中國(guó)冶金報(bào) 中國(guó)鋼鐵新聞網(wǎng)
董瀚
鋼鐵材料是量大面廣的材料，具有性能多樣化、容易獲得且成本較低、生產(chǎn)加工適用性廣泛、可循環(huán)利用等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。然而，量大面廣的普碳鋼（占比70%）和低合金鋼（占比20%）容易被腐蝕（鋼材腐蝕情況見(jiàn)圖1），需要尋找綠色環(huán)保且低成本的解決方案。稀土作為我國(guó)的戰(zhàn)略資源，開(kāi)采過(guò)程中高豐度鑭鈰元素大量富余堆積，迫切需要加以合理消耗利用。
上海大學(xué)董瀚教授領(lǐng)銜的高性能鋼鐵材料團(tuán)隊(duì)在多年的研究基礎(chǔ)上，形成了新型稀土多形合金化觀點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出稀土合金化耐腐蝕技術(shù)，并生產(chǎn)了Q235RE、Q345RE、09CuPCrNiRE鋼的扁平材和長(zhǎng)型材，產(chǎn)品具有低成本和綠色化的特點(diǎn)。
01、稀土在鋼中耐蝕作用機(jī)理探析
國(guó)外研究稀土鋼已有數(shù)十年的時(shí)間，我國(guó)從上世紀(jì)50年代末開(kāi)始稀土鋼的研究工作，幾十年來(lái)積累了豐富的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。原有的稀土在鋼中的作用有：脫氧脫硫凈化、夾雜物變性與變形、固溶合金化等。稀土添加在鋼中會(huì)有許多有益效果，其中提高耐蝕性是公認(rèn)的。09CuPTiRE鋼是我國(guó)開(kāi)發(fā)的典型稀土低合金耐候鋼。但是由于過(guò)去表征手段有限，我國(guó)對(duì)稀土鋼耐蝕性的機(jī)理認(rèn)識(shí)還有待加深。上世紀(jì)后期，隨著精煉技術(shù)與連鑄技術(shù)的廣泛應(yīng)用，稀土的凈化作用失去了意義，添加稀土容易造成水口結(jié)瘤，從而影響連鑄生產(chǎn)順行。此外，稀土加入鋼中收得率低的問(wèn)題一直未得到根本解決。上述問(wèn)題導(dǎo)致稀土鋼的生產(chǎn)應(yīng)用量越來(lái)越少。直到近年來(lái)，稀土鋼才又開(kāi)始逐漸成為研究熱點(diǎn)。
考慮到我國(guó)具有豐富的稀土資源，借鑒前人在稀土鋼方面的研究成果，可以開(kāi)發(fā)出綠色低成本的稀土耐蝕普碳鋼，以延長(zhǎng)建筑、橋梁、各種構(gòu)件的使用年限，達(dá)到鋼鐵材料的減量化使用目標(biāo)。
基于此，上海大學(xué)高性能鋼鐵材料團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用高豐度鑭鈰稀土資源，通過(guò)多形合金化原理與技術(shù)，明確了稀土鑭鈰元素在普碳鋼中的賦存與蹤跡，以及稀土在鋼中的耐腐蝕作用機(jī)理，即鑭鈰元素可改變夾雜物性質(zhì)和形態(tài)，縮小夾雜物與基體的電極電位差，避免點(diǎn)蝕發(fā)生；偏聚于微觀組織界面，降低了界面能，避免表面和局部腐蝕發(fā)生；可促進(jìn)α-FeOOH穩(wěn)定銹層形成，形成致密的表面銹層組織，有效降低腐蝕速率。（見(jiàn)圖2、表1）
基于對(duì)稀土元素在鋼中作用機(jī)理的研究結(jié)果，上海大學(xué)高性能鋼鐵材料團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)了保護(hù)性稀土合金加入技術(shù)，依托多個(gè)鋼企的不同鋼材生產(chǎn)流程，經(jīng)過(guò)多次工業(yè)試驗(yàn)，最終確定了最佳的稀土合金加入工藝。該團(tuán)隊(duì)在不改變現(xiàn)行鋼鐵生產(chǎn)工藝流程的條件下，將稀土合金化設(shè)備嵌入流程，操作簡(jiǎn)單易行，成本低廉，稀土收得率高且穩(wěn)定均勻，形成了穩(wěn)定的低成本高收得率稀土鑭鈰多形合金化加入方法，避免了連鑄水口結(jié)瘤，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)多爐連澆，在連鑄坯中稀土元素分布均勻。（見(jiàn)圖4）
通過(guò)采用稀土多形合金化技術(shù)，國(guó)內(nèi)10余家鋼企開(kāi)發(fā)出綠色低成本稀土耐蝕普碳鋼系列鋼材，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定順行，鋼材組織性能合格，耐蝕性顯著提高。（見(jiàn)圖5）
新型稀土耐蝕鋼在大氣環(huán)境下，相比于傳統(tǒng)的普碳鋼和低合金耐大氣腐蝕性能提高30%~50%。稀土耐蝕鋼結(jié)構(gòu)可免除涂裝與鍍鋅，一般鍍鋅鋼材使用壽命約為15年，稀土耐蝕鋼可延長(zhǎng)使用壽命至70年以上，減輕環(huán)保負(fù)擔(dān)，利于資源合理化應(yīng)用。稀土耐蝕普碳鋼噸鋼成本僅較普通鋼材提高30元~50元，較常用的銅磷鉻鎳耐候鋼成本大幅降低。目前稀土耐蝕普碳鋼工業(yè)化批量生產(chǎn)產(chǎn)品合格率可達(dá)99%。（見(jiàn)表2、圖3）
02、稀土耐蝕普碳鋼的應(yīng)用
輕鋼結(jié)構(gòu)民居房
相比磚混結(jié)構(gòu)建筑，稀土耐蝕普碳鋼結(jié)構(gòu)具有耐蝕抗震的特點(diǎn)，同時(shí)具備施工方便、空間劃分靈活、得房率高、材料環(huán)保等特點(diǎn)。湖南、上海等多地建立了多個(gè)輕鋼結(jié)構(gòu)裝配式民居房，使用效果良好。（見(jiàn)圖6）
鋼結(jié)構(gòu)廠房
江蘇冶金技術(shù)研究院廠房式實(shí)驗(yàn)室的梁柱選用沙鋼生產(chǎn)的Q355BRE稀土耐蝕普碳鋼，腐蝕速率相比Q355B降低50%以上。廠房面積為4300平方米，于2019年開(kāi)始建設(shè)、2020年10月完工。（見(jiàn)圖7）
鋼筋混凝土建筑
2020年9月，河北龍鳳山鑄業(yè)采用直徑12毫米稀土耐蝕螺紋鋼HRB400ERE進(jìn)行廠房建設(shè)。施工過(guò)程中，稀土耐蝕螺紋鋼被加工成箍筋與板筋，用于框架結(jié)構(gòu)建設(shè)。其中，箍筋主要用于主廠房和制粉車(chē)間固定框架柱與框架梁，板筋用于主廠房、制粉車(chē)間和中心樓樓頂和樓梯。該項(xiàng)目于2020年11月完成主體工程建設(shè)。（見(jiàn)圖8）
地螺絲
采用稀土耐蝕鋼制造地螺絲，可免鍍鋅處理，并延長(zhǎng)使用壽命。山東威海、上海等地建設(shè)了基于地螺絲地基的輕鋼結(jié)構(gòu)房等。經(jīng)過(guò)2年戶外腐蝕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)涂覆的稀土耐蝕鋼地螺絲單面腐蝕率僅為0.1毫米/年，具有良好的耐腐蝕性能。（見(jiàn)圖9）
集裝箱房
稀土耐蝕普碳鋼可替代傳統(tǒng)耐候鋼應(yīng)用于集裝箱房制造。（見(jiàn)圖10）
裝飾裝修外掛件和龍骨
傳統(tǒng)的外掛裝飾裝修框架通常采用鍍鋅鋼材，不僅成本較高，且鍍鋅層在經(jīng)歷風(fēng)吹雨淋后極易破損剝落，影響結(jié)構(gòu)壽命，降低安全系數(shù)。應(yīng)用稀土耐蝕普碳鋼可免除鍍鋅、降低成本、延長(zhǎng)壽命、提高安全性。2016年遼寧沈陽(yáng)一建筑工程應(yīng)用了稀土耐蝕普碳鋼，用戶單位反饋良好。（見(jiàn)圖11）
上述應(yīng)用推動(dòng)稀土耐蝕普碳鋼應(yīng)用技術(shù)逐漸走向成熟。
基于稀土合金化提高鋼材耐腐蝕性能技術(shù)，在中國(guó)金屬學(xué)會(huì)新材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組織下，上海大學(xué)高性能鋼鐵材料團(tuán)隊(duì)主持并起草了《稀土耐候結(jié)構(gòu)鋼》（T/CSM12-2020）團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。2020年6月11日，《稀土耐候結(jié)構(gòu)鋼》（T/CSM12-2020）團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布并實(shí)施。
稀土耐蝕普碳鋼是一類(lèi)新型的綠色鋼鐵材料，是中國(guó)特色資源有效利用和鋼鐵科技發(fā)展的產(chǎn)物。促進(jìn)社會(huì)鋼材減量化應(yīng)用，是歷史發(fā)展的必然。發(fā)展稀土耐蝕普碳鋼將促進(jìn)中國(guó)鋼鐵工業(yè)與稀土行業(yè)共同高質(zhì)量發(fā)展，促進(jìn)社會(huì)低碳化發(fā)展。
