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

2021-01-04 10:57:56 作者：陳曉莉來(lái)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(rèn)知，但稀土加入鋼中收得率低的問(wèn)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(guó)富余稀土的出路，而且對(duì)提高我國(guó)耐大氣腐蝕鋼的鋼材質(zhì)量及開(kāi)發(fā)新鋼種具有重要意義。

針對(duì)上述問(wèn)題，上海大學(xué)教授董瀚領(lǐng)銜的高性能鋼鐵材料團(tuán)隊(duì)，通過(guò)開(kāi)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(jī)理和耐蝕機(jī)理，進(jìn)行稀土物理化學(xué)性質(zhì)再分析，形成了“稀土耐蝕普碳鋼原理與技術(shù)創(chuàng)新”成果。今年8月，由中國(guó)稀土學(xué)會(huì)組織的科技成果評(píng)價(jià)會(huì)對(duì)“基于稀土合金化提高鋼材耐腐蝕性能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目進(jìn)行了成果綜合評(píng)價(jià)。以中國(guó)工程院院士、國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專(zhuān)家咨詢(xún)委員會(huì)主任干勇為組長(zhǎng)的11位行業(yè)專(zhuān)家組成的評(píng)審組一致認(rèn)為，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)新了稀土多形合金化耐蝕機(jī)理，開(kāi)發(fā)了普碳鋼稀土合金化耐蝕技術(shù)，形成了中國(guó)特色的新型稀土耐蝕鋼生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)，低成本綠色化稀土耐蝕鋼理論和技術(shù)總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

日前，筆者從該團(tuán)隊(duì)獲悉，此項(xiàng)技術(shù)可將鋼中稀土含量精確控制在100~400ppm（百萬(wàn)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(wàn)噸，完成技術(shù)應(yīng)用的生產(chǎn)企業(yè)已達(dá)14家，合同總額在1.04億元。由上海大學(xué)及多家鋼廠(chǎng)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(fù)性、外層電子等因素決定了其在鐵晶體中的存在狀態(tài)。當(dāng)缺陷存在時(shí)，合金元素的原子可能會(huì)以多種形態(tài)存在，并影響著鋼的特性。伴隨著精細(xì)的表征技術(shù)進(jìn)步，合金化認(rèn)識(shí)持續(xù)深入精準(zhǔn)。稀土耐蝕普碳鋼是通過(guò)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(dá)70%），加入微量的高豐度鑭鈰稀土可達(dá)到CuPCrNi耐候鋼的水平，形成稀土耐蝕普碳鋼技術(shù)。

該項(xiàng)技術(shù)有4大創(chuàng)新點(diǎn)：

一是稀土夾雜物變性技術(shù)，降低了鋼鐵材料發(fā)生點(diǎn)蝕趨勢(shì)。通過(guò)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(lèi)型從MnS、Al2O3向稀土氧、硫化物或復(fù)合夾雜物轉(zhuǎn)變，夾雜物發(fā)生了顯著的細(xì)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(diǎn)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(shù)，促進(jìn)鋼表面形成穩(wěn)定銹層。鋼中加入的稀土?xí)蜾P層與基體界面偏聚，增加銹層與基體結(jié)合力及附著強(qiáng)度，提高銹層致密性。通過(guò)該技術(shù)生產(chǎn)的鋼材包括建筑螺紋鋼、板材、型材和棒線(xiàn)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(shù)，保證了成果的工業(yè)生產(chǎn)化及應(yīng)用推廣。據(jù)了解，采用該項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)的稀土鋼已廣泛應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑、耐蝕地螺絲、外掛裝飾裝修、廠(chǎng)房式標(biāo)準(zhǔn)建筑、可移動(dòng)集裝箱和彩涂板等領(lǐng)域，建立了多個(gè)政府典型示范項(xiàng)目。同時(shí)，聯(lián)鑫鋼鐵采用該技術(shù)生產(chǎn)的821噸HRB400ERE螺紋鋼已應(yīng)用于河北某企業(yè)重點(diǎn)工程項(xiàng)目，中天鋼鐵生產(chǎn)的近200噸中碳30CrNiMoRE合金結(jié)構(gòu)鋼已應(yīng)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(yùn)至勝利油田制造抽油桿，某型號(hào)輕武器用低合金鋼CrNiMoRE累計(jì)應(yīng)用量已超過(guò)100噸。

低成本稀土合金化技術(shù)在鋼中的推廣和應(yīng)用，對(duì)鋼鐵行業(yè)的更新?lián)Q代、鋼材高性能化和減量化應(yīng)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(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，有利于企業(yè)、行業(yè)、國(guó)家綠色化的可持續(xù)發(fā)展。

此外，為了填補(bǔ)現(xiàn)行稀土耐候結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)體系的空白，規(guī)范稀土耐候結(jié)構(gòu)鋼的通用技術(shù)要求，上海大學(xué)作為主要起草單位，經(jīng)過(guò)近2年的調(diào)研和技術(shù)討論，廣泛征求了各方意見(jiàn)，形成了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《稀土耐候結(jié)構(gòu)鋼》（T/CSM 12-2020）。該標(biāo)準(zhǔn)于2020年6月11日正式發(fā)布實(shí)施，滿(mǎn)足了生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)范需要以及用戶(hù)單位的使用需求。

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