包钢科技

编号	开轧温度 /℃	化学成分(质量分数)/%
1^#	900	0.233	0.391	1.378	0.137	0.008	0.008 9	0.021	0.006 4			余量
2^#	0.242	0.438	1.354	0.120	0.008	0.007 1	0.021	0.005 3	0.002 9	0.008 7	余量
3^#	850	0.234	0.456	1.343	0.126	0.008	0.007 6	0.020	0.005 1	0.003 4	0.009 3	余量

编号	开轧温度 /℃	化学成分(质量分数)/%
1^#	900	0.233	0.391	1.378	0.137	0.008	0.008 9	0.021	0.006 4			余量
2^#	0.242	0.438	1.354	0.120	0.008	0.007 1	0.021	0.005 3	0.002 9	0.008 7	余量
3^#	850	0.234	0.456	1.343	0.126	0.008	0.007 6	0.020	0.005 1	0.003 4	0.009 3	余量

镧铈混合稀土和开轧温度对HRB400E钢组织及耐蚀性的影响

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陆斌 ¹^,² , 黄飞 ³ , 李晶 ³

包钢科技 | 2024,50(5): 82-88

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包钢科技 | 2024, 50(5): 82-88

镧铈混合稀土和开轧温度对HRB400E钢组织及耐蚀性的影响

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陆斌¹^,², 黄飞³, 李晶³

作者信息

1.内蒙古包钢钢联股份有限公司技术中心,内蒙古包头 014010

2.北京包钢钢铁技术有限公司,北京 100083

3.北京科技大学绿色低碳钢铁冶金全国重点试验室,北京 100083

陆斌(1977-),男,山西省大同市人,博士,正高级工程师,现从事稀土钢新材料研究工作。

Effects of Lanthanum-cerium Mischmetal and Rolling-start-temperature on Microstructure and Corrosion Resistance of HRB400E Steel

Lu Bin¹^,², Huang Fei³, Li Jing³

Affiliations

1. Technical Center of Inner Mongolia Baotou Steel Union Co., Ltd., Baotou 014010, Inner Mongolia Autonomous Region, China

2. Beijing Baotou Steel Technology Co., Ltd., Beijing 100083, China

3. State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

出版时间: 2024-10-25

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摘要

收起

为了改善HRB400E钢的耐蚀性能,在精炼过程向钢中加入镧铈混合稀土合金,控制开轧温度对试验钢进行轧制。采用扫描电镜、能谱仪和光学金相显微镜对夹杂物和显微组织进行表征,结合中性盐雾腐蚀试验,分析稀土和开轧温度对试验钢耐蚀性的影响。结果表明,经镧铈混合稀土处理后,Mn-Si-O夹杂物被完全转变为(Ce,La)₂O₃和(Ce,La)₂O₂S,部分Mn和S在其周围形核生成稀土复合夹杂物,仍有少量单独MnS析出。在试验条件下,开轧温度为900 ℃、混合稀土含量为0.011 6%的2^#试验钢腐蚀速率为1.577 g/(m²·h),耐蚀性能最佳。

关键词

镧铈混合稀土 / 开轧温度 / HRB400E钢 / 夹杂物 / 显微组织 / 耐蚀性能

Abstract

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In order to improve the corrosion resistance of HRB400E steel, test steel is rolled by adding lanthanum-cerium mischmetal into it in refining process and controlling rolling-start-temperature. The inclusions and microstructure are characterized with scanning electron microscope, energy dispersive spectrometer and optical metallographic microscope as well as the effects of rare earth and rolling-start-temperature on corrosion resistance of test steel are analyzed combining with neutral salt spray test. The results showed that the Mn-Si-O inclusions were completely transformed into (Ce, La)₂O₃ and (Ce, La)₂O₂S after treatment with lanthanum-cerium mischmetal as well as part of Mn and S were nucleated around them to form complex inclusions of rare earth, but a small amount of individual MnS inclusion was still precipitated. Under the experimental conditions, the corrosion resistance of 2^# test steel is optimal when rolling-start-temperature is 900 ℃, content of mischmetal is 0.011 6% and corrosion rate is 1.577 g/(m²·h).

Key words

lanthanum-cerium mischmetal / rolling-start-temperature / HRB400E steel / inclusions / microstructure / corrosion resistance

引用本文

陆斌, 黄飞, 李晶. 镧铈混合稀土和开轧温度对HRB400E钢组织及耐蚀性的影响. 包钢科技, 2024 , 50 (5) : 82 -88 .

Lu Bin, Huang Fei, Li Jing. Effects of Lanthanum-cerium Mischmetal and Rolling-start-temperature on Microstructure and Corrosion Resistance of HRB400E Steel[J]. Science & Technology of Baotou Steel, 2024 , 50 (5) : 82 -88 .

正文

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钢筋混凝土结构广泛应用于高层建筑、铁路和桥梁公路等诸多领域,是基础设施建设的主导结构^[1]。钢筋耐蚀性对钢筋混凝土结构服役寿命有重要影响^[2]。中国是一个海洋大国,环境中大量Cl^-的侵蚀会降低钢筋的耐蚀性,破坏混凝土结构。因此,需要采取措施来有效增强普通碳钢钢筋的耐蚀性能,确保其在各种复杂环境下都能保持优异的性能和长久的耐用性。

目前,主要通过微合金化工艺生产HRB400E钢,利用添加的微合金元素铌、钒和钛等^[3-4]的细晶强化和析出强化作用提高钢筋的综合性能。郭湛等^[5]在低合金耐蚀钢筋的基础上,向钢筋中加入适量的稀土元素,稀土的加入能够变性夹杂物,改进锈层的组分结构,改善钢筋的耐蚀性能。尽管稀土加入对钢筋夹杂物改性和性能影响的研究很多^[6-7],但是针对稀土和开轧温度对HRB400E钢显微组织和耐蚀性影响的研究却鲜有报道。

本文以HRB400E钢为研究对象,通过添加镧铈混合稀土合金和调控开轧温度,在分析钢中夹杂物和显微组织的基础上,结合中性盐雾腐蚀试验,阐述镧铈混合稀土和开轧温度对钢筋耐蚀性的影响机理,为HRB400E钢的工业化生产提供一定的参考。

1 试验材料与方法

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经电炉冶炼后,在精炼过程向钢液中加入镧铈混合稀土合金调控稀土含量。经连铸工序后,控制开轧温度对试验钢坯进行轧制,最终得到3组试验用HRB400E钢。利用红外碳硫分析仪、氧氮氢分析仪和电感耦合等离子体质谱仪测定钢中C、S、O、N、Ce和La的含量,剩余元素的含量经直读光谱仪测出。试验钢的化学成分见表1。

由表1可知,1^#试验钢未经稀土处理;加入镧铈混合稀土合金后,2^#和3^#试验钢中混合稀土含量基本一致,分别为0.011 6%和0.012 7%。此外,1^#和2^#试验钢的开轧温度为900 ℃,3^#试验钢的开轧温度为850 ℃。

利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对试验钢中典型夹杂物进行表征,同时使用FactSage 8.3软件计算试验钢凝固及冷却过程夹杂物的质量分数变化情况。采用光学金相显微镜(OM)对试验钢侵蚀后的显微组织进行观察,并利用Image-Pro Plus 6.0图像分析软件对组织组成进行统计。

根据GB/T 2423.17—93实施96 h连续中性盐雾试验。试验结束后,根据式(1)对试验结果进行处理,计算出试验钢的腐蚀速率。

(1)$v=\frac{w_{0}-w}{s t}$

式中:v为腐蚀速率,g/(m²·h);w₀为试样的原始质量,g;w为腐蚀试验后试样的质量,g;s为试样的表面积,m²;t为腐蚀试验时间,h。

2 试验结果与讨论

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2.1 HRB400E钢中夹杂物分析

图1—图3分别为1^#—3^#试验钢中典型夹杂物的类型和形貌。

由图1可知,1^#试验钢中典型夹杂物为灰色条状的MnS夹杂物和大块状的Mn-Si-O夹杂物。从图2和图3中可以看出,2^#和3^#试验钢中出现较多球形或椭球形的(Ce,La)₂O₃+MnS夹杂物和(Ce,La)₂O₂S+MnS稀土复合夹杂物,复合夹杂物中心为白色的(Ce,La)₂O₃和(Ce,La)₂O₂S夹杂物,外围包裹着少量MnS夹杂物;此外,钢中仍存在单独的MnS夹杂物。

利用FactSage软件计算了试验钢在1 200~1 600 ℃范围内夹杂物的析出和转变行为,计算结果如图4所示。

由图4(a)可知,1^#试验钢在凝固过程中,钢液中首先析出MnO和SiO₂,析出量随温度降低不断增加;1 225 ℃时,MnO和SiO₂开始转变为MnSiO₃;温度降低到1 255 ℃时,MnS开始析出。1^#试验钢中优先形核的MnO和SiO₂在凝固过程中易于结合成Mn-Si-O复合夹杂物,钢中稳定存在的夹杂物为Mn-Si-O和MnS,这与图1的观察结果一致。

由图4(b)和(c)可知,2^#和3^#试验钢在凝固过程中,La₂O₃、Ce₂O₃、La₂O₂S和Ce₂O₂S依次从钢液中析出,凝固末期仍有MnS析出;随混合稀土含量提高,稀土夹杂物析出量不断提高,MnS的析出量随之降低。Ce和La易与钢液中的O和S反应,将Mn-Si-O夹杂完全转变为La₂O₃、Ce₂O₃、La₂O₂S和Ce₂O₂S。由于Ce和La的离子比相近,形成(Ce,La)₂O₃和(Ce,La)₂O₂S的固溶体^[8]。部分Mn和S在已经形核的稀土氧化物和硫氧化物周围结合成MnS^[9],剩余的Mn和S以单独的MnS形式析出。最终,钢中稳定夹杂物为(Ce,La)₂O₃+MnS、(Ce,La)₂O₂S+MnS和MnS,与图2和图3的结果相符。

2.2 HRB400E钢的显微组织分析

图5为试验钢中显微组织的形貌。

从图5中可以看出,试验钢中显微组织均为白色的铁素体和黑色的珠光体。1^#试验钢中铁素体分布不均匀,珠光体尺寸较大,存在较多大块状的珠光体。2^#试验钢中铁素体占比提高,且分布较为均匀;珠光体尺寸变得细小,大块状的珠光体消失。然而,相较于2^#试验钢,3^#试验钢中铁素体比例又有所降低,出现少量粗大的珠光体。根据显微组织图像统计了试验钢中各组织的面积分数,结果如图6所示。

由图6可知,1^#试验钢中铁素体和珠光体的面积分数分别为56.84%和43.16%;2^#试验钢组织中珠光体占比降低,面积分数达到38.08%;3^#试验钢中珠光体占比较2^#试验钢又有所提高,提高至42.51%,但仍低于1^#试验钢。

2.3 稀土和开轧温度对HRB400E钢耐蚀性的影响

根据盐雾腐蚀试验数据计算出试验钢的腐蚀速率,如图7所示。

由图7可知,1^#试验钢的腐蚀速率为2.809 g/(m²·h);相较于1^#试验钢,2^#试验钢的腐蚀速率明显降低,降低到1.577 g/(m²·h);3^#试验钢的腐蚀速率较2^#提高了25.87%,仍低于1^#试验钢。3个试验钢中,2^#试验钢的腐蚀速率最低,具有最佳的耐蚀性能。

夹杂物和显微组织对钢的腐蚀具有重要影响^[10]。试验钢中典型夹杂物主要为Mn-Si-O夹杂物、MnS夹杂物、镧铈氧化物和镧铈硫氧化物。Mn-Si-O和MnS夹杂物易发生腐蚀,且腐蚀产物会恶化钢的耐蚀性能^[11-12]。稀土氧化物和稀土硫氧化物的热膨胀系数与钢基体相近,同时具有较差的导电能力,能够阻碍局部和微区电化学腐蚀的发生^[13]。试验钢显微组织由铁素体和珠光体组成,珠光体由于渗碳体易腐蚀及内部电位差较大,耐蚀性要差于铁素体^[14-15]。此外,铁素体和珠光体由于存在电位差,会形成微电池,珠光体电位较高作为阴极相,其含量增加会提高阴阳极面积比,促进钢的腐蚀^[16]。

基于此,分析稀土和开轧温度对试验钢耐蚀性的影响机理。1^#试验钢中夹杂物为Mn-Si-O夹杂物和MnS夹杂物,均易发生溶解,加快腐蚀进程;1^#试验钢显微组织中存在较多大块状的珠光体,珠光体本身耐蚀性较差,较大尺寸的珠光体提高了阴阳极的面积比,促进了腐蚀的发生,从而导致1^#试验钢耐蚀性最差。加入0.011 6%的混合稀土后,2^#试验钢中Mn-Si-O夹杂物和部分MnS夹杂物被改质为与钢基体适配度较高的(Ce,La)₂O₃和(Ce,La)₂O₂S夹杂物,提高了基体的电极电位,抑制局部和电化学腐蚀产生;2^#试验钢中珠光体比例降低,尺寸变得细小,基体本身耐蚀性提高,同时阴阳极面积比降低降低了腐蚀速率,2^#试验钢的耐蚀性显著提高。3^#试验钢中混合稀土含量为0.012 7%,与2^#试验钢基本一致,夹杂物类型未发生变化;但是,其开轧温度低于2^#试验钢,组织中珠光体比例提高,抵消了部分夹杂物改性对耐蚀性的改善作用;最终,3^#试验钢的腐蚀速率较2^#试验钢又有所提高。

3 结论

收起

(1)镧铈混合稀土处理后,钢中条状MnS和大块状Mn-Si-O夹杂物被改性为球状或椭球状的(Ce,La)₂O₃+MnS和(Ce,La)₂O₂S+MnS稀土复合夹杂物。

(2)镧铈混合稀土处理和开轧温度的提高,能够有效细化珠光体组织,降低珠光体的面积分数。

(3)在试验条件下,开轧温度为900 ℃,混合稀土含量为0.011 6%时,HRB400E钢的腐蚀速率最低,为1.577 g/(m²·h)。

基金

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中央引导地方科技发展计划(2024ZY0158)

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2024年第50卷第5期

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130

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接收时间：2024-06-01
首发时间：2025-10-20
出版时间：2024-10-25

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收稿日期：2024-06-01

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中央引导地方科技发展计划(2024ZY0158)

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1.内蒙古包钢钢联股份有限公司技术中心,内蒙古包头 014010

2.北京包钢钢铁技术有限公司,北京 100083

3.北京科技大学绿色低碳钢铁冶金全国重点试验室,北京 100083

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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