CN104812505A - 高反射性扁钢产品的制法、产品和太阳能集中器反射镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造具有高反射性的扁钢产品的方法，该扁钢产品的表面具有小于0.03μm的粗糙度算术平均值Ra而且在该方法中，至少一个表面上具有粗糙度算术平均值Ra＜2.5μm的扁钢产品以多个轧制道次冷轧，经冷轧实现的总变形率为75-90％，该变形率随轧制道次递减，第一轧制道次中的轧制压力为200-800MPa而且最终轧制道次中的轧制压力为1000-4000MPa，该冷轧在40℃加入粘度为5-10mm2/s的轧制油的条件下进行，轧制速度＞200m/min而且至少在最终轧制道次中该冷轧通过粗糙度平均值Ra＜0.01μm的轧辊完成。随后，已冷轧的扁钢产品在保护气体环境中退火并干燥地精轧。本发明还涉及相应生产的扁钢产品和由这类扁钢产品制成的太阳能集中器。

Description

高反射性扁钢产品的制法、产品和太阳能集中器反射镜
技术领域
本发明涉及一种用于制造在太阳辐射区域内具有高反射性的扁钢产品的方法、相应获得的扁钢产品和用于太阳能集中器的反射镜部件。
背景技术
此处提到的扁钢产品只要没有其他说明都是指由碳素钢、不锈钢或优质钢制成的钢带或钢板以及由此制成的扁坯、板材毛坯和其他类似物。
此处提到的反射镜部件的类型例如使用在太阳能加热技术中，从而将照射在其上的阳光聚集成束并集中在运输载热介质的管子或者其他类似物上。通过使用这类所谓的“太阳能集中器”可以实现更高效地利用太阳能。在此，不仅要求反射镜部件在阳光照射区域中具有最佳的反射性而且这类反射镜部件还应能经受住使用中产生的机械荷载并能低成本地制造。
此处提到的反射镜部件类型使用在发电站技术中，例如使用在抛物槽式(Parabolrinnen)、菲涅耳式(Fresnel)、碟式-斯特林(Dish-Stirling)和塔式发电站。所有这些系统的共同点在于必须集中太阳辐射。
目前，太阳能集中器使用一面由银、铝和其他用于反射的组分蒸镀的玻璃载体。
与之替代地，例如在US 5,912,777中已知一种即使在高于500℃的温度下仍具有高反射性的扁钢产品，该扁钢产品可以通过抛光各个扁钢基底直到达到高反射性所需要的低粗糙度来制造。
当这里提到“粗糙度算术平均值Ra”是指按照DIN EN ISO 4287确定的数值。在抛光的扁钢产品表面中，该粗糙度算术平均值Ra不具有明显的优选方向。取而代之，该抛光的产品在表面上表现出一种特点为具有抛光时留下的加工痕迹的杂乱定向的表面结构。
与扁钢产品表面的抛光有关的花费相当高，因为为此不仅要使用专门设置的机器还必须经过非常长的加工时间。
因此已经进行了不同尝试来无需抛光地生成高光泽的钢材表面。例如JP 7155809 A、JP 199876109 A或JP 1992340706 A分别提出了使用平均粗糙度Ra在0.01-0.06μm范围内的高光泽抛光的轧辊冷轧板材。但是，以这种方式在扁钢产品上能够产生的表面数值在最好的情况下能达到粗糙度算术平均值Ra＝0.05μm。这样获得的表面的光泽和与之伴随的反射性通常不足以满足如今对于由这类扁钢产品制成的反射镜部件所提出的高要求。
发明内容
以上述现有技术为背景，本发明的目的在于提出一种以尽可能经济有效的方式生产扁钢产品的方法，该扁钢产品在完成轧制的状态下，即没有进行像抛光或磨削这样额外的精加工的情况下，具有一定的反射性可使相应生产的扁钢产品适于制造太阳能集中器或其他要求对阳光具有高反射性的应用。同样还提出了相应得到的扁钢产品和这类扁钢产品特别经济的应用。
针对方法，该目的按照本发明的解决方案在于，在制造具有高反射性的扁钢产品时完成权利要求1中说明的工艺步骤。
按照本发明、实现上述目的的扁钢产品具有权利要求10给出的特征，其中须强调的是，这些特征存在于完成精轧的，即没有进一步机械精加工的扁钢产品。按照本发明的方法特别适用于制造这类扁钢产品。
按照本发明的扁钢产品最理想经济性地用于制造太阳能集中器，其中在此应强调按照本发明的扁钢产品是在完成精轧的，即没有进一步机械加工的，特别是未抛光的状态下进行按照本发明的使用。
本发明出于以下认知，即当扁钢产品的表面具有极低的表面粗糙度，其粗糙度算术平均值Ra远小于0.1μm时，所涉及的扁钢产品表面具有高定向的反射。
为了产生这样平滑的、实现高光泽数值的表面，本发明提出了一种轧制策略，该轧制策略可以以传统的轧机机架进行并仍能得到最理想的适合的产品。在此，按照本发明的方法同样适用于由碳素钢或不锈钢制造扁钢产品。
按照本发明的方法的第一个工艺步骤a)中提供了一种最理想最高2.5mm厚的热轧或冷轧扁钢产品，其中，至少一个表面具有小于2.5μm的粗糙度算术平均值Ra。
这样获得的、特别是以卷材供应的初加工材料随后在工艺步骤b)中至少考虑到以下条件进行冷轧：
-冷轧分为多个阶段，即多个轧制道次进行。所需完成的轧制道次的数目取决于初始厚度和各个要求的最终厚度。在实施按照本发明的方法时典型地需要至少十个轧制道次，其中，通常进行至少十二个轧制道次。
-经冷轧实现的总变形率为75-90％。基于例如为2.5mm的典型初始厚度，冷轧后得到的带材的厚度在0.625-0.25mm的范围内。设置用来变形成为太阳能集中器的反射镜部件的扁钢产品在此这样冷轧，即在完成轧制的状态下例如厚度最大为0.4mm。
-冷轧时实现的变形率随轧制道次递减。因此，冷轧在第一轧制道次中具有高的、特别是至少为20％的变形率。然后，随后每个轧制道次调整为比各自上一个轧制道次低的变形率。在此，变形率最理想地分别以5-10％随轧制道次递减。即各个轧制道次的变形率等于上一个轧制道次变形率的90-95％。随后该扁钢产品在最终轧制道次中以最低的、特别是小于10％的变形率冷轧。
在此,各个轧制道次n中实现的变形率e的计算如下式:
en[％]＝(De-Da)/De
其中，De＝扁钢产品在进入轧制道次n之前的厚度而且Da＝扁钢产品在各个轧制道次n之后的厚度。
相应的，经过整个轧制过程实现的、扁钢产品冷轧前的厚度De与冷轧结束之后的厚度Da之间的差值与厚度Da的比值称为总变形率eg。
-轧制压力根据加工材料的强度这样调整，即轧制压力在第一轧制道次中为200-800MPa而且在最终轧制道次中为1000-4000MPa。例如，由材料编号1.4301的钢材制成的扁钢产品中当总变形率为84％时，轧制压力在第一轧制道次中为400MPa而且在最终轧制道次中为1600MPa。
-在40℃加入粘度为5-10mm2/s的轧制油进行冷轧。
-冷轧期间冷轧速度大于200m/min。通过这种方式在各个冷轧道次期间可在轧辊和扁钢产品之间保持有均匀的轧油膜。
为了赋予该扁钢产品要求的最小表面粗糙度，最后至少在最终冷轧道次中，最理想在最后四个冷轧道次中，通过轧辊进行冷轧，在轧辊与轧制品接触的圆周面上具有的粗糙度算术平均值Ra低于扁钢产品的各个表面所要求的平均粗糙度，典型的为小于0.01μm。在此，该轧辊可以多次更换。适宜的是，可以在倒数第二个或最后四个道次中将轧辊更换为平均粗糙度Ra≤0.01μm、专门准备的轧辊。换辊之前所使用的轧辊的粗糙度算术平均值Ra可以例如在0.08μm或更低的范围内。
按照本发明的方法在实际中可以在常规的20-辊轧机机架上进行。
在工艺步骤c)中，为了软化得到的冷轧带材例如在传统的光亮退火装置中进行冷轧带材退火处理。该退火在氢含量大于50％的保护气体环境中进行。在扁钢产品由具有大于10.5重量％的Cr含量的不锈钢构成的情况下，在此水蒸气与氢气的分压比p(H2O)/p(H2)＜10-4，而在Cr含量最高为10.5重量％的钢材中分压比p(H2O)/p(H2)＜10-3就足够。
在工艺步骤d)中，已退火并按照本发明冷轧的扁钢产品例如在双轧辊机架中分一个或多个，特别是两个轧制道次精轧。精轧时所实现的变形率为0.5-2％。通常，精轧用于消除突出的屈服极限，该屈服极限在退火处理之后出现并可能导致所谓的“变形线(Lüder’scheLinien)”。在此，为了在很小的变形率下实现精轧的效果，精轧应干燥地进行。双轧辊预先磨光并且在其与轧件接触的表面上通常具有小于0.03μm的粗糙度算术平均值Ra。
以按照本发明的方式冷轧的扁钢产品在完成精轧的状态下在其至少一个面上具有小于0.03μm，特别是小于0.02μm的粗糙度算术平均值Ra。按照本发明的扁钢产品的本质特征在于，平均粗糙度Ra具有明显的平行于冷轧的轧制方向的优选方向。因此，按照本发明完成精轧的扁钢产品可以借助表面形貌图像清楚地辨认出轧制方向。
已令人意外的显示，可以产生按照本发明的扁钢产品，该扁钢产品在精轧后已经具有按照DIN 67530确定的、大于1200光泽单位的光泽和大于60％的定向反射，其中，通常在实际中定向反射达到大于80％，特别是大于90％。因此，按照本发明的扁钢产品具有的反射性至少等于传统方式制造并抛光的扁钢产品的反射性。
按照本发明的扁钢产品与传统冷轧并随后抛光的扁钢产品之间的另一个显著差异在于，抛光的扁钢产品表面明显比按照本发明的扁钢产品的表面更硬。因此，按照本发明的扁钢产品在其反射面上具有典型的小于4Gpa，特别是小于3.5Gpa的表面硬度。以传统方式抛光的扁钢产品更高的表面可以通过抛光过程引起的表面的冷作硬化解释，因为抛光是在重结晶退火之后才进行。
为了进一步提高反射性可以在按照本发明制造并获得的扁钢产品上涂覆反射涂层系统。
涂层的涂覆可以例如借助真空气相沉积法，特别是以连续涂层法涂覆。在此，该涂层包含至少一个例如由一种或多种元素“Al、Ag、Sn”组成的反射层。因此，该板材可以涂覆由Al-Ag合金、Sn、Sn-Al合金或Sn-Ag合金组成的涂层。物理气相沉积(PVD)法、磁控溅射、电子束蒸镀和其他类似方法可以作为气相沉积法。
如果有需要为了长时间稳定地保护按照本发明获得的扁钢产品用作反射面的表面不受到腐蚀，可以在扁钢产品上选择性地或在增加反射性的涂层上补充地涂覆有机或无机的涂层(“顶层”)。
例如SnO2、In2O3、Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2还有非晶涂层系统，像是例如由SnO2/B2O3硼硅玻璃、SiO2/P2O5硅磷酸盐玻璃或B2O3/P2O5硼磷酸盐玻璃所组成的玻璃，可以用作具有隔离作用的无机涂层。在此，还可以借助PVD法进行涂覆，优选通过溅射或原子层沉积，还可以借助湿化学法进行涂覆，像是通过旋涂(Spin-Coating)或浸渍涂布(Dip-Coating)的溶胶-凝胶涂层。
同样还可以考虑用作保护涂层的旋涂玻璃系统作为顶层，该系统中有机硅或有机硼化合物首先借助旋涂或浸渍涂布进行涂覆并随后热分解为厚的玻璃涂层。该方法在可能连续地借助卷材涂层进行涂覆时具有优势。
另外，像Si：O：C：H涂层(等离子聚合物)的混合涂层系统也可以适用于借助CVD法涂覆。
由透明清漆组成的有机的顶层涂层系统同样提供了连续涂层的可能性。
以上述方式获得并涂覆的顶层保护反射面不受腐蚀并同时不被磨损。
附图说明
随后借助实施例进一步说明本发明。附图示出了
图1以图表示出了三个扁钢产品样品在太阳波谱范围中经波长分布的定向反射，
图2示出了按照本发明轧制的扁钢产品样品的表面形貌，
图3示出了已抛光的扁钢产品样品的表面形貌，
图4以图表示出了按照本发明冷轧的扁钢产品样品在单纯冷轧状态下和在涂覆涂层之后在太阳波谱范围中经波长分布的定向反射，
图5以图表示出了在生产按照本发明的扁钢产品时连续进行冷轧的轧制道次示意图。
具体实施方式
为了产生以钢带形式、用于制造太阳能集中器的反射镜部件的扁钢产品是以卷材形式使用的初加工材料，其中该初加工材料涉及热轧、去氧化皮的热轧带材。该2.5mm厚的初加工材料由根据材料号1.4301标准化的钢材组成而且具有按照DIN EN ISO4287确定的小于2.4μm的粗糙度算术平均值Ra。
该初加工材料在二十辊单机架中经十二阶轧制成最终厚度为0.4mm。因此，经冷轧实现的总变形率eg为eg＝(2.4-2)/2.4＝83％。
在第一轧制道次中，以大于20％的变形率e1轧制。在随后进行的十一个轧制道次中，变形率相对以5％和10％之间随道次递减，从而在冷轧的最终道次中以小于10％的变形率e12轧制(图5)。
在前八个轧制道次中的轧辊在其与待冷轧的扁钢产品接触的圆周面上具有80nm的粗糙度算术平均值Ra。对于九、十、十一、十二轧制道次，二十辊轧机机架的轧辊换为专门准备的、粗糙度算术平均值Ra小于10nm的轧辊。
轧制压力在十二个轧制道次中平均为1600MPa。
每个冷轧工艺步骤都是在40℃加入粘度为8mm2/s的轧制油的条件下进行。为了在轧辊与扁钢产品之间保持足够的轧油膜，以大于200m/min的轧制速度轧制。
这样获得的冷轧扁钢产品在光亮退火装置中在氢含量大于50％的保护气体环境中进行冷轧带材退火处理，其中，水蒸气与氢气的分压比p(H2O)/p(H2)小于10-4。
随后，在双轧辊机架中该已退火的冷轧带材在两个道次中以150t的轧制力干燥地，即在没有油或轧制乳化液的条件下精轧。双轧辊在其与扁钢产品接触的圆周面上具有20nm的粗糙度算术平均值Ra。
对于两个按照本发明、以上述方式加工的扁钢产品样品E1、E2，表1给出了借助原子力显微镜确定的粗糙度数值、借助白光干涉仪确定的粗糙度数值和处于精轧后状态的定向反射。表1中同样记录了以传统方式生产的、其待测表面抛光的对比样品V的数值用来对比。
表1
粗糙度Ra[μm] 粗糙度Ra[μm] 定向反射
白光干涉仪 原子力显微镜 无涂层
El 0.023 0.012 63.3
E2 0.015 0.012 64.4
V - 0.004 65.4
在太阳光谱范围中定向反射的测量结果逐个在图1中示出(样品E1：实线，样品E2：虚线，对比样品V:实线)。已显示，按照本发明生产的样品在以冷轧、未抛光的状态下经精轧之后已经具有反射性，该反射性基本等于花费高昂地首先轧制并随后抛光的对比样品的反射性。
能够证明按照本发明轧制的扁钢产品与用于对比的高度抛光的样品之间关于粗糙度有明显的差异。借助形貌图片(见图2)可以明确地辨认出各个扁钢产品冷轧的轧制方向。因此，图2中能够清楚地确定特征为线形的粗糙度的优选方向。相反的，用于对比的抛光的样品V不存在这样的优选方向(图3)。
为了研究通过涂覆涂层如何继续提高按照本发明生产的扁钢产品样品的反射性，按照本发明生产的扁钢产品样品E1借助电子束物理气相沉积设置有90-100nm厚的银涂层。通过该涂层，在太阳光谱范围中的定向反射提高至大约93％并以此达到了传统的玻璃反射镜的等级。图4中，按照本发明的产品E1在涂层前的反射性通过虚线示出，而涂层后的反射性通过实线示出。
最后，还通过纳米压痕测量研究了样品E1、E2和V的反射面的硬度。在此，抛光的对比样品中表现出明显更高的硬度。测量的结果总结在表2中。
表2

Claims (15)

1.一种用于制造具有高反射性的扁钢产品的方法，所述扁钢产品中的至少一个表面具有小于0.03μm的粗糙度算术平均值Ra，所述方法包括以下工艺步骤：
a)准备扁钢产品，所述扁钢产品中至少一个表面具有小于2.5μm的粗糙度算术平均值Ra；
b)以多个轧制道次冷轧所述扁钢产品，
-其中，经所述冷轧实现的总变形率为75-90％，
-其中，变形率随轧制道次递减；
-其中，第一轧制道次中的轧制压力为200-800MPa且最终轧制道次中的轧制压力为1000-4000MPa；
-其中，所述冷轧在40℃加入粘度为5-10mm2/s的轧制油的条件下进行；
-其中，在所述冷轧期间冷轧速度大于200m/min；
-其中，所述冷轧至少在最终轧制道次中通过轧辊完成，所述轧辊与轧件接触的圆周面具有小于0.01μm的粗糙度算术平均值Ra；
c)在氢含量大于50体积％的保护气体环境中将获得的冷轧扁钢产品退火；
以及
d)已退火的扁钢产品以0.5-2％的精轧率干燥地进行精轧；
e)精轧之后可选择性为处于经精轧状态的扁钢产品涂覆反射涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在工艺步骤a)中提供的所述扁钢产品的厚度最高为2.5mm。
3.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，冷轧之后获得的所述扁钢产品的厚度最高为0.4mm。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，工艺步骤b)中的所述冷轧至少分十个阶段进行。
5.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，工艺步骤b)中的变形率分别以5-10％随轧制道次递减。
6.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，工艺步骤b)中所述冷轧的第一轧制道次的变形率至少为20％。
7.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，工艺步骤b)中所述冷轧的最终轧制道次的变形率小于10％。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，工艺步骤b)中所述精轧通过轧辊完成，所述轧辊与轧件接触的表面具有小于0.03μm的粗糙度算术平均值Ra。
9.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，可选择进行的工艺步骤e)中通过真空气相沉积法在所述扁钢产品上涂覆涂层。
10.一种具有高反射性的扁钢产品，所述扁钢产品在完成精轧的状态下在其至少一个面上具有
-小于0.03μm的粗糙度算术平均值Ra，以及平行于冷轧的轧制方向取向的优选方向，
-按照DIN 67530确定的＞1200光泽单位的光泽，而且
-＞60％的定向反射。
11.根据权利要求10所述的扁钢产品，其特征在于，所述扁钢产品在至少一个表面具有小于0.02μm的粗糙度算术平均值。
12.根据权利要求10或11所述的扁钢产品，其特征在于，所述扁钢产品在至少一个表面具有＜4GPa的表面硬度。
13.根据上述权利要求中任意一项所述的扁钢产品，其特征在于，所述扁钢产品通过根据权利要求1至9中任意一项设置的方法制成。
14.根据权利要求10至13中任意一项所述的扁钢产品，其特征在于，所述扁钢产品由Cr含量至少为10.5重量％的不锈钢制成。
15.一种用于太阳能集中器的反射镜部件，所述反射镜部件由根据权利要求11至14中任意一项设置的扁钢产品制成。
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