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绿色、长寿、低成本——稀土耐蚀普碳钢助力低碳未来

2021-05-28 08:29:06


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。
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  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)
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  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)
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  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)
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  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)
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  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)
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  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)
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  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)
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  地螺丝
  采用稀土耐蚀钢制造地螺丝,可免镀锌处理,并延长使用寿命。山东威海、上海等地建设了基于地螺丝地基的轻钢结构房等。经过2年户外腐蚀试验发现,未经涂覆的稀土耐蚀钢地螺丝单面腐蚀率仅为0.1毫米/年,具有良好的耐腐蚀性能。(见图9)
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  集装箱房
  稀土耐蚀普碳钢可替代传统耐候钢应用于集装箱房制造。(见图10)
 
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  装饰装修外挂件和龙骨
  传统的外挂装饰装修框架通常采用镀锌钢材,不仅成本较高,且镀锌层在经历风吹雨淋后极易破损剥落,影响结构寿命,降低安全系数。应用稀土耐蚀普碳钢可免除镀锌、降低成本、延长寿命、提高安全性。2016年辽宁沈阳一建筑工程应用了稀土耐蚀普碳钢,用户单位反馈良好。(见图11)
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  上述应用推动稀土耐蚀普碳钢应用技术逐渐走向成熟。
  基于稀土合金化提高钢材耐腐蚀性能技术,在中国金属学会新材料标准化技术委员会组织下,上海大学高性能钢铁材料团队主持并起草了《稀土耐候结构钢》(T/CSM12-2020)团体标准。2020年6月11日,《稀土耐候结构钢》(T/CSM12-2020)团体标准正式发布并实施。
  稀土耐蚀普碳钢是一类新型的绿色钢铁材料,是中国特色资源有效利用和钢铁科技发展的产物。促进社会钢材减量化应用,是历史发展的必然。发展稀土耐蚀普碳钢将促进中国钢铁工业与稀土行业共同高质量发展,促进社会低碳化发展。


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