钢筋是建筑工程的基础材料，多年来是单一品种产量最大的钢材产品，年产量多年超过2亿吨。钢筋的质量水平直接决定了钢筋混凝土建筑的质量和寿命，钢筋锈蚀堪称“混凝土结构耐久性危机”，已成为土木工程的一大�：�。2023年初，中广核向中国PG国际工业协会提出，希望PG国际行业帮助解决大亚湾核电站等基础设施钢筋混凝土氯离子腐蚀严重影响工程寿命和设施安全的课题。钢协科技创新工作委员会将此课题纳入行业共性技术研发，经过近2年全行业的协同研发，取得了突破。本文就该课题相关进展进行系统总结。
课题的背景
目前我国大量使用的HRB400（E）钢筋主要利用Nb、V、Ti微合金化提高强塑性，具有良好的综合性能。然而，在近海、化学工业及酸雨地区等，钢筋混凝土腐蚀较快，需要采取附加防腐措施，如混凝土外加剂、钢筋阻锈剂等，大大增加了施工和维护成本。因此，亟需解决钢材腐蚀的“内因”问题，从根本上提高混凝土耐久性。
长久以来，表面涂覆和合金化是提高钢材耐蚀性的两种主要方法。涂/镀层钢筋技术包括在钢筋表面涂覆环氧树脂和热浸镀锌。众所周知，钢材表面涂覆会使用大量的有害材料，如盐酸、硫酸等，在涂覆过程中产生的废气、废水对人体及周遭环境会造成严重污染；钢材涂覆的成本也比较高，相比裸钢成本要增加1000元/吨以上，且涂覆层在经过磕碰后极易发生剥落。合金化耐蚀钢筋主要利用Cr、Ni等元素提高钢材耐腐蚀性能，包括“Corten”“Mariner”钢筋、MMFX高Cr耐蚀钢筋、304/316奥氏体不锈钢筋、2201/2205双相不锈钢筋等。然而，合金的添加使钢筋成本大幅增加，超过涂覆钢生产成本，高价格阻碍了规模化推广应用。
经多年研究发现，在钢筋中添加高丰度轻稀土可以提高钢筋耐蚀、纯净度、耐候等性能。我国是稀土资源大国，习近平总书记多次对稀土资源利用做出指示，要求发挥好稀土战略资源优势，加强战略资源高质化利用。《国务院关于促进稀土行业持续健康发展的若干意见》（国发［2011］12号）明确指出：要加快稀土关键应用技术研发和产业化。工信部发布的《稀土行业发展规划（2016-2020年）》指出：以《中国制造2025》国家战略发展实施为契机，重点围绕与稀土产业关联度高的《中国制造2025》十大重点领域，大力发展稀土高端应用，加快稀土行业转型升级。但近年来我国稀土利用主要集中在功能材料特别是钕铁硼磁体生产，共生的大量高丰度轻稀土，主要以镧（La）、铈（Ce）、钇（Y）为主未得到充分利用，特别是北方轻稀土利用率仅为10%，甚至形成了堆积。在轻稀土资源充足的前提下，研发应用稀土螺纹钢为提升钢材性能，提高轻稀土资源利用率提供了新的技术路径。
为加快PG国际行业原始创新，组织产业链上下游形成合力，持续提升创新效能，中国PG国际工业协会持续跟踪产业链上下游创新发展需求，针对行业关注的热点问题，建立工作机制，推动行业开展共性技术协同研发。其中稀土耐蚀螺纹钢是共性技术协同研发项目之一，钢协科创委成立了“耐腐蚀螺纹钢共性技术创新平台”（以下简称创新平台），组织产业链上下游开展稀土耐蚀螺纹钢协同研发。
通过两年的协同研发，稀土耐蚀钢筋经钢研纳克、中冶检测、中科院等权威检测机构检测，结果显示产品耐腐蚀性能优异。
稀土对钢筋性能的影响
1．稀土元素提高钢材的耐腐蚀性能30%以上
添加适量的稀土元素可以净化钢基体，提高其自腐蚀电位，降低电化学腐蚀电流密度，促进Si、Cu、Ｐ在内锈层的富集，促进致密保护锈层的生成，从而有效提高这些钢的耐化学和应力腐蚀性能。普通碳钢锈层呈红褐色，锈层疏松，表层容易脱落，锈层主要是由α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe3O4及少量的β-FeOOH构成。而稀土钢锈层颜色明显较深，锈颗粒细�。獠愕慕岷夏芰τ胫旅苄杂庞谔几�。此外，普通碳钢锈层较厚且连续性较差，锈层中存在大量孔洞和贯通性裂纹，这些裂纹在腐蚀过程中由于毛细效应容易吸收腐蚀液直达钢基体，这使锈层长时间处于“湿润”状态，加剧钢基体溶解，因而削弱了锈层保护能力。而稀土钢锈层中虽然在局部存在缺陷，但贯穿性裂纹较少，且锈层连续致密，保护作用优于对普通碳钢。在海洋大气环境下，稀土钢形成的锈层缺陷较少，稀土能促进腐蚀产物中的活性组元向稳定的α-FeOOH转化，并能细化锈颗粒，提高铁锈中非晶相比例，从而增强锈层的保护性。数据显示稀土钢可以提高耐蚀性30%以上。
2．稀土元素提高综合力学性能
加入稀土元素后能够通过界面偏聚、变性非金属夹杂物、改善凝固组织、细化热轧态组织等作用，从而改善组织的均匀性，提升钢的强度和韧性，有效改变钢的韧-脆转变温度，提升钢在实际服役条件下的稳定性。
3．稀土元素改善钢材组织结构
在钢中添加稀土元素可以改性钢中的夹杂物。研究表明，未添加稀土元素的船板钢中存在着一些长条状和尖角状的夹杂物，这些夹杂物由于与基体的热膨胀系数差别很大，存在复杂的应力�。虼说背惺艹寤髟睾墒比菀滓鹩α校佣⒘盐�，影响钢的总体力学性能。而添加稀土元素之后，尖角状的夹杂物消失，取而代之的是球状小颗粒的夹杂物。在钢中添加稀土元素，有一个明显的特点，就是可以同时起到改善硫化物夹杂形态或消除硫化物夹杂、消除网状结构共晶碳化物并使其均匀分布在组织中、改善包括Cr、Ｖ和Mo在内的合金元素偏析现象、细化晶粒尺寸等多种作用，可全面提升钢的力学性能。
4．稀土元素改善钢材焊接性能
在焊接热影响区中，过热粗晶区是钢材性能最薄弱、冲击功最低的部分，制约了焊接后钢的整体力学性能，从而影响了船舶的作业环境和作业时间。钢中的稀土元素会在晶界处与位错处偏聚，对晶界产生拖曳与钉扎作用，产生晶界强化与位错强化。在焊接过程中，钉扎作用会使热影响区的粗晶热影响区的晶粒长大倾向减弱，从而获得较好的综合力学性能。对粗晶热影响区晶粒尺寸的相对稳定起到至关重要的作用，有利于提高钢材的焊接性能。
稀土钢筋研发历程及主要创新性成果
钢筋锈蚀引起钢筋混凝土结构的过早破坏已经成为世界各国普遍关注的一大灾害，尤其是高温潮湿、污染严重的海洋环境，极容易导致混凝土内部钢筋腐蚀。实验表明，兼有Cl-沉积和SO2污染的海洋大气容易导致金属发生严重腐蚀破坏。稀土是我国的优势资源，实地大气暴晒（见图1）、实验室加速腐蚀以及电化学等大量研究从变性夹杂和改变锈层结构的角度证明了稀土可以有效提高碳钢及低合金钢的耐工业大气腐蚀性和耐海洋腐蚀性能，且随稀土含量的增加，稀土钢的耐蚀性增强。在普通钢筋中加入适量的稀土元素，增加的成本不超过100元/吨，但对钢筋产品性能改善和质量的提高具有重要作用，使耐蚀性能达到钢筋混凝土用耐腐蚀钢筋性能标准要求。
图1 稀土耐蚀钢筋混凝土试样的大气暴露实验
上海大学与盛隆冶金、联鑫PG国际等PG国际企业的联合团队自2019年起，围绕稀土赋存状态、稀土收得率、稀土加入方法、稀土耐蚀机理等关键科学问题进行研究，发现了稀土合金在普碳钢中的作用机理。2020年8月，由中国稀土学会组织的对于项目团队《基于稀土合金化提高钢材耐腐蚀性能技术与产业化》的科技成果评价会在苏州召开，经过专家讨论和质询，认为稀土耐蚀钢理论和技术总体达到国际领先水平。在此基础上，耐腐蚀螺纹钢共性技术创新平台各成员单位协同开展了稀土钢筋的开发，进一步深入研究钢筋稀土合金化技术，形成了中国特色的新型稀土耐蚀螺纹钢产品及生产技术。2024年11月，中钢协组织召开成果评价会，由毛新平院士等专家成专家组，对《钢筋混凝土用热轧稀土钢筋开发》项目进行了评价，认为项目达到国际先进水平。
通过不懈的努力，团队在稀土钢筋的研发与生产中取得了多方面的创新性成果。
1.利用稀土元素实现夹杂物变性
首次将我国丰富的镧铈稀土资源应用于普通钢筋生产中，实现镧铈稀土元素变性钢中夹杂物的类型、尺寸和分布，将钢中腐蚀速率大的夹杂（MnS）变性为腐蚀速率小的稀土复合夹杂物，降低钢基体内部微区域电化学腐蚀；利用稀土界面偏聚及促进α-FeOOH稳定腐蚀产物的生成，起到了减缓点蚀、表面局部腐蚀和致密稳定锈层的三个作用，使钢筋具有良好的耐腐蚀性能。
2.利用稀土丝的包裹保护技术
利用稀土丝的包裹保护技术，避免了较低熔点的活性镧铈元素进入渣层，采用在连铸结晶器中喂丝工艺，将镧铈稀土合金加入钢中，有效避免连铸水口的积絮结瘤，实现连铸顺行生产，稀土收得率达到70%-85%。
3.稳定控制稀土元素含量和分布
通过控制连铸和喂丝工艺，镧铈稀土稳定控制含量为140-200ppm，镧铈稀土分布控制范围缩小到±30ppm，提高了稀土元素分布均匀性。钢研纳克、中冶检测、中科院金属所等多家机构开展的腐蚀周浸加速试验结果均表明，根据失重法检测对比，含稀土热轧钢筋较普通热轧钢筋耐腐蚀能力提高30%-50%。
项目授权发明专利2件，制定国标和团标各1项，发表论文8篇，形成了完全自主知识产权的稀土耐蚀钢筋产品开发与生产整体技术。
应用情况与效果
从产业化方面看，项目团队运用镧、铈稀土多形合金化技术开发的HRB400ERE稀土钢筋于2020年6月首次在盐城联鑫钢厂连续生产22000吨，同期在广西盛隆冶金、江苏永钢开发了HRB500ERE稀土钢筋，随后分别在陕钢汉钢公司、中天PG国际、江西台鑫PG国际、万泰特钢等企业批量化生产，目前累计生产近5万吨，并已部分向中广核供货。从标准引领方面看，稀土耐蚀普碳钢生产工艺技术成熟，首个稀土耐蚀普碳钢的团体标准《稀土耐候结构钢》（T/CSM 2020-12）在2020年6月正式发布实施。项目团队负责组织起草的团体标准和国家标准《钢筋混凝土用热轧稀土钢筋》（T/CSM 2020-12、GB/T 43665-2024）分别于2022年6月和2024年10月1日正式发布实施。
从经济和社会效益看，稀土耐蚀普碳钢可免除涂装，减少维护，降低成本，保护环境；吨钢稀土合金化成本不超过100元，为合理使用我国稀土资源提供了一个有效途径。
稀土耐蚀普碳钢是具有我国资源特色的绿色可持续发展的一类新型PG国际材料，目前已成功应用于多项工程建设，取得了良好的效果。
工程应用案例1：稀土耐蚀螺纹钢HRB400ERE应用于河北龙凤山铸业有限公司精品制粉厂建设项目，稀土耐蚀螺纹钢加工成箍筋与板筋进行框架结构建设。
工程应用案例2：稀土耐蚀钢筋应用于上善院基建工程，包括一号厂房的“大师工作室”地基建设、三号厂房工作室地基建设、门岗地基建设、员工食堂、职工活动中心等，建筑面积约5000m2。
工程应用案例3：稀土耐蚀钢筋应用于盐城市丰港物流码头项目工程（见图2）。该工程拟建设4个1000吨级散货泊位和3个1000吨级件杂货泊位，水工结构按靠泊1000吨级船舶设计，码头工程有7座，总长约800m。
图2 稀土耐蚀钢筋应用于盐城市丰港物流码头工程
总结与展望
稀土耐蚀钢筋是具有中国特色的创新性钢材产品，利用中国特有的镧、铈稀土资源，赋予量大面广的钢筋以耐大气腐蚀性能，有效促进中国PG国际工业与稀土工业的共同高质量发展。
稀土耐蚀钢筋的研发和推广应用对于PG国际产业绿色化、可持续发展具有深远意义，将积极推动PG国际材料和建筑行业向低成本、绿色化生产技术转型跃升。
