熱鍍鋅與鍍鋅鋁鎂材料在光伏支架中的應用對比

張煒鑫

（晶科光伏材料有限公司，江西 上饒 334000）

光伏支架的結構主要分為固定光伏支架和跟蹤光伏支架等，一般材質有鋁合金、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。想要達到碳達峰、碳中和的要求就需要全球能源轉型，而光伏發電作為清潔環保的能源受到國家的大力支持，傳統的熱鍍鋅鋼材生產過程對環境會造成一定破壞，而鍍鋅鋁鎂材料具有環保無污染的優點，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在沙漠、灘涂、戈壁等環境較為惡劣的地區，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境中得到更大的應用。

1 材料介紹

1.1 熱鍍鋅材料

熱鍍鋅是延緩鋼鐵材料環境腐蝕的最有效手段之一，它是將表面經清洗、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保護相結合的保護特性上，鍍層與基體的結合強度上、鍍層的致密性、耐久性、免維護性和經濟性及其對制品形狀與尺寸的適應性上，具有無可比擬的優勢[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，形成防腐性能更優的鋅鋁鎂鍍層。

1.2.1 國外發展情況

國外對于鋅鋁鎂鍍層的研究和使用較早，20 世紀70 年代，美國內陸鋼鐵公司最早開發了Zn-55%Al-1.6%Si 鍍層，20 世紀80 年代初，歐洲開發鋁含量為5%的Zn-5%Al，20 世紀90 年代，日本在Zn-5%Al（歐洲）鍍層基礎上開發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鍍層基礎上開發出Zn-55%Al-2%Mg-1.6%Si 鍍層[2]。

1.2.2 國內發展情況

國內各大鋼廠也自主研發了各自成分體系的鋅鋁鎂產品，根據基材不同和鍍層成分的不同分別應用于汽車、家電和建筑等領域。2016～2017 年后，國內鋅鋁鎂鍍層技術進行了大規模開發。據不完全統計，目前國內已建和在建的鋅鋁鎂鍍層產線17 條，年產能預計達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件的熱浸鋅處理。浸涂助鍍劑的支架構件經過干燥爐進行干燥并預熱到200 度左右。支架構件的預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件較快的降溫，終止鐵鋅合金層的生長，鍍鋅后的構件根據需要可以進行鈍化處理[4]。

4.后加工工藝段。構件的后加工工藝是指構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件。

3 應用特點對比

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，鍍鋅鋁鎂會產生更多的二元共晶相、三元共晶相等復雜晶相，隨著Al、Mg 含量增加，初生Zn 相的體積分數減少，二元和三元共晶相的體積分數會增加。

鍍鋅鋁鎂支架由于鋅元素、鎂元素的氧化特性：在潮濕腐蝕環境下，切口附近的鍍層物質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，焊點處強度會變弱，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

在循環腐蝕試驗初期，鍍膜層中的Mg 和Zn 元素首先發生陽極反應變成Mg2+和Zn2+與水分子反應生成氫氧化鎂(Mg(OH)2)和氫氧化鋅(Zn(OH)2)的沉淀。在循環腐蝕試驗后期，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)等結構致密的腐蝕產物，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）或電化學法進行評價。

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

3.3 防腐性能的優劣

支架的鍍層厚度是根據大氣的腐蝕環境等級確定的，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，不易發生鍍層剝離現象，在嚴峻條件下拉伸、沖壓、折彎、焊接等加工性能優越，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的大氣腐蝕等級為C3 級或C4級，在極個別海岸地區如海南萬寧離海150m 的試驗場和海洋平臺可達到C5 級。在C3～C5 的大氣腐蝕的環境內，鋅鋁鎂支架在耐腐蝕，耐久性上更具有很強勁的優勢。

4 結語

目前在市場上，雖然鋅鋁鎂支架比熱鍍鋅支架優勢明顯，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工藝，至今還是主導地位，鋅鋁鎂工藝在市場上才剛開始發展，沒有真正推廣出去。最近很多支架廠家已經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運輸的物流成本。而且兩種材料價格差距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。