鋼筋是建筑工程的基礎材料，多年來是單一品種產量最大的鋼材產品，年產量多年超過2億噸。鋼筋的質量水平直接決定了鋼筋混凝土建筑的質量和壽命，鋼筋銹蝕堪稱“混凝土結構耐久性危機”，已成為土木工程的一大危害。2023年初，中廣核向中國鋼鐵工業協會提出，希望鋼鐵行業幫助解決大亞灣核電站等基礎設施鋼筋混凝土氯離子腐蝕嚴重影響工程壽命和設施安全的課題。鋼協科技創新工作委員會將此課題納入行業共性技術研發，經過近2年全行業的協同研發，取得了突破。本文就該課題相關進展進行系統總結。
課題的背景
目前我國大量使用的HRB400（E）鋼筋主要利用Nb、V、Ti微合金化提高強塑性，具有良好的綜合性能。然而，在近海、化學工業及酸雨地區等，鋼筋混凝土腐蝕較快，需要采取附加防腐措施，如混凝土外加劑、鋼筋阻銹劑等，大大增加了施工和維護成本。因此，亟需解決鋼材腐蝕的“內因”問題，從根本上提高混凝土耐久性。
長久以來，表面涂覆和合金化是提高鋼材耐蝕性的兩種主要方法。涂/鍍層鋼筋技術包括在鋼筋表面涂覆環氧樹脂和熱浸鍍鋅。眾所周知，鋼材表面涂覆會使用大量的有害材料，如鹽酸、硫酸等，在涂覆過程中產生的廢氣、廢水對人體及周遭環境會造成嚴重污染；鋼材涂覆的成本也比較高，相比裸鋼成本要增加1000元/噸以上，且涂覆層在經過磕碰后極易發生剝落。合金化耐蝕鋼筋主要利用Cr、Ni等元素提高鋼材耐腐蝕性能，包括“Corten”“Mariner”鋼筋、MMFX高Cr耐蝕鋼筋、304/316奧氏體不銹鋼筋、2201/2205雙相不銹鋼筋等。然而，合金的添加使鋼筋成本大幅增加，超過涂覆鋼生產成本，高價格阻礙了規模化推廣應用。
經多年研究發現，在鋼筋中添加高豐度輕稀土可以提高鋼筋耐蝕、純凈度、耐候等性能。我國是稀土資源大國，習近平總書記多次對稀土資源利用做出指示，要求發揮好稀土戰略資源優勢，加強戰略資源高質化利用。《國務院關于促進稀土行業持續健康發展的若干意見》（國發［2011］12號）明確指出：要加快稀土關鍵應用技術研發和產業化。工信部發布的《稀土行業發展規劃（2016-2020年）》指出：以《中國制造2025》國家戰略發展實施為契機，重點圍繞與稀土產業關聯度高的《中國制造2025》十大重點領域，大力發展稀土高端應用，加快稀土行業轉型升級。但近年來我國稀土利用主要集中在功能材料特別是釹鐵硼磁體生產，共生的大量高豐度輕稀土，主要以鑭（La）、鈰（Ce）、釔（Y）為主未得到充分利用，特別是北方輕稀土利用率僅為10%，甚至形成了堆積。在輕稀土資源充足的前提下，研發應用稀土螺紋鋼為提升鋼材性能，提高輕稀土資源利用率提供了新的技術路徑。
為加快鋼鐵行業原始創新，組織產業鏈上下游形成合力，持續提升創新效能，中國鋼鐵工業協會持續跟蹤產業鏈上下游創新發展需求，針對行業關注的熱點問題，建立工作機制，推動行業開展共性技術協同研發。其中稀土耐蝕螺紋鋼是共性技術協同研發項目之一，鋼協科創委成立了“耐腐蝕螺紋鋼共性技術創新平臺”（以下簡稱創新平臺），組織產業鏈上下游開展稀土耐蝕螺紋鋼協同研發。
通過兩年的協同研發，稀土耐蝕鋼筋經鋼研納克、中冶檢測、中科院等權威檢測機構檢測，結果顯示產品耐腐蝕性能優異。
稀土對鋼筋性能的影響
1．稀土元素提高鋼材的耐腐蝕性能30%以上
添加適量的稀土元素可以凈化鋼基體，提高其自腐蝕電位，降低電化學腐蝕電流密度，促進Si、Cu、Ｐ在內銹層的富集，促進致密保護銹層的生成，從而有效提高這些鋼的耐化學和應力腐蝕性能。普通碳鋼銹層呈紅褐色，銹層疏松，表層容易脫落，銹層主要是由α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe3O4及少量的β-FeOOH構成。而稀土鋼銹層顏色明顯較深，銹顆粒細小，銹層的結合能力與致密性優于碳鋼。此外，普通碳鋼銹層較厚且連續性較差，銹層中存在大量孔洞和貫通性裂紋，這些裂紋在腐蝕過程中由于毛細效應容易吸收腐蝕液直達鋼基體，這使銹層長時間處于“濕潤”狀態，加劇鋼基體溶解，因而削弱了銹層保護能力。而稀土鋼銹層中雖然在局部存在缺陷，但貫穿性裂紋較少，且銹層連續致密，保護作用優于對普通碳鋼。在海洋大氣環境下，稀土鋼形成的銹層缺陷較少，稀土能促進腐蝕產物中的活性組元向穩定的α-FeOOH轉化，并能細化銹顆粒，提高鐵銹中非晶相比例，從而增強銹層的保護性。數據顯示稀土鋼可以提高耐蝕性30%以上。
2．稀土元素提高綜合力學性能
加入稀土元素后能夠通過界面偏聚、變性非金屬夾雜物、改善凝固組織、細化熱軋態組織等作用，從而改善組織的均勻性，提升鋼的強度和韌性，有效改變鋼的韌-脆轉變溫度，提升鋼在實際服役條件下的穩定性。
3．稀土元素改善鋼材組織結構
在鋼中添加稀土元素可以改性鋼中的夾雜物。研究表明，未添加稀土元素的船板鋼中存在著一些長條狀和尖角狀的夾雜物，這些夾雜物由于與基體的熱膨脹系數差別很大，存在復雜的應力場，因此當承受沖擊載荷時容易引起應力集中，從而產生微裂紋，影響鋼的總體力學性能。而添加稀土元素之后，尖角狀的夾雜物消失，取而代之的是球狀小顆粒的夾雜物。在鋼中添加稀土元素，有一個明顯的特點，就是可以同時起到改善硫化物夾雜形態或消除硫化物夾雜、消除網狀結構共晶碳化物并使其均勻分布在組織中、改善包括Cr、Ｖ和Mo在內的合金元素偏析現象、細化晶粒尺寸等多種作用，可全面提升鋼的力學性能。
4．稀土元素改善鋼材焊接性能
在焊接熱影響區中，過熱粗晶區是鋼材性能最薄弱、沖擊功最低的部分，制約了焊接后鋼的整體力學性能，從而影響了船舶的作業環境和作業時間。鋼中的稀土元素會在晶界處與位錯處偏聚，對晶界產生拖曳與釘扎作用，產生晶界強化與位錯強化。在焊接過程中，釘扎作用會使熱影響區的粗晶熱影響區的晶粒長大傾向減弱，從而獲得較好的綜合力學性能。對粗晶熱影響區晶粒尺寸的相對穩定起到至關重要的作用，有利于提高鋼材的焊接性能。
稀土鋼筋研發歷程及主要創新性成果
鋼筋銹蝕引起鋼筋混凝土結構的過早破壞已經成為世界各國普遍關注的一大災害，尤其是高溫潮濕、污染嚴重的海洋環境，極容易導致混凝土內部鋼筋腐蝕。實驗表明，兼有Cl-沉積和SO2污染的海洋大氣容易導致金屬發生嚴重腐蝕破壞。稀土是我國的優勢資源，實地大氣暴曬（見圖1）、實驗室加速腐蝕以及電化學等大量研究從變性夾雜和改變銹層結構的角度證明了稀土可以有效提高碳鋼及低合金鋼的耐工業大氣腐蝕性和耐海洋腐蝕性能，且隨稀土含量的增加，稀土鋼的耐蝕性增強。在普通鋼筋中加入適量的稀土元素，增加的成本不超過100元/噸，但對鋼筋產品性能改善和質量的提高具有重要作用，使耐蝕性能達到鋼筋混凝土用耐腐蝕鋼筋性能標準要求。
圖1 稀土耐蝕鋼筋混凝土試樣的大氣暴露實驗
上海大學與盛隆冶金、聯鑫鋼鐵等鋼鐵企業的聯合團隊自2019年起，圍繞稀土賦存狀態、稀土收得率、稀土加入方法、稀土耐蝕機理等關鍵科學問題進行研究，發現了稀土合金在普碳鋼中的作用機理。2020年8月，由中國稀土學會組織的對于項目團隊《基于稀土合金化提高鋼材耐腐蝕性能技術與產業化》的科技成果評價會在蘇州召開，經過專家討論和質詢，認為稀土耐蝕鋼理論和技術總體達到國際領先水平。在此基礎上，耐腐蝕螺紋鋼共性技術創新平臺各成員單位協同開展了稀土鋼筋的開發，進一步深入研究鋼筋稀土合金化技術，形成了中國特色的新型稀土耐蝕螺紋鋼產品及生產技術。2024年11月，中鋼協組織召開成果評價會，由毛新平院士等專家成專家組，對《鋼筋混凝土用熱軋稀土鋼筋開發》項目進行了評價，認為項目達到國際先進水平。
通過不懈的努力，團隊在稀土鋼筋的研發與生產中取得了多方面的創新性成果。
1.利用稀土元素實現夾雜物變性
首次將我國豐富的鑭鈰稀土資源應用于普通鋼筋生產中，實現鑭鈰稀土元素變性鋼中夾雜物的類型、尺寸和分布，將鋼中腐蝕速率大的夾雜（MnS）變性為腐蝕速率小的稀土復合夾雜物，降低鋼基體內部微區域電化學腐蝕；利用稀土界面偏聚及促進α-FeOOH穩定腐蝕產物的生成，起到了減緩點蝕、表面局部腐蝕和致密穩定銹層的三個作用，使鋼筋具有良好的耐腐蝕性能。
2.利用稀土絲的包裹保護技術
利用稀土絲的包裹保護技術，避免了較低熔點的活性鑭鈰元素進入渣層，采用在連鑄結晶器中喂絲工藝，將鑭鈰稀土合金加入鋼中，有效避免連鑄水口的積絮結瘤，實現連鑄順行生產，稀土收得率達到70%-85%。
3.穩定控制稀土元素含量和分布
通過控制連鑄和喂絲工藝，鑭鈰稀土穩定控制含量為140-200ppm，鑭鈰稀土分布控制范圍縮小到±30ppm，提高了稀土元素分布均勻性。鋼研納克、中冶檢測、中科院金屬所等多家機構開展的腐蝕周浸加速試驗結果均表明，根據失重法檢測對比，含稀土熱軋鋼筋較普通熱軋鋼筋耐腐蝕能力提高30%-50%。
項目授權發明專利2件，制定國標和團標各1項，發表論文8篇，形成了完全自主知識產權的稀土耐蝕鋼筋產品開發與生產整體技術。
應用情況與效果
從產業化方面看，項目團隊運用鑭、鈰稀土多形合金化技術開發的HRB400ERE稀土鋼筋于2020年6月首次在鹽城聯鑫鋼廠連續生產22000噸，同期在廣西盛隆冶金、江蘇永鋼開發了HRB500ERE稀土鋼筋，隨后分別在陜鋼漢鋼公司、中天鋼鐵、江西臺鑫鋼鐵、萬泰特鋼等企業批量化生產，目前累計生產近5萬噸，并已部分向中廣核供貨。從標準引領方面看，稀土耐蝕普碳鋼生產工藝技術成熟，首個稀土耐蝕普碳鋼的團體標準《稀土耐候結構鋼》（T/CSM 2020-12）在2020年6月正式發布實施。項目團隊負責組織起草的團體標準和國家標準《鋼筋混凝土用熱軋稀土鋼筋》（T/CSM 2020-12、GB/T 43665-2024）分別于2022年6月和2024年10月1日正式發布實施。
從經濟和社會效益看，稀土耐蝕普碳鋼可免除涂裝，減少維護，降低成本，保護環境；噸鋼稀土合金化成本不超過100元，為合理使用我國稀土資源提供了一個有效途徑。
稀土耐蝕普碳鋼是具有我國資源特色的綠色可持續發展的一類新型鋼鐵材料，目前已成功應用于多項工程建設，取得了良好的效果。
工程應用案例1：稀土耐蝕螺紋鋼HRB400ERE應用于河北龍鳳山鑄業有限公司精品制粉廠建設項目，稀土耐蝕螺紋鋼加工成箍筋與板筋進行框架結構建設。
工程應用案例2：稀土耐蝕鋼筋應用于上善院基建工程，包括一號廠房的“大師工作室”地基建設、三號廠房工作室地基建設、門崗地基建設、員工食堂、職工活動中心等，建筑面積約5000m2。
工程應用案例3：稀土耐蝕鋼筋應用于鹽城市豐港物流碼頭項目工程（見圖2）。該工程擬建設4個1000噸級散貨泊位和3個1000噸級件雜貨泊位，水工結構按靠泊1000噸級船舶設計，碼頭工程有7座，總長約800m。
圖2 稀土耐蝕鋼筋應用于鹽城市豐港物流碼頭工程
總結與展望
稀土耐蝕鋼筋是具有中國特色的創新性鋼材產品，利用中國特有的鑭、鈰稀土資源，賦予量大面廣的鋼筋以耐大氣腐蝕性能，有效促進中國鋼鐵工業與稀土工業的共同高質量發展。
稀土耐蝕鋼筋的研發和推廣應用對于鋼鐵產業綠色化、可持續發展具有深遠意義，將積極推動鋼鐵材料和建筑行業向低成本、綠色化生產技術轉型躍升。
