鐵，元素符號Fe，源于拉丁文ferrum，是一種具有光亮銀白色外觀的過渡金屬，由大質(zhì)量恒星的聚變產(chǎn)生。在超新星的劇烈坍塌之前，它是能量釋放產(chǎn)生的最后一種元素，56個核子的原子核中的每個核子（不分質(zhì)子和中子）在所有元素中具有最低的質(zhì)量。金屬鐵或天然鐵很少在地球表面發(fā)現(xiàn)，因為它容易氧化。鐵的主要礦石有赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、褐鐵礦(Fe2O3·nH2O)、菱鐵礦(FeCO3)和黃鐵礦(FeS2)。
圖為太陽系元素豐度及可能的核合成起源[1]
一般采用高爐冶煉的碳含量不小于2.11wt.%的鐵碳合金被稱為生鐵，將碳含量小于0.0218wt.%的鐵稱為純鐵，圖2。根據(jù)用途，生鐵可以分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵等幾種；純鐵可以分為原料純鐵、電磁純鐵和軍工純鐵。根據(jù)雜質(zhì)含量的高低，生鐵可分為生鐵、高純生鐵、超純生鐵；純鐵可分為純鐵（2N-3N）、高純鐵（4N級）和超純鐵（5N-6N）。
圖為鐵碳相圖（對數(shù)橫坐標）
盡管中國是世界最大的鋼鐵生產(chǎn)國，粗鋼產(chǎn)量占世界總量一半以上，但高端特殊鋼與特種合金的品質(zhì)方面還有一定的差距，其中生產(chǎn)這些高端材料的鐵基原料純度是一個關(guān)鍵制約因素。目前，可以通過原料精選和精煉方法去除夾雜元素來提高材料的純凈度。生鐵和純鐵作為鑄造和煉鋼行業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)鐵基材料，其純度高低直接影響高端特殊鋼與特種合金的品質(zhì)。
圖為高純生鐵（左）和公斤級4N7級高純鐵（右）
河北龍鳳山鑄業(yè)通過自主創(chuàng)新的“三精法（精料、精煉、精處理）”生產(chǎn)工藝，成功研制出了高純生鐵和超高純生鐵。其中，高純生鐵和超高純生鐵中鉻、釩、鉬、錫、銻、鉛、鉍、碲、砷、硼、鋁等11種微量元素含量總和分別小于0.057%和0.021%，鈦、錳、磷、硫等有害元素含量也極低。龍鳳山鑄業(yè)生產(chǎn)的高純生鐵和超純生鐵組織致密、無氣孔和夾渣、表面潔凈，可廣泛用于高端鑄鐵件、鑄鋼件、特殊鋼冶煉等，能夠減少廢鋼帶入的雜質(zhì)與有害元素對材料的影響（圖3）。例如，采用高純生鐵和超高純生鐵能保證冶金質(zhì)量和高純凈度，生產(chǎn)的核乏燃料儲運容器組織致密，無鑄造缺陷和晶界偏析夾雜；生產(chǎn)的車軸齒輪箱、變速箱體和大型曲軸等軍工配件的動態(tài)力學性能、疲勞性能和過熱能力好；生產(chǎn)的艦船柴油機機體、缸蓋、缸套等高端鑄件具有高的抗熱疲勞強度、硬度和耐磨性，提高了發(fā)動機的使用壽命。
圖為高純、超純生鐵在核乏燃料、機車變速箱和曲軸上的應用
高端特殊鋼與特種合金使用最多的原料莫過于純鐵。純鐵不僅是冶煉原料，本身也是一種材料。我們知道，工業(yè)規(guī)模制備純鐵可以追溯到1886年美國西屋電氣公司首先用雜質(zhì)含量0.4%的熱軋低碳鋼板制備低碳電工鋼。1910年美國阿姆科鋼鐵公司（Armco Steel Corporation）首先采用平爐冶煉出了純度為99.75%的純鐵（即阿姆科鐵），成為了工業(yè)用純鐵的代名詞。目前，國內(nèi)外能夠工業(yè)化大規(guī)模實現(xiàn)3N級純鐵的生產(chǎn)，但無法工業(yè)化生產(chǎn)4N級以上的純鐵。自純鐵誕生以來，其發(fā)展一直在促進工業(yè)的進步。隨著冶金技術(shù)和冶煉裝備的進步，發(fā)達國家（美國、日本、德國、瑞典和法國等）越來越重視高純鐵和超純鐵的研發(fā)。例如，日本東邦亞鉛公司采用電解法成功開發(fā)出了純度為3N5-5N的高純鐵及超純鐵，并且已實現(xiàn)了商業(yè)化，并且于2021年成功開發(fā)出了高純鐵和超純鐵金屬箔（圖4），具備良好的耐蝕性、磁性能和力學性能。
圖為日本東邦亞鉛公司生產(chǎn)的4N和5N純鐵金屬箔
純鐵純度提高到極限后，將會表現(xiàn)出很多不同的現(xiàn)象。2015年美國NIST聯(lián)合日本、比利時和德國等針對3N8-6N8純鐵進行了力學測試，發(fā)現(xiàn)純度提高后，6N8純鐵在低10-5 s-1應變速率下屈服強度最低能達到28 MPa[2]，遠低于對純鐵傳統(tǒng)的屈服強度極限的認知。國內(nèi)關(guān)于高純鐵和超純鐵的研究起步雖然較晚，但近幾年也取得了可觀成果。河北龍鳳山鑄業(yè)與上海大學材料學院、鋼研總院以龍鳳山的超高純生鐵為基礎(chǔ)，創(chuàng)新的提出了工業(yè)化火法生產(chǎn)4N級高純鐵的新工藝流程，同時已在上海大學實驗室制備出公斤級4N4高純鐵（圖3），其平均屈服強度最低能達到58 MPa。
圖為河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司
圖為上海大學
圖為上海大學主辦的基礎(chǔ)件材料創(chuàng)新發(fā)展論壇
提高純鐵的純度，作為原料有效改善高端特殊鋼與特種合金純凈度，提高材料性能；作為磁性材料，高純度能夠顯著降低矯頑力，提高磁導率。高超純鐵具備高熔點、高塑性的特點，本身是很有發(fā)展?jié)摿Φ能姽ば虏牧?。高超純鐵雜質(zhì)含量低，能大幅減少高端特殊鋼與特種合金中的夾雜物與有害元素，有助于提高韌性、疲勞強度和蠕變強度，可用于飛機起落架、航空軸承、傳動變速裝置等高端裝備，能夠顯著提升我國工業(yè)實力和國防能力。高超純鐵的夾雜物極少，能有效降低材料的電極電位差異，避免點蝕發(fā)生，形成所謂的高超純不銹鐵。
圖為CRNO硅鋼和不同純度純鐵的磁滯回線
圖為高超純鐵在高端裝備與武器裝備上的應用潛力
高純鐵和超純鐵的研究還具有重要科學意義：一方面研究純鐵的功能性特征可以深入理解鐵的各種性態(tài)，探索自然與宇宙物質(zhì)的演變；另一方面，研究鐵的力學性能可以揭示鐵的強度極限，研究材料的強度理論基礎(chǔ)，理解作為量大面廣材料的缺陷強化的潛力，為鋼鐵材料的高性能化的發(fā)展提供科學指導。
發(fā)展高純、超純的生鐵與純鐵在科學上和工程上都具有重要的意義。能夠促進和強化工業(yè)的材料基礎(chǔ)，提升我國綜合實力，是我國工業(yè)化發(fā)展的時代必然。
[1] He J, Bing G, Liu W, et al. How were the heavy chemical elements beyond iron made in the Universe?[J]. Chinese Science Bulletin, 2018.
[2] Lucon E, Abiko K, Lambrecht M, et al. Tensile properties of commercially pure, high-purity and ultra-high-purity iron: Results of an international round-robin. 2015.
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