绿色、长寿、低成本--稀土耐蚀普碳钢助力低碳未来

27 05月 2021

2021-05-27 09:57

中国冶金报中国钢铁新闻网

董瀚

钢铁材料是量大面广的材料，具有性能多样化、容易获得且成本较低、生产加工适用性广泛、可循环利用等特点，广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域。然而，量大面广的普碳钢（占比70%）和低合金钢（占比20%）容易被腐蚀（钢材腐蚀情况见图1），需要寻找绿色环保且低成本的解决方案。稀土作为我国的战略资源，开采过程中高丰度镧铈元素大量富余堆积，迫切需要加以合理消耗利用。

上海大学董瀚教授领衔的高性能钢铁材料团队在多年的研究基础上，形成了新型稀土多形合金化观点，开发出稀土合金化耐腐蚀技术，并生产了Q235RE、Q345RE、09CuPCrNiRE钢的扁平材和长型材，产品具有低成本和绿色化的特点。

01、稀土在钢中耐蚀作用机理探析

国外研究稀土钢已有数十年的时间，我国从上世纪50年代末开始稀土钢的研究工作，几十年来积累了丰富的知识与经验。原有的稀土在钢中的作用有：脱氧脱硫净化、夹杂物变性与变形、固溶合金化等。稀土添加在钢中会有许多有益效果，其中提高耐蚀性是公认的。09CuPTiRE钢是我国开发的典型稀土低合金耐候钢。但是由于过去表征手段有限，我国对稀土钢耐蚀性的机理认识还有待加深。上世纪后期，随着精炼技术与连铸技术的广泛应用，稀土的净化作用失去了意义，添加稀土容易造成水口结瘤，从而影响连铸生产顺行。此外，稀土加入钢中收得率低的问题一直未得到根本解决。上述问题导致稀土钢的生产应用量越来越少。直到近年来，稀土钢才又开始逐渐成为研究热点。

考虑到我国具有丰富的稀土资源，借鉴前人在稀土钢方面的研究成果，可以开发出绿色低成本的稀土耐蚀普碳钢，以延长建筑、桥梁、各种构件的使用年限，达到钢铁材料的减量化使用目标。

基于此，上海大学高性能钢铁材料团队应用高丰度镧铈稀土资源，通过多形合金化原理与技术，明确了稀土镧铈元素在普碳钢中的赋存与踪迹，以及稀土在钢中的耐腐蚀作用机理，即镧铈元素可改变夹杂物性质和形态，缩小夹杂物与基体的电极电位差，避免点蚀发生；偏聚于微观组织界面，降低了界面能，避免表面和局部腐蚀发生；可促进α-FeOOH稳定锈层形成，形成致密的表面锈层组织，有效降低腐蚀速率。（见图2、表1）

基于对稀土元素在钢中作用机理的研究结果，上海大学高性能钢铁材料团队创新研发了保护性稀土合金加入技术，依托多个钢企的不同钢材生产流程，经过多次工业试验，最终确定了最佳的稀土合金加入工艺。该团队在不改变现行钢铁生产工艺流程的条件下，将稀土合金化设备嵌入流程，操作简单易行，成本低廉，稀土收得率高且稳定均匀，形成了稳定的低成本高收得率稀土镧铈多形合金化加入方法，避免了连铸水口结瘤，稳定实现多炉连浇，在连铸坯中稀土元素分布均匀。（见图4）

通过采用稀土多形合金化技术，国内10余家钢企开发出绿色低成本稀土耐蚀普碳钢系列钢材，生产工艺稳定顺行，钢材组织性能合格，耐蚀性显著提高。（见图5）

新型稀土耐蚀钢在大气环境下，相比于传统的普碳钢和低合金耐大气腐蚀性能提高30%~50%。稀土耐蚀钢结构可免除涂装与镀锌，一般镀锌钢材使用寿命约为15年，稀土耐蚀钢可延长使用寿命至70年以上，减轻环保负担，利于资源合理化应用。稀土耐蚀普碳钢吨钢成本仅较普通钢材提高30元~50元，较常用的铜磷铬镍耐候钢成本大幅降低。目前稀土耐蚀普碳钢工业化批量生产产品合格率可达99%。（见表2、图3）

02、稀土耐蚀普碳钢的应用

轻钢结构民居房

相比砖混结构建筑，稀土耐蚀普碳钢结构具有耐蚀抗震的特点，同时具备施工方便、空间划分灵活、得房率高、材料环保等特点。湖南、上海等多地建立了多个轻钢结构装配式民居房，使用效果良好。（见图6）

钢结构厂房

江苏冶金技术研究院厂房式实验室的梁柱选用沙钢生产的Q355BRE稀土耐蚀普碳钢，腐蚀速率相比Q355B降低50%以上。厂房面积为4300平方米，于2019年开始建设、2020年10月完工。（见图7）

钢筋混凝土建筑

2020年9月，河北龙凤山铸业采用直径12毫米稀土耐蚀螺纹钢HRB400ERE进行厂房建设。施工过程中，稀土耐蚀螺纹钢被加工成箍筋与板筋，用于框架结构建设。其中，箍筋主要用于主厂房和制粉车间固定框架柱与框架梁，板筋用于主厂房、制粉车间和中心楼楼顶和楼梯。该项目于2020年11月完成主体工程建设。（见图8）