一种光伏支架用高强高耐候性钢及其制造方法与流程

1.本发明属于耐候钢技术领域，具体涉及一种光伏支架用高强高耐候性钢及其制造方法。


背景技术：

2.光伏支架是确保太阳能板高效、稳定、安全运行的主体结构，对系统起到支撑和保护作用，在直面自然环境侵蚀中容易腐蚀失效。为此，光伏支架用钢主要采用低级别钢种(如q345)热镀锌而成，生产流程长、污染严重，并且强度低、镀层容易剥落，无法满足光伏项目全寿命周期要求，后期还需定期维护、翻新。因此，低强度、低寿命、高污染、高成本已经成为制约光伏支架用钢的瓶颈。
3.光伏行业已成为绿色低碳发展的新赛道，节能环保材料的研发和应用迫在眉睫，耐候钢在光伏行业的应用必将成为一种趋势。而现有的光伏支架用耐候钢并不能很好的兼顾高耐候性能、高强度、高服役寿命和低成本。有的成本太高，添加大量昂贵的mo、nb、v、ni等合金。有的钢材耐腐蚀性能、屈服强度、抗拉强度等力学性能达不到实际应用的要求。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种光伏支架用高强高耐候性钢及其制造方法，结合高耐候钢和高强度钢的工艺技术，采用高cr实现高耐候性能，采用高ti析出强化经济地获得高强度，并克服高合金导致的铁素体相变与ti析出强化的矛盾，克服成分调整对铸坯质量的影响，实现了相比普通耐候钢“强度翻番、寿命翻番”，同时又具有高延伸高成形性能的优势。
5.为解决本发明所提出的技术问题，本发明提供一种光伏支架用高强高耐候性钢，其化学成分及重量百分比含量为：c：0.06～0.08％，si：0.15～0.25％，mn：0.45～0.55％，p：≤0.015％，s：≤0.003％，cu：0.2～0.3％，als：0.02～0.05％，ti：0.09～0.12％，cr：2.4～2.6％，n≤0.005％，b≤0.0005％，nb≤0.01％，v≤0.015％，ni≤0.1％，mo≤0.1％，余量为fe及不可避免的夹杂。
6.优选地，所述光伏支架用高强高耐候性钢的化学成分及重量百分比含量为：c：0.065～0.075％，si：0.18～0.22％，mn：0.48～0.53％，p：≤0.012％，s：≤0.002％，cu：0.23～0.28％，als：0.02～0.03％，ti：0.1～0.11％，cr：2.45～2.55％，n≤0.004％，b≤0.0004％，nb≤0.008％，v≤0.008％，ni≤0.05％，mo≤0.05％，余量为fe及不可避免的夹杂。
7.上述方案中，所述光伏支架用高强高耐候性钢的屈服强度为680～780mpa，抗拉强度为800～900mpa，断后延伸率a≥15％，腐蚀速率仅为q345b钢的40％以下，服役寿命可达25年以上。
8.本发明还提供一种光伏支架用高强高耐候性钢的制造方法，包括以下步骤：
9.1)铁水经kr脱硫预处理，控制铁水中s含量≤0.001％；
10.2)铁水经转炉冶炼，转炉终点温度为1620～1645℃，控制终点钢水o含量为0.04～0.06％，c含量≤0.045％，b含量≤0.0001％；
11.3)转炉出钢加铝铁脱氧完全，控制钢水als含量为0.015～0.035％，并按照钢的化学成分进行合金化；出钢下渣量≤40mm；
12.4)钢水经吹氩站底吹氩气，控制钢水中als含量为0.03～0.05％；
13.5)钢水经lf炉深脱硫处理，lf冶炼时间≤40min，出站控制钢水中s含量≤0.002％，b含量≤0.0003％，als含量为0.03～0.05％；
14.6)钢水经rh真空循环脱气，真空度≤20pa，真空循环时间30～38min，真空结束温度1549～1559℃；
15.7)钢水连铸成坯，连铸过程钢水过热度6～11℃，中间包温度1525～1530℃，拉坯速度0.9～1.4m/min；
16.8)板坯加热后轧制、卷取，得到光伏支架用高强高耐候性钢。
17.上述方案中，所述合金化过程添加的铬铁为低硼低碳铬铁，其含cr量为57～58％，含b量≤0.001％，含c量为0.2～0.25％，添加量为吨钢43～48kg。
18.上述方案中，所述lf炉的钢包渣线处采用低硼镁碳砖，所述低硼镁碳砖的含b量≤0.2％。
19.上述方案中，所述lf炉深脱硫处理的脱硫前期造渣加入铝粒，当钢水s含量降低至0.002％以下时改喂铝线。
20.上述方案中，所述连铸过程采用锥度为1.2～1.24％的结晶器，所述结晶器的宽面冷却水流量为3250～3450l/min，窄面冷却水流量为610～630l/min。
21.上述方案中，所述连铸过程采用的结晶器保护渣为超低碳钢专用渣，其碱度为0.86～0.96，粘度为0.38～0.48pa
·
s(温度在1300℃时)，熔点为1130～1190℃。
22.上述方案中，所述板坯加热的温度为1280～1320℃；所述轧制过程在1100～1140℃结束粗轧，在870～910℃结束终扎；卷取温度为600～640℃。
23.本发明各组分及其含量范围主要依据以下原理：
24.c：常规强化元素，可以提高屈服强度和抗拉强度，但是碳太高会降低塑性和冲击韧性。较适宜的碳的添加量为0.06～0.08％，优选的0.065～0.075％。
25.mn：锰固溶于铁素体中，使临界温度升高，极大降低了钢的马氏体转变温度和钢中相变的速度，提高钢的淬透性增加残留奥氏体含量，使得钢的调质组织均匀、细化，但是锰太高了会增大钢的过热敏感性和回火脆性。较适宜的锰添加量为0.45～0.55％，优选的0.48～0.53％。
26.si：炼钢过程中可以作为还原剂和脱氧剂，可以提高钢的强度和硬度，含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面将形成一层sio2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化能性，但是硅不宜过高，会降低塑性和焊接性能，较适宜的硅的添加量为0.15～0.25％，优选的0.18～0.22％。
27.cr：可显著提高钢的强度、硬度，提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。铬可在钢的表面形成较为致密的保护层，起到保护基体的作用，有效提高钢耐候性能。但钢中铬含量过高时，会使钢板的韧性恶化，降低钢的可焊接性能。较适宜的铬添加量为2.4～2.6％，优选的2.45～2.55％。
28.cu：能显著提高钢的耐腐蚀性能，能提高钢的强度而对焊接性能没有不利影响，但是含量较高时，对热变形加工不利，在热变形加工时导致铜脆现象。较适宜的铜添加量为0.2～0.3％，优选的0.23～0.28％。
29.ti：钛是强铁素体形成元素之一，使奥氏体相区缩小。钛含量较高时，形成tife2并弥散析出，可以析出强化使得钢的强度较常规支架钢的强度翻倍。钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，是一种良好的脱氧去气剂和固定氮、碳的有效元素。钛和碳形成tic稳定性高，tic微粒可阻止钢晶粒长大粗化，有细化晶粒的作用。但是钛含量太高时，会降低钢的韧性。较适宜的钛的添加量为0.09～0.12％，优选的0.1～0.11％。
30.al：铝与氧和氮有很强的亲和力，是炼钢时脱氧定氮剂。铝可以缩小钢中的奥氏体相区。铝可细化钢的本质晶粒，提高钢晶粒粗化的温度。但是当钢中的固溶金属铝含量过高时，奥氏体晶粒反而容易长大粗化。较适宜的铝的添加量分别为0.02～0.05％，优选的0.02～0.03％。
31.b：对于光伏支架用钢来说，钢板中微量的b会导致钢板在焊接后的焊缝硬度高，使得光伏支架用钢长期服役时容易引起疲劳裂纹，严重影响服役寿命。且焊接过程也容易出问题。因此本发明要求b≤0.0005％，优选的b≤0.0004％。
32.本发明的目的是低成本的情况下同时获得高强度和高耐候性。本发明添加的ti元素较高，ti析出强化使得钢的强度提高一倍，成本较低。添加较高的cr和cu元素来实现钢板的高耐候性。但是，cr、cu、ti含量都较高时，容易导致铁素体相变，和ti析出强化是矛盾的，因为常规ti强化原理是钛溶于γ和α相或者奥氏体相形成固溶体达到固溶强化的目的，其弊端是当钛含量较高时降低钢的韧性，当钛含量低时固溶强化又达不到所需的高强度。
33.为了克服这一矛盾，在提高耐候性的同时达到显著的强化效果，区别于固溶强化，通过ti的相间析出强化来实现，当ti达到0.09～0.12％时，能使析出物的结构完整且密度较高，能有效的限制塑性加工过程中位错的运动，在铁素体中，析出相在γ铁向α铁转变过程中，合金碳化物不断在迁移的奥氏体和铁素体界面聚集的结果，使得特殊碳化物平行于γ/α界面程排列出现，晶粒细化的铁素体相和特殊碳化物平行于γ/α界面排列共同作用，同时控制一定碳化物体积分数下碳化物的层间距、颗粒间距和碳化物半径，可以使钢的强度提高。
34.本发明对制造工艺的调控主要依据以下原理：
35.本发明制造过程中的难点在于控制钢水中的b含量。1)转炉冶炼过程中，转炉顶底复吹利用转炉吹氧强脱硼作用，在强氧化作用下使得钢水中的硼被充分氧化以氧化产物进入渣中，控制钢水中的b≤0.0001％。2)转炉出钢过程中严格控制下渣量≤40mm。3)由于本发明钢含铬量高，合金化过程中铬铁合金的添加量较大，合金含有一定的b杂质元素导致钢水增b元素，所以选择低硼低碳铬铁防止铬铁合金的大量添加使钢水中的硼和碳含量超标。4)虽然转炉出钢过程中严格控制下渣量，仍然会有一部分转炉渣进入钢包，钢水经lf炉深脱硫处理过程中，会有一部分硼回到钢水中使钢水增硼，控制渣中的硼返回钢水中是难点，所以造还原渣脱硫采用铝粒，铝粒在脱硫前期加入，当硫脱至0.002％以下时，采用喂丝机喂铝线直接穿过渣层，避免加铝粒时经过渣层造成渣中的b元素进一步还原至钢水中。5)控制钢包渣线处镁碳砖含硼元素的添加剂用量，使镁碳砖含b≤0.2％，防止钢包炉冶炼钢水时，钢包渣线侵蚀严重造成镁碳砖的分解，将其所含硼元素带入钢水造成钢水增b，并控制
lf炉冶炼时间≤40分钟，减少钢水对钢包渣线的侵蚀。最终控制lf炉生产结束时钢水中的b≤0.0003％。
36.本发明制造过程中的另一难点在于控制铸坯质量。本发明钢含有较高的ti含量，ti与n、o有很大的亲和力极易形成tin和tio2夹杂，在冶炼的过程中形成的非金属夹杂物不容易分离、上浮而去除，从而影响钢水纯净度，连铸坯容易产生铸坯纵向裂纹，边部裂纹，偏析，表面结疤、凹坑等缺陷，容易使铸坯报废。因此，一方面严格控制真空精炼的过程工艺参数，可以降低钢中的氮含量，脱除有害杂质及气体，提高钢水的纯净度，从而提高钢的强度及耐候性；另一方面严格控制连铸稳态浇铸的各项参数，采用高碱度、高粘度、高熔点的结晶器保护渣，采用低过热度和低拉速，可以显著降低铸坯的质量缺陷。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
38.本发明结合高耐候钢和高强度钢的工艺技术，采用高cr实现高耐候性能，采用高ti析出强化经济地获得高强度，并克服高合金导致的铁素体相变与ti析出强化的矛盾，克服成分调整对铸坯质量的影响，实现了相比普通耐候钢“强度翻番、寿命翻番”，同时又具有高延伸高成形性能的显著优势，获得的光伏支架用高强高耐候性钢的屈服强度为680～780mpa，抗拉强度为800～900mpa，断后延伸率a≥15％，腐蚀速率仅为q345b钢的40％以下，服役寿命可达25年以上。
具体实施方式
39.为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
40.以下实施例中，合金化过程添加的铬铁为低硼低碳铬铁，其含cr量为57.6％，含b量为0.0008％，含c量为0.23％；而对比例中，合金化过程添加的铬铁为中碳铬铁，其含cr量为53.7％，含b量为0.004％，含c量为1％。
41.以下实施例中，lf炉钢包渣线处采用低硼镁碳砖，其含b量为0.15％；而对比例中，lf炉钢包渣线处采用中硼镁碳砖，其含b量为0.8％。
42.实施例1-10和对比例1-2
43.各实施例和对比例钢的化学成分及重量百分比含量见表1和表2。
44.表1钢的化学成分一(wt，％)
45.序号csimnpscualsti实施例10.0650.160.470.0080.00120.20.0220.09实施例20.070.180.480.0140.00150.220.030.095实施例30.0750.20.50.0090.00090.230.0250.1实施例40.080.170.510.0130.0010.240.0180.102实施例50.0680.220.520.0110.0020.250.020.105实施例60.0620.250.530.0120.00220.260.0280.108实施例70.060.230.460.0150.00250.20.0320.11实施例80.0720.210.490.0120.00180.270.0350.115实施例90.0780.180.540.010.00280.290.0380.118实施例100.0760.150.550.0080.00110.30.040.12
对比例10.0950.10.250.0280.0050.150.0050.001对比例20.10.40.450.0260.0090.350.060.002
46.表2钢的化学成分二(wt，％)
47.序号crnbnbvnimo实施例12.40.00350.000320.0020.0030.0120.010实施例22.420.0040.000380.0010.0040.0110.011实施例32.440.00450.00040.0030.0010.0080.006实施例42.450.00410.000370.0040.0020.0150.008实施例52.50.00460.000350.0020.0030.0130.013实施例62.520.00380.000280.0010.0020.0070.007实施例72.540.00430.000460.0030.0050.0060.012实施例82.550.00370.000490.0040.0020.0050.005实施例92.580.00480.000360.0010.0030.0040.009实施例102.60.0050.00050.0030.0040.010.014对比例11.50.00650.0010.0020.0050.0140.015对比例25.50.0080.00150.0030.0040.020.021
48.各实施例钢的制造方法，包括以下步骤：
49.1)铁水经kr脱硫预处理，控制铁水的s含量；
50.2)铁水经转炉冶炼，控制转炉终点温度，以及终点钢水的o、c、b含量；
51.3)转炉出钢加铝铁脱氧完全，控制钢水als含量；并按照钢的化学成分进行合金化，合金化过程添加低硼低碳铬铁；控制出钢下渣量；
52.4)钢水经吹氩站底吹氩气，控制钢水als含量；
53.5)钢水经lf炉深脱硫处理，lf炉钢包渣线处采用低硼镁碳砖；脱硫前期造渣加入铝粒，当钢水s含量降低至0.002％以下时改喂铝线；控制lf冶炼时间，以及出站钢水的s、b、als含量；
54.6)钢水经rh真空循环脱气，控制真空度、真空循环时间和真空结束温度；
55.7)钢水连铸成坯，结晶器保护渣采用超低碳钢专用渣，相对于普通保护渣具有更高的粘度、碱度和熔点；
56.8)板坯加热后轧制、卷取，得到光伏支架用高强高耐候性钢。
57.各对比例钢的制造过程与实施例相同，不同之处在于对参数的控制。各实施例和对比例的主要工艺参数见表3-6。
58.表3制造过程中对铁水/钢水成分含量的控制(wt，％)
[0059][0060]
表4连铸过程中结晶器及结晶器保护渣相关参数
[0061][0062][0063]
表5制造过程中其他工艺参数一
[0064][0065]
表6制造过程中其他工艺参数二
[0066][0067]
对各实施例和对比例钢的性能参数进行测试，其中，为了表征钢的耐候性能，按照tb/t 2375-1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》开展周期浸润腐蚀试验，将试样交替地浸入腐蚀介质和暴露在空气中，模拟钢材在服役环境中的腐蚀行为，测定其失重率即腐蚀速率，具体地，采用50mm
×
25mm
×
3mm的试样，浸润溶液为3.5％nacl溶液，其余试验条件与tb/t 2375-1993一致，试验周期为72h，测试结果见表7。
[0068]
表7性能测试结果
[0069][0070]
从表7可以看出，本发明光伏支架用高强高耐候性钢相比目前常规光伏支架用钢q345级钢，实现了“强度翻番”，q345b钢裸钢服役寿命一般仅10年左右，会因为锈蚀、腐蚀等原因而终止服役，而本发明钢的腐蚀速率仅为q345b钢的40％以下，因此本发明钢裸钢服役寿命可长达25年以上，实现了“寿命翻番”。
[0071]
上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光伏支架用高强高耐候性钢，其特征在于，其化学成分及重量百分比含量为：c：0.06～0.08％，si：0.15～0.25％，mn：0.45～0.55％，p：≤0.015％，s：≤0.003％，cu：0.2～0.3％，als：0.02～0.05％，ti：0.09～0.12％，cr：2.4～2.6％，n≤0.005％，b≤0.0005％，nb≤0.01％，v≤0.015％，ni≤0.1％，mo≤0.1％，余量为fe及不可避免的夹杂。2.根据权利要求1所述的光伏支架用高强高耐候性钢，其特征在于，其化学成分及重量百分比含量为：c：0.065～0.075％，si：0.18～0.22％，mn：0.48～0.53％，p：≤0.012％，s：≤0.002％，cu：0.23～0.28％，als：0.02～0.03％，ti：0.1～0.11％，cr：2.45～2.55％，n≤0.004％，b≤0.0004％，nb≤0.008％，v≤0.008％，ni≤0.05％，mo≤0.05％，余量为fe及不可避免的夹杂。3.根据权利要求1所述的光伏支架用高强高耐候性钢，其特征在于，其屈服强度为680～780mpa，抗拉强度为800～900mpa，断后延伸率a≥15％，腐蚀速率仅为q345b钢的40％以下，服役寿命可达25年以上。4.一种如权利要求1-3任一项所述的光伏支架用高强高耐候性钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)铁水经kr脱硫预处理，控制铁水中s含量≤0.001％；2)铁水经转炉冶炼，转炉终点温度为1620～1645℃，控制终点钢水o含量为0.04～0.06％，c含量≤0.045％，b含量≤0.0001％；3)转炉出钢加铝铁脱氧完全，控制钢水als含量为0.015～0.035％，并按照钢的化学成分进行合金化；出钢下渣量≤40mm；4)钢水经吹氩站底吹氩气，控制钢水中als含量为0.03～0.05％；5)钢水经lf炉深脱硫处理，lf冶炼时间≤40min，出站控制钢水中s含量≤0.002％，b含量≤0.0003％，als含量为0.03～0.05％；6)钢水经rh真空循环脱气，真空度≤20pa，真空循环时间30～38min，真空结束温度1549～1559℃；7)钢水连铸成坯，连铸过程钢水过热度6～11℃，中间包温度1525～1530℃，拉坯速度0.9～1.4m/min；8)板坯加热后轧制、卷取，得到光伏支架用高强高耐候性钢。5.根据权利要求4所述的光伏支架用高强高耐候性钢的制造方法，其特征在于，所述合金化过程添加的铬铁为低硼低碳铬铁，其含cr量为57～58％，含b量≤0.001％，含c量为0.2～0.25％，添加量为吨钢43～48kg。6.根据权利要求4所述的光伏支架用高强高耐候性钢的制造方法，其特征在于，所述lf炉的钢包渣线处采用低硼镁碳砖，所述低硼镁碳砖的含b量≤0.2％。7.根据权利要求4所述的光伏支架用高强高耐候性钢的制造方法，其特征在于，所述lf炉深脱硫处理的脱硫前期造渣加入铝粒，当钢水s含量降低至0.002％以下时改喂铝线。8.根据权利要求4所述的光伏支架用高强高耐候性钢的制造方法，其特征在于，所述连铸过程采用锥度为1.2～1.24％的结晶器，所诉结晶器的宽面冷却水流量为3250～3450l/min，窄面冷却水流量为610～630l/min。9.根据权利要求4所述的光伏支架用高强高耐候性钢的制造方法，其特征在于，所述连铸过程采用的结晶器保护渣为超低碳钢专用渣，其碱度为0.86～0.96，粘度为0.38～
0.48pa
·
s，熔点为1130～1190℃。10.根据权利要求4所述的光伏支架用高强高耐候性钢的制造方法，其特征在于，所述板坯加热的温度为1280～1320℃；所述轧制过程在1100～1140℃结束粗轧，在870～910℃结束终扎；卷取温度为600～640℃。

技术总结
本发明属于耐候钢技术领域，公开了一种光伏支架用高强高耐候性钢及其制造方法。其化学成分及重量百分比含量为：C：0.06～0.08％，Si：0.15～0.25％，Mn：0.45～0.55％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Cu：0.2～0.3％，ALs：0.02～0.05％，Ti：0.09～0.12％，Cr：2.4～2.6％，N≤0.005％，B≤0.0005％，Nb≤0.01％，V≤0.015％，Ni≤0.10％，Mo≤0.10％，余量为Fe及不可避免的夹杂。本发明结合高耐候钢和高强度钢的工艺技术，采用高Cr实现高耐候性能，采用高Ti析出强化经济地获得高强度，并克服高合金导致的铁素体相变与Ti析出强化的矛盾，克服成分调整对铸坯质量的影响，实现了相比普通耐候钢“强度翻番、寿命翻番”，同时又具有高延伸高成形性能的显著优势。成形性能的显著优势。


技术研发人员：邓伟 杨新泉 李慕耘 唐树平 孙振 卢震亚
受保护的技术使用者：武汉钢铁有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/23