行業(yè)共性技術(shù)協(xié)同研發(fā)項目——鋼筋混凝土用熱軋稀土鋼筋取得突破性進展

鋼筋是建筑工程的基礎(chǔ)材料，多年來是單一品種產(chǎn)量最大的鋼材產(chǎn)品，年產(chǎn)量多年超過2億噸。鋼筋的質(zhì)量水平直接決定了鋼筋混凝土建筑的質(zhì)量和壽命，鋼筋銹蝕堪稱“混凝土結(jié)構(gòu)耐久性危機”，已成為土木工程的一大危害。2023年初，中廣核向中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會提出，希望鋼鐵行業(yè)幫助解決大亞灣核電站等基礎(chǔ)設(shè)施鋼筋混凝土氯離子腐蝕嚴重影響工程壽命和設(shè)施安全的課題。鋼協(xié)科技創(chuàng)新工作委員會將此課題納入行業(yè)共性技術(shù)研發(fā)，經(jīng)過近2年全行業(yè)的協(xié)同研發(fā)，取得了突破。本文就該課題相關(guān)進展進行系統(tǒng)總結(jié)。

一、課題的背景

目前我國大量使用的HRB400（E）鋼筋主要利用Nb、V、Ti微合金化提高強塑性，具有良好的綜合性能。然而，在近海、化學工業(yè)及酸雨地區(qū)等，鋼筋混凝土腐蝕較快，需要采取附加防腐措施，如混凝土外加劑、鋼筋阻銹劑等，大大增加了施工和維護成本。因此，亟需解決鋼材腐蝕的“內(nèi)因”問題，從根本上提高混凝土耐久性。

長久以來，表面涂覆和合金化是提高鋼材耐蝕性的兩種主要方法。涂/鍍層鋼筋技術(shù)包括在鋼筋表面涂覆環(huán)氧樹脂和熱浸鍍鋅。眾所周知，鋼材表面涂覆會使用大量的有害材料，如鹽酸、硫酸等，在涂覆過程中產(chǎn)生的廢氣、廢水對人體及周遭環(huán)境會造成嚴重污染；鋼材涂覆的成本也比較高，相比裸鋼成本要增加1000元/噸以上，且涂覆層在經(jīng)過磕碰后極易發(fā)生剝落。合金化耐蝕鋼筋主要利用Cr、Ni等元素提高鋼材耐腐蝕性能，包括“Corten”“Mariner”鋼筋、MMFX高Cr耐蝕鋼筋、304/316奧氏體不銹鋼筋、2201/2205雙相不銹鋼筋等。然而，合金的添加使鋼筋成本大幅增加，超過涂覆鋼生產(chǎn)成本，高價格阻礙了規(guī)?；茝V應(yīng)用。

經(jīng)多年研究發(fā)現(xiàn)，在鋼筋中添加高豐度輕稀土可以提高鋼筋耐蝕、純凈度、耐候等性能。我國是稀土資源大國，習近平總書記多次對稀土資源利用做出指示，要求發(fā)揮好稀土戰(zhàn)略資源優(yōu)勢，加強戰(zhàn)略資源高質(zhì)化利用。《國務(wù)院關(guān)于促進稀土行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的若干意見》（國發(fā)［201112號）明確指出：要加快稀土關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。工信部發(fā)布的《稀土行業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》指出：以《中國制造2025》國家戰(zhàn)略發(fā)展實施為契機，重點圍繞與稀土產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高的《中國制造2025》十大重點領(lǐng)域，大力發(fā)展稀土高端應(yīng)用，加快稀土行業(yè)轉(zhuǎn)型升級。但近年來我國稀土利用主要集中在功能材料特別是釹鐵硼磁體生產(chǎn)，共生的大量高豐度輕稀土，主要以鑭（La）、鈰（Ce）、釔（）為主未得到充分利用，特別是北方輕稀土利用率僅為10%，甚至形成了堆積。在輕稀土資源充足的前提下，研發(fā)應(yīng)用稀土螺紋鋼為提升鋼材性能，提高輕稀土資源利用率提供了新的技術(shù)路徑。

為加快鋼鐵行業(yè)原始創(chuàng)新，組織產(chǎn)業(yè)鏈上下游形成合力，持續(xù)提升創(chuàng)新效能，中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會持續(xù)跟蹤產(chǎn)業(yè)鏈上下游創(chuàng)新發(fā)展需求，針對行業(yè)關(guān)注的熱點問題，建立工作機制，推動行業(yè)開展共性技術(shù)協(xié)同研發(fā)。其中稀土耐蝕螺紋鋼是共性技術(shù)協(xié)同研發(fā)項目之一，鋼協(xié)科創(chuàng)委成立了“耐腐蝕螺紋鋼共性技術(shù)創(chuàng)新平臺”（以下簡稱創(chuàng)新平臺），組織產(chǎn)業(yè)鏈上下游開展稀土耐蝕螺紋鋼協(xié)同研發(fā)。

通過兩年的協(xié)同研發(fā)，稀土耐蝕鋼筋經(jīng)鋼研納克、中冶檢測、中科院等權(quán)威檢測機構(gòu)檢測，結(jié)果顯示產(chǎn)品耐腐蝕性能優(yōu)異。

二、稀土對鋼筋性能的影響

1．稀土元素提高鋼材的耐腐蝕性能30%以上

添加適量的稀土元素可以凈化鋼基體，提高其自腐蝕電位，降低電化學腐蝕電流密度，促進Si、Cu、Ｐ在內(nèi)銹層的富集，促進致密保護銹層的生成，從而有效提高這些鋼的耐化學和應(yīng)力腐蝕性能。普通碳鋼銹層呈紅褐色，銹層疏松，表層容易脫落，銹層主要是由α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe及少量的β-FeOOH構(gòu)成。而稀土鋼銹層顏色明顯較深，銹顆粒細小，銹層的結(jié)合能力與致密性優(yōu)于碳鋼。此外，普通碳鋼銹層較厚且連續(xù)性較差，銹層中存在大量孔洞和貫通性裂紋，這些裂紋在腐蝕過程中由于毛細效應(yīng)容易吸收腐蝕液直達鋼基體，這使銹層長時間處于“濕潤”狀態(tài)，加劇鋼基體溶解，因而削弱了銹層保護能力。而稀土鋼銹層中雖然在局部存在缺陷，但貫穿性裂紋較少，且銹層連續(xù)致密，保護作用優(yōu)于對普通碳鋼。在海洋大氣環(huán)境下，稀土鋼形成的銹層缺陷較少，稀土能促進腐蝕產(chǎn)物中的活性組元向穩(wěn)定的α-FeOOH轉(zhuǎn)化，并能細化銹顆粒，提高鐵銹中非晶相比例，從而增強銹層的保護性。數(shù)據(jù)顯示稀土鋼可以提高耐蝕性30%以上。

2．稀土元素提高綜合力學性能

加入稀土元素后能夠通過界面偏聚、變性非金屬夾雜物、改善凝固組織、細化熱軋態(tài)組織等作用，從而改善組織的均勻性，提升鋼的強度和韌性，有效改變鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，提升鋼在實際服役條件下的穩(wěn)定性。

3．稀土元素改善鋼材組織結(jié)構(gòu)

在鋼中添加稀土元素可以改性鋼中的夾雜物。研究表明，未添加稀土元素的船板鋼中存在著一些長條狀和尖角狀的夾雜物，這些夾雜物由于與基體的熱膨脹系數(shù)差別很大，存在復雜的應(yīng)力場，因此當承受沖擊載荷時容易引起應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生微裂紋，影響鋼的總體力學性能。而添加稀土元素之后，尖角狀的夾雜物消失，取而代之的是球狀小顆粒的夾雜物。在鋼中添加稀土元素，有一個明顯的特點，就是可以同時起到改善硫化物夾雜形態(tài)或消除硫化物夾雜、消除網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)共晶碳化物并使其均勻分布在組織中、改善包括Cr、Ｖ和Mo在內(nèi)的合金元素偏析現(xiàn)象、細化晶粒尺寸等多種作用，可全面提升鋼的力學性能。

4．稀土元素改善鋼材焊接性能

在焊接熱影響區(qū)中，過熱粗晶區(qū)是鋼材性能最薄弱、沖擊功最低的部分，制約了焊接后鋼的整體力學性能，從而影響了船舶的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)時間。鋼中的稀土元素會在晶界處與位錯處偏聚，對晶界產(chǎn)生拖曳與釘扎作用，產(chǎn)生晶界強化與位錯強化。在焊接過程中，釘扎作用會使熱影響區(qū)的粗晶熱影響區(qū)的晶粒長大傾向減弱，從而獲得較好的綜合力學性能。對粗晶熱影響區(qū)晶粒尺寸的相對穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用，有利于提高鋼材的焊接性能。

三、稀土鋼筋研發(fā)歷程及主要創(chuàng)新性成果

鋼筋銹蝕引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的過早破壞已經(jīng)成為世界各國普遍關(guān)注的一大災(zāi)害，尤其是高溫潮濕、污染嚴重的海洋環(huán)境，極容易導致混凝土內(nèi)部鋼筋腐蝕。實驗表明，兼有Cl-沉積和SO污染的海洋大氣容易導致金屬發(fā)生嚴重腐蝕破壞。稀土是我國的優(yōu)勢資源，實地大氣暴曬（見圖1）、實驗室加速腐蝕以及電化學等大量研究從變性夾雜和改變銹層結(jié)構(gòu)的角度證明了稀土可以有效提高碳鋼及低合金鋼的耐工業(yè)大氣腐蝕性和耐海洋腐蝕性能，且隨稀土含量的增加，稀土鋼的耐蝕性增強。在普通鋼筋中加入適量的稀土元素，增加的成本不超過100元/噸，但對鋼筋產(chǎn)品性能改善和質(zhì)量的提高具有重要作用，使耐蝕性能達到鋼筋混凝土用耐腐蝕鋼筋性能標準要求。

圖1 稀土耐蝕鋼筋混凝土試樣的大氣暴露實驗

上海大學與盛隆冶金、聯(lián)鑫鋼鐵等鋼鐵企業(yè)的聯(lián)合團隊自2019年起，圍繞稀土賦存狀態(tài)、稀土收得率、稀土加入方法、稀土耐蝕機理等關(guān)鍵科學問題進行研究，發(fā)現(xiàn)了稀土合金在普碳鋼中的作用機理。2020年8月，由中國稀土學會組織的對于項目團隊《基于稀土合金化提高鋼材耐腐蝕性能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化》的科技成果評價會在蘇州召開，經(jīng)過專家討論和質(zhì)詢，認為稀土耐蝕鋼理論和技術(shù)總體達到國際領(lǐng)先水平。在此基礎(chǔ)上，耐腐蝕螺紋鋼共性技術(shù)創(chuàng)新平臺各成員單位協(xié)同開展了稀土鋼筋的開發(fā)，進一步深入研究鋼筋稀土合金化技術(shù)，形成了中國特色的新型稀土耐蝕螺紋鋼產(chǎn)品及生產(chǎn)技術(shù)。2024年11月，中鋼協(xié)組織召開成果評價會，由毛新平院士等專家成專家組，對《鋼筋混凝土用熱軋稀土鋼筋開發(fā)》項目進行了評價，認為項目達到國際先進水平。

通過不懈的努力，團隊在稀土鋼筋的研發(fā)與生產(chǎn)中取得了多方面的創(chuàng)新性成果。

1.利用稀土元素實現(xiàn)夾雜物變性

首次將我國豐富的鑭鈰稀土資源應(yīng)用于普通鋼筋生產(chǎn)中，實現(xiàn)鑭鈰稀土元素變性鋼中夾雜物的類型、尺寸和分布，將鋼中腐蝕速率大的夾雜（MnS）變性為腐蝕速率小的稀土復合夾雜物，降低鋼基體內(nèi)部微區(qū)域電化學腐蝕；利用稀土界面偏聚及促進α-FeOOH穩(wěn)定腐蝕產(chǎn)物的生成，起到了減緩點蝕、表面局部腐蝕和致密穩(wěn)定銹層的三個作用，使鋼筋具有良好的耐腐蝕性能。

2.利用稀土絲的包裹保護技術(shù)

利用稀土絲的包裹保護技術(shù)，避免了較低熔點的活性鑭鈰元素進入渣層，采用在連鑄結(jié)晶器中喂絲工藝，將鑭鈰稀土合金加入鋼中，有效避免連鑄水口的積絮結(jié)瘤，實現(xiàn)連鑄順行生產(chǎn)，稀土收得率達到70%-85%。

3.穩(wěn)定控制稀土元素含量和分布

通過控制連鑄和喂絲工藝，鑭鈰稀土穩(wěn)定控制含量為140-200ppm，鑭鈰稀土分布控制范圍縮小到±30ppm，提高了稀土元素分布均勻性。鋼研納克、中冶檢測、中科院金屬所等多家機構(gòu)開展的腐蝕周浸加速試驗結(jié)果均表明，根據(jù)失重法檢測對比，含稀土熱軋鋼筋較普通熱軋鋼筋耐腐蝕能力提高30%-50%。

項目授權(quán)發(fā)明專利2件，制定國標和團標各1項，發(fā)表論文8篇，形成了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的稀土耐蝕鋼筋產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)整體技術(shù)。

四、應(yīng)用情況與效果

從產(chǎn)業(yè)化方面看，項目團隊運用鑭、鈰稀土多形合金化技術(shù)開發(fā)的HRB400ERE稀土鋼筋于2020年6月首次在鹽城聯(lián)鑫鋼廠連續(xù)生產(chǎn)22000噸，同期在廣西盛隆冶金、江蘇永鋼開發(fā)了HRB500ERE稀土鋼筋，隨后分別在陜鋼漢鋼公司、中天鋼鐵、江西臺鑫鋼鐵、萬泰特鋼等企業(yè)批量化生產(chǎn)，目前累計生產(chǎn)近5萬噸，并已部分向中廣核供貨。從標準引領(lǐng)方面看，稀土耐蝕普碳鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)成熟，首個稀土耐蝕普碳鋼的團體標準《稀土耐候結(jié)構(gòu)鋼》（T/CSM 2020-12）在2020年6月正式發(fā)布實施。項目團隊負責組織起草的團體標準和國家標準《鋼筋混凝土用熱軋稀土鋼筋》（T/CSM 2020-12、GB/T 43665-2024）分別于2022年6月和2024年10月1日正式發(fā)布實施。

從經(jīng)濟和社會效益看，稀土耐蝕普碳鋼可免除涂裝，減少維護，降低成本，保護環(huán)境；噸鋼稀土合金化成本不超過100元，為合理使用我國稀土資源提供了一個有效途徑。

稀土耐蝕普碳鋼是具有我國資源特色的綠色可持續(xù)發(fā)展的一類新型鋼鐵材料，目前已成功應(yīng)用于多項工程建設(shè)，取得了良好的效果。

工程應(yīng)用案例1：稀土耐蝕螺紋鋼HRB400ERE應(yīng)用于河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司精品制粉廠建設(shè)項目，稀土耐蝕螺紋鋼加工成箍筋與板筋進行框架結(jié)構(gòu)建設(shè)。

工程應(yīng)用案例2：稀土耐蝕鋼筋應(yīng)用于上善院基建工程，包括一號廠房的“大師工作室”地基建設(shè)、三號廠房工作室地基建設(shè)、門崗地基建設(shè)、員工食堂、職工活動中心等，建筑面積約5000m

工程應(yīng)用案例3：稀土耐蝕鋼筋應(yīng)用于鹽城市豐港物流碼頭項目工程（見圖2）。該工程擬建設(shè)4個1000噸級散貨泊位和3個1000噸級件雜貨泊位，水工結(jié)構(gòu)按靠泊1000噸級船舶設(shè)計，碼頭工程有7座，總長約800m。

稀土耐蝕鋼筋應(yīng)用于鹽城市豐港物流碼頭工程

五、總結(jié)與展望

稀土耐蝕鋼筋是具有中國特色的創(chuàng)新性鋼材產(chǎn)品，利用中國特有的鑭、鈰稀土資源，賦予量大面廣的鋼筋以耐大氣腐蝕性能，有效促進中國鋼鐵工業(yè)與稀土工業(yè)的共同高質(zhì)量發(fā)展。

稀土耐蝕鋼筋的研發(fā)和推廣應(yīng)用對于鋼鐵產(chǎn)業(yè)綠色化、可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義，將積極推動鋼鐵材料和建筑行業(yè)向低成本、綠色化生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)型躍升。

供稿 | 科技環(huán)保部

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