熱鍍鋅與鍍鋅鋁鎂材料在光伏支架中的應(yīng)用對比

張煒鑫

（晶科光伏材料有限公司，江西 上饒 334000）

光伏支架的結(jié)構(gòu)主要分為固定光伏支架和跟蹤光伏支架等，一般材質(zhì)有鋁合金、碳鋼及不銹鋼。而碳鋼材料在光伏支架中的使用占比較高，也是光伏支架的主要材質(zhì)。想要達到碳達峰、碳中和的要求就需要全球能源轉(zhuǎn)型，而光伏發(fā)電作為清潔環(huán)保的能源受到國家的大力支持，傳統(tǒng)的熱鍍鋅鋼材生產(chǎn)過程對環(huán)境會造成一定破壞，而鍍鋅鋁鎂材料具有環(huán)保無污染的優(yōu)點，也長期出口到日本新加坡韓國、加拿大、菲律賓等各地使用。我國大多電站項目都建設(shè)在沙漠、灘涂、戈壁等環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，新型的鍍鋅鋁鎂材料支架較好的防腐特性也可以在這些惡劣環(huán)境中得到更大的應(yīng)用。

1 材料介紹

1.1 熱鍍鋅材料

熱鍍鋅是延緩鋼鐵材料環(huán)境腐蝕的最有效手段之一，它是將表面經(jīng)清洗、活化后的鋼鐵制品浸于熔融的鋅液中，通過鐵鋅之間的反應(yīng)和擴散，在鋼鐵制品表面鍍覆附著性良好的鋅合金鍍層。與其他金屬防護方法相比，熱鍍鋅工藝在鍍層的物理屏障與電化學(xué)保護相結(jié)合的保護特性上，鍍層與基體的結(jié)合強度上、鍍層的致密性、耐久性、免維護性和經(jīng)濟性及其對制品形狀與尺寸的適應(yīng)性上，具有無可比擬的優(yōu)勢[1]。

1.2 鍍鋅鋁鎂材料

鍍鋅鋁鎂材料即在原有熱鍍鋅工藝中添加一定量的Al、Mg 的鍍層的新型工藝，形成防腐性能更優(yōu)的鋅鋁鎂鍍層。

1.2.1 國外發(fā)展情況

國外對于鋅鋁鎂鍍層的研究和使用較早，20 世紀70 年代，美國內(nèi)陸鋼鐵公司最早開發(fā)了Zn-55%Al-1.6%Si 鍍層，20 世紀80 年代初，歐洲開發(fā)鋁含量為5%的Zn-5%Al，20 世紀90 年代，日本在Zn-5%Al（歐洲）鍍層基礎(chǔ)上開發(fā)出多種鋅鋁鎂鍍層鋼板，Zn-0.2%Al-0.5%Mg、Zn-5%Al-3%Mg，21 世紀初，歐洲開發(fā)出一種新體系鋅鋁鎂鍍層鋼板，鋁含量和鎂含量普遍低于3%。21世紀10 年代之后，澳大利亞博思格在Zn-55%Al-1.6%Si鍍層基礎(chǔ)上開發(fā)出Zn-55%Al-2%Mg-1.6%Si 鍍層[2]。

1.2.2 國內(nèi)發(fā)展情況

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。2016～2017 年后，國內(nèi)鋅鋁鎂鍍層技術(shù)進行了大規(guī)模開發(fā)。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)已建和在建的鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)線17 條，年產(chǎn)能預(yù)計達650 萬噸[3]。

2 工藝對比

2.1 熱鍍鋅工藝

熱鍍鋅工藝就是在打孔切割后再做熱鍍鋅處理；熱鍍鋅后因鋅層將空氣和鋼材隔離，達到防腐效果。

1.鋼帶基材通過冷彎沖壓等加工成支架構(gòu)件后，再通過熱鍍鋅處理

圖1 熱鍍鋅支架工藝流程

圖2 鍍鋅鋁鎂支架工藝流程

圖3 鋅鋁鎂鍍層截面金相圖

2.鍍鋅工藝段。它包括支架構(gòu)件的堿水清洗，脫脂處理，水清洗，酸洗處理，浸入溶劑及助鍍劑處理和烘干工序。鍍鋅工藝段包括了支架構(gòu)件的熱浸鋅處理。浸涂助鍍劑的支架構(gòu)件經(jīng)過干燥爐進行干燥并預(yù)熱到200 度左右。支架構(gòu)件的預(yù)熱可以減少鋅鍋中熱量的消耗，降低對鋅鍋加熱的強度，從而可以延長鋅鍋使用壽命，改善勞動條件。

3.鍍后處理工藝段。鍍后處理工藝段包括鋼管浸鋅離開鋅鍋后至冷卻到室溫的工藝過程。噴吹處理后進行冷卻可以使構(gòu)件較快的降溫，終止鐵鋅合金層的生長，鍍鋅后的構(gòu)件根據(jù)需要可以進行鈍化處理[4]。

4.后加工工藝段。構(gòu)件的后加工工藝是指構(gòu)件熱浸鍍鋅后的檢查、車絲、矯直、打印、稱重、捆扎包裝等工序。

2.2 鍍鋅鋁鎂支架工藝

鋁鎂鋅材料，直接鋼廠排產(chǎn)好鋼帶加工打孔；打孔切割處的斷面會自然生成保護層，將斷面包裹后防止生銹。

1.鋼帶基材通過鍍鋅鋁鎂工序加工成帶鋅鋁鎂鍍層的鋼帶。

2.鋅鋁鎂鍍層的鋼帶再通過冷彎沖孔等工序加工成支架構(gòu)件。

3 應(yīng)用特點對比

3.1 熱鍍鋅材料特點

熱鍍鋅支架因鍍層附著在切割沖孔后，而鍍鋅完成后的產(chǎn)品不建議再進行切割和沖孔等工序，因為切割和打孔會破壞包裹的鋅層，需要重新進行防腐措施，不然空氣中的二氧化硫會腐蝕支架產(chǎn)生“紅銹”[5]。

3.2 鍍鋅鋁鎂材料特點

相比于熱鍍鋅鍍，鍍鋅鋁鎂會產(chǎn)生更多的二元共晶相、三元共晶相等復(fù)雜晶相，隨著Al、Mg 含量增加，初生Zn 相的體積分數(shù)減少，二元和三元共晶相的體積分數(shù)會增加。

鍍鋅鋁鎂支架由于鋅元素、鎂元素的氧化特性：在潮濕腐蝕環(huán)境下，切口附近的鍍層物質(zhì)通過溶入裸露金屬表層附著的水膜，不斷遷移浸染到裸露的切口位置，形成由氫氧化鋅、堿性氯化鋅及氫氧化鎂等組成的致密保護膜(白銹)，逐漸覆蓋裸露切口金屬，將外界腐蝕介質(zhì)與裸露金屬基體分隔，從而阻止裸露切口進一步腐蝕。因此鋅鋁鎂支架可以進行任意切割和打孔。但是，鋅鋁鎂支架不能進行焊接，在高溫下，焊點處強度會變?nèi)?，影響支架整體承載力。

圖4 不同熱鍍鋅層的Nyquist 圖

3.2.1 切邊保護能力

在循環(huán)腐蝕試驗初期，鍍膜層中的Mg 和Zn 元素首先發(fā)生陽極反應(yīng)變成Mg2+和Zn2+與水分子反應(yīng)生成氫氧化鎂(Mg(OH)2)和氫氧化鋅(Zn(OH)2)的沉淀。在循環(huán)腐蝕試驗后期，隨著腐蝕溶液中Cl-的加入，由于鍍膜層與切邊之間存在電位差，游離的Mg2+、Zn2+會不斷擴散至切邊并生成含有氯水鋅礦(Zn5(OH)8Cl2·H2O)、氫氧化鋅(Zn(OH)2)及氫氧化鎂(Mg(OH)2)等結(jié)構(gòu)致密的腐蝕產(chǎn)物，將鋼基完全覆蓋，有效抑制氧氣擴散，降低金屬鐵速率，從而達到切邊保護的目的。

鍍鋅鋁鎂端面/鍍膜層損傷部位，在中期（6 個月～數(shù)年）完成鍍膜層成分蔓延，為基體提供新的保護膜，從而達到切邊保護的目的。

3.2.2 鍍層性能

鋅鋁鎂鍍層的耐腐蝕性能可采用中性鹽霧試驗（NSS試驗）或電化學(xué)法進行評價。

電化學(xué)法，可通過動電位極化曲線擬合出的腐蝕電流密度和/或Nyquist 擬合出的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct進行表征。

3.3 防腐性能的優(yōu)劣

支架的鍍層厚度是根據(jù)大氣的腐蝕環(huán)境等級確定的，鋅鋁鎂支架的鍍層厚度比起熱鍍鋅支架要薄70%左右，這是因為熱鍍鋅鋁鎂鋼板的鍍層比鍍鋅板更加致密，不易發(fā)生鍍層剝離現(xiàn)象，在嚴峻條件下拉伸、沖壓、折彎、焊接等加工性能優(yōu)越，且鍍層硬度較高，具備卓越的耐損傷性。

圖5 鍍層的動點位極化曲線

我國沿海大部分地區(qū)的大氣腐蝕等級為C3 級或C4級，在極個別海岸地區(qū)如海南萬寧離海150m 的試驗場和海洋平臺可達到C5 級。在C3～C5 的大氣腐蝕的環(huán)境內(nèi)，鋅鋁鎂支架在耐腐蝕，耐久性上更具有很強勁的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

目前在市場上，雖然鋅鋁鎂支架比熱鍍鋅支架優(yōu)勢明顯，但熱鍍鋅支架在市場上仍有較高的占比，這是因為熱鍍鋅是傳統(tǒng)工藝，至今還是主導(dǎo)地位，鋅鋁鎂工藝在市場上才剛開始發(fā)展，沒有真正推廣出去。最近很多支架廠家已經(jīng)開始偏向購買鋅鋁鎂的鋼板，因為熱鍍鋅支架的工藝繁瑣，并且中間會增加出反復(fù)運輸?shù)奈锪鞒杀尽６覂煞N材料價格差距300～500 元每噸，鋁鎂鋅價格便宜，熱浸鍍鋅價格貴，也會使更多終端客戶傾向于使用鋅鋁鎂支架。