鐵，元（yuán）素符號Fe，源於拉丁文ferrum，是一種具有光亮銀白色外觀的過渡金屬，由大質量（liàng）恒星（xīng）的（de）聚變產生。在超新星的（de）劇（jù）烈（liè）坍塌（tā）之前，它是能量釋放（fàng）產生的***後一種元素，56個核子的原子核中的每個核子（不分質子和中子）在所（suǒ）有（yǒu）元素中（zhōng）具有***低的質（zhì）量。金屬鐵或天然鐵（tiě）很少（shǎo）在地球表麵發（fā）現，因為它容易氧化。鐵的主（zhǔ）要礦石（shí）有赤鐵礦(Fe2O3)、磁（cí）鐵礦(Fe3O4)、褐鐵礦(Fe2O3·nH2O)、菱鐵礦（kuàng）(FeCO3)和黃鐵礦(FeS2)。
圖為太陽係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於2.11wt.%的鐵（tiě）碳合金被稱為生鐵，將（jiāng）碳含量（liàng）小於0.0218wt.%的鐵稱為純鐵（tiě），圖2。根據用途，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（chún）鐵（tiě）、電磁純鐵和軍工純（chún）鐵。根據雜質含量的高低（dī），生鐵可分為生鐵、高純生鐵、超純（chún）生鐵；純鐵可分為純鐵（tiě）（2N-3N）、高純鐵（4N級）和（hé）超純（chún）鐵（5N-6N）。
圖為鐵碳相圖（對數橫坐（zuò）標）
盡管中國是世界***大的鋼鐵生產國，粗鋼產量占世界總量一半以上，但高端特殊（shū）鋼與特種合金的品質方麵還有（yǒu）一定的差距，其（qí）中生產這些高端材料的鐵基原（yuán）料純度是（shì）一個關鍵製約因素。目前，可以（yǐ）通（tōng）過原（yuán）料精選和精煉（liàn）方法去除夾雜元素來提高材料的純淨度。生鐵和純鐵作為鑄造和煉鋼行業（yè）的關鍵（jiàn）基礎鐵基材料，其純度高低直接影響高端特殊鋼與特種合（hé）金的（de）品質。
圖為高純生鐵（左）和（hé）公斤級4N7級高純鐵（右）
河北龍鳳山鑄業通過（guò）自主（zhǔ）創新的三精（jīng）法（精料（liào）、精煉、精處理）生產工藝，成功研製出了高純生鐵和（hé）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（péng）、鋁等11種微量元素含量總和分別小於0.057%和0.021%，鈦、錳、磷、硫等有害元素含量也極低。龍鳳山鑄業生產的高純生鐵和超純生鐵組織致密、無氣（qì）孔和夾渣、表麵潔淨，可廣泛用於高端鑄鐵（tiě）件、鑄鋼件（jiàn）、特殊鋼冶煉等，能夠（gòu）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量和高純淨度，生產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；生產的（de）車（chē）軸齒（chǐ）輪箱、變速箱體和大型曲軸等軍工配件的動態力學性能、疲勞性能和過（guò）熱能力好；生產的艦船柴油（yóu）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（tí）高了發動機的使用壽命（mìng）。
圖（tú）為高純、超純生鐵在核（hé）乏燃（rán）料、機車變速箱和曲軸上的應用
高端特（tè）殊鋼（gāng）與特種合金使用***多的（de）原料莫過於純鐵。純（chún）鐵不僅（jǐn）是冶煉原料（liào），本身也是一（yī）種材料。我們知（zhī）道，工業規模製備純鐵可以追溯到1886年美國西屋電（diàn）氣公司首先（xiān）用雜質含（hán）量0.4%的熱軋低碳（tàn）鋼板製備低碳電工鋼。1910年美國阿姆科（kē）鋼鐵公司（Armco Steel Corporation）首先采用（yòng）平爐冶（yě）煉出了（le）純度為（wéi）99.75%的純鐵（即阿姆科鐵），成為了工業用純鐵的代名詞。目前，國內外能夠工業化大規模實現3N級純鐵的生產，但無法工業化生產4N級（jí）以上的純鐵。自純鐵誕生以來，其發展一直在促進工業的進步。隨著冶金技術和冶（yě）煉（liàn）裝備的（de）進（jìn）步（bù），發達******（美國、日本、德（dé）國、瑞典和法國等）越來越重（chóng）視高純鐵和超純鐵（tiě）的研發。例如，日（rì）本東邦亞（yà）鉛公司采用電解法成功開（kāi）發出了純度為3N5-5N的高純鐵及超純鐵，並且已實現了商業化，並且於2021年（nián）成功開發出了高純鐵和超純鐵金屬箔（bó）（圖4），具備良好的耐蝕性、磁性能和力學性能。
圖為日本東邦（bāng）亞鉛公司生產的4N和5N純鐵金屬箔
純鐵純度提（tí）高到（dào）極限後，將會表（biǎo）現出很多不同的現象。2015年美國NIST聯合日本、比利時和德國等針對3N8-6N8純鐵進行（háng）了力學測試，發現純度提高後，6N8純鐵在（zài）低10-5 s-1應變速率下屈服強度***低能達到28 MPa[2]，遠低於對純鐵傳統（tǒng）的屈服強（qiáng）度極限的認知（zhī）。國內關於高純鐵和超純鐵（tiě）的研究起（qǐ）步雖然較晚，但近幾年也取得了可觀成果。河北龍（lóng）鳳山鑄業與上海大學材料（liào）學院、鋼研總院以龍鳳山的超高純生（shēng）鐵為基礎，創新的提出了工業化火法生產4N級高純鐵的新工（gōng）藝（yì）流程，同時已在上海大學實驗室製備出公斤級4N4高（gāo）純鐵（圖3），其平均屈服強度***低能達到58 MPa。
圖為河（hé）北龍鳳山鑄業有限公司
圖為（wéi）上海大學
圖為上海大學主辦的基礎件材料創新發展（zhǎn）論壇
提高純鐵的純度，作為原料有效改（gǎi）善高（gāo）端特殊（shū）鋼與特種合金純淨度，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（tí）高磁導率。高超純鐵（tiě）具備高熔點、高（gāo）塑性的特點（diǎn），本身是很有發展（zhǎn）潛力（lì）的軍工新（xīn）材（cái）料。高超純鐵雜質含量（liàng）低，能（néng）大幅減少高端特（tè）殊鋼與（yǔ）特種合金中的夾雜物與有害元素（sù），有助於提高韌（rèn）性、疲勞強度和蠕變強度（dù），可用於飛（fēi）機起落（luò）架、航空軸（zhóu）承、傳動變速裝（zhuāng）置等高端（duān）裝（zhuāng）備，能夠顯著提升我國工業實力和（hé）國防能（néng）力（lì）。高超純鐵的夾雜物極少（shǎo），能有效降低材（cái）料的電極電位差異，避免點蝕發生，形（xíng）成所謂的（de）高超純不鏽鐵（tiě）。
圖為CRNO矽鋼（gāng）和不同純度純（chún）鐵的磁滯回線
圖為高超純鐵在高端裝備與武器（qì）裝備上的應用潛（qián）力
高純鐵和超純鐵的研究（jiū）還具有重要科學意義：一方麵研究純鐵的功能性特征（zhēng）可以深入（rù）理解鐵的各種性（xìng）態，探索自然與宇宙物質的演變；另一方麵，研究鐵的（de）力學性能可以揭示鐵的強度極限，研究（jiū）材料的強度理論基礎，理解作為量大麵廣材料的缺陷強化的潛力，為鋼鐵（tiě）材料的高性能化的發展提供科學指（zhǐ）導。
發展高純、超純的生鐵與純鐵（tiě）在科學上和工程上都具（jù）有重（chóng）要的意義。能夠促進和強化工業的材料基礎，提升我國綜合實力，是我國工業化發展的時代必然。
[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.
（部分（fèn）圖片來源於網絡）
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