从“廉价土”到“拒腐蚀钢”的蜕变 ——稀土耐蚀普碳钢原理与技术创新透视

2021-01-04 10:57:56 作者：陈晓莉来源：冶金传媒分享至：

稀土加入钢中可显著提高钢的耐蚀性是行业的普遍认知，但稀土加入钢中收得率低的问题一直未得到根本解决。所谓“稀土稀土，稀里糊涂”，攻克稀土在钢中的收得率难题，将不仅能找到我国富余稀土的出路，而且对提高我国耐大气腐蚀钢的钢材质量及开发新钢种具有重要意义。

针对上述问题，上海大学教授董瀚领衔的高性能钢铁材料团队，通过开发在钢中加入稀土、提高稀土收得率的新工艺，深入研究稀土在钢中的赋存状态、稀土多形合金化作用机理和耐蚀机理，进行稀土物理化学性质再分析，形成了“稀土耐蚀普碳钢原理与技术创新”成果。今年8月，由中国稀土学会组织的科技成果评价会对“基于稀土合金化提高钢材耐腐蚀性能技术与产业化”项目进行了成果综合评价。以中国工程院院士、国家新材料产业发展专家咨询委员会主任干勇为组长的11位行业专家组成的评审组一致认为，该团队发现并创新了稀土多形合金化耐蚀机理，开发了普碳钢稀土合金化耐蚀技术，形成了中国特色的新型稀土耐蚀钢生产与应用技术，低成本绿色化稀土耐蚀钢理论和技术总体达到国际领先水平。

日前，笔者从该团队获悉，此项技术可将钢中稀土含量精确控制在100~400ppm（百万分之一）范围，稀土收得率保持在70%~90%，已成功生产多品种稀土钢，规模化生产近万吨，完成技术应用的生产企业已达14家，合同总额在1.04亿元。由上海大学及多家钢厂共同牵头的稀土钢产业联盟正在建立中。

所谓多形合金化原理（Polymorphic Alloying），是指合金元素的原子尺寸、电负性、外层电子等因素决定了其在铁晶体中的存在状态。当缺陷存在时，合金元素的原子可能会以多种形态存在，并影响着钢的特性。伴随着精细的表征技术进步，合金化认识持续深入精准。稀土耐蚀普碳钢是通过在钢中加入微量稀土（RE）元素改善钢的耐蚀性，特别是量大面广的普碳钢（占比达70%），加入微量的高丰度镧铈稀土可达到CuPCrNi耐候钢的水平，形成稀土耐蚀普碳钢技术。

该项技术有4大创新点：

一是稀土夹杂物变性技术，降低了钢铁材料发生点蚀趋势。通过在钢中加入一定含量的稀土合金，显著改变了夹杂物性质及状态，夹杂物类型从MnS、Al2O3向稀土氧、硫化物或复合夹杂物转变，夹杂物发生了显著的细化和球化，有效缩小了夹杂物与基体间的电极电位差，降低了点蚀倾向。

二是稀土界面偏聚降低界面能量，避免局部腐蚀。稀土La的原子半径为2.74埃，Ce的原子半径为2.7埃，而Fe原子半径为1.72 埃。稀土很难以置换固溶的形式在钢中稳定存在，更趋向于偏聚在能量更高、排列不稳定、缺陷更多的界面上。稀土大原子的界面偏聚能够显著降低界面能量，在大气腐蚀条件下有效避免局部腐蚀的发生。

三是自由表面偏聚技术，促进钢表面形成稳定锈层。钢中加入的稀土会向锈层与基体界面偏聚，增加锈层与基体结合力及附着强度，提高锈层致密性。通过该技术生产的钢材包括建筑螺纹钢、板材、型材和棒线材等多品种稀土耐蚀钢，形成了稳定锈层，可有效隔绝钢的基体和腐蚀环境的接触，“以锈防锈”减缓腐蚀速率。

四是稳定的高稀土收得率添加技术，保证了成果的工业生产化及应用推广。据了解，采用该项技术生产的稀土钢已广泛应用在钢结构装配式建筑、耐蚀地螺丝、外挂装饰装修、厂房式标准建筑、可移动集装箱和彩涂板等领域，建立了多个政府典型示范项目。同时，联鑫钢铁采用该技术生产的821吨HRB400ERE螺纹钢已应用于河北某企业重点工程项目，中天钢铁生产的近200吨中碳30CrNiMoRE合金结构钢已应用于紧固件生产，东北特钢生产的102吨S22稀土耐蚀钢已运至胜利油田制造抽油杆，某型号轻武器用低合金钢CrNiMoRE累计应用量已超过100吨。

低成本稀土合金化技术在钢中的推广和应用，对钢铁行业的更新换代、钢材高性能化和减量化应用、稀土资源利用率提高均有重要意义。稀土耐蚀钢具有显著的社会和经济效益，有利于企业、行业、国家绿色化的可持续发展。

此外，为了填补现行稀土耐候结构钢标准体系的空白，规范稀土耐候结构钢的通用技术要求，上海大学作为主要起草单位，经过近2年的调研和技术讨论，广泛征求了各方意见，形成了团体标准《稀土耐候结构钢》（T/CSM 12-2020）。该标准于2020年6月11日正式发布实施，满足了生产企业的生产规范需要以及用户单位的使用需求。

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