突破钢中稀土应用技术瓶颈，引领钢铁行业转型升级

突破钢中稀土应用技术瓶颈，引领钢铁行业转型升级

中国科学院金属研究所

稀土是我国特有的优势资源，俗称工业维生素。内蒙古白云鄂博矿区稀土储量约占全国的83%，以镧、铈轻稀土为主。稀土是包头钢铁公司铁矿开采的伴生产品，随着包钢每年1000多万吨铁矿石的开采，稀土氧化物副产品高达120万吨，其中镧、铈氧化物约占75万吨。目前镧、铈纯稀土的年分离能力已超过30万吨，但其利用率不足20%，造成资源浪费，急需找到应用出口，解决稀土积压难题，实现稀土资源平衡利用。

我国钢铁产能12亿吨以上，去年钢铁实际产量8亿多吨，其中轴承钢、工、模具钢、重大装备用钢等特殊钢产量约为8000万吨，经过精炼处理的优钢产量超过2亿吨。钢铁行业目前现状是，普钢严重过剩，核电、高铁、轴承、特厚板等优特钢依然大量进口。当前普钢急需压减产量，而优特钢亟待提升产品质量及达到性能的稳定，尽早实现国产化。

研究表明，钢中应用稀土后，可以起到细化夹杂、深度净化钢液和强烈微合金化作用，显著提高钢的韧、塑性和疲劳寿命，使钢更加强韧、耐热、耐磨、耐蚀。镧、铈轻稀土的开采和制备成本很低，电解分离后每吨价格不超过10万元，低于镍、钼、铌等贵金属，物美价廉。稀土的加入量大约为吨钢0.2～0.4公斤，真正起到了四两拨千斤的作用！采用镧、铈轻稀土提升钢铁质量，是一条引领钢铁行业转型升级的有效途径。

国际上，发达国家由于没有稀土资源优势，仅在特殊钢中应用稀土，欧盟两年前启动了替代稀土的冶金工程项目，抓紧研究如何在冶金过程减少对稀土的依赖。美国在钢铁产量达到1亿吨时，其中800万吨钢为稀土钢。我国是世界第一产钢大国，而稀土又是我国的优势资源，却没有在国产钢中大批量应用，实在是一大憾事！高峰时，中国稀土钢的年产量仅约100万吨。

钢铁行业达成的共识是稀土作用明显但是没有用好。稀土在钢中工业化应用时，有两大瓶颈问题一直没有解决：一是稀土加入钢水中堵塞浇注系统，连铸过程被迫中断，严重影响工艺顺行；二是稀土加入后，容易形成大尺寸、高密度的稀土夹杂物，导致钢的性能时好时坏，不稳定。上述问题一直悬而未决，严重制约了稀土在钢中的应用。目前除极个别钢种外，中国钢铁行业稀土应用基本处于停滞状态。

2007年以来，中国科学院金属研究所经过多年持续攻关，深入生产企业进行实地考察，通过大量实验室研究和工程化试验，揭示了纯净度尤其是氧含量对亚微米稀土钢性能提升的决定性作用。研究发现，稀土金属中即使含有几百ppm的少量的氧，也足以使稀土在钢中的作用由正变负。中科院金属所研发了高纯稀土金属制备关键技术与钢水纯净度控制工艺，通过控制稀土原料中的氧含量、稀土加入前钢水中的氧含量和杂质元素，突破了生产工艺不能顺行和性能不稳定两大难题，成功细化夹杂物到亚微米尺度，开发了亚微米稀土钢的制备技术。先后在10余家企业的30多种优特钢上进行批量试验，工艺稳定，应用效果良好，夹杂物尺寸显著细化，在保持原强度的基础上，韧、塑性提高20%以上，低温冲击功提高一倍以上。与包头钢铁集团开展深度合作，在重轨钢、风电用钢、汽车钢等品种中进行了多轮次工业化批量试验，取得突破性效果。夹杂物总量减少50%，尺寸大幅细化，风电用钢韧塑性提高40%以上，重轨钢疲劳寿命提高30%，稀土轴承钢疲劳寿命较SKF3级水平提高一个数量级。2017年3月23日实现了稀土合金钢的1129t吨连铸，突破了稀土在钢中进行大规模工业化应用的瓶颈。

就不锈钢中应用稀土而言，中科院金属所前期与某企业合作，在400系不锈钢中进行稀土共性关键技术应用。钢水中，尺寸>10μm夹杂物由9个/cm²降低到3.5个/cm²；成品板材中，尺寸>5μm的夹杂物数量减少约50%，夹杂物平均尺寸由5.2μm降低到3.9μm，延伸率由20%提高到25%。稀土在不锈钢中的应用具有普适性，可以提升不锈钢纯净度，提高耐蚀性与深冲性。

与日本、德国、瑞典相比，我国的钢铁装备已达到国际一流水平，但是在力学性能稳定性、一致性和夹杂物控制水平方面尚有差距，而稀土应用将弥补上述短板，从而使我国的钢铁制备技术有望达到国际领先水平，钢铁质量实现超越，创建高品质稀土钢品牌，替代特殊钢进口，并实现出口。