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從“廉價土”到“拒腐蝕鋼”的蛻變 ——稀土耐蝕普碳鋼原理與技術創(chuàng)新透視

2021-01-04 10:57:56 作者：陳曉莉來源：冶金傳媒分享至：

稀土加入鋼中可顯著提高鋼的耐蝕性是行業(yè)的普遍認知，但稀土加入鋼中收得率低的問題一直未得到根本解決。所謂“稀土稀土，稀里糊涂”，攻克稀土在鋼中的收得率難題，將不僅能找到我國富余稀土的出路，而且對提高我國耐大氣腐蝕鋼的鋼材質(zhì)量及開發(fā)新鋼種具有重要意義。

針對上述問題，上海大學教授董瀚領銜的高性能鋼鐵材料團隊，通過開發(fā)在鋼中加入稀土、提高稀土收得率的新工藝，深入研究稀土在鋼中的賦存狀態(tài)、稀土多形合金化作用機理和耐蝕機理，進行稀土物理化學性質(zhì)再分析，形成了“稀土耐蝕普碳鋼原理與技術創(chuàng)新”成果。今年8月，由中國稀土學會組織的科技成果評價會對“基于稀土合金化提高鋼材耐腐蝕性能技術與產(chǎn)業(yè)化”項目進行了成果綜合評價。以中國工程院院士、國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會主任干勇為組長的11位行業(yè)專家組成的評審組一致認為，該團隊發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)新了稀土多形合金化耐蝕機理，開發(fā)了普碳鋼稀土合金化耐蝕技術，形成了中國特色的新型稀土耐蝕鋼生產(chǎn)與應用技術，低成本綠色化稀土耐蝕鋼理論和技術總體達到國際領先水平。

日前，筆者從該團隊獲悉，此項技術可將鋼中稀土含量精確控制在100~400ppm（百萬分之一）范圍，稀土收得率保持在70%~90%，已成功生產(chǎn)多品種稀土鋼，規(guī)模化生產(chǎn)近萬噸，完成技術應用的生產(chǎn)企業(yè)已達14家，合同總額在1.04億元。由上海大學及多家鋼廠共同牽頭的稀土鋼產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正在建立中。

所謂多形合金化原理（Polymorphic Alloying），是指合金元素的原子尺寸、電負性、外層電子等因素決定了其在鐵晶體中的存在狀態(tài)。當缺陷存在時，合金元素的原子可能會以多種形態(tài)存在，并影響著鋼的特性。伴隨著精細的表征技術進步，合金化認識持續(xù)深入精準。稀土耐蝕普碳鋼是通過在鋼中加入微量稀土（RE）元素改善鋼的耐蝕性，特別是量大面廣的普碳鋼（占比達70%），加入微量的高豐度鑭鈰稀土可達到CuPCrNi耐候鋼的水平，形成稀土耐蝕普碳鋼技術。

該項技術有4大創(chuàng)新點：

一是稀土夾雜物變性技術，降低了鋼鐵材料發(fā)生點蝕趨勢。通過在鋼中加入一定含量的稀土合金，顯著改變了夾雜物性質(zhì)及狀態(tài)，夾雜物類型從MnS、Al2O3向稀土氧、硫化物或復合夾雜物轉變，夾雜物發(fā)生了顯著的細化和球化，有效縮小了夾雜物與基體間的電極電位差，降低了點蝕傾向。

二是稀土界面偏聚降低界面能量，避免局部腐蝕。稀土La的原子半徑為2.74埃，Ce的原子半徑為2.7埃，而Fe原子半徑為1.72 埃。稀土很難以置換固溶的形式在鋼中穩(wěn)定存在，更趨向于偏聚在能量更高、排列不穩(wěn)定、缺陷更多的界面上。稀土大原子的界面偏聚能夠顯著降低界面能量，在大氣腐蝕條件下有效避免局部腐蝕的發(fā)生。

三是自由表面偏聚技術，促進鋼表面形成穩(wěn)定銹層。鋼中加入的稀土會向銹層與基體界面偏聚，增加銹層與基體結合力及附著強度，提高銹層致密性。通過該技術生產(chǎn)的鋼材包括建筑螺紋鋼、板材、型材和棒線材等多品種稀土耐蝕鋼，形成了穩(wěn)定銹層，可有效隔絕鋼的基體和腐蝕環(huán)境的接觸，“以銹防銹”減緩腐蝕速率。

四是穩(wěn)定的高稀土收得率添加技術，保證了成果的工業(yè)生產(chǎn)化及應用推廣。據(jù)了解，采用該項技術生產(chǎn)的稀土鋼已廣泛應用在鋼結構裝配式建筑、耐蝕地螺絲、外掛裝飾裝修、廠房式標準建筑、可移動集裝箱和彩涂板等領域，建立了多個政府典型示范項目。同時，聯(lián)鑫鋼鐵采用該技術生產(chǎn)的821噸HRB400ERE螺紋鋼已應用于河北某企業(yè)重點工程項目，中天鋼鐵生產(chǎn)的近200噸中碳30CrNiMoRE合金結構鋼已應用于緊固件生產(chǎn)，東北特鋼生產(chǎn)的102噸S22稀土耐蝕鋼已運至勝利油田制造抽油桿，某型號輕武器用低合金鋼CrNiMoRE累計應用量已超過100噸。

低成本稀土合金化技術在鋼中的推廣和應用，對鋼鐵行業(yè)的更新?lián)Q代、鋼材高性能化和減量化應用、稀土資源利用率提高均有重要意義。稀土耐蝕鋼具有顯著的社會和經(jīng)濟效益，有利于企業(yè)、行業(yè)、國家綠色化的可持續(xù)發(fā)展。

此外，為了填補現(xiàn)行稀土耐候結構鋼標準體系的空白，規(guī)范稀土耐候結構鋼的通用技術要求，上海大學作為主要起草單位，經(jīng)過近2年的調(diào)研和技術討論，廣泛征求了各方意見，形成了團體標準《稀土耐候結構鋼》（T/CSM 12-2020）。該標準于2020年6月11日正式發(fā)布實施，滿足了生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)范需要以及用戶單位的使用需求。

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