一、研究的背景与问题

光伏支架和高速公路护栏是支撑行业的重要基础设施，2024年中国新增光伏容量216GW，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吨以及每公里高速公路护栏用钢90吨测算，两个行业2024年用钢量超过800万吨。

传统的光伏电站支架与高速公路护拦主要采用厚度为1.5~6.0 mm的热浸镀锌钢结构件，锌层厚度为55 ~80μm，强度级别普遍为Q235和Q355级别。

为了保证光伏支架在C5环境使用寿命达到25年以上，热浸镀锌镀层厚度要达到140μm。然而，这一要求需要在高温锌液中进行长时间浸镀，导致镀层脆性明显增大，同时带来制造效率下降、锌耗上升和废气排放增多等问题，存在极大的生产技术难度。同时，热浸镀锌的酸洗环节增加了高强钢的氢脆风险，并且长时间热浸镀会明显恶化钢材的力学性能。此外热浸镀锌的吨钢制造成本高、污染排放量大的局限性，进一步制约了其使用环境。这些因素都限制了高强钢在光伏支架和公路护栏等领域的应用，导致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。传统使用的批量热浸镀锌热轧结构钢材料已经难以满足光伏、公路护栏等绿色化长寿化的发展需求。

为了解决热浸镀锌钢结构件寿命短、成本高、强度不足的问题，国外开发了高耐蚀锌铝镁合金镀层。该镀层的耐蚀性能达到热浸锌的3到5倍，镀层厚度能够减少50%到三分之二，并能够用于制造高强度结构钢。然而，目前高耐蚀热基锌铝镁镀层的制造和应用还面临以下的问题：

1）在C5高腐蚀环境下实现25年服役寿命面临显著挑战。欧洲某钢铁企业提出，锌铝镁镀层重量需超过600 g/m²（约85微米）才能满足要求，但如此厚重的镀层易导致表面均匀性差，增加了生产工艺的复杂性和制造难度。与此同时，日本和韩国的钢铁企业目前尚无法提供锌铝镁镀层产品在C5环境中的服役寿命保证，这进一步凸显了在高腐蚀环境下实现长期可靠防护的技术瓶颈。因此，开发兼顾高耐蚀性、均匀性和工艺可行性的镀层技术，仍是当前行业亟待突破的关键问题。

2）锌铝镁镀层对钢板切口位置的保护作用尚未有明确的量化评估，其在实际应用中的耐蚀性能仍存在不确定性。因此，国外钢铁企业普遍建议用户对钢板切口进行后处理防护，例如涂覆专用防腐涂料或密封剂，以增强切口的耐蚀性并延长使用寿命。这一要求虽然能够确保产品在严苛环境下的长期可靠性，但是增加了用户的加工步骤和成本。

3）为确保高频焊缝位置的耐蚀性能满足用户要求，韩国钢铁企业提出在焊缝区域喷涂厚度不低于80μm的AlZn涂层。然而，较厚的喷涂层存在显著的技术难点：一方面，厚涂层与基材的粘附性较差，易出现剥离问题；另一方面，喷涂过程中容易产生内部气孔缺陷，影响涂层的致密性和耐蚀性。此外，喷涂工艺对操作精度要求较高，进一步增加了技术难度和生产成本。这些问题限制了该工艺的大规模应用，亟需通过材料优化和工艺改进来提升涂层质量和生产效率。

4）厚规格锌铝镁镀层在生产过程中易出现表面圆点缺陷，这种缺陷不仅影响产品外观，还难以满足用户对高表面质量的严格要求。

5）公路护栏碰撞试验对700 MPa级锌铝镁镀层高强钢的性能提出了严格要求，其中伸长率需不低于20%。然而，目前欧洲钢铁企业开发的700 MPa级高强钢的伸长率普遍低于10%，无法满足这一需求。与此同时，日本和韩国钢铁企业的高强钢开发仍主要集中在550 MPa级别，尚未实现700 MPa级高强钢的技术突破。这一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，也凸显了高强钢在强度与塑性协同提升方面的技术挑战。

6）锌铝镁镀层高强钢的高频焊热影响区域容易出现液态金属脆性（LME）裂纹。针对这一缺陷，各国钢铁企业提出了不同的解决方案。韩国钢铁企业认为，450MPa及以上强度级别的锌铝镁镀层高强钢难以完全避免LME裂纹，因此不建议在该强度级别使用高强钢。日本钢铁企业则建议在焊接前先去除焊缝区域的镀层，以降低LME裂纹风险；而欧洲钢铁企业推荐采用激光焊接替代高频焊接，从而减少热影响区的脆性开裂。然而，这些解决方案均在一定程度上增加了工艺复杂性和生产成本，限制了锌铝镁镀层高强钢的广泛应用。

二、解决问题的思路与技术方案

以满足厚规格高耐蚀锌铝镁镀层的使用需求为目标，围绕锌铝镁镀层钢的研发、工业生产和批量应用三个阶段展开系统性攻关。在锌铝镁镀层的研发阶段，重点解决了锌铝镁镀层“成分-组织-耐蚀性”之间的作用机制，以及高频焊热影响区LME裂纹的形成机理的基础科学问题；在工业生产阶段，构建锌铝镁镀层在大气中使用寿命预测模型，建立了锌铝镁镀层对钢板切口保护效果的定量评估指标，并成功消除了厚规格镀层的圆点缺陷，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：

1、锌铝镁镀层的腐蚀机制与组织设计：通过实验室微观分析技术，研究了不同Al含量锌铝镁镀层的微观组织，并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，镀层中的富铝相、富锌相及镁锌化合物之间存在同相和异相电偶效应，阐明了不同相组织离子迁移能力对耐蚀性的影响机制，并提出了全新的组织控制思路。

2、锌铝镁镀层的寿命预测模型：通过大气暴露实验，研究了锌铝镁镀层在不同腐蚀环境中的行为，发现其耐蚀性优势随环境恶劣程度增加而提升。基于实验数据，建立了锌铝镁镀层与纯锌镀层腐蚀速率比值与大气腐蚀强度的连续函数关系，并结合ISO标准，构建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不同环境中的使用寿命评估提供了可靠依据。

3、锌铝镁镀层对钢板断口保护效果的定量评估参数：通过实验室加速腐蚀实验，系统研究了锌铝镁镀层钢板断口腐蚀行为，发现了断口腐蚀程度的演变规律以及镀层重量、钢板厚度、镀层面积对断口保护效果的影响规律。基于以上结果，提出了定量参数用于评估锌铝镁镀层对钢板断口的保护效果，为镀层设计与应用提供了科学依据。

4、锌铝镁镀层焊缝防护技术：通过仿真计算，系统分析了高频焊后余热在空间和时间上的分布与演变规律，并基于此开发了一种无需额外设备投资的热喷涂工艺技术，实现了高效、低成本的焊缝防护，显著提升了锌铝镁镀层焊缝的耐蚀性和使用寿命。

5、厚规格锌铝镁镀层圆点缺陷发生机制与控制技术：通过对圆点缺陷的系统分析，明确了其形成的不同科学机理，并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。在此基础上，设计了分段冷却控制技术，并开发了配套的冷却设备，显著降低了圆点缺陷的降级率，显著提升了镀层表面质量与产品合格率。

6、抑制镀层高强钢高频焊过程LME裂纹控制技术：通过系统研究，明确了镀层高强钢焊接过程中锌镀层发生LME裂纹的不同阶段，并深入分析了焊接环境对熔池锌液表面状态的影响。基于此，创新性提出了一种惰性气体保护焊接技术，并开发了配套设备，成功将高强钢焊接LME裂纹的开裂率降低到近零水平，显著提升了焊接质量和产品可靠性。

7、700MPa级别护栏用热基锌铝镁镀层高强钢：基于“热轧-酸洗-退火”制造流程，综合运用三种强化机制，设计了各制造阶段的强化工艺路线。通过优化工艺参数，成功开发出高塑性700MPa级别高强钢，其性能完全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解决方案。

三、主要创新性成果

针对锌铝镁镀层腐蚀寿命精确评价、高强高塑性热基锌铝镁高强钢开发与应用技术等一系列共性难题，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进行了研究，开发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，主要创新点如下：

1、研究发现锌铝镁镀层中存在同相和异相电偶效应，揭示了不同相组织离子迁移能力差异对镀层耐蚀性的影响机制，提出了全新的组织控制思路，并优化设计了最佳镀层成分，使镀层重量不超过600 g/m²的锌铝镁镀层在C5高腐蚀环境下能够满足25年服役寿命要求。同时，建立了锌铝镁镀层大气寿命的精确预测模型，为镀层性能评估和应用提供了科学依据；

2、研究明确了厚规格锌铝镁镀层表面圆点缺陷的成因，即伪共晶组织的形成，并阐明了伪共晶组织来源于两种镀层凝固过冷机制。基于此，开发了镀层分段冷却控制工艺，有效抑制了凝固过程中发达共晶组织的析出。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，显著提升了镀层表面质量与产品合格率；

3、开发了成套焊接工艺，有效抑制了焊接过程中LME裂纹的产生，同时极大提升了热喷涂涂层与基体的结合强度。该工艺使锌铝镁镀层高强钢的焊接开裂率接近零，并确保焊缝在C5高腐蚀环境下满足25年防腐寿命要求，显著提升了产品的可靠性和耐久性；

4、开发了基于“热轧-酸洗-退火”工艺流程的高塑性热基锌铝镁镀层高强钢组织调控技术。通过优化工艺参数与组织设计，成功实现了700 MPa级热基锌铝镁高强钢的断后伸长率不低于20%，显著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保障。

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

此外，厚规格产品的表面圆点缺陷发生率显著优于行业水平。首钢还成功开发了700 MPa级别热基锌铝镁镀层高强钢，其延伸率不低于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突破200万吨，在国内排名前十的光伏支架制造企业中市场占有率位居前茅。

其中，厚规格高强度锌铝镁镀层产品广泛应用于光伏支架立柱、檩条等关键部件的制造，凭借优异的耐蚀性和力学性能，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，获得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，为公路护栏设计提供了高强轻量化解决方案，显著延长了护栏的使用寿命，赢得了用户的广泛好评。该产品不仅提升了公路护栏的安全性能，还降低了材料成本和维护费用，具有显著的经济和社会效益。

信息来源：首钢集团有限公司