稀土在鋼中的作用

1、稀土在鋼中的應(yīng)用1 概況稀土，系指元素周期表中第川B族鑭系元素以及與鑭系元素在化學(xué)性質(zhì)上 相近的鈧和釔，共計17種元素。是芬蘭學(xué)者加多林（Johan Gadolin在1794年發(fā) 現(xiàn)的。當(dāng)時在瑞典的礦石中發(fā)現(xiàn)了礦物組成類似 “土”狀物而存在的釔土， 且又認(rèn) 為稀少，便定名為 稀有的土”（Baxe Earth）此后，又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了與此同類的多種 元素，總稱為稀土。 但后來研究發(fā)現(xiàn)， 稀土在地殼中的豐度要比人們想象的多得 多）如鈰比錫多得多，釔也比鉛多，即使豐度最少的稀土元素也比鉑族元素多， 說明稀土并不稀少）也不是 “土”，全部是金屬元素）我國稀土資源豐富， 為世界上其它任何一個國家所不及） 現(xiàn)己

2、探明的工業(yè)儲 量為 3600萬噸，約占全世界總量的 80，且品種繁多，分布集中）其中包頭市 白云鄂博礦山的儲量就占了全國儲量的 95以上）所以才有了 “世界稀土在中國， 中國稀土在包頭 ”之說）現(xiàn)在包鋼每年采出的稀土礦石量為 230萬噸-250 萬噸， 這一部分礦石中多數(shù)稀土品位都比較高， 能達(dá)到 7.25以上）經(jīng)過幾十年的研究 開發(fā)，生產(chǎn)技術(shù)不斷完善，生產(chǎn) 規(guī)模不斷擴(kuò)大）現(xiàn)已形成了年產(chǎn)稀土精礦 6 萬 噸，稀土合金 1.5 萬噸、濕法稀土產(chǎn)品折合氧化物 5800噸的 83 個品種、 195種 規(guī)格的世界最大的稀土礦產(chǎn)品生產(chǎn)基地）包鋼雖然有很豐富的稀土資源，但在稀土處理鋼的品種及處理效果等方面

3、， 與武鋼、濟(jì)鋼、本鋼等相比還有很大差距） 如何把稀土的資源優(yōu)勢變成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢， 還需進(jìn)一步研究和開發(fā)）2 稀土在鋼中應(yīng)用的現(xiàn)狀近幾年來國內(nèi)外的鋼鐵生產(chǎn)實踐表明， 鋼經(jīng)過稀土處理， 可對鋼的性能產(chǎn)生 一系列的作用） 現(xiàn)在我國用稀土處理鋼有 80多個品種， 年產(chǎn)量達(dá) 60 萬噸，預(yù)計 2002年全國稀土鋼產(chǎn)量達(dá) 300 萬噸）包鋼是稀土之鄉(xiāng)，稀土處理鋼也開發(fā)了一 些，但只占包鋼鋼產(chǎn)量的 0.5） 因此大力開發(fā)應(yīng)用稀土資源， 進(jìn)行稀土鋼的開 發(fā)及應(yīng)用研究，應(yīng)提到日程上來）包鋼研究稀土在鋼中的應(yīng)用始于 60 年代）當(dāng)時稀土當(dāng)作靈丹妙藥，認(rèn)為無 論放到哪種鋼里都有作用，甚至提出過 “以稀土代替鎳、鉻 ”

4、的口號，到 70 年代 中期，對稀土在鋼中的應(yīng)用出現(xiàn)了兩種截然不同的見解， 一種意見認(rèn)為稀土在有 些鋼中作用很明顯， 應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行試驗研究； 另一種意見則認(rèn)為， 稀土對含硫較 高的鋼有一些作用， 但是隨著生鐵含硫量的降低， 稀土這一作用將逐漸消失， 因 此稀土處理鋼是沒有前途的）到 80 年代后期，由事實證明，稀土確實有用，當(dāng) 然也不是萬能的） 鋼中含有微量稀土元素， 即可明顯地優(yōu)化鑄坯質(zhì)量， 提高鋼的 塑、韌性，改善鋼材橫向性能和低溫韌性。初步有了定性的概念。進(jìn)入 90 年代，隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了眾多與稀土有關(guān)的課題，爐外 精煉、模鑄、 連鑄等不同工藝的稀土應(yīng)用領(lǐng)域， 極大地推動了稀土

5、處理鋼生產(chǎn)的 發(fā)展。進(jìn)一步確認(rèn)稀土在鋼 中有凈化鋼液、變性夾雜和微合金化作用，有利于 提高鋼的冷沖壓成型性，橫向及低溫韌性、高溫強(qiáng)度、焊接性及耐蝕性等，進(jìn)一 步有了定性的概念。由于沒有達(dá)到量化，所以至今尚未制定有關(guān)稀土鋼的標(biāo)準(zhǔn)， 只能把稀土處理鋼叫做稀土鋼。 對某一鋼種來講， 鋼中含有多少稀土， 它對什么 性能有多大影響等， 還沒有搞清楚， 對稀土鋼的生產(chǎn)技術(shù)和控制手段還沒有完全 掌握，這樣也影響了稀土鋼的發(fā)展。3 稀土的用途 稀土元素根據(jù)他們性質(zhì)上差異和分離工藝的要求一般分為輕稀土和重稀土 兩組，其中鑭、鈰、鐠、釹、鉅、釤、銪為輕稀土。稀土元素是典型的金屬元素， 它們的金屬活潑性僅次于堿金屬

6、和堿土金屬， 比其他金屬元素都活潑， 可與多種 元素化合，且稀土金屬的燃點很低，如鈰165C,釹270C，極易與氧起反應(yīng)。所有的稀土金屬能在180C -200E的空氣中被氧化成RE203型氧化物，稀土氧化 物的熔點都很高， 生成自由能負(fù)值很大， 說明它們都是很穩(wěn)定的化合物。 由于稀 土元素的特殊性質(zhì)， 決定了稀土的用途。 鋼鐵工業(yè)中應(yīng)用的主要是稀土硅鐵合金 （含輕稀土混合金屬 20-45 ），稀土硅鐵鎂合金 （稀土金屬 6-25，鎂 7 -12），重稀土硅鐵合金 （含釔類混合稀土 60以上）?；旌舷⊥两饘?（含輕稀土 95%以上），富鈰或鑭的稀土硅鐵合金（Ce占70%或La占50%以上）。其中

7、煉鋼 生產(chǎn)中最常用的有兩種， 一是稀土合金， 塊狀稀土硅鐵合金， 以前用于大包投入， 大包壓入， 粉狀一般用于大包內(nèi)噴粉、 模鑄中注管噴粉等方法加入鋼中； 二是混 合稀土金屬，制成絲或棒，絲用于鋼包、中注管或連鑄結(jié)晶器，使用喂絲機(jī)喂入 鋼中，棒采用模內(nèi)吊掛的方法熔入鋼中。 稀土金屬包芯線作為線性添加材料的新 品種，由于喂絲技術(shù)在煉鋼生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，必將得到進(jìn)一步的發(fā)展。4 稀土在鋼中的作用機(jī)理4.1 微合金化作用 稀土元素的微合金化作用初步認(rèn)定主要是稀土原子在晶界上偏聚與其它元 素交互作用， 引起晶界的結(jié)構(gòu)、 化學(xué)成分和能量的變化， 并影響其它元素的擴(kuò)散 和新相的成核與長大， 最終導(dǎo)致鋼組織

8、與性能的變化。 鋼中稀土金屬含量因不同 鋼種，不同冶煉方法和不同的稀土加入方法而有很大差異。 稀土在鋼中的含量與 微合金化的直接關(guān)系，還有待研究。4.2 與其它有害元素的作用一定量 （量的多少還需進(jìn)一步測算 ）的稀土可以與鋼中磷、砷、錫、銻、鉍、 鉛等低熔點有害元素相作用。 一方面，稀土可以與這些雜質(zhì)形成熔點較高的化合 物；另一方面，還能抑制這些夾雜在晶界上的偏祈。例如，鋼存在熱脆性，是由 于鋼中有一些低熔點的金屬元素， 當(dāng)把稀土加入鋼液中， 生成高熔點金屬化合物， 不熔于鋼中而進(jìn)入爐渣，起到凈化作用，使鋼中雜質(zhì)減少，從而克服了熱脆性。4.3 稀土元素的脫硫、脫氧熱力學(xué)分析和大量有關(guān)鋼中稀土夾

9、雜研究表明，鋼中O、S含量在一定范圍內(nèi)，鋼液中加入稀土?xí)r， 極易生成稀土的氧硫化物。 當(dāng)鋼中氧含量降至 201ppm 以下時、加入鋼液中的稀土首先形成 RE203S型夾雜物，而后形成RE3S4或RES 型的硫化物， 這些硫化物可能包裹在氧硫化物外圍， 組成復(fù)合夾雜物或稀土硅酸 鹽化合物，它們?nèi)埸c高且非常穩(wěn)定，顯球狀，鋼液經(jīng)過適當(dāng)?shù)逆?zhèn)靜之后，這些稀 土氧化物、 硫化物或稀土硅酸鹽化合物將從鋼中排除， 從而凈化了鋼液。 稀土在 鋼中的作用90%是通過對硫化物形態(tài)的控制來實現(xiàn)的。當(dāng)RE/S為2.7-3.0時，硫化物形 態(tài)控制效果達(dá)到最佳狀態(tài)。4.4捕氫作用稀土能吸收大量的氫， 可以制成儲氫材科， 稀

10、土加到鋼中， 可以抑制鋼中氫 引起的脆性和白點。 已有研究表明， 稀土有降低氫的擴(kuò)散系數(shù)， 延緩氫在裂紋尖 端塑性區(qū)的富集，從而使裂紋擴(kuò)展的孕育期和斷裂時間延長 因此，稀土有抑制 鋼的氫脆作用。4.5 彌散硬化作用向鋼液中噴吹稀土氧化物（CeQ）粉劑，可以提高鋼的強(qiáng)度和韌性，降低脆 性轉(zhuǎn)變溫度提高鋼的持久強(qiáng)度。其原因是一方面CeO2可以作為結(jié)晶核的細(xì)化鑄 態(tài)晶粒；另一方面，彌散分布的 CeO2質(zhì)點可以提高晶界對位錯運動的阻力。 4.6變性夾雜稀土加入鋼液中生成球狀稀土硫化物或硫氧化物，取代容易形成的長條狀 MnS 夾雜，使硫化物形狀得到控制，提高了鋼的熱塑性，特別是橫向沖擊韌性， 改善鋼材的各

11、向異性。 稀土使棱角狀高硬度的氧化鋁夾雜轉(zhuǎn)為球狀硫氧化物及鋁 酸稀土，有利于提高鋼的疲勞性能。5 稀土對鋼材性能的影響目前開發(fā)的稀土鋼品種有：稀土鈮重軌，高韌性壓力容器用鋼， 45kg 級橋 梁板，稀土船板鋼，稀土車軸鋼，大型橋梁用型鋼等。這些鋼由于稀土的存在， 在性能與用途方面得到了提高。說明稀土對鋼材性能的影響?yīng)毦咂澉攘Α?.1 稀土對鋼軌鋼的影響當(dāng)鋼軌鋼中稀土(Ce、La、Pr、混合稀土)含量為0.029%以上時，可產(chǎn)生如下影響：(1) 稀土可延緩鋼軌鋼接觸疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，推遲鋼軌表面剝離的發(fā)生。(2) 稀土可明顯減小鋼軌鋼接觸疲勞貫穿角和貫穿深度。(3) 稀土可縮小鋼軌鋼接觸疲勞

12、表面的塑性變形范圍，改善加工硬化效果。(4) 稀土具有凈化鋼液，變性夾雜和微合金化作用。(5) 既能減小應(yīng)力集中區(qū)，又能細(xì)化組織、提高強(qiáng)度，增強(qiáng)鋼軌鋼抗變形能力。(6) 由于稀土極易氧化，并與氧化合成氧化膜，附著于鋼軌表面，由此產(chǎn)生的 “白 潤滑 ”作用既能減小摩擦系數(shù)， 又能提高表面結(jié)合強(qiáng)度， 從而改善了鋼軌的疲 勞和磨損，耐磨性比普通軌增加 1 倍。5.2 稀土對 60Cr Mn Mo 的影響加稀土處理后，使鋼中稀土含量達(dá)到 0.05%0.07%時，可明顯提高熱軋輥 用鋼的熱疲勞壽命和塑性。5.3稀土對 16MnRE 的影響 顯著改善了鋼的韌、塑性，特別是鋼的橫向韌、塑性，沖壓性能好。此鋼材廣泛用于制作汽車、橋梁、造船、容器以及建筑行業(yè)。5.4稀土對 09MnRE 的影響顯著提高汽車及車輛用鋼的塑性。 用于中型汽車發(fā)動機(jī)擋板及車廂邊框邊板 等。5.5 稀土對石油鉆管鋼的影響 稀土元素在鋼中的