北京京杰锐思技术开发有限公司：专业金属涂覆与冶金设备解决方案

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北京京杰锐思技术开发有限公司是一家专业从事金属表面涂覆、金属板带深加工等冶金成套设备的高新技术企业。该公司的金属涂覆能够实现高炉煤气、焦炉煤气、天然气和液化石油气等热值从 700 到 25000 千卡的全面覆盖。公司自主研发出多种智能模型，一方面保证了生产线的稳定，另一方面也为客户极大地降低了能源损耗和人工成本。主营业务包含镀（锌铝镁、锌铝硅）锌的生产线，还有彩涂生产线、连退机组、酸洗生产线、废酸再生机组、脱脂生产线/重卷生产线、纵剪机组、拉伸弯曲矫直机组、横切机组以及电控系统工程。联系电话：手机 18811619650，电话 010-67870840/67883494。

一、研究的背景与问题

光伏支架是支撑行业的重要基础设施，2024 年中国新增光伏容量为 216GW。高速公路护栏也是支撑行业的重要基础设施，2024 年新增高速公路通车里程约 0.64 万公里。按照每 MW 光伏用钢 35 吨来测算，216GW 光伏用钢量为一定数值。按照每公里高速公路护栏用钢 90 吨来测算，0.64 万公里高速公路护栏用钢量为一定数值。两个行业 2024 年用钢量超过 800 万吨。

传统的光伏电站支架采用热浸镀锌钢结构件，其厚度为 1.5 至 6.0 毫米，锌层厚度是 55 至 80 微米，强度级别通常为 Q235 和 Q355 级别。高速公路护拦也采用这种热浸镀锌钢结构件，厚度同样为 1.5 至 6.0 毫米，锌层厚度为 55 至 80 微米，强度级别普遍是 Q235 和 Q355 级别。

为保证光伏支架在 C5 环境下的使用寿命能达到 25 年及以上，热浸镀锌镀层的厚度需达到 140μm。但要达到这一要求，需在高温锌液中进行长时间浸镀，这样会使镀层的脆性明显变大，并且会导致制造效率下降、锌耗上升以及废气排放增多等情况，所以存在着非常大的生产技术难度。热浸镀锌的酸洗环节会增加高强钢的氢脆风险，同时长时间热浸镀会使钢材的力学性能明显恶化。另外，热浸镀锌存在吨钢制造成本高、污染排放量大的局限性，这进一步制约了它的使用环境。这些因素限制了高强钢在光伏支架和公路护栏等领域的应用，使得光伏支架的承载能力难以提升，公路护栏的安全碰撞性能也难以进一步提高。传统批量热浸镀锌的热轧结构钢材料，在以往的使用中，已经难以满足光伏以及公路护栏等领域对于绿色化和长寿化的发展需求。

为解决热浸镀锌钢结构件存在的寿命短、成本高以及强度不足等问题，国外研发出了高耐蚀锌铝镁合金镀层。这种镀层的耐蚀性能比热浸锌要好 3 到 5 倍，镀层厚度可以减少 50%乃至三分之二，并且还可以用于制造高强度结构钢。然而，当下高耐蚀热基锌铝镁镀层在制造和应用方面还面临着如下一些问题：

在 C5 这种高腐蚀的环境里，要实现 25 年的服役寿命，面临着很大的挑战。欧洲的某一家钢铁企业提出，锌铝镁镀层的重量必须要超过 600 克每平方米（大约 85 微米）才能够满足要求。然而，如此厚重的镀层容易使得表面的均匀性不好，并且增加了生产工艺的复杂性以及制造的难度。日本和韩国的钢铁企业目前无法提供锌铝镁镀层产品在 C5 环境中的服役寿命保证。这凸显了在高腐蚀环境下实现长期可靠防护存在技术瓶颈。所以，开发兼顾高耐蚀性、均匀性和工艺可行性的镀层技术，是当前行业亟待突破的关键问题。

锌铝镁镀层对于钢板切口位置的保护作用，目前还没有明确的量化评估。在实际应用中，其耐蚀性能存在着不确定性。正因如此，国外的钢铁企业通常会建议用户对钢板切口进行后处理防护，像涂覆专用的防腐涂料或者密封剂等，这样可以增强切口的耐蚀性，并且能够延长其使用寿命。这一要求可以确保产品在严苛环境下具备长期可靠性。然而，它增加了用户的加工步骤，同时也增加了用户的成本。

为使高频焊缝位置的耐蚀性能符合用户要求，韩国钢铁企业提出在焊缝区域喷涂厚度至少 80μm 的 AlZn 涂层。不过，较厚的喷涂层存在明显的技术难题：其一，厚涂层与基材的粘附性不佳，容易出现剥离的情况；其二，在喷涂过程中容易生成内部气孔缺陷，对涂层的致密性和耐蚀性产生影响。喷涂工艺对操作精度的要求比较高，这使得技术难度进一步增加，同时也让生产成本提高。这些问题对该工艺的大规模应用形成了限制，迫切需要通过材料的优化以及工艺的改进来提升涂层的质量和生产效率。

厚规格锌铝镁镀层在生产时容易出现表面有圆点的缺陷，此缺陷不但会影响产品的外观，而且难以满足用户对于高表面质量的严格需求。

公路护栏碰撞试验对 700 MPa 级锌铝镁镀层高强钢的性能有严格要求，这种要求是伸长率需不低于 20%。但目前欧洲钢铁企业开发的 700 MPa 级高强钢，其伸长率普遍是低于 10%的，所以无法满足这一需求。日本钢铁企业的高强钢开发集中在 550 MPa 级别，韩国钢铁企业的高强钢开发也集中在 550 MPa 级别。它们尚未实现 700 MPa 级高强钢的技术突破。这种性能差距限制了高强钢在公路护栏等安全关键领域的应用，同时也凸显了高强钢在强度与塑性协同提升方面存在技术挑战。

锌铝镁镀层高强钢的高频焊热影响区域存在出现液态金属脆性（LME）裂纹的情况。对于这一缺陷，各个国家的钢铁企业都提出了不同的解决办法。韩国的钢铁企业觉得，强度级别为 450MPa 以及更高的锌铝镁镀层高强钢很难完全避免 LME 裂纹，所以不建议在这个强度级别上使用高强钢。日本钢铁企业建议在焊接之前先把焊缝区域的镀层去除掉，这样能降低 LME 裂纹的风险；欧洲钢铁企业则推荐用激光焊接来替代高频焊接，以此减少热影响区的脆性开裂。不过，这些解决方案都在一定程度上使得工艺变得更复杂了，也提高了生产成本，从而对锌铝镁镀层高强钢的广泛应用起到了限制作用。

二、解决问题的思路与技术方案

目标是满足厚规格高耐蚀锌铝镁镀层的使用需求，在锌铝镁镀层钢的研发、工业生产和批量应用这三个阶段展开系统性攻关。在锌铝镁镀层的研发阶段，重点对锌铝镁镀层“成分 - 组织 - 耐蚀性”之间的作用机制以及高频焊热影响区 LME 裂纹的形成机理等基础科学问题进行了解决；在工业生产阶段，构建了锌铝镁镀层在大气中使用寿命的预测模型，建立了锌铝镁镀层对钢板切口保护效果的定量评估指标，并且成功消除了厚规格镀层的圆点缺陷，还开发了 700MPa 级别兼具高塑性的高强钢产品；在大批量应用阶段，突破了抗焊接 LME 裂纹的焊接技术，提升了焊缝防腐耐蚀性能的热喷涂工艺，形成了一套完整的热基高耐蚀锌铝镁镀层钢制造与应用的成套技术体系，为锌铝镁镀层钢的规模化应用奠定了坚实基础。

主要技术方案如下：

实验室微观分析技术被用于研究不同 Al 含量锌铝镁镀层的微观组织。同时，结合微区电化学技术，揭示了腐蚀初期及长期腐蚀过程中镀层组织的演变规律。研究发现，镀层中存在富铝相、富锌相以及镁锌化合物。这些相之间存在同相和异相电偶效应。同时，研究还阐明了不同相组织离子迁移能力对耐蚀性的影响机制。并且提出了全新的组织控制思路。

- 结合 ISO 标准，构建出了锌铝镁镀层的大气寿命预测模型。该模型为锌铝镁镀层在各异环境中的使用寿命评估提供了依据。

这些定量参数为镀层设计与应用提供了科学依据。

通过仿真计算，对高频焊后余热在空间和时间上的分布与演变规律进行了系统分析。基于此，开发出了一种热喷涂工艺技术，且无需额外设备投资。这种技术实现了高效、低成本的焊缝防护，使锌铝镁镀层焊缝的耐蚀性和使用寿命得到了显著提升。

对圆点缺陷进行系统分析后，明确了其形成的不同科学机理。同时提出了针对锌铝镁镀层凝固段的控制目标与工艺优化方案。基于此，设计了分段冷却控制技术，还开发了配套的冷却设备。这些举措显著降低了圆点缺陷的降级率，并且显著提升了镀层表面质量与产品合格率。

抑制镀层高强钢高频焊过程中 LME 裂纹的控制技术：系统研究之后，明确了在镀层高强钢焊接过程里锌镀层出现 LME 裂纹的不同阶段，并且对焊接环境影响熔池锌液表面状态这一情况进行了深入分析。基于此，提出了一种新的惰性气体保护焊接技术，还开发了相应的配套设备。通过这种方式，成功地把高强钢焊接 LME 裂纹的开裂率降低到几乎为零的水平，使得焊接质量和产品可靠性得到了显著提升。

700MPa 级别护栏用热基锌铝镁镀层高强钢：这种钢基于“热轧 - 酸洗 - 退火”的制造流程，将三种强化机制综合运用起来，并且设计了各制造阶段的强化工艺路线。通过对工艺参数进行优化，成功地开发出了具有高塑性的 700MPa 级别高强钢，它的性能完全能够满足高速公路护栏的设计要求，为高强钢在交通安全领域的应用提供了可靠的解决方案。

三、主要创新性成果

针对一系列共性难题，如锌铝镁镀层腐蚀寿命的精确评价，高强高塑性热基锌铝镁高强钢的开发与应用技术等，对镀层成分和组织设计、镀层腐蚀模型、高频焊技术、热基锌铝镁镀层高强钢等展开了研究，开发出了热基高耐蚀中铝锌铝镁镀层用钢的生产工艺、装备技术以及应用技术，其主要创新点如下：

研究表明锌铝镁镀层存在同相和异相电偶效应。这揭示了不同相组织离子迁移能力的差异对镀层耐蚀性产生的影响机制。同时提出了全新的组织控制思路，并对最佳镀层成分进行了优化设计。使得镀层重量不超过 600g/m2的锌铝镁镀层在 C5 高腐蚀环境下能够满足 25 年的服役寿命要求。建立了锌铝镁镀层大气寿命的精确预测模型，这为镀层性能评估提供了科学依据，也为镀层的应用提供了科学依据。

研究明确了厚规格锌铝镁镀层表面圆点缺陷的成因是伪共晶组织的形成，并且阐明了伪共晶组织来源于两种镀层的凝固过冷机制。基于此，开发出了镀层分段冷却控制工艺，这种工艺能有效抑制凝固过程中发达共晶组织的析出。同时结合冷却设备的优化改进，成功降低了厚规格锌铝镁镀层表面圆点缺陷的降级率，并且显著提升了镀层表面质量与产品合格率。

开发了成套的焊接工艺，这套工艺能够有效地抑制焊接过程中 LME 裂纹的产生。同时，它还极大地提升了热喷涂涂层与基体的结合强度。通过该工艺，锌铝镁镀层高强钢的焊接开裂率几乎为零，并且能够确保焊缝在 C5 高腐蚀环境下满足 25 年的防腐寿命要求，从而显著提升了产品的可靠性和耐久性。

开发了针对“热轧 - 酸洗 - 退火”工艺流程的高塑性热基锌铝镁镀层高强钢的组织调控技术。在优化工艺参数与进行组织设计之后，成功使 700 MPa 级热基锌铝镁高强钢的断后伸长率达到不低于 20%的水平，极大地提升了材料的综合力学性能，为高强钢在公路护栏领域的应用提供了可靠的保障。

首钢开发的热基锌铝镁镀层产品与国外先进钢铁企业相比，在 C5 高腐蚀环境中要实现 25 年的使用寿命，所需的镀层重量不超过 600g/m2。

此外，厚规格产品的表面圆点缺陷发生率比行业水平要好很多。首钢成功开发了 700MPa 级别的热基锌铝镁镀层高强钢，并且这种高强钢的延伸率不低于 20%。

四、应用情况与效果

项目开发的热基高耐蚀锌铝镁镀层产品累计供货量达到了 200 万吨以上。在国内排名前十的光伏支架制造企业当中，该产品的市场占有率处于首位。

其中，厚规格高强度锌铝镁镀层产品在光伏支架立柱、檩条等关键部件的制造中得到广泛应用。因其具备优异的耐蚀性和力学性能，所以成功满足了智利、沙特、阿联酋等多个海外光伏项目的用钢需求，并且获得了光伏电站用户的高度认可。

此外，项目开发的热基锌铝镁高强减薄产品，给公路护栏设计提供了高强轻量化的办法。它显著地延长了护栏的使用期限，从而赢得了用户的广泛赞誉。该产品不但提升了公路护栏的安全性能，而且降低了材料成本与维护费用，具备显著的经济和社会效益。