【中国冶金报】稀土耐蚀钢：甩掉普碳钢的“锌酸”泪

  时代呼唤低成本耐蚀钢

  绿色是钢铁行业的发展方向。腐蚀是钢铁材料的主要失效方式之一。我国每年因腐蚀造成的损失约占GDP的3%~4%。基于此,低成本、绿色化地解决量大面广的普碳钢(占比约70%)腐蚀问题十分重要。

  目前,解决钢材耐大气腐蚀问题主要有涂镀和合金化两类方法。

  酸洗、喷丸、油漆、镀锌等不仅提高了加工成本,而且污染环境,防腐时间也不超过20年。桥梁等重要设施涂漆频率高,维护成本高。镀锌处理会污染环境,许多镀锌企业关停,镀锌处理成本越来越高(吨钢超过1000元)。涂镀层在磕碰后易剥落,剥落后裸钢腐蚀速率加剧。

  采用耐候钢可以免除涂镀,典型牌号如美国低合金铜铬磷系COR-TEN钢、日本SPA-H钢、我国Cu-P-Cr-Ni系耐候钢等。这些钢种经过合金化在表面形成致密锈层,提高耐大气腐蚀性能,成本相对较高。

  因此,突破传统合金化方法提高钢的耐腐蚀性能,同时合理控制经济成本,满足我国对钢材耐腐蚀性能与需求多样化的要求,成为了开发新钢种任务中的重中之重。

  我国拥有丰富的稀土资源,随着高价值稀土元素分离利用,镧铈稀土更加容易获得。

  稀土耐蚀钢具有低成本优势,可免除涂装镀锌处理,减少环境污染。经估算,每生产1亿吨稀土耐蚀钢,可消耗4万余吨镧铈稀土。因此,稀土耐蚀钢可以有力地促进中国钢铁工业与稀土工业共同高质量发展。

  巧抓“痛点”  稀土耐蚀钢应运而生

  由上海大学教授董瀚带领的高性能钢铁材料团队,针对量大面广普碳钢易腐蚀及高丰度镧铈稀土用途扩充的现实情况,参考了百年钢铁材料的锈蚀现象与夹杂物的关键作用,对低成本镧铈元素在普碳钢中的作用机理和应用技术进行了深入研究和实践工作,发明了镧铈稀土多形合金化(PMA)提高普碳钢耐腐蚀性能方法,借助我国高丰度镧铈稀土资源,形成了一类新型钢铁材料——稀土耐蚀钢。

图为稀土耐蚀钢系列产品。

  应用广泛  扎根多领域工程场景

  稀土耐蚀钢系列钢材应用在钢结构厂房、装配式建筑、集装箱房、新型5G通讯铁塔、防护丝网、城市装饰等领域。如上善院钢结构厂房(2022年)、河北承德民居房(2023年)、5G通信铁塔(2022年)、招商公路桂林公司G65高速护栏(2023年)、国投山东滨海沾化区光伏支架(2024年)等典型示范建筑,充分展现了新型稀土耐蚀普碳钢的工程价值优势。

图为稀土耐蚀普碳钢热轧板卷工程应用场景。

  稀土耐蚀螺纹钢目前应用于河北龙凤山铸业有限公司工业厂房(2020年)、民居建筑(2020年)、钢结构建筑(2020年)、盐城港口码头(2021年)等典型示范应用场景。

图为稀土耐蚀螺纹钢工程应用场景。

  董瀚团队将继续扩充稀土耐蚀钢的耐腐蚀性能评价体系,以上善院(占地110亩,约合73187平方米)为建设主体,充分利用浙江嘉善亚热带湿润乡村大气环境的气候特点和地理优势,建设华东大气环境腐蚀试验站。试验站的建设,将帮助评价钢材在华东大气环境下材料的可靠性评估和防护技术应用需求。

图为该钢种大气环境腐蚀试验站样品区和实物区。

  稀土耐蚀钢技术链接

  1)近年来,董瀚团队重新认识了稀土镧铈元素在普碳钢中的赋存与耐蚀作用机理,为采用镧铈稀土多形合金化提高普碳钢耐蚀性奠定了技术基础:稀土镧铈改变夹杂物性态,降低夹杂物与基体的电极电位差,降低点蚀倾向;镧铈稀土偏聚于界面,降低了界面能,避免表面和局部腐蚀发生;镧铈稀土促进α-FeOOH稳定锈层形成,形成致密的表面锈层组织,有效减慢腐蚀速率。

  2)开发了稀土有效加入方法,实现了新型稀土耐蚀钢的工业规模化生产和工程应用。由于镧铈稀土元素本身性质较为活泼,稀土钢生产过程中容易出现稀土在钢中未加进去或者收得率低等问题;同时,钢水中的稀土化合物比其他氧化物的密度大且接近钢水密度,不容易上浮。因此,钢水中稀土夹杂物的控制是确保连续可浇生产顺行的关键技术问题。本项目开发了普碳钢中镧铈稀土的高效均匀添加技术,控制钢中稀土含量在100ppm~400ppm范围内精细调整,获得均匀的镧铈稀土分布,保障稀土收得率不小于70%;避免连铸水口的积絮结瘤问题,稳定实现一个浇次多炉连铸顺行生产。

  3)开发和应用稀土耐蚀钢系列钢材,显著提高了其耐腐蚀性能,相比传统普碳钢提高了30%~50%,达到耐候钢水平。相继开发了线材、热轧卷板、中板、螺纹钢、管材、型钢等适用于不同领域的新型稀土耐蚀钢系列钢材。强度级别覆盖195MPa~550MPa,可满足我国大气腐蚀等级C1~C3的环境要求。作为第一起草单位制定并发布了国家标准1项、团体标准7项:《钢筋混凝土用热轧稀土钢筋》(GB/T 43665-2024)、《稀土耐候结构钢》(T/CSM 12-2020)、《稀土低碳钢热轧圆盘条》(T/HBJN 0004-2023)、《免涂镀稀土低碳钢丝》(T/HBJN0005-2023)、《稀土碳素钢和低合金结构钢热轧钢板和钢带》(T/HBJN0006-2023)、《高速公路护栏用热轧钢板及钢带》(T/HMS 010-2025)、《光伏支架用稀土热轧钢板及钢带》(T/HMS 011-2025),《铁塔用稀土热轧角钢》(T/HMS 012-2025)。