一种高强低成本光伏支架用耐候钢及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种高强低成本光伏支架用耐候钢及其制备方法。该耐候钢化学成分及其质量百分含量为：C≤0.10％，Si：0.02～0.50％，Mn：0.80～2.00％，P≤0.030％，S≤0.005％，Cr：0.20～0.80％，Cu：0.20～0.60％，W：0.05～0.50％，Als：0.010～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明通过采用W取代常规的昂贵耐蚀元素Ni，同时降低Si的含量，保证了钢种的力学、焊接等综合性能的同时，还具有优异的耐蚀性能，可在环境腐蚀等级C1‑C3的大气环境下裸露使用，大大降低了支架全寿命周期的成本，环境污染小，资源消耗少，具有良好的应用价值。

权利要求

1.一种高强低成本光伏支架用耐候钢，其特征在于，所述耐候钢化学成分及其质量百分含量为：C≤0.10％，Si：0.02～0.50％，Mn：0.80～2.00％，P≤0.030％，S≤0.005％，Cr：

0.20～0.80％，Cu：0.20～0.60％，W：0.05～0.50％，Als：0.010～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中：以TB/T 2375进行168小时的周浸腐蚀试验，所得耐候钢的相对腐蚀速率≤45％；所述耐候钢的屈服强度≥690MPa，抗拉强度为820～920MPa，延伸率为≥18％，低温冲击功为≥

200J；

所述耐候钢的制备采用TMCP工艺，包括以下步骤：铸坯加热→粗轧→精轧→分段冷却→回火→冷却；具体为：精轧开轧温度在950～850℃，终轧温度在750～820℃；分段冷却时控制第一阶段：冷却速率为2～4℃/s，冷却至620‑680℃；第二阶段：冷却速率为20～35℃/s，使钢板快速冷却至100～300℃；回火温度在150～400℃，并在此温度下保温20～40min。

2.根据权利要求1所述的耐候钢，其特征在于，所述耐候钢中，按质量百分比计，W含量为0.05～0.20％。

3.根据权利要求1所述的耐候钢，其特征在于，所述耐候钢中，按质量百分比计，Si含量为0.05～0.20％。

4.根据权利要求1所述的耐候钢，其特征在于，所述高强低成本光伏支架用耐候钢，包括以下质量百分比的化学成分：C：0.03～0.06％，Si：0.05～0.20％，Mn：1.00～1.80％，P≤

0.010％，S≤0.005％，Cr：0.50～0.60％，Cu：0.30～0.50％，W：0.05～0.20％，Als：0.015～

0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。

5.一种权利要求1‑4任一项所述的高强低成本光伏支架用耐候钢的制备方法，其特征在于，采用TMCP工艺，包括以下步骤：铸坯加热→粗轧→精轧→分段冷却→回火→冷却；其中：精轧开轧温度在950～850℃，终轧温度在750～820℃；分段冷却时控制第一阶段：冷却速率为2～4℃/s，冷却至620‑680℃；第二阶段：冷却速率为20～35℃/s，使钢板快速冷却至

100～300℃；回火温度在150～400℃，并在此温度下保温20～40min。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，铸坯加热温度为1180～1270℃；粗轧开轧温度1060～1100℃，终轧温度930～970℃。

7.一种权利要求1‑4任一项所述的高强低成本光伏支架用耐候钢在光伏建筑或桥梁施工领域中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述耐候钢在环境腐蚀等级C1‑C3的大气环境下裸露使用。

说明书

一种高强低成本光伏支架用耐候钢及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于耐候钢技术领域，具体涉及一种高强低成本光伏支架用耐候钢及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 随着光伏产业的发展，光伏行业用钢量大幅增加，我国西北地区因其地域广阔、光照充足、建设成本低，成为了商用光伏电站的主要建设场所。目前在建的光伏支架普遍采用传统的热浸镀锌钢支架，但是采用传统的热浸镀锌钢支架由于环境污染大、工艺效率低、消耗大、质量水平低等问题已无法满足项目对工程造价的控制要求。

[0003] 同时材料腐蚀广泛存在于社会经济建设的各个领域，由腐蚀引起的各类事故触目惊心，并且对社会经济的发展造成严重地影响。我国每年腐蚀成本约占GDP的3.4％。光伏支架长期暴露在大气环境中，不同程度的腐蚀会对支架结构件产生不同程度的腐蚀损伤，从而影响其安全可靠性和耐久性。并且商用太阳能光伏电站较多建于戈壁荒野，风沙大，材料的韧性和耐磨性能也是必须考虑的因素。

[0004] 耐候钢支架由于其高耐蚀、成本低、更环保等优势正越来越多受到关注。耐候钢因其自重轻、维护成本低、建造效率高等优势早就在美国、日本和欧洲被用于钢结构。在美国，耐候钢的最大用途是建造桥梁，并扩大了裸露方式的使用，使用裸露耐候钢的建筑物达500座以上。在日本，从1965年开始，建筑物屋顶、百叶窗、钢骨、外装面板灯等外部部件开始裸露使用耐候钢。

[0005] 因此面对光伏行业绿色低碳、高强耐蚀的发展趋势，开发一种高强度、高耐蚀、低成本的光伏支架用耐候钢是光伏行业的迫切需求。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是针对传统热浸镀锌钢光伏支架环境污染大、工艺效率低、消耗大、强度低，以及支架在实际服役大气环境中的大气腐蚀、风沙侵蚀等问题，提供一种高强(屈服强度690MPa级)、低成本、高耐蚀的光伏支架用耐候钢及其制备方法和应用。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

[0008] 提供一种高强低成本光伏支架用耐候钢，所述耐候钢化学成分及其质量百分含量为：C≤0.10％，Si：0.02～0.50％，Mn：0.80～2.00％，P≤0.030％，S≤0.005％，Cr：0.20～0.80％，Cu：0.20～0.60％，W：0.05～0.50％，Als：0.010～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。

[0009] 按上述方案，所述耐候钢中，按质量百分比计，W含量为0.05～0.20％。

[0010] 按上述方案，所述耐候钢中，按质量百分比计，Si含量为0.05～0.20％。

[0011] 按上述方案，所述高强低成本光伏支架用耐候钢，包括以下质量百分比的化学成分：C：0.03～0.06％，Si：0.05～0.20％，Mn：1.00～1.80％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：0.50～0.60％，Cu：0.30～0.50％，W：0.05～0.20％，Als：0.015～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。

[0012] 按上述方案，以TB/T 2375进行168小时的周浸腐蚀试验，所得耐候钢的相对腐蚀速率≤45％。

[0013] 按上述方案，所述高强低成本光伏支架用耐候钢的屈服强度≥690MPa，抗拉强度为820～920MPa，延伸率为≥18％，低温冲击功为≥200J。

[0014] 本发明中各元素的作用：

[0015] 本发明的C含量选择在≤0.10％。C是提高钢的强度的有效元素，当碳含量较高时，如超过0.12％时，极易形成马氏体而恶化钢的低温韧性，抗拉强度也容易超出上限，对焊接性的影响更大。当钢中碳含量在0.10％(wt)以下时，钢的碳当量对焊接冷裂纹的敏感性不大，降低碳含量，还可有效提高钢的低温韧性。但是当碳含量太低时，如小于0.03％，会使钢板强度不足，钢中的硬相偏少，屈强比控制较为困难。C含量的优选在0.03～0.06％。

[0016] 本发明的Mn含量在0.80～2.00％，Mn是重要的强韧化元素，是奥氏体稳定化元素，能扩大铁碳相图中的奥氏体区，促进中温组织转变。较高含量的Mn极易在钢中产生严重的中心偏析，恶化钢的低温韧性，焊接时钢板HAZ容易产生裂纹，对于得到本发明钢的力学性能来讲，也是不必要的，而太低的Mn则容易降低钢的强度。Mn含量的优选在1.00～1.80％。

[0017] 本发明的P≤0.010％，较高含量的P会显著提高钢的耐候性，但也会降低钢的焊接性，增加钢的冷脆倾向，产生比较严重的中心偏析。

[0018] 本发明的S≤0.005％，较高含量的S会降低钢的耐蚀性、低温韧性、Z向性能。

[0019] 本发明的Si含量在0.02～0.50％，Si元素的添加能提高钢铁材料的耐蚀性能。在海洋环境中，钢基体中硅含量的增加能增加超顺磁α‑FeOOH的比例，增强锈层的保护能力从而降低碳钢的腐蚀速率。但是在工业大气环境中，Si元素在锈层中的主要存在形式为‑Fe2SiO4，其疏松多孔，不能阻止O2、HSO3等腐蚀介质的进入，最终将导致锈层保护能力减小，Si含量从0.2％增加到0.8％使得钢材出现耐蚀性恶化的现象。同时，由于其与氧的结合能力比铁强，在焊接时容易生成低熔点的硅酸盐，增加熔渣和融化金属的流动性，Si元素添加过多会降低钢材的焊接性能和降低冲击韧性。因此，本发明将Si的上限设定为0.20％，由于脱氧的原因，钢中会残留一定的Si，因此Si的下限设定为0.01％。考虑到屈强比、冲击功、延伸率等综合力性能，Si含量的优选在0.05～0.20％。

[0020] 本发明的Cu含量为0.20～0.60％，Cu能改善钢的淬透性，可以明显提高厚钢板的心部强度，也是重要的提高耐候性的元素，Cu元素通过在锈层的缝隙和孔洞等缺陷处富集改善锈层质量，但Cu的加入量大于0.50％时，钢板焊接热影响区韧性会降低，且在钢坯加热过程中易产生网裂。Cu含量的最佳优选为0.30～0.50％。

[0021] 本发明中Cr的含量为0.20～0.80％，适宜的Cr可以提高钢的强度，显著改善钢的耐候性，但是含量过高，如超过0.80％则易增加焊接难度，而Cr单独添加或者小于0.30％则不会形成钝化膜，不能降低钢基体的腐蚀诱发敏感性，且与传统的Ni、Cu元素相比，Cr的成本更低，耐蚀性提高更明显。Cr含量的优选在0.50～0.60％。

[0022] 本发明中W的含量为0.05～0.50％。传统耐候钢会添加Ni元素来提高耐蚀性能，但是，一般其添加量要达到一定量(海洋环境3％，工业大气环境1％)才能达到较好的耐蚀性能，且添加合金元素的吨钢成本Ni要远高于Cu和Cr(每添加0.1％，Ni的成本是Cu的2倍。Cr的5倍)，本发明用W取代Ni，其添加量在0.1％是就能在锈层中形成稳定的氧化钨而提高锈层的保护性。此外，商用太阳能光伏电站较多建于戈壁荒野，风沙大，风沙侵蚀较严重，W的熔点是所有金属中最高的，硬度也很高，常被用来生产热强和耐磨合金，通过添加适量W可以提高金属的耐风沙侵蚀性能。W含量的优选在0.05～0.20％。

[0023] 本发明还提供一种上述高强低成本光伏支架用耐候钢的制备方法，采用TMCP工艺，包括以下步骤：铸坯加热→粗轧→精轧→分段冷却→回火→冷却。

[0024] 按上述方案，

[0025] 精轧开轧温度在950～850℃，终轧温度在750～820℃；

[0026] 分段冷却时控制第一阶段：冷却速率为2～4℃/s，冷却至620‑680℃；第二阶段：冷却速率为20～35℃/s，使钢板快速冷却至100～300℃；

[0027] 回火温度在150～400℃，并在此温度下保温20～40min。

[0028] 按上述方案，铸坯加热温度为1180～1270℃。

[0029] 按上述方案，粗轧开轧温度1060～1100℃，终轧温度930～970℃。

[0030] 按上述方案，精轧开轧温度在920～870℃，终轧温度在770～810℃。

[0031] 按上述方案，回火温度在200～320℃，并在此温度下保温22～28min。

[0032] 本发明还提供了一种上述高强低成本光伏支架用耐候钢在光伏建筑或桥梁施工领域中的应用。

[0033] 按上述方案，所述耐候钢在环境腐蚀等级C1‑C3的大气环境下裸露使用。

[0034] 该高强低成本光伏支架用耐候钢采用TMCP工艺，降低了生产成本，缩短了生产周期；其中：

[0035] 控制精轧开轧温度在950～850℃，终轧温度在750～820℃；是由于过高的开轧温度容易导致混晶，过低的开轧温度不能保证有效终轧温度，当终轧温度过高或者过低时，不易生成所需的硬软复相组织，且钢的强韧性会造成影响。

[0036] 分段冷却时控制第一阶段：冷却速率为2～4℃/s，使钢中得到适宜的铁素体加贝氏体组织；第二阶段：冷却速率为20～35℃/s，使钢板快速冷却至100～300℃，保证基材硬相组织的转变。

[0037] 控制回火温度在150～400℃，并在此温度下保温20～40min，降低钢板残余应力，且屈强比不至于太高。

[0038] 本发明的有益效果如下：

[0039] 1.本发明提供了一种高强低成本光伏支架用耐候钢，采用W取代常规的昂贵耐蚀元素Ni，一方面大大降低了钢种的成本，另一方面提高了钢种抗风沙侵蚀的能力；同时降低Si的含量，不仅避免Si含量过高造成的耐蚀性恶化，也保证了钢种的力学、焊接等综合性能。所得耐候钢，其屈服强度≥690MPa，抗拉强度在850～950MPa，屈强比在0.72～0.80，提高强度的同时能够降低支架厚度，大大降低了单位支架的用钢量，显著降低成本，具有广泛的应用前景。

[0040] 2.本发明提供了一种高强低成本光伏支架用耐候钢，可在环境腐蚀等级C1‑C3的大气环境下裸露使用，与传统热镀锌光伏支架相比，大大降低了支架全寿命周期的成本，环境污染小，资源消耗少，具有良好的应用价值。

附图说明

[0041] 图1为本发明实施例6的金相组织图。

[0042] 图2为本发明实施例和对比例的耐蚀性试验结果。

具体实施方式

[0043] 为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

[0044] 实施例1‑6

[0045] 本发明实施例中高强低成本光伏支架用耐候钢的化学成分及其质量百分含量见表1。

[0046] 本发明实施例中进行高强低成本光伏支架用耐候钢制备采用TMCP工艺，包括以下步骤：铸坯加热→粗轧→精轧→分段冷却→回火→冷却；其中：

[0047] 铸坯加热温度为1250±20℃；

[0048] 粗轧开扎温度1080±20℃，终轧温度950±20℃；

[0049] 精轧开轧温度在900±20℃，终轧温度在790±20℃；

[0050] 分段冷却时控制第一阶段：冷却速率为2～4℃/s，冷却至650℃±20℃；第二阶段：冷却速率为20～35℃/s，使钢板快速冷却至100～300℃；

[0051] 回火温度在200～300℃，并在此温度下保温28min。

[0052] 对比例1‑2

[0053] 对比例1为普通钢Q345B；对比例2为传统耐候钢SPA‑H钢，其具体化学成分及其质量百分含量见表1。

[0054] 根据《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》TB/T 2375进行168小时的周浸腐蚀试验。各实施例及对比例1‑2的周浸腐蚀结果见下表1和图2。

[0055] 表1.实施例1‑6和对比例1‑2化学成分及周浸腐蚀对比

[0056]

[0057] 本发明实施例所得高强低成本光伏支架用耐候钢，相对普碳钢(Q345B)腐蚀速率降低60％，相对于传统耐候钢(SPA‑H)，耐蚀性能提高35％，其成本相对传统耐候钢(SPA‑H)降低15％，综合成本相对传统热镀锌光伏支架降低20％。

[0058] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。