熱基鋅鋁鎂鍍層材料在光伏支架領(lǐng)域的應(yīng)用

供稿|張樹亮 / ZHANG Shu-liang

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鋅鋁鎂鍍層鋼板產(chǎn)品是在傳統(tǒng)熱鍍純鋅鍍層產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，在鍍液中添加適量的Al、Mg以及其他微量合金元素得到的合金鍍層產(chǎn)品。因其具有良好的耐腐蝕、耐磨損、切口自愈能力和低摩擦因數(shù)等特性，在眾多領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用前景。本文從光伏支架中鋼材的使用現(xiàn)狀出發(fā)，對熱基鋅鋁鎂材料的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述，分析了熱基鋅鋁鎂材料在光伏支架中應(yīng)用的優(yōu)勢和的可行性，發(fā)現(xiàn)熱基鋅鋁鎂材料直接采用酸洗后的熱軋板為原料，可生產(chǎn)規(guī)格更厚的產(chǎn)品，更好地滿足光伏行業(yè)的需求。

光伏支架是太陽能光伏電站的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要包括地面光伏電站支架、漂浮光伏電站支架、棚式光伏電站支架和屋面光伏電站等。光伏電站支架根據(jù)光伏電站分布情況可分為分布式光伏支架、聯(lián)排式光伏支架等；根據(jù)結(jié)構(gòu)又可分為固定光伏支架和跟蹤光伏支架等；根據(jù)用途可分為漁光互補和牧光互補等特色光伏支架產(chǎn)品。

碳達峰、碳中和時間表吹響了隨著全球能源轉(zhuǎn)型、綠色低碳行動的推進號角，國內(nèi)五家電力央企提出在新能源“十四五”發(fā)展規(guī)劃中提到預(yù)期新裝機光伏發(fā)電15000萬kW。按照太陽能發(fā)電100萬kW用光伏支架需要鋼材4萬t統(tǒng)計，光伏電站建設(shè)量如此龐大，鋼材需求量也會隨之不斷增加，僅國內(nèi)五家電力央企在未來5年的光伏支架鋼材需求量就在600萬t左右。鑒于光伏電站所處的沙漠、灘涂、戈壁等地區(qū)環(huán)境惡劣的情況，具有優(yōu)良耐蝕性的熱基鋅鋁鎂材料有望被大量應(yīng)用到光伏支架的制作中[1-4]。基于此，本文從光伏支架中鋼材的使用現(xiàn)狀出發(fā)，對熱基鋅鋁鎂材料的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述，分析了熱基鋅鋁鎂材料在光伏支架中應(yīng)用的優(yōu)勢和的可行性。

光伏支架中鋼材的使用現(xiàn)狀

光伏電站一般建在沿海灘涂、沙漠、戈壁和水面等環(huán)境惡劣的區(qū)域，根據(jù)“NB∕T 10115—2018 光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程”的描述，光伏電站的光伏支架設(shè)計使用年限應(yīng)不少于25年，因此對光伏支架的防腐性能要求非常高。

光伏支架主要由支架基礎(chǔ)、立柱、主梁、檁條、斜梁和支架配件等部分構(gòu)成，除支架基礎(chǔ)的地樁采用厚度為4~12 mm熱浸鍍鋅Q235和Q335材料以外，其他部件基本采用1.5~8.0 mm熱浸鍍鋅Q235和Q335材料。隨著高強鋼的應(yīng)用，部分光伏支架開始使用S350GD、S420GD等材料替代，厚度一般為1.5~5.0 mm。目前，國內(nèi)大部分光伏項目支架防腐方式為熱軋帶鋼經(jīng)冷彎成形和酸洗后進行熱浸鋅處理，鋅層厚度要求不低于60 μm，這種方式的成本包含熱軋帶鋼成本、熱浸鋅成本和零件倒運運費，成本較高，而且光伏支架材料通過熱浸鋅之前需要經(jīng)過清洗、酸洗等處理程序，對環(huán)保設(shè)備設(shè)施要求較高，一般熱浸鋅鍍鋅廠無法達到環(huán)保要求，從而造成嚴重的環(huán)境污染。

把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局要求促使光伏新能源行業(yè)迅猛發(fā)展，導致光伏支架需求量也顯著增加，使用傳統(tǒng)材料浸鋅導致的環(huán)境、鋅耗、運輸?shù)瘸杀締栴}日益突出。因此在光伏支架的選材上迫切需要一種高強度、耐腐蝕、環(huán)境管理可控的材料替換傳統(tǒng)材料。

熱基鋅鋁鎂材料的發(fā)展與應(yīng)用

鋅鋁鎂鍍層鋼板產(chǎn)品是在傳統(tǒng)熱鍍純鋅鍍層產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過在鍍液中添加適當?shù)腁l、Mg以及其他微量合金元素，得到的合金鍍層產(chǎn)品。根據(jù)Al含量的不同分為低、中、高鋁鋅鋁鎂材料，例如以歐洲鋼廠蒂森 ZM EcoProtect?、奧鋼聯(lián)Corrender?等為代表采用的低鋁成分。鋅鋁鎂鍍層材料由于Al、Mg合金元素的協(xié)同作用，使得這種熱鍍鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品相比純鋅鍍層具有更突出的特性，主要包括①切口耐腐蝕性能：鋅鋁鎂切口位置的耐蝕性遠高于傳統(tǒng)純鋅鍍層；②平面耐腐蝕性能：中性鹽霧試驗鋅鋁鎂鍍層是傳統(tǒng)純鋅鍍層的3~7倍，大氣長期腐蝕鋅鋁鎂鍍層能達到純鋅鍍層的2倍；③低摩擦因數(shù)：鋅鋁鎂鍍層的摩擦因數(shù)比純鋅鍍層低15%；④耐磨損性能：鋅鋁鎂鍍層的硬度是純鋅鍍層的3倍左右。

近年來，鋅鋁鎂鍍層材料的開發(fā)和應(yīng)用一直受世界各國的重視，其成分體系和應(yīng)用范圍不斷發(fā)展。1985年日本鋼鐵研究中心研制開發(fā)了Zn-4.5%Al-0.1%Mg鍍層鋼板，商品名為SuperZinc。到20世紀90年代，日新制鋼公司開發(fā)出Zn-6%Al-3%Mg合金鍍層，商品命名為ZAM。2000年日本新日鐵公司開發(fā)出Zn-Al-Mg-Si高耐蝕性鍍層鋼板，其商品名為Super Dyma。隨后歐洲蒂森、塔塔、奧鋼聯(lián)等也紛紛開發(fā)熱鍍鋅鋁鎂專利產(chǎn)品——不同于日本以建筑用為主的“中鋁”熱鍍鋅鋁鎂產(chǎn)品，歐洲的鋅鋁鎂鍍層成分均為“低鋁”設(shè)計，以汽車用鋼為主攻方向。2013年澳大利亞博思格公司開發(fā)生產(chǎn)了高鋁鋅鋁鎂成分體系，并命名為“Next Generation ZINCALUME”，以建筑用鋼為主。國內(nèi)各大鋼廠也自主研發(fā)了各自成分體系的鋅鋁鎂產(chǎn)品，根據(jù)基材不同和鍍層成分的不同分別應(yīng)用于汽車、家電和建筑等領(lǐng)域。

與冷基鋅鋁鎂材料相比，熱基產(chǎn)品直接以酸洗后的熱軋板為原料，可生產(chǎn)規(guī)格更厚的產(chǎn)品，可更好地滿足光伏行業(yè)的需求。由于減少了冷軋工序，熱基產(chǎn)品生產(chǎn)流程更短、成本更低、綠色節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢更加明顯。

熱基鋅鋁鎂材料在光伏支架應(yīng)用中的優(yōu)勢

(1) 降低成本。傳統(tǒng)光伏支架采用熱軋黑帶經(jīng)加工成型后浸鋅處理，后浸鋅加工費用約為2200元/t，加工后要對沖孔位置進行修整，同時增加運輸成本。熱基鋅鋁鎂材料在熱軋基礎(chǔ)上通過連續(xù)鍍鋅方式進行加工，同等級防腐能力鋅層減薄后材料自身成本降低約800元/t，同時減少沖壓廠到鍍鋅廠之間往返的運輸成本。

(2) 減少污染，利于環(huán)保。首鋼熱基鋅鋁鎂材料直接采用熱軋基材進行酸洗后熱鍍鋅處理，減少冷軋軋制環(huán)節(jié)，同時首鋼作為目前河北地區(qū)惟一環(huán)保評級A+級企業(yè)，對比傳統(tǒng)小規(guī)模后浸鋅廠環(huán)保技術(shù)和設(shè)施先進，對環(huán)境保護起到積極作用。

(3) 熱基鋅鋁鎂材料具有自愈性。熱基鋅鋁鎂材料在使用過程中切口或者劃傷位置經(jīng)過氧化形成水鋅礦對紅銹位置進行包裹達到防銹的作用，目前首鋼熱基鋅鋁鎂材料切口和表面中性鹽霧試驗已達到4000 h無紅銹，如圖1和圖2所示。

圖1 不同厚度熱基鋅鋁鎂材料經(jīng)4000 h表面中性鹽霧試驗結(jié)果：(a)1.5 mm；(b)3.0 mm

圖2 不同厚度熱基鋅鋁鎂沖孔處經(jīng)4000 h表面中性鹽霧試驗結(jié)果：(a)1.5 mm；(b)3.0 mm

(4) 熱基鋅鋁鎂鍍層材料性能穩(wěn)定，可提高材料強度達到材料輕量化需求，避免出現(xiàn)熱軋黑帶經(jīng)成型后熱鍍鋅造成材料強度降低的情況出現(xiàn)。同時材料規(guī)格尺寸便于控制，便于光伏支架標準化、批量化生產(chǎn)。

結(jié)束語

首鋼熱基鋅鋁鎂材料以其良好的表面質(zhì)量、穩(wěn)定的性能、良好的環(huán)保性以及低成本的優(yōu)勢已用于光伏行業(yè)并逐步被各電力公司認可，同時也為鋼廠和電站業(yè)主帶來良好的經(jīng)濟效益，因此熱基鋅鋁鎂材料值得大力推廣和廣泛使用。