日前,包钢稀土(铌、钛)钢推进工作委员会(huì)成立。包钢稀土(铌、钛)钢推进工作委员的成立将有(yǒu)力地推进已有稀(xī)土在(zài)钢中应用(yòng)研究(jiū)和(hé)实践成(chéng)果的产业化,打造中国特色钢材品牌,提升包钢公司钢铁产品的影(yǐng)响力(lì)和竞争力。据介绍,包(bāo)钢稀土(铌、钛)钢推进工作委员会同(tóng)时还设立了推进工作办公室和6个推(tuī)进工作小组,分别负责稀土合金制备、稀土在(zài)钢(gāng)中作用机理、稀土加入工艺研究、稀土钢产品(pǐn)开(kāi)发、稀土钢标准(zhǔn)制定和稀土钢品牌建设等工作。
我们不缺(quē)钢缺“精品钢”
相关统计数据显示,2016年6月中国钢材产量为10071.5万吨,同比增长3.2%。2016年1~6月中国钢材产量55992.1万吨,同比增长1.1%。2015年全年中国钢材产量为112350万吨。单就数(shù)据而言,中国绝对是世界上当之无愧的(de)钢产量大国(guó),总产量占世界的一半以上。但是,值(zhí)得注意的是,我国钢产品品质不(bú)高,优质(zhì)钢很少。
相关研究资料显示,在钢的冶炼过程中,添加稀(xī)土元(yuán)素可(kě)以显着(zhe)提高钢的品质,因此,加大稀土钢的(de)研发生产势(shì)在必行。同时,由于稀土元素的不可分(fèn)采性,造成稀土元素产(chǎn)量较大但应用量相对较少,而且,近年来,受稀土氧化物价格因素影响,La、Ce及Y、Tm、Yb等稀土产品积压。要解决这一问(wèn)题,应着重从稀土钢领域加快开发应用,将这些稀土,特别(bié)是以钇(yǐ)(Y)为代表的中、重(chóng)稀土用于生产稀土钢,既可(kě)提高国产(chǎn)钢的品质,开发具有中国特色的钢材品种(zhǒng),又可消化积(jī)压的稀土产品。由(yóu)此可见,加快稀土钢的开发应(yīng)用具有积极的经济意义。
就中国钢铁工业而言,中(zhōng)国钢铁工业发展主要(yào)靠(kào)内需。目前来看,全球范围内的钢铁工业产能(néng)过剩是多种产(chǎn)能、供给过剩背景下产生的。目前全球钢铁需求进入相对稳定甚至缓慢下降阶(jiē)段,因此中国钢铁工业靠外需来消化过剩产能是非常困难的(de)。所以,中国钢铁工业的出路(lù)在于提高和改善钢铁产品(pǐn)质量,扩大钢铁下游产品(pǐn)的使用,并且能够扩大出口,这才是(shì)保(bǎo)持高产能的出路所在。但国际市场的容量就是(shì)那么大,而且有强劲的竞争对手(shǒu),扩大市场并不容(róng)易。在这样(yàng)的(de)背景下,研发冶炼稀土钢势在必行。
相关数据显示,1986~2015年的30年,全球生铁和粗钢产量分别增加(jiā)6.237亿吨、8.50亿吨,其中中国分别(bié)增加6.84亿(yì)吨、7.445亿吨,中国的贡献分别为109.67%、87.60%,剔除中国的产量,全球生铁产量不仅没(méi)有增加,还下降了3830万吨,粗钢产量增加了9150万吨,年均增加微弱。
由此可见,过去30年全球生铁产(chǎn)量主要是中国生产和供给,其他(tā)国家产量在减少,而(ér)生铁的需求主要在中国(guó),中国生铁出口很少。这意味着过去30年世界其他国家(jiā)对生(shēng)铁需求总量没有增加(jiā)而是在减少。事实上从2000~2014年的(de)15年,全球铁矿石增量的99%是中国消费的。由此可见,如果(guǒ)中国铁矿石进口需(xū)求不增加,世界铁矿石需求就不会增加(jiā)。
世界粗钢产量在过去的30年平均每年增加30万吨左右(yòu),如果用(yòng)35年(nián)的数据(1981~2015),全球粗钢产量增加7380万吨(dūn),年均增(zēng)加只有21万吨左右。从2007年世界粗钢产量(不包括(kuò)中国)达到历史最高水平8.51亿吨之后,就再也没有超过(guò)这一纪录。这说明,除中国之外,全球粗钢需求量(liàng)进入相对稳定甚至缓慢下降阶段,世界每年粗钢需求大体在8.1亿(yì)吨~8.3亿吨之间(jiān),目前是高水平阶段,今后的趋势是下降而不是上升。
但是,值得注意的是,中国的钢(gāng)产量主要(yào)是以粗钢(gāng)为主,高品质钢材比较少。所谓高品质钢是指具有更高性能、更长寿(shòu)命、环境友好的高技术含量、高(gāo)附加值(zhí)的特殊(shū)钢品种。特种钢的生(shēng)产是体现一个国家整体工业发展水平的重要标志。其代表了特殊钢材料的发展方(fāng)向对(duì)保障国家重大工程建设、提升装(zhuāng)备制造水平、促进节能减(jiǎn)排和相关应用领域技术升级具(jù)有重要意(yì)义。
国内特钢(gāng)消费市场中潜力较大的领域是工程(chéng)机械、石油化工、电站(核电、火(huǒ)电(diàn))、运输机械(含高速列车、汽车等)、航空及军工等行业。从目前来看。工信部(bù)《新材料产业“十二五”发展规(guī)划》中提到建立高品质钢的基地。山西太原、湖北武汉、河南舞阳、天津等地建设若干专业(yè)化高品(pǐn)质特殊钢生产基地。重点建设华东高品质特殊钢综合生产基地。依托鞍山、大连等老工业基地。国家政策对高品质钢的扶(fú)持态度可见一斑。
而稀土元素在钢冶(yě)炼(liàn)中的应用可以(yǐ)很好地解决(jué)钢材品质难题,钢中(zhōng)有了稀土后,其性能得以(yǐ)提高,表现在深(shēn)冲性能、抗腐蚀性、耐磨性、拉拔性等。稀土与钢液(yè)中的(de)氧、硫(liú)等杂(zá)质(zhì)的化学亲和力大,在炼钢温(wēn)度(约1873K)下稀土能同(tóng)钢液中的氧、硫(liú)等杂(zá)质反应生成稀(xī)土氧(yǎng)化物、硫化物或氧(yǎng)硫化物。这些(xiē)反应的脱氧平衡常数或脱硫平衡(héng)常数低于或接近于常用的脱氧剂和脱(tuō)硫剂(jì)。因(yīn)此稀土钢(gāng)添加剂(jì)可作(zuò)为钢液的强脱氧剂和脱硫剂而起净化作用。常用的稀土钢添加剂主要为混(hún)合(hé)稀土金属或高品位(RE>27%)稀土硅铁合(hé)金,有时也使(shǐ)用混合还原剂的(de)稀土氧化物。稀土与钢(gāng)液中的氧、硫反应生(shēng)成的氧化物、硫化(huà)物或氧(yǎng)硫化物(wù)可部(bù)分残留在钢液中,成为钢中的夹(jiá)杂物。由于(yú)这些(xiē)夹杂物的熔点高,可作为钢液凝固时的非(fēi)匀质(zhì)成核中心,起细化钢的凝固(gù)组(zǔ)织作用(yòng);又由于这(zhè)些夹杂物在轧(zhá)钢温度下不易变(biàn)形(xíng),仍保持细小的(de)球(qiú)形或纺锤(chuí)形,使钢中的夹杂物形态得到控制,从而避(bì)免或克服钢材在(zài)热(rè)压力加工时由于(yú)其他种类(lèi)夹杂物(如MnS)延伸变(biàn)形所导致的钢材性能的各向异性,而使钢(gāng)材的纵向、横向与厚度(dù)方向的性能趋(qū)于一致。稀土处理钢材的这种(zhǒng)变质作用(yòng)是目前稀土钢添加剂最(zuì)主要的应用内容。钢中可能固溶微量稀土,特别是(shì)高碳钢和合(hé)金含量较高的某些合金钢固溶稀土量较高(万(wàn)分之几),可能产生某些合(hé)金化作用。这种合金化作用(yòng)表现为稀(xī)土影响钢的相变(biàn)过程,改变相变产(chǎn)物的组成与结构,从(cóng)而使钢的(de)疲劳性能和耐(nài)腐蚀性能变好,以及提高钢的显微硬度。目前以(微)合金化(huà)为目的而使用(yòng)的稀土钢添加剂量所占的比例较少。为实(shí)现稀土对钢的(微)合金化(huà)作用,必(bì)须较严格地控制冶金条件。使用的稀(xī)土钢添加(jiā)剂主要是单一稀土金属及其铁合金,如Fe-Ce、Fe-Y等,有时也使(shǐ)用(yòng)混合稀土金属。
道路坎坷前景(jǐng)广阔
上世纪七八十年代,稀土(tǔ)钢曾经作为成熟产(chǎn)品出现在我国钢铁(tiě)产品名单(dān)上。但(dàn)是,近年来,由于多种原因,稀土(tǔ)钢这一具有中(zhōng)国资源特色的钢材品(pǐn)种的研发生产陷入低(dī)谷。根据中(zhōng)国稀土(tǔ)学会的统计数据,2011年,我国稀(xī)土(tǔ)钢产量仅(jǐn)为60万吨,产量急剧萎缩。稀土钢的这一现状,引发了(le)相关专家学者的忧虑。那么(me),稀土钢的开发现状如何?发展稀土钢(gāng)的作用在哪(nǎ)里?
业内专家表示,稀土对钢铁(tiě)生产有三大作用:净化钢液、变质夹杂、微合金化。在钢铁生产过程中加入稀土可以提高钢(gāng)材的强度、冲击韧性、耐腐蚀性等性能。因此,稀土在(zài)普钢、特钢甚至不锈钢生产中都(dōu)有着不可替代的(de)作用。相对于美国、日本等(děng)技术先进国家,我国稀土钢研发起步较晚,但是进展迅速。上世纪90年代,我国已有可批量生产的稀土钢品种9个,最高年产量达到168万吨。不(bú)过(guò),随着炉外精炼技术的普及,用稀土(tǔ)净化钢液的作用被弱化。加之稀土价格高企,在特殊钢(gāng)中(zhōng)加入稀土(tǔ)生产成本过高,企业研发生产稀土钢的积(jī)极性受挫。在这种情况下,2011年,武钢稀土钢产(chǎn)量由35万吨降到10万吨,本钢则从40万吨降到(dào)20万吨(dūn),太钢也从30万吨降到10万吨。
当前,我国(guó)稀土(tǔ)钢研发生产的持续低迷,折射出由国家(jiā)倡导的稀土在钢铁生产中应用工作的疲弱。“中国(guó)是世界钢铁(tiě)大国,但是钢铁品(pǐn)种(zhǒng)质量与国际先进水平相比还有相(xiàng)当大的距离。我国(guó)是稀土(tǔ)大国,用稀土材料强化和提升钢铁传统产业具有重要意义。”中(zhōng)国(guó)稀土学会秘书(shū)长助理卢先利说(shuō)。他用一组数(shù)据说明了国内外在稀土钢应用方面存在的差距:美国钢产量达到1亿吨/年(nián)时,稀土钢产量接近800万吨/年,而我国钢铁产量已达到7亿吨/年,稀土钢产量却不足100万吨/年。
卢先(xiān)利认为,如果我国的稀土钢产量能够达到2000万吨/年,那么,每年可消耗混合稀土(以过剩的镧、铈为(wéi)主)1.2万吨。从这个角度来看,发展稀土钢不但可(kě)以促进钢铁产业升级,还可以实现稀(xī)土元素(sù)的综(zōng)合利用,对促(cù)进(jìn)稀土行业健(jiàn)康发展同样(yàng)具有积极作用。
“作用机理曾是(shì)阻碍稀土在钢铁生产中应用的巨大屏障(zhàng)。但是,今天这一阻力正在消除。”一直从事稀土钢研(yán)究的北京钢铁研究总院教授王龙妹表示。经过大量的研究实验,稀土钢的作用机理目前已经十分明确,并在生产实践中得到肯定。美(měi)国、日本、法国、瑞典、俄罗斯等国在生产特殊钢时都会加入稀土,日本更是在稀(xī)土钢方面拥有大量专利。建(jiàn)议国内研究单位(wèi)与生产企业紧密配合,将研发与市场结合起来,赋予稀土钢研发新的动力。
长期从事稀土钢研(yán)究工作的东北大学教授戢景文(wén)认为,我国(guó)钢材产品(pǐn)均匀(yún)性差、稳定性差,加入稀土对这些问题的改善有极大帮助。在洁净钢条件下,稀土钢开发前(qián)景同样广阔。他建议(yì),企(qǐ)业应针(zhēn)对实际问题开展研发,要注重(chóng)新品种和新装备的推广应用。
事实(shí)上,尽管遭遇(yù)诸多困难,我国的稀土钢研发工作一直在顽强地推进着。近年来(lái),包钢开发(fā)了深(shēn)受市场欢迎的稀土耐磨板、稀土特殊油井管等多种稀(xī)土钢产品;太钢在(zài)不锈钢(gāng)生产中加入稀土(tǔ),以提高产品性能,降低生产成本。尤为可(kě)喜的是,在学术界对稀土钢不置可否的时候,本钢采用传统的稀土(tǔ)喂丝法成(chéng)功生产出气瓶钢,成为本钢重要的创效产品。但是,企业的研发工作多为单兵作战,不能形成合力,这使得稀土在钢铁(tiě)生产(chǎn)中的应用难以取得突破性(xìng)进展。
卢先利说:“目前,我国稀(xī)土在钢铁生产中的(de)应用工作已到了关键时(shí)期,稀土加入工(gōng)艺及设备落后、稀土钢的品种和产量少(shǎo)、稀土在各(gè)类钢中的作用机理研究还不深入等方面问题亟待解决。同时,这些问题的解决(jué),急需方方面(miàn)面的配合支持,特别需要(yào)国家层面上的政策扶持和引导。建议工业和(hé)信息化部将稀土在钢铁生产(chǎn)中的应用工作列入到(dào)稀土产(chǎn)业调整升级专项。”
开发(fā)稀土钢工艺是关键
将稀土元素加入钢中,提高钢的强度、耐磨性能和抗氧化性能,改善(shàn)和优化钢材的(de)质量,这已经(jīng)成为(wéi)业界共识。我国稀土(tǔ)在钢中应用的历史已有三(sān)十多年,牌号达几(jǐ)十个。迄今(jīn),我国的稀土钢(轻稀土钢)主要分(fèn)两(liǎng)大类:一(yī)是含Cu、P类稀土低合金钢,利用稀土(tǔ)改(gǎi)善(shàn)钢(gāng)的耐蚀性;二是含Mn、Nb、V、Ti稀土低合金(jīn)钢,利(lì)用稀土除改善钢的耐(nài)蚀性外,更(gèng)主要是改善钢的强度和耐磨性。
我(wǒ)国稀土钢(轻稀土钢)的主要生产基地(dì)是武钢、包钢、本钢、太钢、攀钢等企业。2011年,我国轻稀土钢的产量约60万吨,最高年(nián)产量(liàng)是20世纪90年(nián)代,曾达168万吨(dūn)。我国轻稀土钢占钢总产量的比例不足0.5%(2004年),而美国在20世纪七、八十年代稀土钢产量已(yǐ)达700万~900万(wàn)吨,占钢总产量(liàng)的9%左右。
在我国稀土钢的(de)各钢种中,迄今消费的(de)主(zhǔ)要是轻稀土,尚未消费及形(xíng)成正规牌号的中、重稀土钢种。众多的研究和试验表明(míng),尤以重(chóng)稀土为(wéi)对象冶(yě)炼的钢材,其性能与指标,是轻稀土钢难(nán)以比拟的。例如(rú),以Y基重稀土钢材制作的火车轮毂,其性能明显地优于以轻稀土钢材制作(zuò)的火车轮毂(gū)。
当前,稀土在高科技与社会发展中的作用广为人知。但世人并不清楚,迄今并不是全部的稀土元素都(dōu)能得到充分的利用(yòng),还有许多稀土元素的应用面与应用量十分有限。目前(qián),应用量较大的稀土元素,只是其(qí)中(zhōng)的一部分,例如La、Ce、Pr、Nd、Eu、Tb、Dy等;而另一些稀土元(yuán)素却尚未(wèi)进入量大面广的应用阶段(duàn),例如Tm、Yb、Lu等;Y元素则因配分含量高,产量大,尽管有一定(dìng)的应用量,但应用量与产量相比,相对较(jiào)小,导(dǎo)致产品积压;由(yóu)于价格及应用量减少等原因,也导致La、Ce等元素的积压。
我国(guó)优(yōu)势的(de)南方离子(zǐ)型稀土资源,配(pèi)分齐全,尤其是中(zhōng)、重稀土含量高,特别是以龙南为典型代表的离子型重稀土矿床,其Y2O3配分(fèn)含(hán)量高达60%以上(shàng)。矿床中的稀土矿(kuàng)物,是包含着整个稀土(tǔ)族15(或(huò)17)个元素共生在一起、不可分割的自然界共生(shēng)体。也就是说,在这种矿床中,每一个单独的(de)稀土元素,都不可能以独(dú)立的矿物形态而赋存,因此不可能在矿山开采时将每一个稀土元素单独地分采,实现以销定产,消除积压。而若需将每一稀土元素逐个分开,则需通过后面的湿法冶炼加工工艺,才能将(jiāng)其(qí)分离,从而获得单一的稀土产品。可见,只要某些稀土元素的应用面(miàn)与应用量未予拓开,则这(zhè)些稀(xī)土元素的积压是必然的(de),例如前面(miàn)提到的Y、Tm、Yb等稀土元素,这是矿物、矿床赋存特征自然规律(lǜ)所决定的。
有鉴于此,国家近年来出台的稀土“收储”政策,即是解决上述困局的措施之一(yī)。所以,我国稀土产业若要(yào)获得更大的发展,从源头上减少或消灭滞销、积压现象,真正使每个(gè)稀土元素都能得到(dào)综合利用,只有从技术层面上(shàng)来解决真(zhēn)正扩大每个稀土元素的应用面和应用量(liàng)问题,才是“治本”的根本、有效的途径。
而在冶(yě)炼过程中,工艺技术是稀(xī)土在钢中应用的关键。如果说十几年前钢(gāng)铁行业对稀土在钢中应(yīng)用还颇(pō)为认可的话,那么,随着炉外精炼技术的普及(jí),稀土的(de)脱氧、脱硫作用被取代,目前这一认同已荡然无存。在调查了国内多家钢铁企业之后,业内专家认为,其中原因有三:一是由于稀土容易与钢中的(de)其他元素产生不良反应,不好固熔、不好加入;二是铁水预处理技(jì)术(shù)使得钢水成(chéng)分变化,稀土的加入缺乏适当(dāng)的量化标准(zhǔn);三是采用连铸工艺后,已(yǐ)经在模铸工艺中成熟的喂丝、吊挂等加入方法失效。这三个原因使(shǐ)得稀土在钢中应用鲜(xiān)有(yǒu)成功范(fàn)例,更缺(quē)乏批(pī)量生产。
稀土在钢中应用困难,不是稀土本身的问题,而是与之相匹配的工艺问题。作为(wéi)稀土钢研究工艺的专家,成国光和他的课题小组从5年前开始关注稀土钢工艺。借鉴国外在(zài)钢(gāng)水中加入复合合金的做法(fǎ),他们研(yán)制出一种稀土(tǔ)铝铁合(hé)金,以(yǐ)解决连铸生产中稀(xī)土加入的麻烦。成国光认为,这一做法是在传统铝(lǚ)系脱(tuō)氧基础上添加一定量的稀土(tǔ)元素,起到复合脱氧和高效去除夹杂物的作用,同时避(bì)免了过去加入稀土(tǔ)硅铁合金导(dǎo)致硅含量超标(biāo)的弊端,可显着提高钢水洁净度。由于稀土加入量适当,业内人士(shì)担(dān)心的水口堵塞的现象并没有出现。
制造稀土钢包钢已先行
稀土钢的(de)研发制(zhì)造,既能增加稀土的消费,又能提高钢的品质,可谓一举多(duō)得。
值得庆贺的是,在稀土钢制造领域,包钢已经成为先行者。
8月18日,包钢重要结构调整项目——稀土钢板(bǎn)材厂冷轧工程连续退火机组1号线热负荷试车,包钢稀土钢板(bǎn)材厂冷轧工程(chéng)是该公司做强做精的重要支点,也是打(dǎ)造稀土钢品牌的重点项目(mù),由中国五冶集团承建。连续退火机组1号线和2号线设计(jì)年产能分别为90万(wàn)吨和63万吨,其中2号线已于2015年11月(yuè)热负荷试车,生(shēng)产的退火商品卷已经实现销售。
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