一、研究的背景與問題

光伏支架和高速公路護欄是支撐行業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，2024年中國新增光伏容量216GW，新增高速公路通車里程約0.64萬公里。按照每MW光伏用鋼35噸以及每公里高速公路護欄用鋼90噸測算，兩個行業(yè)2024年用鋼量超過800萬噸。

傳統(tǒng)的光伏電站支架與高速公路護攔主要采用厚度為1.5~6.0 mm的熱浸鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)件，鋅層厚度為55 ~80μm，強度級別普遍為Q235和Q355級別。

為了保證光伏支架在C5環(huán)境使用壽命達到25年以上，熱浸鍍鋅鍍層厚度要達到140μm。然而，這一要求需要在高溫鋅液中進行長時間浸鍍，導致鍍層脆性明顯增大，同時帶來制造效率下降、鋅耗上升和廢氣排放增多等問題，存在極大的生產(chǎn)技術(shù)難度。同時，熱浸鍍鋅的酸洗環(huán)節(jié)增加了高強鋼的氫脆風險，并且長時間熱浸鍍會明顯惡化鋼材的力學性能。此外熱浸鍍鋅的噸鋼制造成本高、污染排放量大的局限性，進一步制約了其使用環(huán)境。這些因素都限制了高強鋼在光伏支架和公路護欄等領(lǐng)域的應(yīng)用，導致光伏支架的承載能力難以提升，公路護欄的安全碰撞性能也難以進一步提高。傳統(tǒng)使用的批量熱浸鍍鋅熱軋結(jié)構(gòu)鋼材料已經(jīng)難以滿足光伏、公路護欄等綠色化長壽化的發(fā)展需求。

為了解決熱浸鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)件壽命短、成本高、強度不足的問題，國外開發(fā)了高耐蝕鋅鋁鎂合金鍍層。該鍍層的耐蝕性能達到熱浸鋅的3到5倍，鍍層厚度能夠減少50%到三分之二，并能夠用于制造高強度結(jié)構(gòu)鋼。然而，目前高耐蝕熱基鋅鋁鎂鍍層的制造和應(yīng)用還面臨以下的問題：

1）在C5高腐蝕環(huán)境下實現(xiàn)25年服役壽命面臨顯著挑戰(zhàn)。歐洲某鋼鐵企業(yè)提出，鋅鋁鎂鍍層重量需超過600 g/m2（約85微米）才能滿足要求，但如此厚重的鍍層易導致表面均勻性差，增加了生產(chǎn)工藝的復雜性和制造難度。與此同時，日本和韓國的鋼鐵企業(yè)目前尚無法提供鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品在C5環(huán)境中的服役壽命保證，這進一步凸顯了在高腐蝕環(huán)境下實現(xiàn)長期可靠防護的技術(shù)瓶頸。因此，開發(fā)兼顧高耐蝕性、均勻性和工藝可行性的鍍層技術(shù)，仍是當前行業(yè)亟待突破的關(guān)鍵問題。

2）鋅鋁鎂鍍層對鋼板切口位置的保護作用尚未有明確的量化評估，其在實際應(yīng)用中的耐蝕性能仍存在不確定性。因此，國外鋼鐵企業(yè)普遍建議用戶對鋼板切口進行后處理防護，例如涂覆專用防腐涂料或密封劑，以增強切口的耐蝕性并延長使用壽命。這一要求雖然能夠確保產(chǎn)品在嚴苛環(huán)境下的長期可靠性，但是增加了用戶的加工步驟和成本。

3）為確保高頻焊縫位置的耐蝕性能滿足用戶要求，韓國鋼鐵企業(yè)提出在焊縫區(qū)域噴涂厚度不低于80μm的AlZn涂層。然而，較厚的噴涂層存在顯著的技術(shù)難點：一方面，厚涂層與基材的粘附性較差，易出現(xiàn)剝離問題；另一方面，噴涂過程中容易產(chǎn)生內(nèi)部氣孔缺陷，影響涂層的致密性和耐蝕性。此外，噴涂工藝對操作精度要求較高，進一步增加了技術(shù)難度和生產(chǎn)成本。這些問題限制了該工藝的大規(guī)模應(yīng)用，亟需通過材料優(yōu)化和工藝改進來提升涂層質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

4）厚規(guī)格鋅鋁鎂鍍層在生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)表面圓點缺陷，這種缺陷不僅影響產(chǎn)品外觀，還難以滿足用戶對高表面質(zhì)量的嚴格要求。

5）公路護欄碰撞試驗對700 MPa級鋅鋁鎂鍍層高強鋼的性能提出了嚴格要求，其中伸長率需不低于20%。然而，目前歐洲鋼鐵企業(yè)開發(fā)的700 MPa級高強鋼的伸長率普遍低于10%，無法滿足這一需求。與此同時，日本和韓國鋼鐵企業(yè)的高強鋼開發(fā)仍主要集中在550 MPa級別，尚未實現(xiàn)700 MPa級高強鋼的技術(shù)突破。這一性能差距限制了高強鋼在公路護欄等安全關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用，也凸顯了高強鋼在強度與塑性協(xié)同提升方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。

6）鋅鋁鎂鍍層高強鋼的高頻焊熱影響區(qū)域容易出現(xiàn)液態(tài)金屬脆性（LME）裂紋。針對這一缺陷，各國鋼鐵企業(yè)提出了不同的解決方案。韓國鋼鐵企業(yè)認為，450MPa及以上強度級別的鋅鋁鎂鍍層高強鋼難以完全避免LME裂紋，因此不建議在該強度級別使用高強鋼。日本鋼鐵企業(yè)則建議在焊接前先去除焊縫區(qū)域的鍍層，以降低LME裂紋風險；而歐洲鋼鐵企業(yè)推薦采用激光焊接替代高頻焊接，從而減少熱影響區(qū)的脆性開裂。然而，這些解決方案均在一定程度上增加了工藝復雜性和生產(chǎn)成本，限制了鋅鋁鎂鍍層高強鋼的廣泛應(yīng)用。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

以滿足厚規(guī)格高耐蝕鋅鋁鎂鍍層的使用需求為目標，圍繞鋅鋁鎂鍍層鋼的研發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)和批量應(yīng)用三個階段展開系統(tǒng)性攻關(guān)。在鋅鋁鎂鍍層的研發(fā)階段，重點解決了鋅鋁鎂鍍層“成分-組織-耐蝕性”之間的作用機制，以及高頻焊熱影響區(qū)LME裂紋的形成機理的基礎(chǔ)科學問題；在工業(yè)生產(chǎn)階段，構(gòu)建鋅鋁鎂鍍層在大氣中使用壽命預測模型，建立了鋅鋁鎂鍍層對鋼板切口保護效果的定量評估指標，并成功消除了厚規(guī)格鍍層的圓點缺陷，開發(fā)了700MPa級別兼具高塑性的高強鋼產(chǎn)品；在大批量應(yīng)用階段，突破了抗焊接LME裂紋的焊接技術(shù)，提升了焊縫防腐耐蝕性能的熱噴涂工藝，形成了一套完整的熱基高耐蝕鋅鋁鎂鍍層鋼制造與應(yīng)用成套技術(shù)體系，為鋅鋁鎂鍍層鋼的規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

主要技術(shù)方案如下：

1、鋅鋁鎂鍍層的腐蝕機制與組織設(shè)計：通過實驗室微觀分析技術(shù)，研究了不同Al含量鋅鋁鎂鍍層的微觀組織，并結(jié)合微區(qū)電化學技術(shù)，揭示了腐蝕初期及長期腐蝕過程中鍍層組織的演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，鍍層中的富鋁相、富鋅相及鎂鋅化合物之間存在同相和異相電偶效應(yīng)，闡明了不同相組織離子遷移能力對耐蝕性的影響機制，并提出了全新的組織控制思路。

2、鋅鋁鎂鍍層的壽命預測模型：通過大氣暴露實驗，研究了鋅鋁鎂鍍層在不同腐蝕環(huán)境中的行為，發(fā)現(xiàn)其耐蝕性優(yōu)勢隨環(huán)境惡劣程度增加而提升?；趯嶒灁?shù)據(jù)，建立了鋅鋁鎂鍍層與純鋅鍍層腐蝕速率比值與大氣腐蝕強度的連續(xù)函數(shù)關(guān)系，并結(jié)合ISO標準，構(gòu)建了鋅鋁鎂鍍層的大氣壽命預測模型。該模型為鋅鋁鎂鍍層在不同環(huán)境中的使用壽命評估提供了可靠依據(jù)。

3、鋅鋁鎂鍍層對鋼板斷口保護效果的定量評估參數(shù)：通過實驗室加速腐蝕實驗，系統(tǒng)研究了鋅鋁鎂鍍層鋼板斷口腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)了斷口腐蝕程度的演變規(guī)律以及鍍層重量、鋼板厚度、鍍層面積對斷口保護效果的影響規(guī)律?；谝陨辖Y(jié)果，提出了定量參數(shù)用于評估鋅鋁鎂鍍層對鋼板斷口的保護效果，為鍍層設(shè)計與應(yīng)用提供了科學依據(jù)。

4、鋅鋁鎂鍍層焊縫防護技術(shù)：通過仿真計算，系統(tǒng)分析了高頻焊后余熱在空間和時間上的分布與演變規(guī)律，并基于此開發(fā)了一種無需額外設(shè)備投資的熱噴涂工藝技術(shù)，實現(xiàn)了高效、低成本的焊縫防護，顯著提升了鋅鋁鎂鍍層焊縫的耐蝕性和使用壽命。

5、厚規(guī)格鋅鋁鎂鍍層圓點缺陷發(fā)生機制與控制技術(shù)：通過對圓點缺陷的系統(tǒng)分析，明確了其形成的不同科學機理，并提出了針對鋅鋁鎂鍍層凝固段的控制目標與工藝優(yōu)化方案。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了分段冷卻控制技術(shù)，并開發(fā)了配套的冷卻設(shè)備，顯著降低了圓點缺陷的降級率，顯著提升了鍍層表面質(zhì)量與產(chǎn)品合格率。

6、抑制鍍層高強鋼高頻焊過程LME裂紋控制技術(shù)：通過系統(tǒng)研究，明確了鍍層高強鋼焊接過程中鋅鍍層發(fā)生LME裂紋的不同階段，并深入分析了焊接環(huán)境對熔池鋅液表面狀態(tài)的影響?；诖?，創(chuàng)新性提出了一種惰性氣體保護焊接技術(shù)，并開發(fā)了配套設(shè)備，成功將高強鋼焊接LME裂紋的開裂率降低到近零水平，顯著提升了焊接質(zhì)量和產(chǎn)品可靠性。

7、700MPa級別護欄用熱基鋅鋁鎂鍍層高強鋼：基于“熱軋-酸洗-退火”制造流程，綜合運用三種強化機制，設(shè)計了各制造階段的強化工藝路線。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，成功開發(fā)出高塑性700MPa級別高強鋼，其性能完全滿足高速公路護欄的設(shè)計要求，為高強鋼在交通安全領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可靠解決方案。

三、主要創(chuàng)新性成果

針對鋅鋁鎂鍍層腐蝕壽命精確評價、高強高塑性熱基鋅鋁鎂高強鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)等一系列共性難題，對鍍層成分和組織設(shè)計、鍍層腐蝕模型、高頻焊技術(shù)、熱基鋅鋁鎂鍍層高強鋼等進行了研究，開發(fā)了熱基高耐蝕中鋁鋅鋁鎂鍍層用鋼的生產(chǎn)工藝、裝備技術(shù)以及應(yīng)用技術(shù)，主要創(chuàng)新點如下：

1、研究發(fā)現(xiàn)鋅鋁鎂鍍層中存在同相和異相電偶效應(yīng)，揭示了不同相組織離子遷移能力差異對鍍層耐蝕性的影響機制，提出了全新的組織控制思路，并優(yōu)化設(shè)計了最佳鍍層成分，使鍍層重量不超過600 g/m2的鋅鋁鎂鍍層在C5高腐蝕環(huán)境下能夠滿足25年服役壽命要求。同時，建立了鋅鋁鎂鍍層大氣壽命的精確預測模型，為鍍層性能評估和應(yīng)用提供了科學依據(jù)；

2、研究明確了厚規(guī)格鋅鋁鎂鍍層表面圓點缺陷的成因，即偽共晶組織的形成，并闡明了偽共晶組織來源于兩種鍍層凝固過冷機制?；诖耍_發(fā)了鍍層分段冷卻控制工藝，有效抑制了凝固過程中發(fā)達共晶組織的析出。結(jié)合冷卻設(shè)備的優(yōu)化改進，成功降低了厚規(guī)格鋅鋁鎂鍍層表面圓點缺陷的降級率，顯著提升了鍍層表面質(zhì)量與產(chǎn)品合格率；

3、開發(fā)了成套焊接工藝，有效抑制了焊接過程中LME裂紋的產(chǎn)生，同時極大提升了熱噴涂涂層與基體的結(jié)合強度。該工藝使鋅鋁鎂鍍層高強鋼的焊接開裂率接近零，并確保焊縫在C5高腐蝕環(huán)境下滿足25年防腐壽命要求，顯著提升了產(chǎn)品的可靠性和耐久性；

4、開發(fā)了基于“熱軋-酸洗-退火”工藝流程的高塑性熱基鋅鋁鎂鍍層高強鋼組織調(diào)控技術(shù)。通過優(yōu)化工藝參數(shù)與組織設(shè)計，成功實現(xiàn)了700 MPa級熱基鋅鋁鎂高強鋼的斷后伸長率不低于20%，顯著提升了材料的綜合力學性能，為高強鋼在公路護欄領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可靠保障。

與國外先進鋼鐵企業(yè)相比，首鋼開發(fā)的熱基鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品在C5高腐蝕環(huán)境中實現(xiàn)25年使用壽命所需的鍍層重量不超過600 g/m2。

此外，厚規(guī)格產(chǎn)品的表面圓點缺陷發(fā)生率顯著優(yōu)于行業(yè)水平。首鋼還成功開發(fā)了700 MPa級別熱基鋅鋁鎂鍍層高強鋼，其延伸率不低于20%。

四、應(yīng)用情況與效果

項目開發(fā)的熱基高耐蝕鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品累計供貨量突破200萬噸，在國內(nèi)排名前十的光伏支架制造企業(yè)中市場占有率位居前茅。

其中，厚規(guī)格高強度鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于光伏支架立柱、檁條等關(guān)鍵部件的制造，憑借優(yōu)異的耐蝕性和力學性能，成功滿足了智利、沙特、阿聯(lián)酋等多個海外光伏項目的用鋼需求，獲得光伏電站用戶的高度認可。

此外，項目開發(fā)的熱基鋅鋁鎂高強減薄產(chǎn)品，為公路護欄設(shè)計提供了高強輕量化解決方案，顯著延長了護欄的使用壽命，贏得了用戶的廣泛好評。該產(chǎn)品不僅提升了公路護欄的安全性能，還降低了材料成本和維護費用，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

信息來源：首鋼集團有限公司