朱兆顺 张建
水利水电技术 武钢集团鄂钢公司技术部，湖北省 鄂州市 436002
摘 要：本文简要的分析了稀土在钢铁冶金中的应用。用稀土这个高技术材料来强化和提升钢铁传统产业，在低合金钢、合金钢中加入微量稀土，提高钢质增强国际竞争力，把稀土的资源优势转化为钢材的品种优势和经济优势，具有十分重大的意义。 关键字：稀土，微合金化，弥散硬化，稀土铌重轨
1.稀土的分类
根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质，以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征，十七种稀土元素通常分为二组。
轻稀土（又称铈组）包括：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)。
重稀土（又称钇组）包括：铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)、钇(Y)。
2.稀土金属的某些物理特性
表1
元素 | 原子量 | 离子半径(埃) | 密度 (克/厘3) | 熔度 (℃) | 沸点 (℃） | 氧化物 熔点(℃) | 比电阻欧姆 厘米106 | R3+离子 磁矩 (波尔磁子) |
La | 138.92 | 1.22 | 6.19 | 9205 | 4230 | 2315 | 56.8 | 0.00 |
Ce | 140.13 | 1.18 | 6.768 | 8045 | 2930 | 1950 | 75.3 | 2.56 |
Pr | 140.92 | 1.16 | 6.769 | 9355 | 3020 | 2500 | 68.0 | 3.62 |
高高太子山Nd | 144.27 | 1.15 | 7.007 | 10245 | 3180 | 2270 | 64.3 | 3.68 |
Pm | 147.00 | 1.14 | － | － | － | － | － | 2.83 |
Sm | 150.35 | 1.13 | 7.504 | 10525 | 1630 | 2350 | 88.0 | 1.55～1.65 |
Eu | 152.00 | 1.13 | 5.166 | 82610 | 1490 | 2050 | 81.3 | 3.40～3.50 |
Gd | 157.26 | 1.11 | 7.868 | 135020 | 2730 | 2350 | 140.5 | 7.94 |
Tb | 158.93 | 1.09 | 8.253 | 1336 | 2530 | 精神医学2387 | － | 9.7 |
Dy | 162.51 | 1.07 | 8.565 | 水下皇陵148520 | 2330 | 2340 | 56.0 | 10.6 |
Ho | 164.94 | 1.05 | 8.799 | 1490 | 2330 | 2360 | 87.0 | 10.6 |
学苑追艳录Er | 167.27 | 1.04 | 9.058 | 1500～1550 | 2630 | 2355 | 107.0 | 9.6 |
Tm | 液氨168.94 | 1.04 | 9.318 | 1500～1600 | 2130 | 2400 | 79.0 | 7.6 |
Yb | 173.04 | 1.00 | 6.959 | 8245 | 1530 | 2346 | 27.0 | 4.5 |
Lu | 174.99 | 0.99 | 9.849 | 1650～1750 | 1930 | 2400 | 79.0 | 0.00 |
Sc | 44.97 | 0.83 | 2.995 | 1550～1600 | 2750 | － | － | － |
Y | 88.92 | 1.06 | 4.472 | 1552 | 3030 | 2680 | － | － |
| | | | | | | | |
3. 稀土的用途
由于稀土元素的特殊性质，决定了稀土的用途。钢铁工业中应用的主要是稀土硅铁合金(含轻稀土混合金属20％～45％)，稀土硅铁镁合金(稀土金属6％～25％，镁7％～12％)，重稀土硅铁合金(含钇类混合稀土60％以上)。混合稀土金属(含轻稀土95％以上)，富铈或镧的稀土硅铁合金(Ce占70％或La占50％以上)。其中炼钢生产中最常用的有两种，一是稀土合金，块状稀土硅铁合金，以前用于大包投入，大包压入，粉状一般用于大包内喷粉、模铸中注管喷粉等方法加入钢中；二是混合稀土金属，制成(φ0.5mm～φ2mm)或棒(≥φ2mm)，丝用于钢包、中注管或连铸结晶器，使用喂丝机喂入钢中，棒采用模内吊挂的方法熔入钢中。稀土金属包芯线作为线性添加材料的新品种，由于喂丝技术在炼钢生产中的广泛应用，必将得到进一步的发展。
4. 稀土在钢中的作用机理
4.1微合金化作用
稀土元素的微合金化作用初步认定主要是稀土原子在晶界上偏聚与其它元素交互作用，引
起晶界的结构、化学成分和能量的变化，并影响其它元素的扩散和新相的成核与长大，最终导致钢组织与性能的变化。钢中稀土金属含量因不同钢种，不同冶炼方法和不同的稀土加入方法而有很大差异。稀土强化晶界，阻碍晶间裂纹的形成和扩展，有利于改善塑性尤其是高温塑性；稀土能抑制动态再结晶、细化晶粒和沉淀相尺寸并促进铁素体中Nb（C、N），（Nb、Ti）（C、N）和V（C、N）的析出；溶解的稀土可改变渗碳体的组成和结构并使碳化物球化、细化和均匀分布。 4.2与其它有害元素的作用
一定量(量的多少还需进一步测算)的稀土可以与钢中磷、砷、锡、锑、铋、铅等低熔点有害元素相作用。一方面，稀土可以与这些杂质形成熔点较高的化合物；另一方面，还能抑制这些夹杂在晶界上的偏祈。例如，钢存在热脆性，是由于钢中有一些低熔点的金属元素，当把稀土加入钢液中，生成高熔点金属化合物，不熔于钢中而进入炉渣，起到净化作用，使钢中杂质减少，从而克服了热脆性。
4.3 稀土元素的脱硫、脱氧
热力学分析和大量有关钢中稀土夹杂研究表明，钢中[O]、[S]含量在一定范围内，钢液中加入稀土时，极易生成稀土的氧硫化物。当钢中氧含量降至201ppm以下时、加入钢液中的稀土首先形成RE203S型夹杂物，而后形成RE3S4或RES型的硫化物，这些硫化物可能包裹在氧硫化物外围，组成复合夹杂物或稀土硅酸盐化合物，它们熔点高且非常稳定，显球状，钢液经过适当的镇静之后，这些稀土氧化物、硫化物或稀土硅酸盐化合物将从钢中排除，从而净化了钢液。稀土在钢中的作用90％是通过对硫化物形态的控制来实现的。当RE/S为2.7-3.0时，硫化物形 态控制效果达到最佳状态。
4.4捕氢作用
稀土能吸收大量的氢，可以制成储氢材科，稀土加到钢中，可以抑制钢中氢引起的脆性和白点。已有研究表明，稀土有降低氢的扩散系数，延缓氢在裂纹尖端塑性区的富集，从而使裂纹扩展的孕育期和断裂时间延长 因此，稀土有抑制钢的氢脆作用。
4.5弥散硬化作用
向钢液中喷吹稀土氧化物(CeO2)粉剂， 可以提高钢的强度和韧性，降低脆性转变温度提
高钢的持久强度。其原因是一方面 CeO2可以作为结晶核的细化铸态晶粒；另一方面，弥散分布的CeO2质点可以提高晶界对位错运动的阻力。
4.6 变性夹杂
稀土加入钢液中生成球状稀土硫化物或硫氧化物，取代容易形成的长条状MnS夹杂，使硫化物形状得到控制，提高了钢的热塑性，特别是横向冲击韧性，改善钢材的各向异性。稀土使棱角状高硬度的氧化铝夹杂转为球状硫氧化物及铝酸稀土，有利于提高钢的疲劳性能。
5.稀土对钢材性能的影响
目前开发的稀土钢品种有：稀土铌重轨，高韧性压力容器用钢，45kg级桥梁板，稀土船板钢，稀土车轴钢，大型桥梁用型钢等。稀土可提高耐候钢、不锈钢的抗腐蚀性能，耐热钢的抗氧化性能和高温强度，弹簧钢、齿轮钢和轴承钢的抗疲劳性能，难变形高合金钢的热塑性，钢轨及耐磨材料的耐磨性等。钢中加入稀土后，一般能使钢板、无缝钢管的横向冲击韧性提高50%以上，耐腐蚀性能提高60%，同时提高其他性能。每吨钢加稀土300克
左右，但作用十分显著，这些钢由于稀土的存在，在性能与用途方面得到了提高。说明稀土对钢材性能的影响独具其魅力。
5.1稀土对钢轨钢的影响
当钢轨钢中稀土(Ce、La、Pr、混合稀土) 含量为O.029％以上时,可产生如下影响：
①稀土可延缓钢轨钢接触疲劳裂纹的萌生和扩展，推迟钢轨表面剥离的发生。
②稀土可明显减小钢轨钢接触疲劳贯穿角和贯穿深度。
③稀土可缩小钢轨钢接触疲劳表面的塑性变形范围，改善加工硬化效果。
④稀土具有净化钢液，变性夹杂和微合金化作用。
⑤既能减小应力集中区，又能细化组织、提高强度，增强钢轨钢抗变形能力。
⑥由于稀土极易氧化，并与氧化合成氧化膜，附着于钢轨表面，由此产生的“白润滑”作用既能减小摩擦系数，又能提高表面结合强度，从而改善了钢轨的疲劳和磨损，耐磨性比普通轨增加1倍。
5.2 稀土对60CrMnMo 的影响
加稀土处理后，使钢中稀土含量达到0.05％—0.07％时，可明显提高热轧辊用钢的热疲劳寿命和塑性。
5.3 稀土对16MnRE的影响。
显著改善了钢的韧、塑性，特别是钢的横向韧、塑性，冲压性能好。此钢材广泛用于制作汽车、桥梁、造船、容器以及建筑行业。
5.4稀土对09MnRE的影响
显著提高汽车及车辆用钢的塑性。用于中型汽车发动机挡板及车厢边框边板等。
5.5稀土对石油钻管钢的影响
稀土元素在钢中的主要作用是除去钢水中的杂质元素，特别是钢中加入稀土后可使硫含量从0.025％降到0.01％，并能改变残留夹杂物，主要是硫化锰的形状，从而提高钢的强度，这是因为残留的稀土夹杂物较硬，轧制时呈现球状，而不形成易于引起裂纹的细长薄片。
其次当钢中有氢一类有害气体存在时，稀土在钢中可起到脱氢作用。这些特性对油井钻探用钢是很重要的，添加混合稀土金属可以提高钻管钢的使用寿命。
5.6稀土对弹簧钢的影响
疲劳强度是弹簧钢的主要性能指标，由于夹杂物的变质作用会对钢的疲劳性能带来显著的影响，因此利用稀土来提高弹簧钢的性能，引起了人们的关注。
6.稀土钢的性能对比
对钢进行稀土处理，具有投资少、无污染、见效快、经济效益高的特点。北京钢铁研究总院与武汉钢铁公司共同做的几种钢的盐雾腐蚀对比试验结果表明，稀土耐候钢的耐腐蚀性能是普通钢（Q235）的近2倍，超过了国际名牌耐候钢美国的Corten钢的水平。
中科院沈阳金属研究所研制了一种水电站水轮机、水泵用加稀土的不锈钢，抗磨损性能比目前国内外使用最多的0Cr13Ni4Mo钢提高近1倍。该所做了大量对比试验，这种不锈钢加适量稀土（0.3%）比不加稀土的性能大幅度提高，稀土对合金抗腐蚀、抗磨损和抗磨蚀性能分别比不加稀土的合金提高57%、55%、83%。
7.稀土处理钢也有缺点
（1）稀土夹杂物比重大，一般在5.5～6.5之间，不易上浮，特别是当稀土加入量过量时，会增加钢中的夹杂，甚至产生脆性的稀土与铁的金属间化合物恶化钢的性能。通过计算机仿真计算，确定最佳稀土加入量和稀土喂丝机的自动化，可以实现稀土加入量的准确控制，达到提高钢质的目的。
（2）稀土处理钢浇注时水口易结瘤，用强脱氧剂如A1、Zr脱氧时，也常出现水口结瘤问题。目前是采用在连铸结晶器喂稀土丝，绕开水口的方法来解决这个问题。杜挺、韩其勇、王常珍教授指出，用熔融石英
水口和锆质水口，对防止含稀土钢水口的结瘤具有较好效果。
（3）稀土金属的价格较贵。稀土金属丝和棒的价格是10万元/吨以上，比硅钙合金贵，这影响了稀土钢的扩大推广。
8.我国稀土钢的现状
1990～2003年我国稀土钢的产量和钢产量变化态势见表2。
表2 1990～2003年我国稀土钢的产量（万吨）
年份 | 1990 | 1991 | 1992 | 1993 | 1994 | 1995 | 1996 | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 |
产量 | 34 | 38.5 | 43.1 | 59.8 | 54.5 | 52.0 | 54.7 | 59.5 | 44.5 | 80.0 | 77.9 | 74.7 | 83.1 | 90.0 |
| | | | | | | | | | | | | | |
图1
在稀土喂丝机的研制方面，包头稀土研究院、武汉钢铁公司二炼钢厂等单位曾取得过长足的进步。稀土丝、棒和稀土硅化物合金、稀土硅铁包芯线产品，也较好地满足了各钢厂发展稀土钢的需要。
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