第12章冶金用稀土文档格式.docx

1、 稀土既是优良的变质剂，也是一种强效微合金元素。稀土具有捕氢性，能使钢的氢致延迟断裂性能得以改善；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，真可谓四两拨千斤。 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）

2、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%。（2）稀土处理钢也有缺点： 1）稀土夹杂物比重大，一般在5.56.5之间，不易上浮，特别是当稀土加入过量时，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

3、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99.8万元/吨，比硅钙合金贵，这影响了稀土钢的扩大推广。12.1.2.2我国稀土钢的现状 稀土钢产量由1985年的11万吨增长到2003年的90万吨，品种达80多个，为国家创造巨大的经济效益和社会效益，仅1996年到1999年，我国共生产稀土钢239万吨，为国家新

4、增直接经济效益7.27亿元，间接效益36.35亿元。 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。 稀土钢新品种的开发，取得了重大的成绩。包钢（集团）公司、北京钢铁研究总院、铁道部属科研院联合研制的稀土铌重轨，耐磨寿命比U74、U71Mn重轨提高50%以上，1997年通过了冶金部和铁道部的联合鉴定。武钢在集装箱钢板的三个仿国外钢种SS400、SPA-H、SM490A中，通过加稀土提高了冷弯性能，增强了在国际市场的竞争力，1996年到1999年共出口或以产顶进46万吨，

5、创汇1.54亿美元。12.1.2.3存在的问题存在的主要问题: 一是稀土加入工艺及设备较落后; 二是稀土钢的品种和产量少; 三是稀土在各类钢中的作用机理研究还很不深入。我国稀土在钢中应用虽然取得了较大成绩，但是钢中稀土的加入工艺和设备尚满足不了从国外引进的炼钢和炉外精炼设备高度自动化、连续化的要求。包钢从德国引进的大方坯、大圆坯连铸生产线，年产量120万吨，急需解决稀土加入工艺问题，以生产铁道部急需的稀土、铌重轨等重要钢种；宝钢和武钢三炼钢的高拉速板坯连铸生产线，国产的老式稀土喂丝机已不配套，需研究新一代自动化喂丝机以解决高拉速板坯连铸稀土加入工艺问题；还有连铸中间包稀土加入工艺问题、稀土处理

6、与其他炉外精炼工艺相结合的问题、小方坯连铸稀土加入工艺问题等，都需要研究解决。 我国大批量生产的稀土钢品种仅9个钢号，稀土处理钢产量占总钢产量的比例不到1%，而美国是5%，差距不小。稀土在各类钢中的作用机理研究，还极不深入，成果的权威性不大，科研经费短缺是主要原因。12.1.2.4国外稀土处理钢发展简况 20世纪70年代美国、西欧、日本以及苏联等，一般低合金钢的硫含量控制在0.015%左右，他们大量使用稀土来控制硫化物夹杂形态，1974年对钢进行稀土处理，达到一个高潮，当年在钢中消耗了6000吨稀土（以REO计），稀土处理钢产量达1600万吨以上。后来随着铁水预处理、炉外精炼技术的发展，西方国

7、家生产的低合金钢硫含量已降到1010-65010-6那样低，采用钙处理就可以控制硫化物夹杂形态，所以没有稀土资源的西欧和日本基本用钙处理取代了稀土处理，即作为变质剂使用的稀土，在低合金钢领域被取代了。12.1.2.5我国发展稀土钢的意义和前景 （1）对钢进行稀土处理是提高钢质简便易行的手段稀土处理是炉外精炼技术的一种，稀土处理基本上不需要技术改造投入，喂丝机设备仅几万元一台，试验成功就可以转产。稀土既是优良的变质剂，又是一种强效微合金元素，这是硅钙所不能代替的。许多钢厂的实践证明，对钢进行稀土处理，是提高钢质、发展新品种的有效措施之一。 （2）我国的国情需要发展稀土钢 美国在年产1亿吨钢时，稀

8、土钢、稀土处理钢年产量曾接近过800万吨，我国是钢产量第一大国，2005年钢产量将达到1.6亿吨，在这样一个量大面广的领域，加强稀土的应用，具有十分重大的意义。我国稀土年分离能力已达12万吨，稀土应用量远小于生产能力。只要国家给予科技经费支持，我国稀土钢完全可能做大做强，倘若稀土钢年产量达到500万吨，则每年将消耗混合稀土金属（以相对过剩的元素镧、镨、铈为主）2500吨，这对促进我国稀土产业的健康发展有着重要意义。 我国目前铁水预处理比为23%左右，钢水精炼比为21%左右，绝大多数大中型钢厂低合金钢硫含量现状，硫含量为0.01%左右（天津钢管、宝钢及武钢除外），处于20世纪70年代末到80年代

9、初的水平；就是特钢厂由于废钢质量不好，低合金钢硫含量也是这一水平。这样的硫含量比国外现状高数倍，仅用钙处理就不够了，需要稀土处理工艺来彻底地控制硫化物夹杂形态，才能保证生产优质低合金钢、合金钢，参与国际竞争。加入WTO后，我国更需要发展具有中国资源特色的含微量稀土的低合金钢和合金钢。从稀土在钢中作用看稀土钢的发展前景 武钢和东北大学测试了X65和加稀土的X65管线钢在不同硫含量时的冲击韧性，结果表明，即使钢中硫含量降到0.005%，加稀土仍然能大幅度地提高钢的冲击值。 北京科技大学和武钢合作，研究了超低硫钢中稀土元素的作用，结论是，稀土在超低硫（S0.003%）铌钛微合金钢中仍然有净化钢质、变

10、质夹杂和微合金化作用，稀土固溶量可达到10-510-4数量级，是一般硫含量钢稀土固溶量的610倍，显著减少晶界S、P的偏聚，推迟铌钛氮化物析出。 北京钢铁研究总院研究了稀土对航空用高强高韧性16Ni10Co14Cr2Mo钢性能的影响，该钢虽然是超低硫（0.002%0.005%），但添加镧和铈混合稀土后，仍使MnS、CrS夹杂物转变为稀土硫氧化物夹杂，从而提高了钢的断裂韧性。 稀土在合金钢、特殊合金中作用显著。如，东南大学材料系张忠铧等人研究了铈对高温合金Fe-28Al性能的影响，在二元Fe-28Al合金中加入0.15%（原子分数）的Ce可以使合金的室温塑性提高近1倍，而且合金的屈服强度和抗拉强

11、度也得到明显提高。 我国兵器工业部包头五二研究所试制的加稀土的不锈钢，性能优异。北京钢铁研究总院试制的稀土耐热钢0Cr23Ni12使Ni用量大幅降低，每吨钢比0Cr25Ni20降低成本几千元，效果显著。含稀土的合金钢、特殊合金钢与普通钢相比总量虽然不大，但加稀土产生的经济效益很高，而且其稀土用量是低合金钢中的510倍。这一领域也有发展前途，可能达到几万吨水平。预计十五末期年需求含稀土的管线钢7万吨，汽车大梁钢12.8万吨，铸钢5万吨。从市场需求看稀土钢的发展前景 随着国民经济建设的发展，除了要求钢材有高的强度和韧性外，同时还要求有良好的耐腐蚀性能，这方面稀土能起关键作用。稀土在提高钢材的韧、塑

12、性、耐热抗氧化和耐磨性方面也有重要作用，这是稀土钢的优势，其发展前景很好。 耐候钢（耐大气腐蚀钢）。目前稀土耐候钢年产量40万吨，主要用于集装箱钢板，火车车箱，大桥和体育场的栏杆，今后的应用前景非常广阔。我国集装箱钢板年生产能力150万吨，建筑用耐候、耐火钢特别是轻钢结构也有百万吨的潜在市场，还有电气化铁路铁塔等，预计末期，稀土耐候钢市场年需求量80万吨。未来的10年，我国建筑用结构钢将由目前的150万吨增长到700万吨，这为稀土耐候钢的发展提供了广阔的空间。 重轨钢。未来的10年，包括西部大开发在内，我国铁路建设将有较大发展，目前重轨年生产能力137万吨。包钢的稀土、铌重轨通过了铁道部的鉴定

13、，下一步工作是实现产业化。鞍钢也给沈阳铁路局、哈尔滨铁路局试制了上万吨该品种钢轨，受到了好评。预计2005年我国含稀土的重轨产量可达3040万吨。 焊接气瓶用钢。太原钢铁公司在焊接气瓶用钢中，通过加稀土提高了性能，发展势头良好，近年来，本溪钢铁公司、攀枝花钢铁公司稀土气瓶钢的开发也取得了可喜成绩，末期，随着西气东输全国用量可达5060万吨。 船板钢等。造船用钢板是一个重要的品种，年用钢量可达120万吨左右。稀土在903舰板钢中，对提高韧性和耐腐蚀性能起了很好的作用，有望在民用船板中得到推广。另外，海上采油平台和隧道用钢筋都需要提高耐腐蚀性能，加稀土也有很好的应用前景。末期全国稀土船板钢可达20

14、万吨。 生产实践证明，稀土处理钢是提高钢的质量、开发新品种的有效措施之一。稀土处理工艺所需投资很小，炼钢中不需要另外增加处理时间。稀土加入钢中能够起到净化（脱氧、脱硫）、变质和微合金化作用，能大大减小低熔点杂质的有害影响，是硅钙处理所不能完全替代的。因此在钢中加入稀土，一般能使钢板和无缝管的横向冲击韧性提高1倍左右，同时能提高钢的抗弯性能和耐腐蚀性能，有利于改善钢的热加工性，改善层状撕裂及氢致开裂。每吨钢仅需加入300克的稀土金属，即可获得很大效益。 我国每年用稀土处理钢近6070万吨，纯利润近亿元，稀土处理钢钢种已有80多个。到2000年发展到年产稀土处理钢300万吨，获得纯利润3.36亿元

15、以上。2003年用于钢的稀土用量为400吨，占冶金机械应用领域总消费比例的7.5%。12.1.3 稀土在铸铁中的应用 稀土灰口铸铁高压暖气片在“九五”期间也逐年增产。我国生产的球墨铸铁主要应用稀土镁硅铁合金。球墨铸铁产量增加，稀土镁硅铁合金需求量加大。美国MODERN CASTING杂志1996年公布的数字表明世界球墨铸铁与灰铁的比为33.3，美国为66.7、日本为70.5、法国为90.4、英国为65、德国为52.4、台湾地区为33.2，我国仅为21，低于世界平均水平，远低于发达国家水平。这意味着我国球墨铸铁生产还有很大的潜力。 家用汽车需求的增加，促使汽车产量的增加。汽车铸件生产中使用稀土量

16、将会保持上升的趋势。预计在“十五”期间，随着我国建设的发展和西部大开发战略的实施，稀土铸铁产量会进一步增加。有关专家指出，稀土在铸铁中的应用的以下领域还有待开发： （1）我国不少地区的生铁含磷高，是铸铁中的有害元素，是当前亟待解决的问题之一。基础研究表明某些稀土元素或混合稀土能与磷生成化合物，如Pr、GdP、NdP、Eu3P2等，这些化合物有较高的熔点。稀土在铸铁中与磷的相互作用及对铸铁组织和性能的影响尚无系统研究，这一问题解决后会产生巨大的经济效益。 （2）稀土与高技术（如激光）相结合，使铸件表面质量提高（如耐磨性、耐腐蚀性），也是可关注的问题。初步研究表明一些汽车上应用的球墨铸铁铸件经涂覆

17、含有稀土氧化物的涂层后经激光处理，表面质量有很大的提高，表面磨损量与老方法相比下降了55。 （3）稀土在铸件中应用仍有很大潜力，如机床铸件。机床铸件在国内生产中占有重要地位，铸件的重量约占机床重量的6090，且产量很大，1998年国内机床工具总产量在16万台左右。 昆明机床厂2000年创汇1000万美元，其出口机床的铸件全部由云南集团通海树脂砂铸造厂生产，该厂年产铸4000吨，1992年开始用稀土处理铸铁，生产HT300铸铁床身，质量提高，效果很好，但目前使用的方法吸收率低，波动大，需要改进。 此外工厂准备除机床床身外，凡具有滑动面的铸件也全都用稀土合金处理。由于稀土对铁水具有精炼、消除杂质元

18、素有害影响的作用，因而可以用来改善含微量杂质元素的组织和力学性能。12.1.4 稀土在钢铁焊接材料中的应用 在钢铁焊接材料中应用到稀土，能改善焊接工艺性能和提高焊缝力学性能。在钢铁堆焊和喷焊中加入稀土能显著提高其表面的抗开裂性、耐蚀性、耐磨性和耐高温性能，改善焊接工艺性能。12.1.5 稀土处理工艺 （1）稀土加入方法主要有：钢包压入法；模内吊挂稀土棒法；连铸结晶器喂丝法；中注管喂丝法；钢包喷粉剂法 （2）稀土处理工艺要求有：稀土加入量的确定；镇静时间和冶炼温度；保护渣的选择。12.2.1 稀土在铝及铝合金中的应用 稀土在铝及铝合金的应用集中在铝硅系铸造合金、铝镁硅（锌）系变形铝合金、铝合金导

19、线及或活塞合金等合金系。（1）稀土在铝及铝合金中的主要作用 1）净化作用 铝合金在熔铸过程中，大量的气体溶入铝液（其中主要是氢，其次是氧和氮），使铸件产生针孔，降低铝的强度。稀土加入铝及铝合金中有除气作用，特别是稀土与氢有较大的亲和力，能大量吸附和溶解氢，稀土与氢生成的化合物熔点较高，不会聚集形成气泡，使铝的含氢量和针孔率明显降低。 稀土与氧、氮生成难熔化合物，在熔炼过程中大部分以渣的形式排除。 稀土极易与硫、磷、锑、砷等元素化合，反应生成的稀土化合物熔点高、密度小，易上浮成渣，而它们的微小质点则成为铝结晶过程的异质晶核。所以，稀土在铝合金中有良好的净化作用。2）变质作用 稀土能使铝合金中的杂

20、质重新分布，使粗大化合物球化、晶界净化。当往纯铝加入0.2的稀土后，原晶内分布的粗大块状相消失，形成球状稀土相，晶界处条状及碎块状化合物明显减少，化合物呈点链状，形成塑性良好的均匀组织。稀土使铝及铝合金中的铁、硅等杂质元素向高稀土的球状相偏聚，从而使凝固组织中晶界处杂质元素大大降低，使晶界处高铁、高硅脆性相减少，晶界强度提高，塑性改善。 而晶界处分布的点链状化合物为低铁、低硅、低稀土的组成相，是接近于铝基体的塑性化合物，特别是稀土在铝合金球状相中偏聚量较纯铝中大，在铝合金晶界上分布极微，所以，铝合金的晶界比纯铝的更为细薄且更为纯净。 稀土的变质作用具有长效性和重熔稳定性，比变质钠和锶更具优势。

21、但变质效果手冷却速度影响甚大，每种稀土都具有临界冷却速度，彼此相差甚远，变质能力相差也很大，对变质温度和变质时间有一定的要求，这是稀土与其他变质剂的主要差别。3）细化铸造组织 稀土元素的原子半径比铝原子半径大，它易填补铝合金相的表面缺陷，阻碍晶粒长大，细化晶粒并使枝晶网络更为清晰，从而改善合金的热塑性。稀土化合物微小的固态质点提供了异质形核或在结晶界面上偏聚阻碍晶胞的长大，为组织细化提供了较好的条件。因此，稀土在起净化和变质作用的同时，对铝及铝合金铸态组织还有细化作用。 在一定工艺条件下，存在一获得最佳细化效果的稀土加入量，只有当稀土含量大于某临界值后，稀土才会在细化晶粒的同时细化枝晶组织，但

22、若稀土含量过高，则反而使枝晶组织粗化，并促使大块化合物形成。（2）稀土对铝及铝合金性能的影响 1）在工业纯铝和导电铝合金中适当添加适量的稀土可提其导电率； 2）在铝合金中加入稀土使材料强度提高； 3）稀土对提高铝及铝合金的耐腐蚀性能有利； 4）铝合金中添加一定量的稀土可明显提高合金的高温性能。 5）稀土的加入可显著改善铸造合金的工艺性能和变形合金加工性能。（3）稀土铝合金的具体应用1）在铝导体材料中的应用 举例：在含硅量较高的工业纯铝中加入适量稀土制成的高导电稀土铝合金，其导电率提高到6163IACS，耐蚀性能也明显改善。2）在建筑铝型材中的应用加稀土的6063合金，型材强度提高20以上，延伸

23、率提高50，成材率提高23，热扩散速度增加约7%，耐蚀速率降低一倍以上，表面粗糙度提高1316，氧化膜厚度增加58，着色性能提高3左右，并且还可取消均匀化处理工序，从而节省大量电能。3）在铸造铝合金中的应用 稀土在铸造铝合金中具有细化和变质作用，并能显著提高材料的高温性能、铸造性能、耐蚀性能和气密性等，能不同程度地改善力学性能。4）在高纯铝中的应用 含稀土的高纯铝特种铝箔，是目前生产低电解电容器比较理想的新材料，使制成的电容器体积明显减小。5）在其它铝合金中的应用 加入微量稀土使铝制品的深冲性能、耐蚀性和机械性能都得到不同程度的改善，使铝制品的成品率提高。12.2.2 稀土在镁及镁合金上的应用

24、 我国在20世纪50年代就对稀土在镁合金中的应用展开研究，几十年来开发了不少有应用价值的含稀土镁合金，广泛应用于航空航天工业。镁合金中使用的稀土主要是钕、钇、铈组混合稀土，或钕和铈同时使用。目前，以采用轻稀土和铈族稀土为主，而后出现含钇或钇和钕的镁合金，80年代中期开始以富钇混合稀土替代钇作添加剂，收到满意效果。（1）稀土在镁合金中的作用 稀土在镁合金中具有去氧除氢、提高铸造性能和抗腐蚀性能、提高合金强度特别是高温强度和蠕变性能的作用。稀土在镁合金中溶解度大，故有明显的热处理强化作用，在铸造和变形镁合金中加入钕、钇等稀土能明显提高合金的强度和工艺性能，其极限工作温度提高，铸造性能和耐蚀性也大大

25、提高。具体作用表现在： 1）在镁合金中，氧化夹杂主要为氧化镁，由于稀土与氧的亲和力大于镁与氧的亲和力，因此，稀土加入镁合金后将生成稀土氧化物，从而去除氧化夹杂，此外，镁合金液中的稀土元素与水汽和氢反应，生成稀土氢化物和氧化物，从而达到除氢的目的。 2）稀土能够提高镁合金的流动性，从而提高镁合金的铸造性能，降低合金的微孔率，改善热裂和疏松现象。 3）稀土对镁合金具有强化作用，尽管稀土对铸态镁合金的室温拉伸性能影响很小，却能明显提高镁合金的高温拉伸性能和蠕变强度。 含稀土的镁合金都有各自独特的性能，有的室温强度和高温强度明显改善，有的耐蚀性提高，有的综合性能明显改善。稀土在铸造镁合金中也得到成功应

26、用，可获得室温强度和高温强度都很好的材料，并且合金的铸造性能、焊接性能和耐蚀性能都有明显改善。 （2）稀土镁合金的应用 由于稀土镁合金中具有很多种有益作用，目前已开发多种系列的稀土镁合金，作为高温和耐热合金使用12.2.3 稀土在铜及铜合金中的应用 我国对稀土在铜及铜合金中的应用研究起步于20世纪60年代，当时的研究较多地集中在改善铜合金的冷热加工性能、耐蚀性能和耐磨性能方面，取得了一些有实用价值的结果。20世纪90年代以来，稀土铜及铜合金的应用范围和发展速度都有较大提高，成效显著。近年来，还较深入地开展了对导电铜的研究，以期能用较经济的手段进一步改善导电铜的电性能和机械性能。稀土在铜及铜合金

27、中的作用主要有： （1）与O、S、Pb、Bi等形成稳定的高熔点化合物进入渣中，起到净化的作用； （2）与氢形成稳定的化合物，以固溶体态溶液铜中，虽不能降低氢的含量，起到固氢的作用； （3）改变某些杂质的存在形态和分布状况和改善金相组织； （4）有明显的晶粒细化作用，使加工、机械、焊接、耐磨、耐蚀等性能提高。 稀土在铜及铜合金中的具体应用有： （1）在水暖器材铜合金的应用 稀土能明显改善水暖器材铜合金铸件的铸坯组织，并且有极强的除渣能力，从而能较好地解决水暖器材中常见的泄漏现象。（2）在高炉风口及氧枪喷头中的应用 在生产高炉风口、氧枪喷头的过程中加入适量的稀土后，风口和氧枪喷头的导电、导热性能好

28、，软化温度高达280以上，耐压性能好，不泄漏，从而较好地改善和提高了风口和氧枪喷头的使用寿命。（3）在工艺装饰铜合金铸件中的应用 在工艺铜铸件中加工适量稀土后，由于稀土元素的原子半径比铜的原子半径大得多，所以稀土原子很容易填补正在生长中的铜及铜合金晶粒的表面缺陷，生成能阻碍晶粒继续生长的膜，从而使晶粒细化为微晶，这便是稀土添加剂在铜及铜合金中的微晶化作用。（4）在耐磨铜合金中的应用 稀土在铅青铜中不仅能消除合金的偏析，而且能提高铸件的机械性能，其强度极限可提高30，延伸率提高近1倍。（5）在铜导线用紫铜排中应用 在铜中加入适量稀土后，由于固溶体晶粒细化，同时因稀土原子与晶界之间的相互作用增强，可使再结晶温度提高100以上，从而提高铜的热强性，并确保导电用铜材的电导率。（6）在紫铜排中的应用 稀土纯化铜的能力很强，因此在紫铜管中加入适量稀土后便可增加紫铜管的冷拔次数，从而省去中间退火工序，同时改善冷拔紫铜管的表面质量，提高成品率。 （7）在上引铸造无氧铜杆中的应用 稀土添加剂因其良好的脱氧、脱硫和净化铜液的能力而被广泛用于上引法铸造中。12.2.4 稀土在锌及锌合金中的应用 稀土对锌及锌合金性能的影响是基于其变性作用、钝化作用、细化作用以及与一系列低熔点杂质形成难熔化合物等特性。稀土可使金属液得到净化，提高合金韧性，稀土的加入还可细化合金烛照组织，细化晶粒，并使第