内蒙古科技大学王彦宇.docx

内蒙古科技大学本科生课程论文题 目：稀土钢轨的应用学生姓名：王彦宇学 号：1376806324专 业：材料成型及控制工程班 级：成型三班指导教师： 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。 关键词：稀土；钢轨；微观组织；性能 AbstractThis paper briefly analyses the application of rare earth in iron and steel metallurgy. With the rare earth high technology materials to strengthen and enhance the traditional steel industry, in low alloy steel, alloy steel to add trace rare earth, enhance the international competitiveness of steel. It is of great significance to transform the resource advantage of rare earth into the variety and economic advantages of steel Key words: rare earth; rail; microstructure; property 1稀土的分类1）轻稀土（又称铈组）：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆.2）重稀土（又称钇组）：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇.铈组与钇组之别,是因为矿物经分离得到的稀土混合物中,常以铈或钇比例多的而得名.稀土金属(rare earth metals)又称稀土元素,是元素周期表B族中钪、钇、镧系17种元素的总称,常用R或RE表示.它们的名称和化学符号是钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu).它们的原子序数是21(Sc)、39(Y)、57(La)到71(Lu).2稀土在钢中的作用机理 2.1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。稀土在钢中的含量与微合金化的直接关系，还有待研究。 2.2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。2.3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RES为2.7-3.0时，硫化物形 态控制效果达到最佳状态。2.4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。 2.5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。 2.6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。3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。 4钢轨 钢轨的用材基本上是珠光体钢，该钢轨虽然可通过合金化或热处理技术工艺提高强度，但已接近极限，无法从根本上解决在提高强度的同时保持较好韧性的问题，更无法满足铁路高速、重载对钢轨及道岔轨越来越高的技术要求。贝氏体钢是清华大学方鸿生教授的发明专利，2005年经包头市科技局协调，促成包钢与清华大学的合作，列为包头市重点产学研合作项目。贝氏体钢轨解决了强度、韧性、塑性、加工性能都同时满足要求的技术难题。经沈阳局、石太线、京包线、大秦铁路线近两年的运行试验证明，贝氏体道岔轨比目前使用的道岔轨强度可提高2倍以上，韧性可提高4倍以上，寿命可提高3倍以上。在去年10月铁道部组织的“铁路重轨道岔轨结构及材料优化研究”招标项目会上，包钢以绝对优势一举中标。下一步推广到曲线轨、组合道岔轨及其它品种上，经济社会效益将更加显著。5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： 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。稀土可明显减小钢轨钢接触疲劳贯穿角和贯穿深度。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。稀土具有净化钢液，变性夹杂和微合金化作用。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。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。 因此利用稀土来提高弹簧钢的性能，引起了人们的关注。6稀土钢轨的性能对比对钢轨进行稀土处理，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%。5.稀土处理钢轨也有缺点（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。6.我国稀土钢的现状19902003年我国稀土钢的产量和钢产量变化态势见表2。表2 19902003年我国稀土钢的产量（万吨）年份19901991199219931994199519961997199819992000200120022003产量3438.543.159.854.552.054.759.544.580.077.974.783.190.0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。 7.我国发展稀土钢的意义和前景 7.1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。7.2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，预计十五末期，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，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，十五末期，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。预计十五末期全国稀土船板钢可达20万吨。 8.总结 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%。 参考文献 1徐光宪稀土在钢中的应用.冶金工业出版社 。1995-12-01：168268 2李代钟，邢中枢稀土元素在钢