我国作为世界钢铁大国,2019年全国粗钢产量近10亿吨,占全球总产量的53.3%。然而,量大面广的普碳钢(占比约70%)和低合金钢(占比约20%)都面临着严重的易腐蚀问题。据统计我国每年因腐蚀造成的损失约占GDP的3-4%,损失巨大。钢铁腐蚀危害遍及日常生活和几乎所有行业,尤其是基础设施用钢日复一日面对着大气腐蚀,如何以低成本显著提高建筑钢材耐大气腐蚀性能是开发和推广应用新型耐蚀钢的关键问题。稀土被称之为“工业维生素”,加入钢中可起到改善凝固组织、细化固态相变组织、使夹杂物变形无害化、偏聚强化界面、钝化表面锈层等作用,从而显著提高钢的韧性、耐腐蚀性能、抗疲劳性能、耐热性能等。 我国作为稀土资源最丰富的国家,目前有1300万吨的稀土资源处于闲置浪费状态,其中大量低成本的镧铈钇稀土积压,严重影响后续开采及应用,亟需解决稀土资源过剩及实现资源合理分配的问题关键。 在新的钢材生产全流程中,将低成本的镧、铈、钇稀土有效加入普碳钢及低合金钢中既能显著提高钢的耐腐蚀性能,也能解决我国富余稀土的出路问题。高性能低成本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翻番,可避免钢材运输过程中的锈蚀损失。稀土耐蚀钢结构可免除涂装与镀锌,目前钢材镀锌后寿命约为15年,稀土耐蚀钢可延长使用寿命至20年以上,减轻环保负担,利于资源合理化应用。稀土合金化技术可对钢的成本进行有效控制,经济效益明显,吨钢成本上升不高于50元,较常用的铜铬镍耐候钢成本大幅降低,可用于取代钢材表面镀锌。可广泛用于钢结构装配式民居,耐蚀地螺丝,外挂装饰装修框架,集装箱移动房,厂房式实验室建筑等。低成本稀土合金化技术的成果推广对企业、行业、国家绿色化可持续发展具有重要意义。 国内外研究工作充分证明了稀土在钢中的有益作用,稀土在净化钢液、改善铸态组织和控制夹杂物形态、提高钢的耐蚀、耐磨及横向性能中的作用已得到充分证实。基于前期研究,具有独特外层电子结构从而具有极强化学活性、可变价态及大原子半径的La、Ce、Y稀土元素在钢中的赋存状态是研究的重要关注点。就目前稀土钢的冶金状态,稀土在钢中主要以2种方式存在: (1)与氧、硫化合物结合形成复合夹杂物,改善夹杂物的形状和分布; (2)偏聚在晶界、相界和自由表面等界面处,如图1所示。
图1 稀土元素在钢中赋存示意图 本技术的理论原理是:(1)稀土变性夹杂物,降低其与基体的电极电位差,避免点蚀发生;(2)稀土偏聚于界面,包括晶界、相界、自由表面,降低界面能量,避免局部腐蚀发生;(3)稳定与致密表面锈层组织,有效减缓腐蚀速率。 本技术的研究重点在于研究稀土元素在钢中的赋存与踪迹。除了研究稀土对夹杂物性态的改变外,还通过特殊手段制备试样并采用先进测试手段,确定稀土大原子在晶界、相界以及自由表面的富集,证明了稀土在钢中的偏聚行为,为后续研究稀土合金化作用原理以及应用提供理论基础。此外,本技术通过周浸、盐雾等腐蚀试验研究了稀土合金化改善钢的耐蚀性能作用机理。 通常情况下,加入稀土在钢生产过程中易出现连铸结晶器水口结瘤、收得率低且不稳定,而且稀土在钢坯中分布不均匀。因此,稀土在钢中的加入方法和收得率是一个约束瓶颈。本技术形成的稀土加入方法可以稳定提高稀土收得率,获得均匀的稀土分布,避免水口结瘤,实现多炉连浇,形成稳定的低成本稀土合金化生产工艺。 (1)本技术除了研究稀土对夹杂物性态的改变外,通过特殊手段制备试样并采用俄歇电子探针测试方法,明确稀土大原子在晶界、相界以及自由表面的富集,证明了稀土在钢中的偏聚行为并确定了稀土在钢中存在合金化作用原理,为后续研究稀土对耐蚀性能的影响以及稀土应用提供理论基础。 如图2所示,首先制备了沿晶断裂的脆性断口,在暴露的晶界上通过俄歇探针分析不同离子溅射时间下,对应Ce含量的变化。当离子溅射时间为0min和0.5min时,Ce没有出现明显的峰值,这是由于样品表面会存在一定的氧化,结合实际情况,将其定义为氧化层。当溅射1min后,Ce出现了明显的特征峰值,将其定义为Ce原子富集层。随着溅射时间增继续,两个特征峰的峰值也在逐渐减小,此时已经到了晶内。试验结果表明位于氧化层下面的晶界层,Ce的含量最高,随着向晶内溅射深度的增加,稀土元素的含量逐渐降低。即稀土Ce大原子趋于向晶界处发生偏聚,偏聚层厚度仅为5nm左右。 图2 09CuPCrNiRE中Ce元素的AES图谱 图3 Q235在不同周浸腐蚀时间后的表面宏观腐蚀形貌 (a)稀土合金化前(b)稀土合金化后 图4 Q235盐雾腐蚀72h后锈层截面元素分布 (a)稀土合金化前(b)稀土合金化后 图5 钢结构与砖混结构对比数据
图6 Q390级别稀土耐候钢钢结构装配式农居房(2016年于成都新都)
图7 Q235稀土合金化钢结构装配式民居房(2017年于湖南长沙) 图8 Q355稀土合金化钢结构装配式民居房(2018年于上海浦东) 图9 Q235NH钢材建造地螺丝轻钢结构房屋(2018年于山东威海) 图10 稀土合金化地螺丝(2018年于上海大学) 图11 Q235稀土合金化钢材建造外挂装饰框架(2016年于辽宁沈阳) 图13 江苏冶金研究院厂房式实验室主体钢材采用Q355BRE钢材 (2019年于张家港) 图14 沙钢采用本技术生产的Q235B及Q355B钢板户外放置8个月,自左至右分别是Q235B、Q235BRE、Q355B、Q355BRE(2019年8月起于上海) 图15 稀土微合金化耐蚀钢技术制造可移动集装箱房(2017年于上海大学) 图12正在研制的稀土合金化猪圈钢 信息来源:上海大学材料学院 |
|
来自: yinjiangxu > 《业务》