CN116121665A - 一种650MPa级光伏支架用高耐候钢及其制备方法 - Google Patents

一种650MPa级光伏支架用高耐候钢及其制备方法 Download PDF

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CN116121665A CN202211644423.8A CN202211644423A CN116121665A CN 116121665 A CN116121665 A CN 116121665A CN 202211644423 A CN202211644423 A CN 202211644423A CN 116121665 A CN116121665 A CN 116121665A
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Abstract

本发明提供一种650MPa级光伏支架用高耐候钢及其制备方法。本发明化学成分按重量百分比为：C：≤0.08％，Si：0.20％～0.30％，Mn：0.40％～0.60％，P：≤0.02％，S：≤0.010％，Cu：0.20％～0.40％，Cr：2.50％～3.00％，Ni：0.20％～0.30％，Nb：0.005％～0.015％，Ti：0.050％～0.090％，N：≤0.0050％，其余为Fe及不可避免的杂质。通过本发明制备的方法制备的热轧钢卷，抗拉强度≥650MPa，耐候指数I≥8.0。成型性能及焊接性能良好、强度高、耐腐蚀性能优异，应用于光伏支架可显著提升光伏支架的使用寿命，降低光伏支架成本和劳动强度。

Description

一种650MPa级光伏支架用高耐候钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种650MPa级光伏支架用高耐候钢及其制备方法。
背景技术
光伏发电是一种绿色环保产业，以其无污染、无噪声、维护简单等特点显示出无比广阔的发展空间和应用前景，是最具潜力的能源开发领域。光伏支架是光伏发电装置的一个重要支撑保护结构。为了防止光伏支架的腐蚀，目前大多采用Q235和Q355材质钢板卷或轻质型材加工后镀锌使用。但热镀锌产品在生产时会造成污染，大幅度增加了治理成本。
高强度耐候钢是光伏支架的理想产品，目前国内生产光伏支架耐候钢普遍采用加入较高含量的V、Nb、Ni等贵重合金元素，以达到提高强度和耐腐蚀性的目的，但是增加了生产成本，且强度还不够高，耐蚀性能还不够好。因此，研发一种低成本的具有高强度、高耐蚀性的650MPa级光伏支架用耐候钢具有十分重要的意义。
对比相关专利文献，CN113528949A公开了一种550MPa级太阳能支架用热轧钢卷及其生产方法：采用Nb-V微合金化提高强度，且强度级别较低，从低温冲击性能测试要求可知钢板较厚(≥5mm为半尺寸，≥10mm为半尺寸)，生产的光伏支架成本高，且施工劳动强度大。
CN114438411A公开了一种光伏支架用耐候钢及其生产方法：采用Nb-Ti微合金化提高强度，且强度级别较低，抗拉强度：420～600MPa，从低温冲击性能测试要求可知钢板较厚(≥5mm为半尺寸，≥10mm为半尺寸)，生产的光伏支架成本高，且施工劳动强度大，耐蚀性能较差，耐候指数为6.37-6.60，实施例贵重金属Ni含量较高(0.015％)，S含量极低(0.001％、0.002％)，冶炼脱S成本较高。
CN113652599A公开了一种高强耐腐抗寒热轧钢卷及其生产方法和应用：采用V-Ti微合金化提高强度，且强度级别较低，实施例中抗拉强度：425～480MPa；钢板较厚(3mm-16mm)，生产的光伏支架成本高，且施工劳动强度大；C：0.15％～0.20％含量高，焊接性能差；Mn:0.025％～0.055％，含量太低，锰硫比太低，工业生产会产生边部裂纹；耐蚀性能很差，耐候元素仅含Cu:0.10％～0.20％、Cr:0.30％～0.60％，不能满足裸用25-30年光伏支架寿命周期。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种650MPa级光伏支架用高耐候钢及其制备方法，本发明采用Ti合金化和微量铌，不添加贵重金属钒，合金成本较低，通过控制纳米级析出提高强度，光伏支架用钢厚度仅1.5mm-4.0mm，轻量化减重达25％以上，同时降低运输成本和施工劳动强度；通过添加较多的铬提高耐蚀性能，耐候指数达到8.0以上，耐蚀性能优异，可以裸用，使用寿命更长；成分设计合理，生产成本较低，生产难度小，便于工业生产。本发明采用的技术手段如下：
一种650MPa级光伏支架用高耐候钢，其化学成分按重量百分比为：C：≤0.08％，Si：0.20％～0.30％，Mn：0.40％～0.60％，P：≤0.02％，S：≤0.010％，Cu：0.20％～0.40％，Cr：2.50％～3.00％，Ni：0.20％～0.30％，Nb：0.005％～0.015％，Ti：0.050％～0.090％，N：≤0.0050％，其余为Fe及不可避免的杂质。
为实现本发明的目的，本发明还公开了一种技术方案，即一种650MPa级光伏支架用高耐候钢的生产方法，其生产步骤与现有热轧带钢生产步骤基本相同，包括热轧、冷却、卷取步骤：
所述热轧步骤中精轧入口厚度为30mm～40mm，精轧开轧温度为980℃～1080℃，热轧步骤中终轧温度为880℃～920℃；冷却步骤中层流冷却为前段冷却；卷取步骤中的温度为600℃～660℃，厚度为1.5mm～4.0mm。
本发明的各化学组分的选用原理及含量、主要工序的设计原因如下：
碳：碳是钢中有效的强化元素，可以溶入基体中起到固溶强化的作用，且能够与铌、钛结合形成碳化物析出粒子，起到细晶强化和沉淀强化的作用，因此提高碳含量对提高强度有利。但是过高的碳含量会在钢中形成较多粗大脆性的碳化物颗粒，对塑性和韧性不利，碳含量过高还容易在钢板中心形成偏析带，对弯曲性能、成形性能等不利，同时过高的碳含量会增加焊接碳当量和焊接裂纹敏感指数，不利于焊接加工；因此本发明中C的取值范围设定为≤0.08％。
硅：硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，有利于细化锈层组织，降低钢整体的腐蚀速率，但含量过高会降低钢的塑性和韧性，使轧制时除磷困难，还会导致焊接性能下降；因此本发明中Si的取值范围设定为0.20％～0.30％。
锰：锰具有较强的固溶强化作用，能显著降低钢的相变温度，细化钢的显微组织，是重要的强韧化元素，但Mn含量过多时连铸过程容易产生铸坯裂纹，同时可能造成钢板心部成分偏析，还会降低钢的焊接性能；因此本发明中Mn的取值范围设定为0.40％～0.60％。
磷和硫：磷和硫元素会对钢板组织性能产生不利影响，虽然磷元素能有效提高钢的耐大气腐蚀性能，但磷含量过高会显著降低钢的塑性及低温韧性，而硫会形成硫化物夹杂使钢的性能恶化，同时腐蚀过程中易形成孔蚀扩展，对腐蚀性能有不利影响；因此本发明中P和S的取值范围设定为P≤0.02％，S≤0.010％。
铜：铜加入钢中有利于在钢的表面形成致密的、粘附性好的非晶态氧化物(烃基氧化物)保护层，耐蚀作用明显；另外，铜与硫生成难溶的硫化物，从而抵消S对钢耐蚀性的有害作用；但是铜含量过高时，由于铜的熔点较低，低于钢坯加热温度，析出的铜呈液态聚集于奥氏体晶界处，当析出的铜含量达到一定程度后，容易在加热或热轧时产生裂纹；另外，根据耐大气腐蚀性指数I的计算公式，铜含量过小或过大都将减小I的计算值；因此本发明中Cu的取值范围设定为0.20％～0.40％。
铬：铬对改善钢的钝化能力具有显著效果，可促使钢表面进行致密的钝化膜或保护性锈层，其在锈层内的富集能有效提高锈层对腐蚀性介质的选择性透过特性；但是铬含量过高会使生产成本提高；因此本发明中Cr的取值范围设定为2.50％～3.00％。
镍：镍加入钢中，将显著提高钢材的耐蚀性能，同时镍与铜元素形成含Ni的富铜相，并以固态保留在外氧化层中，降低基体中铜的富集量，减少液态富铜相形成的机会，从而避免热脆缺陷发生，因此一般控制钢中Ni/Cu≥1/2；但过高的镍会增大氧化皮的粘附性，压入钢中会在表面形成热轧缺陷，且镍为贵重金属，镍含量过高将显著增加钢材合金成本；因此本发明中Ni的取值范围设定为0.20％～0.30％。
铌：铌能钉扎奥氏体晶界从而阻止晶粒长大，最终细化晶粒，有利于提高强度、塑性、屈服点延伸率和冲击韧性；但细晶强化使屈服强度上升更明显，导致屈强比升高，且铌含量过高增加生产成本；因此本发明中Nb的取值范围设定为0.005％～0.015％。
钛、氮：钛与碳、氮形成的Ti(C,N)析出物，能够有效细化奥氏体晶粒、以及抑制焊接过程中粗晶区的组织粗化，同时可产生析出强化效果：提高Ti元素含量可提高Ti(C,N)析出物体积分数，增强细晶强化和析出强化效果，但是钛或氮元素含量过高容易形成微米级的TiN，导致成形性能、疲劳性能下降，且氮含量过高会增加钢的时效倾向及冷脆性和热脆性，损害钢的焊接性能和冷弯性能；因此本发明中Ti的取值范围设定为0.050％～0.090％，N的取值范围设定为≤0.0050％。
所述热轧步骤中精轧开轧温度为980℃～1080℃，温度太低，轧制节奏太慢，生产效率低。温度太高，轧制过程二次氧化铁皮较厚，不利于表面质量和轧制稳定性。
所述热轧步骤中终轧温度为880℃～920℃，温度太低，轧制速度太慢，影响轧制节奏和产量。温度太高，冷却速度太快，组织不均匀，影响钢板塑性。
所述冷却步骤中层流冷却为前段冷却，有利于抑制晶粒的长大，得到理想的铁素体组织。
所述卷取步骤中的温度为600℃～660℃，温度太低，Ti的析出强化作用减弱，抗拉强度不高。温度太高，成品晶粒粗大，钢板韧性变差。通过层流冷却的前段冷却方式提高终轧后冷却速度，结合600℃～660℃的适宜Ti元素析出的卷取温度，增强了在卷取阶段Ti元素在铁素体中过饱和析出，形成了纳米级析出提高了沉淀强化效果。
通过上述方法制备的热轧钢卷，抗拉强度≥650MPa，耐候指数I≥8.0。
本发明制备的热轧钢卷轧制难度小，成型性能及焊接性能良好、强度高、耐腐蚀性能优异，应用于光伏支架可显著提升光伏支架的使用寿命，降低光伏支架成本和劳动强度。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种650MPa级光伏支架用高耐候钢，其化学成分按重量百分比为：C：≤0.08％，Si：0.20％～0.30％，Mn：0.40％～0.60％，P：≤0.02％，S：≤0.010％，Cu：0.20％～0.40％，Cr：2.50％～3.00％，Ni：0.20％～0.30％，Nb：0.005％～0.015％，Ti：0.050％～0.090％，N：≤0.0050％。其余为Fe及不可避免的杂质。
一种650MPa级光伏支架用高耐候钢的生产方法，其生产步骤与现有热轧带钢生产步骤基本相同，包括热轧、冷却、卷取步骤：
所述热轧步骤中：精轧入口厚度为30mm～40mm，精轧开轧温度为980℃～1080℃。终轧温度为880℃～920℃。层流冷却为前段冷却。卷取温度为600℃～660℃，厚度为1.5mm～4.0mm。
下面结合实施例和对比例对本发明作进一步的描述。
实施例一
本发明一种650MPa级光伏支架用高耐候钢及其制备方法
本发明实施例提供一种650MPa级光伏支架用热轧钢卷。其生产过程为：钢坯→热轧→层流冷却→卷取，钢坯的化学成分重量百分比为：C：0.08％，Si：0.30％，Mn：0.55％，P：0.020％，S：0.009％，Cu：0.39％，Cr：2.90％，Ni：0.29％，Nb：0.015％，Ti：0.090％，N：0.0047％。其余为Fe及不可避免的杂质。
热轧步骤中精轧入口厚度为39mm，精轧开轧温度为980℃，终轧温度为880℃，层流冷却为前段冷却，卷取温度为635℃，厚度为4.0mm。
本方法生产的650MPa级光伏支架用热轧钢卷抗拉强度705MPa，延伸率26.0％。
耐候指数I＝
26.01Cu+3.88Ni+1.2Cr+1.49Si+17.28P-7.92CuNi-9.1NiP-33.39CuCu＝9.59实施例二
本发明一种650MPa级光伏支架用高耐候钢及其制备方法
本发明实施例提供一种650MPa级光伏支架用热轧钢卷。其生产过程为：钢坯→热轧→层流冷却→卷取，钢坯的化学成分重量百分比为：C：0.06％，Si：0.22％，Mn：0.40％，P：0.018％，S：0.006％，Cu：0.21％，Cr：2.52％，Ni：0.21％，Nb：0.010％，Ti：0.070％，N：0.0045％。其余为Fe及不可避免的杂质。
热轧步骤中精轧入口厚度为35mm，精轧开轧温度为1040℃，终轧温度为900℃，层流冷却为前段冷却，卷取温度为600℃，厚度为2.5mm。
本方法生产的650MPa级光伏支架用热轧钢卷抗拉强度690MPa，延伸率25.5％。
耐候指数I＝
26.01Cu+3.88Ni+1.2Cr+1.49Si+17.28P-7.92CuNi-9.1NiP-33.39CuCu＝8.11实施例三
本发明一种650MPa级光伏支架用耐候钢及其制备方法
本发明实施例提供一种650MPa级光伏支架用热轧钢卷。其生产过程为：钢坯→热轧→层流冷却→卷取，钢坯的化学成分重量百分比为：C：0.07％，Si：0.25％，Mn：0.50％，P：0.015％，S：0.010％，Cu：0.32％，Cr：2.75％，Ni：0.25％，Nb：0.005％，Ti：0.050％，N：0.0041％。其余为Fe及不可避免的杂质。
热轧步骤中精轧入口厚度为30mm，精轧开轧温度为1070℃，终轧温度为920℃，层流冷却为前段冷却，卷取温度为660℃，厚度为1.5mm。
本方法生产的650MPa级光伏支架用热轧钢卷抗拉强度675MPa，延伸率24.0％。
耐候指数I＝
26.01Cu+3.88Ni+1.2Cr+1.49Si+17.28P-7.92CuNi-9.1NiP-33.39CuCu＝9.19
对比例一
具体参照《一种550MPa级太阳能支架用热轧钢卷及其生产方法》
(CN113528949A)中实施例1
一种550MPa级太阳能支架用热轧钢卷，其化学成分为：C 0.03％，Si 0.1％，Mn1.20％，P 0.025％，S 0.015％，Cu 0.1％，Cr 0.4％，Nb 0.015％，V 0.01％，Als 0.02％，其余为铁和不可避免的杂质。
其制备步骤如下：将铁水经150t转炉提钒、150t转炉冶炼、LF精炼、连铸工序制成与上述550MPa级太阳能支架用热轧钢卷化学组分相同的连铸板坯，连铸板坯的厚度为190mm；将上述连铸板坯置于加热炉中加热，加热温度为1200℃，加热时间为120min，再将连铸板坯从加热炉中出炉后进行高压水除鳞，经过粗轧机粗轧7道次后，中间坯厚度为33mm，粗轧机出口温度为1080℃，通过热卷箱，再经过精轧6道次轧制，精轧机出口温度为860℃，精轧最后一次轧制的压下率为18％，然后再经过前段集中冷却，于600℃进行卷取，得到厚度为3.0mm、宽度为1250mm的太阳能支架用热轧钢卷。
经检测，产品的抗拉强度610MPa，延伸率23.0％。
耐候指数
I＝26.01Cu+3.88Ni+1.2Cr+1.49Si+17.28P-7.92CuNi-9.1NiP-33.39CuCu＝3.33
对比例二
具体参照《一种光伏支架用耐候钢及其生产方法》(CN114438411A)中
实施例1
一种光伏支架用耐候钢，其化学成分为：C 0.061％，Si 0.36％，Mn 0.55％，P0.011％，S≤0.002％，Cu 0.30％，Cr 0.50％，Ni 0.15％，Nb 0.015％，Ti 0.013％，N0.0049％，Ca 0.0015％，其余为铁和不可避免的杂质。
其制备步骤如下：经铁水预处理、顶底复吹转炉、LF炉外精炼、RH真空脱气炉冶炼合格钢水，其中铁水预处理终点硫9ppm；顶底复吹转炉终点氧310ppm；LF炉外精炼造白渣，白渣保持时间20min，并进行Ca处理改良并促进夹杂物上浮，采用氩气进行软搅拌，软搅拌时间11min；RH真空脱气炉真空度60pa，保持时间18min；钢水连铸成210mm板坯；将钢坯加热至1210℃，加热时间为155min，保证合金元素的充分固溶；、采用TMCP工艺进行轧制，再结晶区轧制温度为1085℃，总变形率为74％，奥氏体未再结晶区开制温度为970℃，总变形量为79.3％，终轧温度控制区间为910℃，避免高温先共析铁素体析出；轧制完成后快速入水，冷却速率为25℃/s，冷却到640℃；热卷590℃进入缓冷坑进行缓冷，以充分释放由于轧制变形和相变产生的内应力，48小时后出缓冷坑空冷至室温。
经检测，产品的抗拉强度451MPa，延伸率28.5％。
耐候指数
I＝26.01Cu+3.88Ni+1.2Cr+1.49Si+17.28P-7.92CuNi-9.1NiP-33.39CuCu＝6.37
对比例三
具体参照《一种高强耐腐抗寒热轧钢卷及其生产方法和应用》(CN113652599B)中实施例1
一种高强耐腐抗寒热轧钢卷，其化学成分为：C 0.15％，Si 0.1％，Mn0.025％，P0.020％，S 0.010％，Cu 0.1％，Cr 0.3％，V 0.01％，Ti 0.025％，Als0.02％，其余为铁和不可避免的杂质。
其制备步骤如下：150t转炉提钒、150t转炉冶炼、LF精炼、连铸得到厚度为200mm的板坯；将板坯置于加热炉中加热，加热时间为120min，加热温度为1200℃；将板坯从加热炉中出炉后经过压力为20MPa的高压水除鳞；再将上述板坯经过粗轧机5道轧制，粗轧轧制的出口温度为1040℃；再将上述板坯通过热卷箱，经过精轧机精轧7道，精轧轧制的出口温度为860℃，然后再经过分散冷却，580℃卷取，得到厚度为3.0mm，宽度为1250mm的高强耐腐抗寒热轧钢卷。
经检测，产品的抗拉强度460MPa，延伸率26.0％。
耐候指数
I＝26.01Cu+3.88Ni+1.2Cr+1.49Si+17.28P-7.92CuNi-9.1NiP-33.39CuCu＝3.12
结合实施例和对比例的制备方法、力学性能和耐候指数可知，本发明实施例的制备方法简单，强度级别更高，耐候指数更大。因此，本发明所公开的一种650MPa级耐候热轧钢板生产方法，工艺步骤简单易行，强度高利于轻量化，耐蚀性能好，具备很好的应用前景。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种650MPa级光伏支架用高耐候钢，其特征在于，其化学成分按重量百分比为：C：≤0.08％，Si：0.20％～0.30％，Mn：0.40％～0.60％，P：≤0.02％，S：≤0.010％，Cu：0.20％～0.40％，Cr：2.50％～3.00％，Ni：0.20％～0.30％，Nb：0.005％～0.015％，Ti：0.050％～0.090％，N：≤0.0050％，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的650MPa级光伏支架用高耐候钢，其特征在于，制备的热轧钢卷，抗拉强度≥650MPa，耐候指数I≥8.0。
3.一种权利要求1或2所述的650MPa级光伏支架用高耐候钢的制备方法，其特征在于，包括热轧、冷却、卷取步骤：
其中，所述热轧步骤中精轧入口厚度为30mm～40mm，
精轧开轧温度为980℃～1080℃，
热轧步骤中终轧温度为880℃～920℃；
冷却步骤中层流冷却为前段冷却；卷取步骤中的温度为600℃～660℃。
4.根据权利要求3所述的650MPa级光伏支架用高耐候钢的制备方法，其特征在于，卷取厚度为1.5mm～4.0mm。
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