郭平利

（河北新金炼钢厂）

摘要：低碳低能耗成为当今主要发展方向，现阶段国家开始大力发展风电，光电等产业，由于这些产业不耗能，更绿色，更环保，因而得到快速发展。作为光电载体的光伏板在安装过程中要用到大量支架，铁质支架强度高但重量比较重，如果支架的重量降不下来会限制光伏板的安装范围，因而支架用钢需要实现轻量化，但在控制生产和成本的关系下，开发生产轻量化光伏用钢也而临一定挑战。通过新金钢铁对光伏支架用钢材的开发，解决一些问题的思路，开发查找方法方面寻积累经验，为广大冶金工作者一起总结工业化大生产专用钢材经验和方法。

关键词：光伏板；支架钢；轻量化；强度

光伏产业作为新能源行业，属太阳能直接发电技术，‌受到国家政策的支持，‌如《‌扩大内需战略规划纲要(2022-2035年)》‌和《‌关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》‌等，‌这些政策为光伏生产制造和推广都有助力，使国民认识到政策的鼓励方向，也使光伏的投资应用得到发展。

光伏产业的推广除生产光伏板环节外，行业又提出了对光伏支架用钢的需求。最初光伏支架为取材便利一般用Q235类钢种，薄板成型方钢进行焊接，这在一般场景下能够使用，但是对一些限重结构的建筑应用方面，强度不足，保证强度又会产生过重的结构，会限制光伏板的安装密度，若减量或减薄控制，又会引起结构强度的衰减，影响抗风抗震和抗灾使用，同时对成本控制也非常苛刻，因而开发一种兼顾使用和成本利益的光伏专用钢种势力必行。

1  光伏支架用钢的要求

光伏支架钢在使用过程中的要求主要表现为：1）设计的科学性，具备抵抗地震，风灾，大雨等能力；2）材料应用要达标，具体为防腐败能力，刚度和强度的保证，稳定性和耐久性；3）对环境的适应性，达到安装的使用要求，包括在安装过程中建筑物的减重要求；4）其它满足光伏板长期稳定正常使用的条件。对于金属材料的开发，同时满足以上条件才能达到光伏支架用钢的需求，为此需要对成分，轧制参数，内部质量要求和外部质量要求方面进行有针对性地设计才能满足要求。

2  光伏支架钢的特点及限制性环节

针对光伏用钢的使用要求，其中的强度，刚度，轻量化，稳定性均要求对标Q235展开性能对比，另外的防腐能力则需要后期加工工艺的进一步处理，比如可以走镀锌路线来实现，仅提高强度，刚度可以采用Q355系列钢种实现，但成本较高，厚度大，重量多，同时要轻量化则产生了矛盾，顾此则会失彼。其限制性环节主要表现在高强度，轻量化，低成本方面。按照钢铁成分原理，想要高强度必须碳含量高以及合金含量高，想要轻量化，体积应当小，结构件应当减薄或者细一些，而轻量化则必须经过二次轧制或者热轧薄板使用，延伸性能不能过低，兼顾成本时则要全面考虑才行。

图1   国家标准GB/T 700-2006 Q235成分要求^【1】

图2   国家标准GF1591-2018 Q355成分要求^【2】

    市场流通的Q235和Q355钢种板材一般厚度均大于5mm规格，作为结构件使用完全能满足要求，但是做为光伏板支架，一是没有必要使用这么厚的板材，单位面积的光伏支架会增加使用成本，同时也使重量严重超标，若要按照其高强度减薄设计，同时能够达到高延伸，适合冷轧后使用，则能部分满足使用要求，

3  光伏支架钢的成分设计

按照冶金规律^【3-4】，相较于铁素体钢对比，钢中碳含量提高后，钢中珠光体的体只分数增加，钢的强度提高，但脆性增加，工业钢中均加入一定数量的锰，它可以消除或削弱因硫所引起的势脆性，形成固溶体，起固溶强化作用；同时它可以降低临界转变温度，细化钢的组织，加入微合金元素，采用控轧控冷工艺，使组织细化，从而提高钢的强韧性。结合客户生产需求，终端市场要用到1mm厚度板材制作方钢后投入使用，以最大程度降低重量，设定工艺路线为转炉冶炼--连铸浇注--热轧卷板--冷轧--镀锌--安装使用。如果采取Q355类钢种，强度硬度较高，后期无法冷轧，且延伸不满足加工；如果采用Q235类钢种，则强度偏低，需要造厚度来提升强度和硬度，刚度等参数，且轧薄后更加存在冲突，无法满足使用要求。最终经过技术团队的集体研究表决，对现有成品材料性能基础上进行优化改良，提出最初性能的成分设计。

表1  光伏用钢性能要求

首先，必须满足延伸率的要求。Q355低合金钢碳含量高，合金含量高，相对脆性大，冷弯会发生折断的情况，无法使用。所以成分设计首先要降碳，使其延伸率控制到25%以上。对比以往生产的Q355类钢种，在碳含量为0.12%时，延伸率能达到23%以上，还无法满足要求。

表2  部分Q355B钢种性能参数

参考Q355B和Q235B成分要求，拟定企业光伏用钢牌号GF350，结合国家标准的性能数据以及本公司以往数据参数，因其要求屈服强度大于350MPa,初定碳含量为0.08-0.12%，锰强化锰含量为0.030-0.050%，硅含量为0.08-0.15%，外加钛强化0.030%，成分制定后进行试制。为保证性能符合要求，在轧制过程中严格控制轧机参数，加热炉烧钢温度控制1300，将卷取温度控制在580-600范围内，生产过程做好记录，严格按工艺要求控制过程参数，以便于对比和参考改进。

4  制造过程出现的异常控制点

按照初步参考数据，制定成分范围为碳0.08-0.12%，硅0.06-0.15%，锰0.30-0.50%，硫不大于0.035%，磷不大于0.035%，钛0.030-0.045%。

生产过程中，工艺路线为120转炉冶炼，终点控制碳0.06-0.08%，出钢增碳工艺，出钢过程加入硅锰合金和脱氧剂，顶渣二次脱氧，吹氩站吹氩搅拌，混匀和调渣，按照每炉钢浇铸30分钟组织生产节奏。

在连铸过程中，执行全保护浇铸，大包套管和下水口采用石板垫圈进行初次密封，外部通过特殊结构通入氩气保护，中包控渣层黑色液面，控制夹杂物的二次产生，冷却采用弱冷方式，控制板坯晶粒度的长大和方向来保证表面质量和内部质量，以及性能的均一性。

在初次生产过程中，共生产三炉钢水，钢水成分控制成分如下：

表3  试制GF350成分结果

在转炉生产过程中，能够按照既定路线落实计划，但是在连铸过程中，出现了液面波动的情况，且比较严重，波动范围达到10mm,给生产安全带来困扰，被迫降拉速生产到光伏钢结束。结晶器液面图显示行程稳定，说明钢水纯净度和温度是正常状态，结晶器液面波动的发生，按照金属学理论讲，是钢水成分处于包晶钢范围内，钢水体心立方和面心立方频繁转变，发生包晶反应有关。

图1a 有规律的波动              图1b  正弦曲线波动

华北理工大学马立兴等研究包晶钢凝固过程中^【5-6】，表示碳含量为0.07-0.16%钢种为包晶钢范围，铸坯在凝固过程中，会发生体心立方和面心立方的转变，发生包晶反应^[6]

δ+L=γ

即在此温度下δ铁素体（0.09%C），液本（0.53%C）和奥氏体（0.18%C）三相共存，温度下降时发生的包晶反应，对体积有影响^[7]。

体心立方的铁素体同液相反应，产生面心立方的奥氏体，体积发生剧烈收缩，同时放出的潜热，又熔化了部分已初步凝固的坯壳体积，导致坯壳厚度不均，频繁固液相变，影响了结晶器液面的平稳。

连铸在发生液面波动时为防止卷渣和漏钢，往往被迫降低拉速，这又会导致生产节奏的不稳定和板坯表面质量的变差,间接影响最终产品的质量^[8]。这一问题造成影响相当差，正常生产过程必须全力克服。

5  光伏支架钢的生产路线

包晶钢生产,除设备状态有影响以外，影响最明显的是钢水成分，若设备精度保证不了时，调整成分控制区间合理排布，仍然能够将液面波动的现象控制到一定范围内。

首先我们对设备精度进行了彻底的检查，排查扇形段辊缝数据，调整对弧参数，整改出现隐患的辊子，更换出现异常的轴承以及保护套管，对于磨损超标的轴芯及时更换，将扇形段精度提升了一个台阶。

针对包晶钢易波动的特性，在生产过程中选用包晶钢专用耗材，包括中包覆盖剂，包晶钢专用结晶器保护渣，提升液面自控精度等原料，改善浇铸和传热状态，并对钢水成分进行优化改进等措施，避开包晶钢所要求的碳含量的区间，经过一系列的试验，最终确定了GF350的成分设计范围减少了光伏钢板的包晶区间物理变化。

表4  优化后的成分

一系列试验生产后，针对光伏板的特殊性能，从注流，冷却等方面加强了工艺的针对性制定专门的工艺指导文件，约束标准化工艺参数，最终实现了连铸液面稳定控制或者轻微的波动，卷渣大幅减少以及成本最优的目标，达到质量稳定控制，稳定的工业化生产，兼顾了产品性能要求和生产成本的平衡控制。

图2  液面平稳的曲线

    液面平稳后，有助于结晶器液渣的平稳融化，同时粉渣层和液渣面平稳接触钢水本体，均匀传热，均匀润滑，避免了钢水凝固过程中的卷渣现象发生，为大型夹杂物的控制提供较好的质量控制条件。

6  结论

1）对新钢种的开发，应当考虑成熟钢种对比的数据作为依据，就近确定成分设计；

2）在试制过程中，要考虑对生产的影响，以有对质量的影响，对使用性能的影响进行微调成分和工艺路线 ；

3）结合现有装备，验证冶金理论的过程中，参考成熟理论进行指导工艺攻关过程中出现的问题，对结果所表现出来的问题对参数进行微调；

4）开发包晶钢过程尽量避开包晶区间，减少包晶反应带来的不必要的浪费。

参考文献

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[2]  刘徐元，朴志民等,GF1591-2018低合金高强度结构钢国家标准，国家市场监督管理总局和中国国家标准化管理委员会平合发布，2019-02-01；

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[4]  黄希枯，钢铁冶金原理[M].4版.北京，冶金工业出版社，2017.

[5]  马立兴，结晶器内钢液面波动分析与控制[J]，区域治理，155-156

[6]  干勇等,品种钢优特钢连铸900问[M]，北京,中国科学技术出版社，2007.4

[7]  宋维锡等，金属学[M].北京，冶金工业出版社，2010，252

[8]  王新华等译，编者Prlf.Dr.-Ing.Klaus Wunnenberg等。洁净钢-洁净钢生产工艺技术，北京，冶金工业出版社，2009.10  11-12