帶來的不必要的浪費。

參考文獻

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