稀土在鋼中的應(yīng)用

1、稀土在鋼中的應(yīng)用朱兆順 張建武鋼集團(tuán)鄂鋼公司技術(shù)部，湖北省 鄂州市436002摘 要：本文簡(jiǎn)要的分析了稀土在鋼鐵冶金中的應(yīng)用。用稀土這個(gè)高技術(shù)材料來強(qiáng)化和提升鋼鐵傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，在低合金鋼、合金鋼中加入微量稀土，提高鋼質(zhì)增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，把稀土的資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為鋼材的品種優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，具有十分重大的意義。關(guān)鍵字：稀土，微合金化，彌散硬化，稀土鈮重軌1. 稀土的分類根據(jù)稀土元素原子電子層結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，以及它們?cè)诘V物中共生情況和不同的離子半徑可產(chǎn)生 不同性質(zhì)的特征，十七種稀土元素通常分為二組。輕稀土(又稱鈰組)包括：鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、

2、釓(Gd)。重稀土(又稱釔組)包括：鋱(Tb)、鏑(Dy)、欽(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)、鈧(Sc)、釔(Y) o2. 稀土金屬的某些物理特性表1丿元素原子量離子半徑(埃)密度(克/厘3)熔度(C)沸點(diǎn)(C)氧化物 熔點(diǎn)(C)比電阻歐姆厘米106R3離子 磁矩 (波爾磁子)La138.921.226.1992054230231556.80.00Ce140.131.186.76880452930195075.32.56PrNd140.921.166.76993553020250068.03.62144.271.157.007102453180227064.33.68

3、Pm147.001.14一一一一一2.83Sm150.351.137.504105251630235088.01.55 1.65Eu152.001.135.166826101490205081.33.40 3.50Gd157.261.117.86813502027302350140.57.94Tb158.931.098.253133625302387一9.7Dy162.511.078.5651485202330234056.010.6Ho164.941.058.79914902330236087.010.6Er167.271.049.0581500155026302355107.09.6Tm1

4、68.941.049.318150016002130240079.07.6Yb173.041.006.95982451530234627.04.5Lu174.990.999.849165017501930240079.00.00Sc44.970.832.995155016002750一一一Y88.921.064.472155230302680一一3. 稀土的用途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?（

5、 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（0 0.5mm0 2mm或棒（ 0 2mm,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

6、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(zhǎng)大， 最終導(dǎo)致鋼組織與性能的變化。 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。稀土強(qiáng)化晶界，阻礙 晶間裂紋的形成和擴(kuò)展，有利于改善塑性尤其是高溫塑性；稀土能抑制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、細(xì)化晶粒和沉淀相尺 寸并促進(jìn)鐵素體中 Nb（ C、N）,（ Nb Ti ）（ C N和V（ C、N）的析出；溶解的稀土可改變滲碳體的組 成和結(jié)構(gòu)并使碳化物球化、細(xì)化和均勻分布。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(cè)算 ）的稀土可以與鋼中磷、砷、錫、銻、鉍、鉛等低熔點(diǎn)有害元素相作

7、用。一方面， 稀土可以與這些雜質(zhì)形成熔點(diǎn)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(diǎn)的金屬元素，當(dāng)把稀土加入鋼液中，生成高熔點(diǎn)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(shí)、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

8、合物，它們?nèi)埸c(diǎn)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(duì)硫化物形態(tài)的控制來實(shí) 現(xiàn)的。當(dāng)RE/S為2.7-3.0時(shí)，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(chǔ)氫材科，稀土加到鋼中，可以抑制鋼中氫引起的脆性和白點(diǎn)。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(shí)間延長(zhǎng) 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

9、高鋼的持久強(qiáng) 度。其原因是一方面 CeQ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CeO質(zhì)點(diǎn)可以提高晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。4.6 變性?shī)A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(zhǎng)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(duì)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(jí)橋梁板，稀土船板鋼，稀土車 軸鋼，大型橋梁用型鋼等。稀土可提高耐候鋼、不銹鋼的抗腐蝕性能，耐熱鋼的抗氧化性能和高溫強(qiáng)

10、度， 彈簧鋼、齒輪鋼和軸承鋼的抗疲勞性能，難變形高合金鋼的熱塑性，鋼軌及耐磨材料的耐磨性等。鋼中加 入稀土后，一般能使鋼板、無縫鋼管的橫向沖擊韌性提高50%以上，耐腐蝕性能提高 60%，同時(shí)提高其他性能。每噸鋼加稀土 300 克左右，但作用十分顯著，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(duì)鋼材性能的影響?yīng)毦咂澉攘Α?.1 稀土對(duì)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(shí)，可產(chǎn)生如下影響： 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。 稀土可明顯減小鋼軌鋼接觸疲勞貫穿角和貫穿深度。 稀土可縮小鋼軌鋼接觸疲勞表面的

11、塑性變形范圍，改善加工硬化效果。 稀土具有凈化鋼液，變性?shī)A雜和微合金化作用。 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。 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(rùn)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(duì)60CrMnMo的影響加稀土處理后， 使鋼中稀土含量達(dá)到 0.05%0.07%時(shí)，可明顯提高熱軋輥用鋼的熱疲勞壽命和塑性。5.3稀土對(duì)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)。

12、5.4稀土對(duì)09MnRE勺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(dòng)機(jī)擋板及車廂邊框邊板等。5.5 稀土對(duì)石油鉆管鋼的影響稀土元素在鋼中的主要作用是除去鋼水中的雜質(zhì)元素，特別是鋼中加入稀土后可使硫含量從0.025%降到 0.01 %，并能改變殘留夾雜物，主要是硫化錳的形狀，從而提高鋼的強(qiáng)度，這是因?yàn)闅埩舻南⊥翃A雜 物較硬，軋制時(shí)呈現(xiàn)球狀，而不形成易于引起裂紋的細(xì)長(zhǎng)薄片。其次當(dāng)鋼中有氫一類有害氣體存在時(shí)，稀 土在鋼中可起到脫氫作用。這些特性對(duì)油井鉆探用鋼是很重要的，添加混合稀土金屬可以提高鉆管鋼的使 用壽命。5.6 稀土對(duì)彈簧鋼的影響 疲勞強(qiáng)度是彈簧鋼的主要性能指標(biāo)，由于夾雜物的變質(zhì)作用

13、會(huì)對(duì)鋼的疲勞性能帶來顯著的影響，因此利用稀土來提高彈簧鋼的性能，引起了人們的關(guān)注。6. 稀土鋼的性能對(duì)比對(duì)鋼進(jìn)行稀土處理，具有投資少、無污染、見效快、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)。北京鋼鐵研究總院與武漢鋼鐵公司共同做的幾種鋼的鹽霧腐蝕對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，稀土耐候鋼的耐腐蝕性能是普通鋼（Q235）的近2倍，超過了國(guó)際名牌耐候鋼美國(guó)的 Corten 鋼的水平。中科院沈陽金屬研究所研制了一種水電站水輪機(jī)、水泵用加稀土的不銹鋼，抗磨損性能比目前國(guó)內(nèi)外使用最多的0Cr13Ni4Mo鋼提高近1倍。該所做了大量對(duì)比試驗(yàn)，這種不銹鋼加適量稀土（0.3%）比不加稀土的性能大幅度提高，稀土對(duì)合金抗腐蝕、抗磨損和抗磨蝕性能分別比

14、不加稀土的合金提高57%、 55%、83%。7. 稀土處理鋼也有缺點(diǎn)（1）稀土夾雜物比重大，一般在 5.56.5之間，不易上浮，特別是當(dāng)稀土加入量過量時(shí)，會(huì)增加鋼中的 夾雜，甚至產(chǎn)生脆性的稀土與鐵的金屬間化合物惡化鋼的性能。通過計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，確定最佳稀土加入量和稀土喂絲機(jī)的自動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)稀土加入量的準(zhǔn)確控制，達(dá)到提高鋼質(zhì)的目的。（2） 稀土處理鋼澆注時(shí)水口易結(jié)瘤，用強(qiáng)脫氧劑如A1、Zr脫氧時(shí)，也常出現(xiàn)水口結(jié)瘤問題。目前是采用 在連鑄結(jié)晶器喂稀土絲，繞開水口的方法來解決這個(gè)問題。杜挺、韓其勇、王常珍教授指出，用熔融石英水口和鋯質(zhì)水口，對(duì)防止含稀土鋼水口的結(jié)瘤具有較好效果。（3） 稀土金屬的價(jià)

15、格較貴。稀土金屬絲和棒的價(jià)格是10萬元/噸以上，比硅鈣合金貴，這影響了稀土鋼 的擴(kuò)大推廣。8. 我國(guó)稀土鋼的現(xiàn)狀產(chǎn)量19902003年我國(guó)稀土鋼的產(chǎn)量和鋼產(chǎn)量變化態(tài)勢(shì)見表2。表2 19902003年我國(guó)稀土鋼的產(chǎn)量（萬噸）年份19901991199219931994199519961997199819992000200120022003產(chǎn)量3438.543.159.854.552.054.759.544.580.077.974.783.190.0圖1在稀土喂絲機(jī)的研制方面，包頭稀土研究院、武漢鋼鐵公司二煉鋼廠等單位曾取得過長(zhǎng)足的進(jìn)步。稀 土絲、棒和稀土硅化物合金、稀土硅鐵包芯線產(chǎn)品，也較好地滿

16、足了各鋼廠發(fā)展稀土鋼的需要。9. 我國(guó)發(fā)展稀土鋼的意義和前景9.1對(duì)鋼進(jìn)行稀土處理是提高鋼質(zhì)簡(jiǎn)便易行的手段稀土處理是爐外精煉技術(shù)的一種，稀土處理基本上不需要技術(shù)改造投入，喂絲機(jī)設(shè)備僅幾萬元一臺(tái)， 試驗(yàn)成功就可以轉(zhuǎn)產(chǎn)。稀土既是優(yōu)良的變質(zhì)劑，又是一種強(qiáng)效微合金元素，這是硅鈣所不能代替的。許多 鋼廠的實(shí)踐證明，對(duì)鋼進(jìn)行稀土處理，是提高鋼質(zhì)、發(fā)展新品種的有效措施之一。9.2稀土鋼的發(fā)展前景隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，除了要求鋼材有高的強(qiáng)度和韌性外，同時(shí)還要求有良好的耐腐蝕性能，這 方面稀土能起關(guān)鍵作用。稀土在提高鋼材的韌、塑性、耐熱抗氧化和耐磨性方面也有重要作用，這是稀土 鋼的優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展前景很好。耐候鋼

17、（耐大氣腐蝕鋼）。目前稀土耐候鋼年產(chǎn)量40萬噸，主要用于集裝箱鋼板，火車車箱，大橋和體育場(chǎng)的欄桿，今后的應(yīng)用前景非常廣闊。我國(guó)集裝箱鋼板年生產(chǎn)能力150萬噸，建筑用耐候、耐火鋼特別是輕鋼結(jié)構(gòu)也有百萬噸的潛在市場(chǎng)，還有電氣化鐵路鐵塔等，預(yù)計(jì)”十五末期，稀土耐候鋼市場(chǎng)年需求量80萬噸。未來的10年，我國(guó)建筑用結(jié)構(gòu)鋼將由目前的150萬噸增長(zhǎng)到700萬噸，這為稀土耐候鋼的發(fā)展提供了廣闊的空間。重軌鋼。未來的 10 年，包括西部大開發(fā)在內(nèi)，我國(guó)鐵路建設(shè)將有較大發(fā)展，目前重軌年生產(chǎn)能力 137 萬噸。包鋼的稀土、鈮重軌通過了鐵道部的鑒定，下一步工作是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。鞍鋼也給沈陽鐵路局、哈爾 濱鐵路局試制了上萬

18、噸該品種鋼軌，受到了好評(píng)。預(yù)計(jì)2005年我國(guó)含稀土的重軌產(chǎn)量可達(dá)3040萬噸。焊接氣瓶用鋼。太原鋼鐵公司在焊接氣瓶用鋼中，通過加稀土提高了性能，發(fā)展勢(shì)頭良好，近年來， 本溪鋼鐵公司、攀枝花鋼鐵公司稀土氣瓶鋼的開發(fā)也取得了可喜成績(jī)， 十五 末期，隨著 西氣東輸 全國(guó)用量可達(dá) 50 60 萬噸。船板鋼等。造船用鋼板是一個(gè)重要的品種，年用鋼量可達(dá) 120 萬噸左右。稀土在 903 艦板鋼中，對(duì)提 高韌性和耐腐蝕性能起了很好的作用，有望在民用船板中得到推廣。另外，海上采油平臺(tái)和隧道用鋼筋都 需要提高耐腐蝕性能，加稀土也有很好的應(yīng)用前景。預(yù)計(jì) 十五末期全國(guó)稀土船板鋼可達(dá) 20萬噸。10. 總結(jié)生產(chǎn)實(shí)踐證明，稀土處理鋼是提高鋼的質(zhì)量、開發(fā)新品種的有效措施之一。稀土處理工藝所需投資很 小，煉鋼中不需要另外增加處理時(shí)間。稀土加入鋼中能夠起到凈化（脫氧、脫硫）、變質(zhì)和微合金化作用， 能大大減小低熔點(diǎn)雜質(zhì)的有害影響，是硅鈣處理所不能完全替代的。因此在鋼中加入稀土，一般能使鋼板 和無縫管的橫向沖擊韌性提高 1 倍左右，同時(shí)能提高鋼的抗彎性能和耐腐蝕性能，有利于改善鋼的熱加工 性，改善層狀撕裂及氫致開裂。每噸鋼僅需加入 300 克的稀土金屬，即可獲得很大效益。我國(guó)每年用稀土 處理鋼近 6070萬噸，純