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稀土在鋼中的應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2009-07-27  來源:[標簽:來源]  作者:中國稀土網  

1 概況

  稀土,系指元素周期表中第ⅢB族鑭系元素以及與鑭系元素在化學性質上相近的鈧和釔,共計17種元素。是芬蘭學者加多林(Johan Gado1in)在1794年發現的。當時在瑞典的礦石中發現了礦物組成類似“土”狀物而存在的釔土,且又認為稀少,便定名為“稀有的土”(Baxe Earth)。此后,又陸續發現了與此同類的多種元素,總稱為稀土。但后來研究發現,稀土在地殼中的豐度要比人們想象的多得多。如鈰比錫多得多,釔也比鉛多,即使豐度最少的稀土元素也比鉑族元素多,說明稀土并不稀少。也不是“土”,全部是金屬元素。

  我國稀土資源豐富,為世界上其它任何一個國家所不及。現己探明的工業儲量為3600萬噸,約占全世界總量的80%,且品種繁多,分布集中。其中包頭市白云鄂博礦山的儲量就占了全國儲量的95%以上。所以才有了“世界稀土在中國,中國稀土在包頭”之說。現在包鋼每年采出的稀土礦石量為230萬噸-250萬噸,這一部分礦石中多數稀土品位都比較高,能達到7.25%以上。經過幾十年的研究開發,生產技術不斷完善,生產 規模不斷擴大。現已形成了年產稀土精礦6萬噸,稀土合金1.5萬噸、濕法稀土產品折合氧化物5800噸的83個品種、195種規格的世界最大的稀土礦產品生產基地。

  包鋼雖然有很豐富的稀土資源,但在稀土處理鋼的品種及處理效果等方面,與武鋼、濟鋼、本鋼等相比還有很大差距。如何把稀土的資源優勢變成經濟優勢,還需進一步研究和開發。

2 稀土在鋼中應用的現狀

  近幾年來國內外的鋼鐵生產實踐表明,鋼經過稀土處理,可對鋼的性能產生一系列的作用。現在我國用稀土處理鋼有80多個品種,年產量達60萬噸,預計2002年全國稀土鋼產量達300萬噸。包鋼是稀土之鄉,稀土處理鋼也開發了一些,但只占包鋼鋼產量的0.5%。 因此大力開發應用稀土資源,進行稀土鋼的開發及應用研究,應提到日程上來。

  包鋼研究稀土在鋼中的應用始于60年代。當時稀土當作靈丹妙藥,認為無論放到哪種鋼里都有作用,甚至提出過“以稀土代替鎳、鉻”的口號,到70年代中期,對稀土在鋼中的應用出現了兩種截然不同的見解,一種意見認為稀土在有些鋼中作用很明顯,應該繼續進行試驗研究;另一種意見則認為,稀土對含硫較高的鋼有一些作用,但是隨著生鐵含硫量的降低,稀土這一作用將逐漸消失,因此稀土處理鋼是沒有前途的。到80年代后期,由事實證明,稀土確實有用,當然也不是萬能的。鋼中含有微量稀土元素,即可明顯地優化鑄坯質量,提高鋼的塑、韌性,改善鋼材橫向性能和低溫韌性。初步有了定性的概念。

  進入90年代,隨著鋼鐵工業的發展,出現了眾多與稀土有關的課題,爐外精煉、模鑄、連鑄等不同工藝的稀土應用領域,極大地推動了稀土處理鋼生產的發展。進一步確認稀土在鋼 中有凈化鋼液、變性夾雜和微合金化作用,有利于提高鋼的冷沖壓成型性,橫向及低溫韌性、高溫強度、焊接性及耐蝕性等,進一步有了定性的概念。由于沒有達到量化,所以至今尚未制定有關稀土鋼的標準,只能把稀土處理鋼叫做稀土鋼。對某一鋼種來講,鋼中含有多少稀土,它對什么性能有多大影響等,還沒有搞清楚,對稀土鋼的生產技術和控制手段還沒有完全掌握,這樣也影響了稀土鋼的發展。

3 稀土的用途

  稀土元素根據他們性質上差異和分離工藝的要求一般分為輕稀土和重稀土兩組,其中鑭、鈰、鐠、釹、鉅、釤、銪為輕稀土。稀土元素是典型的金屬元素,它們的金屬活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬,比其他金屬元素都活潑,可與多種元素化合,且稀土金屬的燃點很低,如鈰165℃,釹270℃,極易與氧起反應。所有的稀土金屬能在180℃-200℃的空氣中被氧化成RE203型氧化物,稀土氧化物的熔點都很高,生成自由能負值很大,說明它們都是很穩定的化合物。由于稀土元素的特殊性質,決定了稀土的用途。鋼鐵工業中應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)。混合稀土金屬(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,制成絲(φmm-φmm)或棒(≥φmm),絲用于鋼包、中注管或連鑄結晶器,使用喂絲機喂入鋼中,棒采用模內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,由于喂絲技術在煉鋼生產中的廣泛應用,必將得到進一步的發展。

4 稀土在鋼中的作用機理

4.1 微合金化作用

  稀土元素的微合金化作用初步認定主要是稀土原子在晶界上偏聚與其它元素交互作用,引起晶界的結構、化學成分和能量的變化,并影響其它元素的擴散和新相的成核與長大,最終導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。稀土在鋼中的含量與微合金化的直接關系,還有待研究。

4.2 與其它有害元素的作用

  一定量(量的多少還需進一步測算)的稀土可以與鋼中磷、砷、錫、銻、鉍、鉛等低熔點有害元素相作用。一方面,稀土可以與這些雜質形成熔點較高的化合物;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的金屬元素,當把稀土加入鋼液中,生成高熔點金屬化合物,不熔于鋼中而進入爐渣,起到凈化作用,使鋼中雜質減少,從而克服了熱脆性。

4.3  稀土元素的脫硫、脫氧

  熱力學分析和大量有關鋼中稀土夾雜研究表明,鋼中[O]、[S]含量在一定范圍內,鋼液中加入稀土時,極易生成稀土的氧硫化物。當鋼中氧含量降至201ppm以下時、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,組成復合夾雜物或稀土硅酸鹽化合物,它們熔點高且非常穩定,顯球狀,鋼液經過適當的鎮靜之后,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%是通過對硫化物形態的控制來實現的。當RE/S為2.7-3.0時,硫化物形 態控制效果達到最佳狀態。

4.4 捕氫作用

  稀土能吸收大量的氫,可以制成儲氫材科,稀土加到鋼中,可以抑制鋼中氫引起的脆性和白點。已有研究表明,稀土有降低氫的擴散系數,延緩氫在裂紋尖端塑性區的富集,從而使裂紋擴展的孕育期和斷裂時間延長 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(CeO2)粉劑, 可以提高鋼的強度和韌性,降低脆性轉變溫度提高鋼的持久強度。其原因是一方面 Ce02可以作為結晶核的細化鑄態晶粒;另一方面,彌散分布的Ce02質點可以提高晶界對位錯運動的阻力。

4.6  變性夾雜

  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 稀土對鋼材性能的影響

  目前開發的稀土鋼品種有:稀土鈮重軌,高韌性壓力容器用鋼,45kg級橋梁板,稀土船板鋼,稀土車軸鋼,大型橋梁用型鋼等。這些鋼由于稀土的存在,在性能與用途方面得到了提高。說明稀土對鋼材性能的影響獨具其魅力。

5.1  稀土對鋼軌鋼的影響

  當鋼軌鋼中稀土(Ce、La、Pr、混合稀土) 含量為O.029%以上時,可產生如下影響:

①稀土可延緩鋼軌鋼接觸疲勞裂紋的萌生和擴展,推遲鋼軌表面剝離的發生。
②稀土可明顯減小鋼軌鋼接觸疲勞貫穿角和貫穿深度。
③稀土可縮小鋼軌鋼接觸疲勞表面的塑性變形范圍,改善加工硬化效果。
④稀土具有凈化鋼液,變性夾雜和微合金化作用。
⑤既能減小應力集中區,又能細化組織、提高強度,增強鋼軌鋼抗變形能力。
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,由此產生的“白潤滑”作用既能減小摩擦系數,又能提高表面結合強度,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60Cr Mn Mo 的影響

  加稀土處理后,使鋼中稀土含量達到0.05%—0.07%時,可明顯提高熱軋輥用鋼的熱疲勞壽命和塑性。

5.3  稀土對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。

5.4  稀土對09MnRE的影響

  顯著提高汽車及車輛用鋼的塑性。用于中型汽車發動機擋板及車廂邊框邊板等。

5.5  稀土對石油鉆管鋼的影響

  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,從而提高鋼的強度,這是因為殘留的稀土夾雜物較硬,軋制時呈現球狀,而不形成易于引起裂紋的細長薄片。其次當鋼中有氫一類有害氣體存在時,稀土在鋼中可起到脫氫作用。這些特性對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。
 

  尚有不少重要方面未及論述,如稀土納米醫用材料,傳感器材料、磁存貯材料等有待后敘;可是僅從本文介紹的這些例子,完全可以窺見出稀土納米微粒和技術在材料、能源、信息、環保等諸多領域扮演著創新作用,用它可開拓出無數不曾有過的新材料;在應用中的作用和效果是不可估量的。應積極參與稀土納米材料及應用的研究開發,為將稀土資源優勢化為技術優勢和產業優勢作出應有貢獻。

 




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