一、研究的背景與問題

稀土是我國特有的優(yōu)勢資源，俗稱工業(yè)維生素。白云鄂博稀土儲(chǔ)量約占全國的83%，以鑭、鈰輕稀土為主，但其利用率不足20%，造成資源浪費(fèi)，急需找到應(yīng)用出口，解決稀土積壓難題，實(shí)現(xiàn)稀土資源平衡利用。稀土元素具有獨(dú)特的電子層結(jié)構(gòu)和大原子尺寸，微量稀土元素就能夠顯著提升材料的品質(zhì)和性能。研究表明，鋼中應(yīng)用稀土后，可以起到細(xì)化變質(zhì)夾雜、深度凈化鋼液和強(qiáng)烈微合金化作用，顯著提高鋼的韌、塑性和疲勞壽命，使鋼更加強(qiáng)韌、耐熱、耐磨、耐蝕。鑭、鈰輕稀土的開采和制備成本很低，電解分離后每噸價(jià)格不超過10萬元，低于鎳、鉬、鈮等貴金屬，物美價(jià)廉。稀土的加入量大約為噸鋼0.2～0.4公斤，真正起到了四兩撥千斤的作用！采用鑭、鈰輕稀土提升鋼鐵質(zhì)量，是一條引領(lǐng)鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的有效途徑。國際上，發(fā)達(dá)國家由于沒有稀土資源優(yōu)勢，僅在特殊鋼中應(yīng)用稀土，歐盟兩年前啟動(dòng)了替代稀土的冶金工程項(xiàng)目，抓緊研究如何在冶金過程減少對(duì)稀土的依賴。美國在鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到1億噸時(shí)，其中800萬噸鋼為稀土鋼。我國是世界第一產(chǎn)鋼大國，而稀土又是我國的優(yōu)勢資源，卻沒有在國產(chǎn)鋼中大批量應(yīng)用，實(shí)在是一大憾事！高峰時(shí)，中國稀土鋼的年產(chǎn)量僅約100萬噸。鋼鐵行業(yè)達(dá)成的共識(shí)是稀土作用明顯但是沒有用好。稀土鋼工業(yè)化應(yīng)用有兩大瓶頸問題一直沒有解決：一是稀土加入鋼水中堵塞澆注系統(tǒng)，連鑄過程被迫中斷，嚴(yán)重影響工藝順行；二是稀土加入后，容易形成大尺寸、高密度的稀土夾雜物，導(dǎo)致鋼的性能時(shí)好時(shí)壞，不穩(wěn)定。上述問題一直懸而未決，嚴(yán)重制約了稀土鋼的應(yīng)用。除極個(gè)別鋼種外，中國鋼鐵行業(yè)稀土應(yīng)用基本處于停滯狀態(tài)。

　　二、解決問題的思路與技術(shù)方案中國科學(xué)院金屬研究所自建所之初就部署了稀土鋼研究方向。2007年以來開展新一輪稀土鋼研究，經(jīng)過多年持續(xù)攻關(guān)，深入生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行實(shí)地考察，通過大量實(shí)驗(yàn)室研究和工程化試驗(yàn)，揭示了純凈度尤其是氧含量對(duì)稀土鋼性能提升的決定性作用，控制氧含量是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)特殊鋼“高純、均質(zhì)”的關(guān)鍵。受此啟發(fā)，中國科學(xué)院金屬研究所發(fā)現(xiàn)稀土金屬本身的純凈度和稀土加入前鋼液的純凈度，是影響稀土在鋼中發(fā)揮有益作用和工業(yè)化生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。研究結(jié)果表明，稀土金屬中即使含有幾百ppm少量的氧，也足以使稀土在鋼中的作用由正變負(fù)，而部分商業(yè)純稀土中的氧含量甚至高達(dá)1000ppm以上。因此，稀土金屬與鋼水雙純凈雙低氧是稀土鋼獲得穩(wěn)定應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。基于此，中國科學(xué)院金屬研究所研發(fā)了高純稀土金屬制備關(guān)鍵技術(shù)與鋼水純凈度控制工藝，通過控制稀土原料中的氧含量、稀土加入前鋼水中的氧含量和雜質(zhì)元素，突破了生產(chǎn)工藝不能順行和性能不穩(wěn)定兩大難題，成功細(xì)化夾雜物到亞微米尺度，制備出超高潔凈度亞微米夾雜物的稀土鋼。稀土鋼共性關(guān)鍵技術(shù)路線示意圖如圖1所示。中科院金屬所通過優(yōu)化設(shè)計(jì)爐體結(jié)構(gòu)、優(yōu)化調(diào)整工藝參數(shù)、防氧化澆注和防氧化儲(chǔ)運(yùn)等方式實(shí)現(xiàn)了高純低氧稀土金屬制備，稀土金屬的全氧含量低于100ppm；同時(shí)，通過采取低氧純凈化冶煉、創(chuàng)新稀土加入工藝、控氧自動(dòng)化澆注、低偏析微缺陷控制等手段實(shí)現(xiàn)了全流程低氧鋼水純凈度控制，能夠保障千噸級(jí)稀土鋼連鑄生產(chǎn)順行，從而形成了稀土鋼工業(yè)化應(yīng)用共性關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了稀土在鋼中工業(yè)化應(yīng)用的實(shí)質(zhì)性突破。

　　圖1 稀土鋼共性關(guān)鍵技術(shù)路線示意圖

　　二、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果中國科學(xué)院金屬研究所發(fā)現(xiàn)，稀土金屬可以將鋼中Al₂O₃和MnS兩類典型的有害夾雜物變質(zhì)成為稀土反應(yīng)產(chǎn)物。借助熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)機(jī)制，可以使有害夾雜變質(zhì)成尺寸細(xì)小、硬度與鋼基體接近、彌散分布的團(tuán)球狀稀土氧硫化物，從而大幅度提升特殊鋼的韌塑性與疲勞性能。同時(shí)，在低氧純凈化條件下，鋼中加入高純稀土，能夠進(jìn)一步深脫氧，大幅降低夾雜物總量，起到顯著細(xì)化、球化、變質(zhì)夾雜的作用。此外，在低氧純凈化條件下，中國科學(xué)院金屬研究所還發(fā)現(xiàn)，稀土元素能夠以固溶態(tài)原子形式，偏聚晶界、提高晶界結(jié)合力，或者在晶內(nèi)與空位形成穩(wěn)定的稀土-空位對(duì)，從而影響擴(kuò)散。在低氧純凈化冶煉、控氧自動(dòng)化澆注、低偏析微缺陷控制等成套制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院金屬研究所突破了高溫鋼液和稀土金屬的“雙低氧”控制技術(shù)，開發(fā)了全流程控純的稀土添加技術(shù)，提出了適用于冶金行業(yè)使用的低氧高純稀土金屬技術(shù)條件，解決了稀土鋼工業(yè)化應(yīng)用面臨“產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定”和“生產(chǎn)工藝不順行”的技術(shù)瓶頸問題，為高品質(zhì)稀土鋼自主品牌研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化奠定了先決條件。 

　　四、應(yīng)用情況與效果稀土鋼共性關(guān)鍵技術(shù)先后在國內(nèi)十余家企業(yè)的軸承鋼、不銹鋼、齒輪鋼、模具鋼、重軌鋼、風(fēng)電用鋼、汽車鋼等幾十個(gè)優(yōu)特鋼品種上進(jìn)行了批量試驗(yàn)與應(yīng)用，工藝穩(wěn)定，效果顯著。高潔凈度稀土金屬在低氧鋼中加入使夾雜物總量減少50%以上，可以將大尺寸、不規(guī)則形狀的Al₂O₃和MnS兩類典型有害夾雜變質(zhì)成為5μm以下的RE₂O₂S，形成硬度低、尺寸小、球形且均勻分布的稀土氧硫化物，且大多數(shù)RE₂O₂S尺寸介于亞微米級(jí)100～800nm，如圖2所示。利用上述技術(shù)制備的工業(yè)化稀土軸承鋼超高周疲勞壽命較國際先進(jìn)水平提高一個(gè)數(shù)量級(jí)（圖3）、滾動(dòng)接觸疲勞壽命提高40%。進(jìn)一步的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，稀土氧硫化物硬度小、與基體錯(cuò)配度小，能夠協(xié)調(diào)變形，緩解應(yīng)力集中，從而遲滯位錯(cuò)的增殖、運(yùn)動(dòng)與重排，延遲疲勞裂紋萌生，如圖4所示。同時(shí)，稀土氧硫化物尺寸小，ΔK_I低，裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力小，擴(kuò)展速度慢，因此還有利于抑制裂紋擴(kuò)展。

圖2 潔凈GCr15與RE-GCr15鋼中夾雜物尺寸與形貌(a)潔凈GCr15; (b)RE-GCr15

　　圖3 超高周疲勞P-S-N曲線（10kHz）

圖4 疲勞斷口夾雜物毗鄰基體處位錯(cuò)形貌(a)Al₂O₃; (b)RE₂O₂S

　　就不銹鋼中應(yīng)用稀土而言，中國科學(xué)院金屬研究所前期與企業(yè)合作，在400系不銹鋼中進(jìn)行稀土共性關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用。工業(yè)化應(yīng)用結(jié)果表明，鋼液中尺寸>10μm夾雜物由9個(gè)/cm²降低到3.5個(gè)/cm²；成品板材中尺寸>5μm的夾雜物數(shù)量減少約50%，夾雜物平均尺寸由5.2μm降低到3.9μm，延伸率由20%提高到25%。稀土在不銹鋼中的應(yīng)用具有普適性，可以提升不銹鋼純凈度，提高耐蝕性與深沖性。此外，稀土鋼共性關(guān)鍵技術(shù)在其他品種鋼的工業(yè)化應(yīng)用效果顯示，高純稀土金屬的加入能夠使優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及橋梁鋼的韌塑性提高40%以上，重軌鋼疲勞壽命提高30%，模具鋼等向性達(dá)到0.9以上的國際領(lǐng)先水平。中國科學(xué)院金屬研究所實(shí)現(xiàn)了稀土合金鋼千噸以上連鑄的率先突破，完全攻克了稀土在鋼中進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。 

　　來源：中國科學(xué)院金屬研究所