近20年來，中國稀土在鋼中的應(yīng)用工作得到了國家有關(guān)部門的重視和大力支持，中國稀土資源豐富，鋼材產(chǎn)量位居世界第一，為稀土鋼的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著對稀土在鋼中有益作用認(rèn)識的不斷深入，稀土鋼的研發(fā)工作日益蓬勃，目前已研發(fā)出了包括銅磷系列耐候鋼、錳鈮系列低合金高強(qiáng)度鋼、X系列管線鋼、重軌鋼、齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、模具鋼、工程機(jī)械用鋼、低碳微合金深沖鋼、不銹鋼和耐熱鋼等在內(nèi)的80多個(gè)含稀土鋼號。

然而在稀土鋼的發(fā)展長期受2個(gè)關(guān)鍵性問題制約：

（1）稀土添加技術(shù)。稀土元素能否與鋼液充分作用是發(fā)揮稀土在鋼中作用的關(guān)鍵因素，然而稀土加入工藝不當(dāng)，不僅易造成稀土氧化燒損、成分分布不均等問題，而且會造成水口結(jié)瘤和二次氧化，造成雙澆、短錠乃至于整爐鋼報(bào)廢，因此稀土元素采用何種加入方式對于稀土鋼的生產(chǎn)至關(guān)重要。選擇合理的稀土元素添加方法和優(yōu)化稀土加入工藝主要是為了避免稀土大量氧化燒損、避免出現(xiàn)水口結(jié)瘤、避免過量稀土在晶界富集析出，保證稀土在鋼液中充分反應(yīng)、精確控制稀土回收率。

（2）隨著“中國制造2025”計(jì)劃的提出，制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)對其基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)——材料制造提出了更高、更迫切的發(fā)展要求。“經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)”的傳統(tǒng)材料研發(fā)模式已無法滿足新材料研發(fā)需求。發(fā)展高效率、低成本的材料研發(fā)新模式是大力推動包括稀土鋼在內(nèi)的材料發(fā)展，支撐先進(jìn)制造和高新技術(shù)發(fā)展的迫切需求。另外，稀土鋼研發(fā)還具有其自身特點(diǎn)：1）稀土元素性質(zhì)活潑，與鋼中包括鈮、釩、銅、鈦等多數(shù)合金元素都能發(fā)生作用，導(dǎo)致稀土元素對性能的影響機(jī)制復(fù)雜；2）添加微量稀土元素就可能使金屬材料的性能發(fā)生顯著改變；這2個(gè)原因?qū)е孪⊥龄摮煞謨?yōu)化與成分控制難度大。3）目前尚無完備的稀土鋼數(shù)據(jù)庫，材料設(shè)計(jì)仍然主要依靠經(jīng)驗(yàn)和有限實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研發(fā)效率低。

“十三五”時(shí)期是中國稀土行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效的關(guān)鍵時(shí)期。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(shí)施為契機(jī)，在繼續(xù)落實(shí)好《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)稀土行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的若干意見》（國發(fā)［2011］12號）文件要求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)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(diǎn)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。因此在稀土鋼領(lǐng)域，突破稀土添加技術(shù)和引入新的研發(fā)思路、加快研發(fā)周期，對于稀土行業(yè)轉(zhuǎn)型有著重要意義。 

1 稀土添加工藝

經(jīng)過長期實(shí)踐，目前已經(jīng)發(fā)展的鋼中稀土元素添加技術(shù)有多種類型。按照稀土的加入位置可分為鋼包加入法、模鑄中注管加入法、模鑄鋼錠模內(nèi)加入法、連鑄結(jié)晶器加入法、電渣重熔過程加入法等。按照稀土的加入方式可分為壓入法、吊掛法、喂絲法、噴吹粉劑法、渣系還原法等。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對各種稀土加入工藝過程原理總結(jié)于表2中，其工藝流程和特點(diǎn)歸納于表3。

從表3可以看出鋼包壓入法、鋼包噴吹粉劑法、鋼包喂稀土絲法都存在稀土回收率低、工作環(huán)境惡劣、污染嚴(yán)重等問題，連鑄中間包喂稀土絲法易導(dǎo)致水口結(jié)瘤、鋼液氧化等問題，模鑄鋼錠模內(nèi)吊掛法存在影響鋼的潔凈度、難以進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)等問題，因此這些稀土加入工藝都難以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

在表3所列稀土加入工藝中，連鑄結(jié)晶器喂線法是最有效的稀土加入工藝，它具有稀土回收率高、分布均勻，適合現(xiàn)代鋼鐵連鑄生產(chǎn)等優(yōu)勢。近10年來喂線技術(shù)在國內(nèi)鑄造企業(yè)得到長足發(fā)展，如研發(fā)了高精度、智能化、高穩(wěn)定性的喂線機(jī)，開發(fā)加強(qiáng)芯線的線卷接口、控制粉料均勻性和不漏分的技術(shù)等，大幅推動了該工藝的實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，采用連鑄專用中間包覆蓋劑和結(jié)晶器保護(hù)渣，解決了該工藝中稀土氧化物使傳統(tǒng)中間包覆蓋劑、結(jié)晶器保護(hù)渣使用性能發(fā)生變化而導(dǎo)致鑄坯表面缺陷等問題，因此是目前鋼鐵連鑄生產(chǎn)最有效的稀土添加工藝。

隨著中國制造實(shí)力的不斷提升，重大設(shè)備制造用大型、超大型鑄/鍛件生產(chǎn)需求越來越大。電渣重熔技術(shù)由于其所制備的鑄錠具有成分均勻、組織純凈、致密、性能優(yōu)異等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為大型鑄件的重要制備技術(shù)。另外，發(fā)揮稀土在電渣重熔過程中的變質(zhì)、凈化、微合金化和抑氫的作用，可解決重大裝備制造用的大鍛件長期面臨的鋼錠氫含量、成分均勻性難以控制等問題?；陔娫厝奂夹g(shù)而發(fā)展的稀土電渣重熔工藝就相應(yīng)的成為稀土鋼大型鑄/鍛件生產(chǎn)過程中主要稀土添加工藝。該工藝只需采用含稀土元素渣系替代傳統(tǒng)渣系，就能夠?qū)崿F(xiàn)稀土元素的添加。例如，以30%CeO2+20%CaO+50%CaF2三元稀土渣系代替30%Al2O3+70%CaF2二元氧化鋁渣系，在重熔過程中以硅鈣粉作為還原劑，生產(chǎn)的含Ce的38CrNi3MoV、38CrNi4MoV和38CrMn2Mo等稀土鋼種大型鑄件，具有高強(qiáng)度和高沖擊韌性等特點(diǎn)。因此，大力發(fā)展稀土電渣重熔工藝，對生產(chǎn)重大裝備制造用大型鑄件具有重要應(yīng)用價(jià)值。

2 加快稀土鋼研發(fā)的新思路

2011年美國發(fā)布“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”（Advanced Manufacturing Partnership, AMP）計(jì)劃，“材料基因組計(jì)劃”（Materials Genome Initiative, MGI）是AMP計(jì)劃中的重要組成部分。材料基因組是以市場和應(yīng)用為導(dǎo)向的材料研發(fā)新理念，根本上是要通過“多學(xué)科融合”實(shí)現(xiàn)“高通量材料設(shè)計(jì)與試驗(yàn)”。其基本思路是，通過融合高通量計(jì)算（理論）、高通量實(shí)驗(yàn)、專用數(shù)據(jù)庫等三大技術(shù)，變革新材料研發(fā)理念和模式，研究材料的成分、相組成和微結(jié)構(gòu)等基本屬性及其組合規(guī)律和比例與性能之間的關(guān)系，從而縮短新材料研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。例如美國通用電氣公司利用CALPHAD方法預(yù)測合金成分，再與性能數(shù)據(jù)庫和模型結(jié)合來設(shè)計(jì)合金，在4年時(shí)間里一次性成功開發(fā)和使用了高溫合金GTD262。Xiang等在美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室利用組合芯片技術(shù)，通過快速表征一次試驗(yàn)中即篩選出前人多年研究才發(fā)現(xiàn)的BaSiCaCuOx和YB2Cu3Ox兩種超導(dǎo)材料。中國圍繞材料高通量的制備、設(shè)計(jì)和表征方法，啟動了十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺重點(diǎn)專項(xiàng)，以加速中國關(guān)鍵新材料的“發(fā)現(xiàn)—開發(fā)—生產(chǎn)—應(yīng)用”。

2.1 稀土鋼成分的高效設(shè)計(jì)

金屬材料的成分設(shè)計(jì)面臨2個(gè)主要問題：一是合金元素種類的篩選；二是合金元素含量的優(yōu)化；表4對稀土元素的價(jià)格進(jìn)行了比較?？梢钥闯觯饘勹|、鈰、釔或其混合稀土具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢，有利于提高稀土鋼產(chǎn)品的競爭力。

因此，稀土鋼成分設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是優(yōu)化稀土元素含量。由于稀土元素化學(xué)性質(zhì)活潑，能夠與鋼中幾乎所有雜質(zhì)和合金元素發(fā)生反應(yīng)，且對于常用鋼種而言，往往含有多種合金成分，因此稀土元素在鋼液中的化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，給成分設(shè)計(jì)造成很大的挑戰(zhàn)。采用高通量第一原理與熱力學(xué)計(jì)算，能夠從理論上對稀土元素復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行判斷和預(yù)測，不僅能縮短優(yōu)化周期和降低成本，而且有助于成分的精確控制。

稀土元素在實(shí)際應(yīng)用過程中，主要有3種存在形式：第一種是通過與雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)形成稀土化合物，第二種是固溶于鋼基體中，最后一種是與鋼中的合金元素反應(yīng)生成稀土金屬化合物。稀土元素對鋼材的凈化作用是其應(yīng)用的重要基礎(chǔ)之一。凈化程度取決于稀土元素與雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)的充分程度，因此，添加足夠量的稀土元素，可達(dá)到深度凈化鋼液的效果。但如果稀土添加過量，多余的稀土元素會與鋼中合金元素反應(yīng)生成脆性的稀土金屬化合物，使鋼材的力學(xué)性能發(fā)生嚴(yán)重下降。因此，精確控制鋼中稀土元素的含量，是稀土鋼成分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

采用高通量第一原理和熱力學(xué)計(jì)算，可以快速獲得稀土元素的物理、化學(xué)性質(zhì)參數(shù)和相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)，如稀土元素與氧、氫、硫、碳、氮等重要元素的反應(yīng)平衡常數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)自由能、相互作用系數(shù)、自作用系數(shù)等，建立稀土鋼材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。通過這些參數(shù)可以預(yù)測稀土元素的脫氧、脫氫、脫硫能力，雜質(zhì)形成能力和形成雜質(zhì)的種類等，從而建立稀土元素在鋼材中的反應(yīng)模型，獲得原材料中雜質(zhì)成分、含量與稀土元素消耗量之間的關(guān)系，從而精確預(yù)測各反應(yīng)過程所需稀土元素。

采用高通量熱力學(xué)計(jì)算，可以快速計(jì)算稀土元素在不同鋼中的固溶度及各種合金元素與稀土元素的反應(yīng)生成焓，判斷可能生成的稀土金屬化合物，結(jié)合稀土鋼性能數(shù)據(jù)庫和相關(guān)模型，預(yù)測稀土元素含量對鋼材性能的影響。

2.2 稀土鋼制備加工工藝的快速優(yōu)化

鋼液中添加稀土元素后，在凝固過程中，高熔點(diǎn)的稀土化合物可提供異質(zhì)晶核，或者稀土元素在固液界面上偏聚阻礙晶胞長大，從而更易獲得細(xì)晶或超細(xì)晶組織，顯著提升鋼材的強(qiáng)度和韌性等。由于稀土鋼與普通鋼具有不同的凝固組織，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要制定適用于稀土鋼制備加工的新工藝。

快速建立稀土鋼制備加工工藝-組織-性能關(guān)系是制定稀土鋼加工新工藝的核心。采用高通量材料組織模擬技術(shù)和高通量樣品制備與表征技術(shù)，并與材料性能數(shù)據(jù)庫、制備加工數(shù)據(jù)庫相結(jié)合是快速建立材料制備加工工藝-組織-性能關(guān)系的先進(jìn)方法。

圖8所示為基于3D組織重構(gòu)技術(shù)的組織模擬與性能預(yù)測流程示意圖。該項(xiàng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)基于2D組織結(jié)構(gòu)建模與模擬技術(shù)中材料微觀組織信息缺失的瓶頸，通過對材料組織精準(zhǔn)表征，獲得更為精確、信息完整的組織演化與性能預(yù)測結(jié)果。大幅提高了組織模擬與性能預(yù)測的精度。

圖9所示為一種基于疊軋方法的高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)，其原理采用相同的分列鑄型同時(shí)凝固多種不同成分合金的板狀鑄錠（圖9(a)和(b)），然后將鑄錠重疊后一同進(jìn)行加工和熱處理（圖9(a)和(c)），再經(jīng)分離，切割獲得可用于性能測試的實(shí)驗(yàn)樣品（圖9(a)和(d)）。采用該技術(shù)，可同時(shí)制備大量可用于對比性研究的實(shí)驗(yàn)樣品。如果在加工環(huán)節(jié)，結(jié)合高通量加工和熱處理技術(shù)，例如楔形軋制，梯度熱處理等，就可以快速驗(yàn)證合金成分-加工工藝-組織-性能關(guān)系。

2.3 全鏈條一體化研發(fā)加快稀土鋼應(yīng)用

一般而言，新材料從研發(fā)到應(yīng)用往往需要經(jīng)歷10～20年的周期。為了縮短這個(gè)周期，材料基因組計(jì)劃提出以市場和應(yīng)用為導(dǎo)向的材料研發(fā)新模式。根本上是實(shí)現(xiàn)“融合”與“協(xié)同”。在稀土鋼研發(fā)過程中，針對應(yīng)用需求，從材料成分與組織設(shè)計(jì)、制備加工工藝優(yōu)化、性能與壽命預(yù)測進(jìn)行全鏈條一體化研究。突破傳統(tǒng)“碎片”式研發(fā)模式。所謂“融合”，包括：(1)多學(xué)科融合，即以材料學(xué)為主體，充分融合計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識，開發(fā)先進(jìn)的高通量計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等方法與應(yīng)用軟件。(2)多種研究方法的融合，即將高通量計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)與大數(shù)據(jù)技術(shù)多種研究方法相互融合。(3)跨尺度融合，即從原子尺寸的第一原理計(jì)算到宏觀實(shí)驗(yàn)的多層次跨尺度計(jì)算、模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互融合與綜合利用。所謂“協(xié)同”，包括：(1)多目標(biāo)協(xié)同，如第二節(jié)所述，在稀土鋼應(yīng)用時(shí)，對鋼材的性能需要往往是綜合的，即除力學(xué)性能外，往往還要求其具有良好的耐腐蝕性能、耐高溫性能、耐熱性能等。因此，在稀土鋼研發(fā)時(shí)，需要將材料多種性能目標(biāo)綜合的協(xié)同考慮。(2)多環(huán)節(jié)協(xié)同，在稀土鋼研發(fā)過程中，需要同時(shí)考慮稀土對材料性能、制備與加工工藝、服役壽命等眾多環(huán)節(jié)的影響，實(shí)現(xiàn)材料的全鏈條一體化研發(fā)。

來源：鋼鐵研究學(xué)報(bào)，朱健、黃海友、謝建新