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董瀚
鋼鐵材料是量大面廣的材料，具有性能多樣化、容易獲得且成本較低、生產加工適用性廣泛、可循環利用等特點，廣泛應用于國民經濟和國防建設的各個領域。然而，量大面廣的普碳鋼（占比70%）和低合金鋼（占比20%）容易被腐蝕（鋼材腐蝕情況見圖1），需要尋找綠色環保且低成本的解決方案。稀土作為我國的戰略資源，開采過程中高豐度鑭鈰元素大量富余堆積，迫切需要加以合理消耗利用。
上海大學董瀚教授領銜的高性能鋼鐵材料團隊在多年的研究基礎上，形成了新型稀土多形合金化觀點，開發出稀土合金化耐腐蝕技術，并生產了Q235RE、Q345RE、09CuPCrNiRE鋼的扁平材和長型材，產品具有低成本和綠色化的特點。
01、稀土在鋼中耐蝕作用機理探析
國外研究稀土鋼已有數十年的時間，我國從上世紀50年代末開始稀土鋼的研究工作，幾十年來積累了豐富的知識與經驗。原有的稀土在鋼中的作用有：脫氧脫硫凈化、夾雜物變性與變形、固溶合金化等。稀土添加在鋼中會有許多有益效果，其中提高耐蝕性是公認的。09CuPTiRE鋼是我國開發的典型稀土低合金耐候鋼。但是由于過去表征手段有限，我國對稀土鋼耐蝕性的機理認識還有待加深。上世紀后期，隨著精煉技術與連鑄技術的廣泛應用，稀土的凈化作用失去了意義，添加稀土容易造成水口結瘤，從而影響連鑄生產順行。此外，稀土加入鋼中收得率低的問題一直未得到根本解決。上述問題導致稀土鋼的生產應用量越來越少。直到近年來，稀土鋼才又開始逐漸成為研究熱點。
考慮到我國具有豐富的稀土資源，借鑒前人在稀土鋼方面的研究成果，可以開發出綠色低成本的稀土耐蝕普碳鋼，以延長建筑、橋梁、各種構件的使用年限，達到鋼鐵材料的減量化使用目標。
基于此，上海大學高性能鋼鐵材料團隊應用高豐度鑭鈰稀土資源，通過多形合金化原理與技術，明確了稀土鑭鈰元素在普碳鋼中的賦存與蹤跡，以及稀土在鋼中的耐腐蝕作用機理，即鑭鈰元素可改變夾雜物性質和形態，縮小夾雜物與基體的電極電位差，避免點蝕發生；偏聚于微觀組織界面，降低了界面能，避免表面和局部腐蝕發生；可促進α-FeOOH穩定銹層形成，形成致密的表面銹層組織，有效降低腐蝕速率。（見圖2、表1）
基于對稀土元素在鋼中作用機理的研究結果，上海大學高性能鋼鐵材料團隊創新研發了保護性稀土合金加入技術，依托多個鋼企的不同鋼材生產流程，經過多次工業試驗，最終確定了最佳的稀土合金加入工藝。該團隊在不改變現行鋼鐵生產工藝流程的條件下，將稀土合金化設備嵌入流程，操作簡單易行，成本低廉，稀土收得率高且穩定均勻，形成了穩定的低成本高收得率稀土鑭鈰多形合金化加入方法，避免了連鑄水口結瘤，穩定實現多爐連澆，在連鑄坯中稀土元素分布均勻。（見圖4）
通過采用稀土多形合金化技術，國內10余家鋼企開發出綠色低成本稀土耐蝕普碳鋼系列鋼材，生產工藝穩定順行，鋼材組織性能合格，耐蝕性顯著提高。（見圖5）
新型稀土耐蝕鋼在大氣環境下，相比于傳統的普碳鋼和低合金耐大氣腐蝕性能提高30%~50%。稀土耐蝕鋼結構可免除涂裝與鍍鋅，一般鍍鋅鋼材使用壽命約為15年，稀土耐蝕鋼可延長使用壽命至70年以上，減輕環保負擔，利于資源合理化應用。稀土耐蝕普碳鋼噸鋼成本僅較普通鋼材提高30元~50元，較常用的銅磷鉻鎳耐候鋼成本大幅降低。目前稀土耐蝕普碳鋼工業化批量生產產品合格率可達99%。（見表2、圖3）
02、稀土耐蝕普碳鋼的應用
輕鋼結構民居房
相比磚混結構建筑，稀土耐蝕普碳鋼結構具有耐蝕抗震的特點，同時具備施工方便、空間劃分靈活、得房率高、材料環保等特點。湖南、上海等多地建立了多個輕鋼結構裝配式民居房，使用效果良好。（見圖6）
鋼結構廠房
江蘇冶金技術研究院廠房式實驗室的梁柱選用沙鋼生產的Q355BRE稀土耐蝕普碳鋼，腐蝕速率相比Q355B降低50%以上。廠房面積為4300平方米，于2019年開始建設、2020年10月完工。（見圖7）
鋼筋混凝土建筑
2020年9月，河北龍鳳山鑄業采用直徑12毫米稀土耐蝕螺紋鋼HRB400ERE進行廠房建設。施工過程中，稀土耐蝕螺紋鋼被加工成箍筋與板筋，用于框架結構建設。其中，箍筋主要用于主廠房和制粉車間固定框架柱與框架梁，板筋用于主廠房、制粉車間和中心樓樓頂和樓梯。該項目于2020年11月完成主體工程建設。（見圖8）
地螺絲
采用稀土耐蝕鋼制造地螺絲，可免鍍鋅處理，并延長使用壽命。山東威海、上海等地建設了基于地螺絲地基的輕鋼結構房等。經過2年戶外腐蝕試驗發現，未經涂覆的稀土耐蝕鋼地螺絲單面腐蝕率僅為0.1毫米/年，具有良好的耐腐蝕性能。（見圖9）
集裝箱房
稀土耐蝕普碳鋼可替代傳統耐候鋼應用于集裝箱房制造。（見圖10）
裝飾裝修外掛件和龍骨
傳統的外掛裝飾裝修框架通常采用鍍鋅鋼材，不僅成本較高，且鍍鋅層在經歷風吹雨淋后極易破損剝落，影響結構壽命，降低安全系數。應用稀土耐蝕普碳鋼可免除鍍鋅、降低成本、延長壽命、提高安全性。2016年遼寧沈陽一建筑工程應用了稀土耐蝕普碳鋼，用戶單位反饋良好。（見圖11）
上述應用推動稀土耐蝕普碳鋼應用技術逐漸走向成熟。
基于稀土合金化提高鋼材耐腐蝕性能技術，在中國金屬學會新材料標準化技術委員會組織下，上海大學高性能鋼鐵材料團隊主持并起草了《稀土耐候結構鋼》（T/CSM12-2020）團體標準。2020年6月11日，《稀土耐候結構鋼》（T/CSM12-2020）團體標準正式發布并實施。
稀土耐蝕普碳鋼是一類新型的綠色鋼鐵材料，是中國特色資源有效利用和鋼鐵科技發展的產物。促進社會鋼材減量化應用，是歷史發展的必然。發展稀土耐蝕普碳鋼將促進中國鋼鐵工業與稀土行業共同高質量發展，促進社會低碳化發展。
