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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量及開發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、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再分析，形成了“稀土耐蝕普碳鋼原理與技術創新”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業化”項目進行了成果綜合評價。以中國工程院院士、國家新材料產業發展專家咨詢委員會主任干勇為組長的11位行業專家組成的評審組一致認為，該團隊發現并創新了稀土多形合金化耐蝕機理，開發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%，已成功生產多品種稀土鋼，規模化生產近萬噸，完成技術應用的生產企業已達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業聯盟正在建立中。

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。當缺陷存在時，合金元素的原子可能會以多種形態存在，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大創新點：

一是稀土夾雜物變性技術，降低了鋼鐵材料發生點蝕趨勢。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及狀態，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定存在，更趨向于偏聚在能量更高、排列不穩定、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生。

三是自由表面偏聚技術，促進鋼表面形成穩定銹層。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，形成了穩定銹層，可有效隔絕鋼的基體和腐蝕環境的接觸，“以銹防銹”減緩腐蝕速率。

四是穩定的高稀土收得率添加技術，保證了成果的工業生產化及應用推廣。據了解，采用該項技術生產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，聯鑫鋼鐵采用該技術生產的821噸HRB400ERE螺紋鋼已應用于河北某企業重點工程項目，中天鋼鐵生產的近200噸中碳30CrNiMoRE合金結構鋼已應用于緊固件生產，東北特鋼生產的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，對鋼鐵行業的更新換代、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濟效益，有利于企業、行業、國家綠色化的可持續發展。

此外，為了填補現行稀土耐候結構鋼標準體系的空白，規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，經過近2年的調研和技術討論，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日正式發布實施，滿足了生產企業的生產規范需要以及用戶單位的使用需求。

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