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稀土在钢中的应用

来源: 本站原创 日期:2009-01-16 加入收藏

  我国是世界稀土资源和产量第一的稀土大国,又是钢产量第一的钢铁大国,但不是钢铁强国,品种质量与国外先进水平相比还有相当大的差距,仍有不少钢材需要进口。用稀土这个高技术材料来强化和提升钢铁传统产业,在低合金钢、合金钢中加入微量稀土,提高钢质增强国际竞争力,把稀土的资源优势转化为钢材的品种优势和经济优势,具有十分重大的意义。

一、稀土在钢中应用有三大作用

  1.净化钢液。稀土具有脱氧、脱硫作用,减少并细化钢中夹杂物。2.变质夹杂。稀土加入钢中生成球状稀土硫化物或硫氧化物,取代长条状硫化锰夹杂,使硫化物形态得到完全控制,提高钢的韧塑性特别是横向冲击韧性,改善钢材的各向异性。稀土使高硬度的氧化铝夹杂转变成球状硫氧化物及铝酸稀土,显著地提高钢的抗疲劳性能。3.微合金化。稀土在钢中有一定的固溶量,它在晶界的偏聚能抑制磷硫及低熔点杂质铅、锡、砷、锑、铋在晶界的偏析或与这些杂质形成熔点较高的化合物,消除低熔点杂质的有害作用;稀土净化和强化晶界,阻碍晶间裂纹的形成和扩展,有利于改善塑性尤其是高温塑性;稀土能抑制动态再结晶、细化晶粒和沉淀相尺寸并促进铁素体中Nb(C、N),(Nb、Ti)(C、N)和V(C、N)的析出;溶解的稀土可改变渗碳体的组成和结构并使碳化物球化、细化和均匀分布。

  稀土既是优良的变质剂,也是一种强效微合金元素。稀土具有捕氢性,能使钢的氢致延迟断裂性能得以改善;稀土可提高耐候钢、不锈钢的抗腐蚀性能,耐热钢的抗氧化性能和高温强度,弹簧钢、齿轮钢和轴承钢的抗疲劳性能,难变形高合金钢的热塑性,钢轨及耐磨材料的耐磨性等。钢中加入稀土后,一般能使钢板、无缝钢管的横向冲击韧性提高50%以上,耐腐蚀性能提高60%,同时提高其他性能。每吨钢加稀土300克左右,但作用十分显著,真可谓四两拨千斤。

  对钢进行稀土处理,具有投资少、无污染、见效快、经济效益高的特点。北京钢铁研究总院与武汉钢铁公司共同做的几种钢的盐雾腐蚀对比试验结果表明,稀土耐候钢的耐腐蚀性能是普通钢(Q235)的近2倍,超过了国际名牌耐候钢美国的Corten钢的水平。
中科院沈阳金属研究所研制了一种水电站水轮机、水泵用加稀土的不锈钢,抗磨损性能比目前国内外使用最多的0Cr13Ni4Mo钢提高近1倍。该所做了大量对比试验,这种不锈钢加适量稀土(0.3%)比不加稀土的性能大幅度提高,稀土对合金抗腐蚀、抗磨损和抗磨蚀性能分别比不加稀土的合金提高57%、55%、83%。

  稀土处理钢也有缺点:
(1)稀土夹杂物比重大,一般在5.5~6.5之间,不易上浮,特别是当稀土加入量过量时,会增加钢中的夹杂,甚至产生脆性的稀土与铁的金属间化合物恶化钢的性能。通过计算机仿真计算,确定最佳稀土加入量和稀土喂丝机的自动化,可以实现稀土加入量的准确控制,达到提高钢质的目的。
(2)稀土处理钢浇注时水口易结瘤,用强脱氧剂如A1、Zr脱氧时,也常出现水口结瘤问题。目前是采用在连铸结晶器喂稀土丝,绕开水口的方法来解决这个问题。杜挺、韩其勇、王常珍教授指出,用熔融石英水口和锆质水口,对防止含稀土钢水口的结瘤具有较好效果。
(3)稀土金属的价格较贵。稀土金属丝和棒的价格是9~9.8万元/吨,比硅钙合金贵,这影响了稀土钢的扩大推广。 


二、我国稀土钢的现状

  通过国家科委组织的"七五"科技攻关,解决了普通拉速板坯连铸钢和模铸钢的稀土加入方法问题,稀土在钢中的作用机理研究也取得了重大突破。冶金部专门制定了炼钢用稀土丝、棒的标准及模铸钢锭模吊挂法和连铸结晶器喂丝法的稀土加入方法标准;国家计委稀土办公室成立了全国稀土钢铁协作网,各地方稀土办公室也积极抓这项工作。这都有力地推动了我国稀土钢的发展,使稀土钢产量由1985年的11万吨增长到2003年的90万吨,品种达80多个,为国家创造巨大的经济效益和社会效益,仅1996年到1999年,我国共生产稀土钢239万吨,为国家新增直接经济效益7.27亿元,间接效益36.35亿元。1990~2003年我国稀土钢的产量和钢产量变化态势见表1。

 

表1 1990~2003年我国稀土钢的产量(万吨)

年份
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
产量
34
38.5
43.1
59.8
54.5
52.0
54.7
59.5
44.5
80.0
77.9
74.7
83.1
90.0


  在稀土喂丝机的研制方面,包头稀土研究院、武汉钢铁公司二炼钢厂等单位曾取得过长足的进步。稀土丝、棒和稀土硅化物合金、稀土硅铁包芯线产品,也较好地满足了各钢厂发展稀土钢的需要。

  稀土钢新品种的开发,取得了重大的成绩。包钢(集团)公司、北京钢铁研究总院、铁道部属科研院联合研制的稀土铌重轨,耐磨寿命比U74、U71Mn重轨提高50%以上,1997年通过了冶金部和铁道部的联合鉴定。武钢在集装箱钢板的三个仿国外钢种SS400、SPA-H、SM490A中,通过加稀土提高了冷弯性能,增强了在国际市场的竞争力,1996年到1999年共出口或以产顶进46万吨,创汇1.54亿美元。攀枝花钢铁公司的装备水平比宝山钢铁公司和武汉钢铁公司差,但由于它们有稀土、碱土复合处理钢液的工艺,大大地提高了其钢板的竞争力,它们生产的管线钢和汽车大梁钢分别受到石油部门和东风汽车公司的青睐。大冶特钢已在10多个品种的合金钢和低合金钢中加稀土,取得了显著效果,0Cr14Ni14Si4钢的穿孔成管率提高了10%,还有SN2025、521、ZF6、ZF7等钢种都达了国外同类产品的实物质量水平。上海钢铁一厂铁水含硫较高,但他们研制的稀土耐候钢10PCuRE,已成功地用于杨浦大桥人行护栏、上海体育场栏杆和被称为"亚洲第一"的上海东方电视塔球体外围结构。太原钢铁公司也尝到了搞稀土钢的甜头,1996年开始试制,1997年的产量就达3.56万吨(主要品种是煤气瓶用钢Hp295等),1999年达到了13.92万吨,当年为太原钢铁公司创造经济效益3480万元。我国最大的钢铁企业上海宝钢2000年也生产了稀土耐候钢3.1万吨。

三、存在的问题

  存在的主要问题,一是稀土加入工艺及设备较落后,二是稀土钢的品种和产量少,三是稀土在各类钢中的作用机理研究还很不深入。

  我国稀土在钢中应用虽然取得了较大成绩,但是钢中稀土的加入工艺和设备尚满足不了从国外引进的炼钢和炉外精炼设备高度自动化、连续化的要求。包钢从德国引进的大方坯、大圆坯连铸生产线,年产量120万吨,急需解决稀土加入工艺问题,以生产铁道部急需的稀土、铌重轨等重要钢种;宝钢和武钢三炼钢的高拉速板坯连铸生产线,国产的老式稀土喂丝机已不配套,需研究新一代自动化喂丝机以解决高拉速板坯连铸稀土加入工艺问题;还有连铸中间包稀土加入工艺问题、稀土处理与其他炉外精炼工艺相结合的问题、小方坯连铸稀土加入工艺问题等,都需要研究解决。

  我国大批量生产的稀土钢品种仅9个钢号,稀土处理钢产量占总钢产量的比例不到1%,而美国是5%,差距不小。

  稀土在各类钢中的作用机理研究,还极不深入,成果的权威性不大,科研经费短缺是主要原因。

  我国"七五"期间开发成功的稀土钢的工艺技术,随着炼钢工艺及设备进步和生产的发展,逐渐失去了新颖性,必须继续向纵深进行科技开发,才能促进新发展。抓稀土钢不是一个简单推广应用的问题。随着我国铁水预处理、炉外精炼技术的发展,钢中硫含量已大大降低,对稀土的依赖性减少,没有稀土资源的西欧和日本,用钙处理取代稀土的技术路线,对我国的宝钢影响很大,最近也开始影响到武钢。我国稀土钢的产量又出现徘徊,2000年和2001年的产量只是接近80万吨。现在,我国稀土钢工作到了一个关键时刻,极需要国家经费支持。认真对待,就能上到一个新的层次,进入一个广阔的天地,不抓可能逐步滑坡。

四、国外稀土处理钢发展简况

  20世纪70年代美国、西欧、日本以及苏联等,一般低合金钢的硫含量控制在0.015%左右,他们大量使用稀土来控制硫化物夹杂形态,1974年对钢进行稀土处理,达到一个高潮,当年在钢中消耗了6000吨稀土(以REO计),稀土处理钢产量达1600万吨以上。后来随着铁水预处理、炉外精炼技术的发展,西方国家生产的低合金钢硫含量已降到10×10-6~50×10-6那样低,采用钙处理就可以控制硫化物夹杂形态,所以没有稀土资源的西欧和日本基本用钙处理取代了稀土处理,即作为变质剂使用的稀土,在低合金钢领域被取代了。

  然而西方国家对稀土在钢中的作用是肯定的。日本新金属协会编著的《稀土》一书,总结了稀土在钢中有六条作用。日本没有稀土资源,在低合金钢中基本不用稀土,但是在电热合金特种不锈钢等部分合金钢中也用稀土。瑞典开发的加稀土的耐热钢253MA,高温持久强度比不加稀土的提高20%~40%,法国研制的新型抗渗碳合金XM、XTM加入微量稀土获得优异性能,使其在世界石化行业中普遍应用。稀土资源丰富的美国和俄罗斯,不但在高合金钢中而且在低合金钢中使用稀土。美国1995年在钢铁中(主要是钢)消费了2000吨稀土(以REO计)。该国《金属》杂志刊登了:"用稀土和钙复合处理钢,比单独用钙处理来控制硫化物夹杂形态更为有效"。该资料还肯定了稀土在钢中的合金化作用。

五、我国发展稀土钢的意义和前景

 1.对钢进行稀土处理是提高钢质简便易行的手段

  稀土处理是炉外精炼技术的一种,稀土处理基本上不需要技术改造投入,喂丝机设备仅几万元一台,试验成功就可以转产。稀土既是优良的变质剂,又是一种强效微合金元素,这是硅钙所不能代替的。许多钢厂的实践证明,对钢进行稀土处理,是提高钢质、发展新品种的有效措施之一。

 2.我国的国情需要发展稀土钢

  美国在年产1亿吨钢时,稀土钢、稀土处理钢年产量曾接近过800万吨,我国是钢产量第一大国,2005年钢产量将达到1.6亿吨,在这样一个量大面广的领域,加强稀土的应用,具有十分重大的意义。我国稀土年分离能力已达12万吨,稀土应用量远小于生产能力。只要国家给予科技经费支持,我国稀土钢完全可能做大做强,倘若稀土钢年产量达到500万吨,则每年将消耗混合稀土金属(以相对过剩的元素镧、镨、铈为主)2500吨,这对促进我国稀土产业的健康发展有着重要意义。

  国家计委稀土办公室和国家计委稀土专家组、中国钢铁工业协会,对我国稀土在钢中的应用工作非常重视,国家科技部也已将"稀土钢新品种、新工艺研究与开发"课题,列入了"十五"国家科技攻关"稀土应用工程"项目,相信再经过几年,我国稀土钢的工作将上一个大台阶,出现一个崭新的面貌,将为国家创造巨大的经济效益,而且我国稀土钢的工艺技术将达到国际先进水平,稀土在钢中的作用机理研究将达到国际领先水平。
我国目前铁水预处理比为23%左右,钢水精炼比为21%左右,绝大多数大中型钢厂低合金钢硫含量现状,硫含量为0.01%左右(天津钢管、宝钢及武钢除外),处于20世纪70年代末到80年代初的水平;就是特钢厂由于废钢质量不好,低合金钢硫含量也是这一水平。这样的硫含量比国外现状高数倍,仅用钙处理就不够了,需要稀土处理工艺来彻底地控制硫化物夹杂形态,才能保证生产优质低合金钢、合金钢,参与国际竞争。加入WTO后,我国更需要发展具有中国资源特色的含微量稀土的低合金钢和合金钢。

 3.从稀土在钢中作用看稀土钢的发展前景

  武钢和东北大学测试了X65和加稀土的X65管线钢在不同硫含量时的冲击韧性,结果表明,即使钢中硫含量降到0.005%,加稀土仍然能大幅度地提高钢的冲击值。

  北京科技大学和武钢合作,研究了超低硫钢中稀土元素的作用,结论是,稀土在超低硫(S<0.003%)铌钛微合金钢中仍然有净化钢质、变质夹杂和微合金化作用,稀土固溶量可达到10-5~10-4数量级,是一般硫含量钢稀土固溶量的6~10倍,显著减少晶界S、P的偏聚,推迟铌钛氮化物析出。
北京钢铁研究总院研究了稀土对航空用高强高韧性16Ni10Co14Cr2Mo钢性能的影响,该钢虽然是超低硫(0.002%~0.005%),但添加镧和铈混合稀土后,仍使MnS、CrS夹杂物转变为稀土硫氧化物夹杂,从而提高了钢的断裂韧性。

  稀土在合金钢、特殊合金中作用显著。如,东南大学材料系张忠铧等人研究了铈对高温合金Fe-28Al性能的影响,在二元Fe-28Al合金中加入0.15%(原子分数)的Ce可以使合金的室温塑性提高近1倍,而且合金的屈服强度和抗拉强度也得到明显提高。
我国兵器工业部包头五二研究所试制的加稀土的不锈钢,性能优异。北京钢铁研究总院试制的稀土耐热钢0Cr23Ni12使Ni用量大幅降低,每吨钢比0Cr25Ni20降低成本几千元,效果显著。含稀土的合金钢、特殊合金钢与普通钢相比总量虽然不大,但加稀土产生的经济效益很高,而且其稀土用量是低合金钢中的5~10倍。这一领域也有发展前途,可能达到几万吨水平。预计"十五"末期年需求含稀土的管线钢7万吨,汽车大梁钢12.8万吨,铸钢5万吨。

 4.从市场需求看稀土钢的发展前景

  随着国民经济建设的发展,除了要求钢材有高的强度和韧性外,同时还要求有良好的耐腐蚀性能,这方面稀土能起关键作用。稀土在提高钢材的韧、塑性、耐热抗氧化和耐磨性方面也有重要作用,这是稀土钢的优势,其发展前景很好。

  耐候钢(耐大气腐蚀钢)。目前稀土耐候钢年产量40万吨,主要用于集装箱钢板,火车车箱,大桥和体育场的栏杆,今后的应用前景非常广阔。我国集装箱钢板年生产能力150万吨,建筑用耐候、耐火钢特别是轻钢结构也有百万吨的潜在市场,还有电气化铁路铁塔等,预计"十五"末期,稀土耐候钢市场年需求量80万吨。未来的10年,我国建筑用结构钢将由目前的150万吨增长到700万吨,这为稀土耐候钢的发展提供了广阔的空间。

  重轨钢。未来的10年,包括西部大开发在内,我国铁路建设将有较大发展,目前重轨年生产能力137万吨。包钢的稀土、铌重轨通过了铁道部的鉴定,下一步工作是实现产业化。鞍钢也给沈阳铁路局、哈尔滨铁路局试制了上万吨该品种钢轨,受到了好评。预计2005年我国含稀土的重轨产量可达30~40万吨。

  焊接气瓶用钢。太原钢铁公司在焊接气瓶用钢中,通过加稀土提高了性能,发展势头良好,近年来,本溪钢铁公司、攀枝花钢铁公司稀土气瓶钢的开发也取得了可喜成绩,"十五"末期,随着"西气东输"全国用量可达50~60万吨。

  船板钢等。造船用钢板是一个重要的品种,年用钢量可达120万吨左右。稀土在903舰板钢中,对提高韧性和耐腐蚀性能起了很好的作用,有望在民用船板中得到推广。另外,海上采油平台和隧道用钢筋都需要提高耐腐蚀性能,加稀土也有很好的应用前景。预计"十五"末期全国稀土船板钢可达20万吨。

  生产实践证明,稀土处理钢是提高钢的质量、开发新品种的有效措施之一。稀土处理工艺所需投资很小,炼钢中不需要另外增加处理时间。稀土加入钢中能够起到净化(脱氧、脱硫)、变质和微合金化作用,能大大减小低熔点杂质的有害影响,是硅钙处理所不能完全替代的。因此在钢中加入稀土,一般能使钢板和无缝管的横向冲击韧性提高1倍左右,同时能提高钢的抗弯性能和耐腐蚀性能,有利于改善钢的热加工性,改善层状撕裂及氢致开裂。每吨钢仅需加入300克的稀土金属,即可获得很大效益。我国每年用稀土处理钢近60~70万吨,纯利润近亿元,稀土处理钢钢种已有80多个。到2000年发展到年产稀土处理钢300万吨,获得纯利润3.36亿元以上。2003年用于钢的稀土用量为400吨,占冶金机械应用领域总消费比例的7.5%。1990~2003年我国稀土在钢中的消费量见表2。
 

表2 1990~2003年我国稀土在钢中的消费量(REO,吨)

年份
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
消费量
400
566
710
750
300
300
350
372
372
400
400
400
400
434
 

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