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稀土鋼應(yīng)用
1 概況
稀土系指元素周期表第ⅢB族鑭系元素及與鑭系元素化學(xué)性質(zhì)上相近鈧和釔共計(jì)17種元素芬蘭學(xué)者加多林(Johan Gado1in)1794年發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)瑞典礦石發(fā)現(xiàn)了礦物組成類似土狀物而存釔土且又認(rèn)稀少便定名稀有土(Baxe Earth)此又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了與此同類多種元素總稱稀土來(lái)研究發(fā)現(xiàn)稀土地殼豐度要比人們想象多得多鈰比錫多得多釔也比鉛多即使豐度少稀土元素也比鉑族元素多說(shuō)明稀土并稀少也土全部金屬元素
我國(guó)稀土資源豐富世界上其任何國(guó)家所及現(xiàn)己探明工業(yè)儲(chǔ)量3600萬(wàn)噸約占全世界總量80％且品種繁多分布集其包頭市白云鄂博礦山儲(chǔ)量占了全國(guó)儲(chǔ)量95％上所才有了世界稀土國(guó)國(guó)稀土包頭之說(shuō)現(xiàn)包鋼每年采出稀土礦石量230萬(wàn)噸-250萬(wàn)噸部分礦石多數(shù)稀土品位都比較高能達(dá)7.25％上經(jīng)過(guò)幾十年研究開發(fā)生產(chǎn)技術(shù)斷完善生產(chǎn) 規(guī)模斷擴(kuò)大現(xiàn)已形成了年產(chǎn)稀土精礦6萬(wàn)噸稀土合金1.5萬(wàn)噸、濕法稀土產(chǎn)品折合氧化物5800噸83品種、195種規(guī)格世界大稀土礦產(chǎn)品生產(chǎn)基地
包鋼雖有豐富稀土資源稀土處理鋼品種及處理效等方面與武鋼、濟(jì)鋼、本鋼等相比還有大差距何把稀土資源優(yōu)勢(shì)變成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)還需進(jìn)步研究和開發(fā)
2 稀土鋼應(yīng)用現(xiàn)狀
近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外鋼鐵生產(chǎn)實(shí)踐表明鋼經(jīng)過(guò)稀土處理對(duì)鋼性能產(chǎn)生系列作用現(xiàn)我國(guó)用稀土處理鋼有80多品種年產(chǎn)量達(dá)60萬(wàn)噸預(yù)計(jì)2002年全國(guó)稀土鋼產(chǎn)量達(dá)300萬(wàn)噸包鋼稀土之鄉(xiāng)稀土處理鋼也開發(fā)了些只占包鋼鋼產(chǎn)量0.5％ 因此大力開發(fā)應(yīng)用稀土資源進(jìn)行稀土鋼開發(fā)及應(yīng)用研究應(yīng)提日程上來(lái)
包鋼研究稀土鋼應(yīng)用始于60年代當(dāng)時(shí)稀土當(dāng)作靈丹妙藥認(rèn)無(wú)論放哪種鋼里都有作用甚至提出過(guò)稀土代替鎳、鉻口號(hào)70年代期對(duì)稀土鋼應(yīng)用出現(xiàn)了兩種截同見(jiàn)解種意見(jiàn)認(rèn)稀土有些鋼作用明顯應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)研究；另種意見(jiàn)則認(rèn)稀土對(duì)含硫較高鋼有些作用隨著生鐵含硫量降低稀土作用逐漸消失因此稀土處理鋼沒(méi)有前途80年代期由事實(shí)證明稀土確實(shí)有用當(dāng)也萬(wàn)能鋼含有微量稀土元素即明顯地優(yōu)化鑄坯質(zhì)量提高鋼塑、韌性改善鋼材橫向性能和低溫韌性初步有了定性概念
進(jìn)入90年代隨著鋼鐵工業(yè)發(fā)展出現(xiàn)了眾多與稀土有關(guān)課題爐外精煉、模鑄、連鑄等同工藝稀土應(yīng)用領(lǐng)域極大地推動(dòng)了稀土處理鋼生產(chǎn)發(fā)展進(jìn)步確認(rèn)稀土鋼 有凈化鋼液、變性?shī)A雜和微合金化作用有利于提高鋼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)步有了定性概念由于沒(méi)有達(dá)量化所至今尚未制定有關(guān)稀土鋼標(biāo)準(zhǔn)只能把稀土處理鋼叫做稀土鋼對(duì)某鋼種來(lái)講鋼含有多少稀土對(duì)性能有多大影響等還沒(méi)有搞清楚對(duì)稀土鋼生產(chǎn)技術(shù)和控制手段還沒(méi)有完全掌握樣也影響了稀土鋼發(fā)展
3 稀土用途
稀土元素根據(jù)們性質(zhì)上差異和分離工藝要求般分輕稀土和重稀土兩組其鑭、鈰、鐠、釹、鉅、釤、銪輕稀土稀土元素典型金屬元素們金屬活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬比其金屬元素都活潑與多種元素化合且稀土金屬燃點(diǎn)低鈰165℃釹270℃極易與氧起反應(yīng)所有稀土金屬能180℃-200℃空氣被氧化成RE203型氧化物稀土氧化物熔點(diǎn)都高生成自由能負(fù)值大說(shuō)明們都穩(wěn)定化合物由于稀土元素特殊性質(zhì)決定了稀土用途鋼鐵工業(yè)應(yīng)用主要稀土硅鐵合金(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％上)混合稀土金屬(含輕稀土95％上)富鈰或鑭稀土硅鐵合金(Ce占70％或La占50％上)其煉鋼生產(chǎn)常用有兩種稀土合金塊狀稀土硅鐵合金前用于大包投入大包壓入粉狀般用于大包內(nèi)噴粉、模鑄注管噴粉等方法加入鋼；二混合稀土金屬制成絲(φmm-φmm)或棒(≥φmm)絲用于鋼包、注管或連鑄結(jié)晶器使用喂絲機(jī)喂入鋼棒采用模內(nèi)吊掛方法熔入鋼稀土金屬包芯線作線性添加材料新品種由于喂絲技術(shù)煉鋼生產(chǎn)廣泛應(yīng)用必得進(jìn)步發(fā)展
4 稀土鋼作用機(jī)理
4.1 微合金化作用
稀土元素微合金化作用初步認(rèn)定主要稀土原子晶界上偏聚與其元素交互作用引起晶界結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和能量變化并影響其元素?cái)U(kuò)散和新相成核與長(zhǎng)大終導(dǎo)致鋼組織與性能變化鋼稀土金屬含量因同鋼種同冶煉方法和同稀土加入方法而有大差異稀土鋼含量與微合金化直接關(guān)系還有待研究
4.2 與其有害元素作用
定量(量多少還需進(jìn)步測(cè)算)稀土與鋼磷、砷、錫、銻、鉍、鉛等低熔點(diǎn)有害元素相作用方面稀土與些雜質(zhì)形成熔點(diǎn)較高化合物；另方面還能抑制些夾雜晶界上偏祈例鋼存熱脆性由于鋼有些低熔點(diǎn)金屬元素當(dāng)把稀土加入鋼液生成高熔點(diǎn)金屬化合物熔于鋼而進(jìn)入爐渣起凈化作用使鋼雜質(zhì)減少?gòu)亩朔藷岽嘈?
4.3 稀土元素脫硫、脫氧
熱力學(xué)分析和大量有關(guān)鋼稀土夾雜研究表明鋼[O]、[S]含量定范圍內(nèi)鋼液加入稀土?xí)r極易生成稀土氧硫化物當(dāng)鋼氧含量降至201ppm下時(shí)、加入鋼液稀土首先形成RE203S型夾雜物而形成RE3S4或RES型硫化物些硫化物能包裹氧硫化物外圍組成復(fù)合夾雜物或稀土硅酸鹽化合物們?nèi)埸c(diǎn)高且非常穩(wěn)定顯球狀鋼液經(jīng)過(guò)適當(dāng)鎮(zhèn)靜之些稀土氧化物、硫化物或稀土硅酸鹽化合物從鋼排除從而凈化了鋼液稀土鋼作用90％通過(guò)對(duì)硫化物形態(tài)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)RE／S2.7-3.0時(shí)硫化物形 態(tài)控制效達(dá)佳狀態(tài)
4.4 捕氫作用
稀土能吸收大量氫制成儲(chǔ)氫材科稀土加鋼抑制鋼氫引起脆性和白點(diǎn)已有研究表明稀土有降低氫擴(kuò)散系數(shù)延緩氫裂紋尖端塑性區(qū)富集從而使裂紋擴(kuò)展孕育期和斷裂時(shí)間延長(zhǎng) 因此稀土有抑制鋼氫脆作用
4.5 彌散硬化作用
向鋼液噴吹稀土氧化物(CeO2)粉劑 提高鋼強(qiáng)度和韌性降低脆性轉(zhuǎn)變溫度提高鋼持久強(qiáng)度其原因方面 Ce02作結(jié)晶核細(xì)化鑄態(tài)晶粒；另方面彌散分布Ce02質(zhì)點(diǎn)提高晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力
4.6 變性?shī)A雜
稀土加入鋼液生成球狀稀土硫化物或硫氧化物取代容易形成長(zhǎng)條狀MnS夾雜使硫化物形狀得控制提高了鋼熱塑性特別橫向沖擊韌性改善鋼材各向異性稀土使棱角狀高硬度氧化鋁夾雜轉(zhuǎn)球狀硫氧化物及鋁酸稀土有利于提高鋼疲勞性能
5 稀土對(duì)鋼材性能影響
目前開發(fā)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些鋼由于稀土存性能與用途方面得了提高說(shuō)明稀土對(duì)鋼材性能影響?yīng)毦咂澉攘?
5.1 稀土對(duì)鋼軌鋼影響
當(dāng)鋼軌鋼稀土(Ce、La、Pr、混合稀土) 含量O.029％上時(shí)產(chǎn)生下影響：
①稀土延緩鋼軌鋼接觸疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展推遲鋼軌表面剝離發(fā)生
②稀土明顯減小鋼軌鋼接觸疲勞貫穿角和貫穿深度
③稀土縮小鋼軌鋼接觸疲勞表面塑性變形范圍改善加工硬化效
④稀土具有凈化鋼液變性?shī)A雜和微合金化作用
⑤既能減小應(yīng)力集區(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)度從而改善了鋼軌疲勞和磨損耐磨性比普通軌增加1倍
5.2 稀土對(duì)60Cr Mn Mo 影響
加稀土處理使鋼稀土含量達(dá)0.05％—0.07％時(shí)明顯提高熱軋輥用鋼熱疲勞壽命和塑性
5.3 稀土對(duì)16MnRE影響
顯著改善了鋼韌、塑性特別鋼橫向韌、塑性沖壓性能好此鋼材廣泛用于制作汽車、橋梁、造船、容器及建筑行業(yè)
5.4 稀土對(duì)09MnRE影響
顯著提高汽車及車輛用鋼塑性用于型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)擋板及車廂邊框邊板等
5.5 稀土對(duì)石油鉆管鋼影響
稀土元素鋼主要作用除去鋼水雜質(zhì)元素特別鋼加入稀土使硫含量從0.025％降0.01％并能改變殘留夾雜物主要硫化錳形狀從而提高鋼強(qiáng)度因殘留稀土夾雜物較硬軋制時(shí)呈現(xiàn)球狀而形成易于引起裂紋細(xì)長(zhǎng)薄片其次當(dāng)鋼有氫類有害氣體存時(shí)稀土鋼起脫氫作用些特性對(duì)油井鉆探用鋼重要添加混合稀土金屬提高鉆管鋼使用壽命