鐵，元素符號（hào）Fe，源於拉丁文ferrum，是一種具有光亮銀白色外觀（guān）的過渡金屬，由大質量（liàng）恒星的聚變產生。在超新星的（de）劇烈坍塌之（zhī）前，它是能量釋（shì）放產生的***後一種元素（sù），56個核子的原子（zǐ）核中（zhōng）的每個核子（不分質子和中子）在所有元素中具有***低（dī）的質量。金屬鐵或天（tiān）然鐵很少在地球表麵發現，因為它容易氧化（huà）。鐵的主要礦石有赤鐵礦（kuàng）(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、褐鐵礦(Fe2O3·nH2O)、菱鐵礦(FeCO3)和黃鐵礦(FeS2)。
圖為太陽係元素豐（fēng）度及可能的核合成起源[1]
一般采用高爐冶煉的碳含（hán）量不（bú）小於2.11wt.%的鐵碳（tàn）合金被稱為生鐵，將碳含量（liàng）小於0.0218wt.%的鐵稱為純鐵，圖2。根據用途，生鐵可以分為（wéi）煉鋼生鐵、鑄造生鐵等幾種（zhǒng）；純鐵可以分為原料純鐵、電磁純鐵和軍（jun1）工純鐵。根據雜質含量的高低，生鐵可分為（wéi）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（對數橫坐標（biāo））
盡管中國是世界***大的鋼鐵生產（chǎn）國，粗鋼產量占世界總量一半以上，但高端特殊鋼與特種合金的品質方麵還有一定的差距，其中生產這些高端材料的鐵基原料純度是一個關（guān）鍵（jiàn）製約因（yīn）素。目前，可以通過原料精選和精煉方法（fǎ）去除夾雜元素來（lái）提（tí）高材料（liào）的純淨度。生鐵和純鐵作為鑄（zhù）造和煉鋼行業的關鍵基礎（chǔ）鐵基材（cái）料，其純度高低直接影響高（gāo）端特（tè）殊鋼與特種合金的品質。
圖為高純生鐵（左）和公斤級4N7級高（gāo）純鐵（右）
河北龍鳳山鑄（zhù）業（yè）通過自主創新的三精法（精料、精煉、精（jīng）處理）生產工藝，成功研（yán）製出了高純生鐵和超高純生鐵（tiě）。其中，高純生鐵和（hé）超高純生鐵中鉻、釩、鉬、錫、銻、鉛、鉍、碲、砷、硼、鋁等11種微量元素（sù）含（hán）量總和分別小於（yú）0.057%和0.021%，鈦、錳、磷、硫等（děng）有害元素含（hán）量也極低。龍鳳山（shān）鑄業生產的高純生鐵和超純生鐵組織致密、無氣孔和（hé）夾渣、表麵潔淨，可廣泛用於高端鑄鐵件、鑄鋼件、特殊鋼冶煉等，能夠減少廢鋼帶入的雜（zá）質與有害元素對材料的影響（圖3）。例如（rú），采用高純生鐵和超高純生鐵能保證（zhèng）冶金質量和高純（chún）淨度，生產（chǎn）的核乏燃料儲運容器組織致密，無鑄造缺（quē）陷和晶界偏析夾雜；生產的車軸齒輪（lún）箱、變速箱體和大型曲軸（zhóu）等軍工配件的（de）動態力學性能、疲勞性能和過熱能力好（hǎo）；生產的（de）艦船柴油機（jī）機（jī）體、缸蓋、缸套等高端鑄件具有（yǒu）高（gāo）的抗熱疲（pí）勞強度、硬度和耐磨性，提高了發動機的使用（yòng）壽命。
圖為高純、超純生鐵在核乏燃（rán）料、機車變速箱和曲軸上的應用
高端特（tè）殊鋼與（yǔ）特種合金使用***多的（de）原料莫過於純鐵。純鐵不僅是冶煉原料，本身也是一種材料。我們知道，工業規模製備純鐵可以追溯到1886年美國西屋電（diàn）氣公司首先用雜質含（hán）量0.4%的熱軋低碳鋼板製（zhì）備低碳電工鋼。1910年（nián）美國阿姆科鋼鐵公司（Armco Steel Corporation）首先采用平爐冶煉出了純（chún）度為99.75%的純鐵（即阿姆科鐵），成為了工（gōng）業用純鐵的代名詞。目前，國內（nèi）外能夠工業化大（dà）規（guī）模實現3N級純鐵的生產，但（dàn）無法工（gōng）業化生產4N級以上的（de）純（chún）鐵。自純鐵誕（dàn）生以來（lái），其發展一直在促進工（gōng）業的進步。隨著冶金技（jì）術（shù）和冶煉裝備的進步，發達******（美國、日本、德國、瑞典和法國（guó）等）越來越（yuè）重（chóng）視高純（chún）鐵和超純鐵的研發。例如，日本東邦亞鉛公司采用電解法成功開發出了純度為3N5-5N的高純鐵及超純鐵，並且已（yǐ）實現了（le）商業化，並且於2021年成功開（kāi）發出了高純鐵和超純鐵金屬箔（圖4），具備良好的耐蝕（shí）性、磁（cí）性能和力學性能（néng）。
圖為日本東邦亞鉛公司生產的4N和5N純鐵（tiě）金屬箔
純鐵純度提高到極限（xiàn）後，將會表現出很多不同的現象。2015年美國NIST聯合（hé）日本、比利時和德國等針對3N8-6N8純鐵進行了力（lì）學測試（shì），發（fā）現純度提高後，6N8純鐵在低10-5 s-1應變速率下屈服強度（dù）***低能達到28 MPa[2]，遠低於對（duì）純鐵傳統的屈服強度極限的認知。國內關於高純鐵（tiě）和（hé）超純鐵的研（yán）究（jiū）起步雖然較晚，但近幾年也取得了可觀成果。河北龍鳳山鑄業與上海大學材料學院、鋼研總院以龍鳳山的超高純生鐵（tiě）為基礎，創（chuàng）新的提出了工業（yè）化（huà）火法生產4N級高純鐵的新工藝流程，同時已在上海大學實驗室製備出公斤級4N4高純鐵（圖3），其平均屈服強度***低能達（dá）到58 MPa。
圖為河北龍鳳山鑄業有限公司
圖為（wéi）上海大學（xué）
圖（tú）為上海大學主（zhǔ）辦的（de）基礎件材料創新發展論（lùn）壇
提高純鐵的純（chún）度（dù），作為（wéi）原料有效改善高端特殊鋼與特種合金純淨度，提（tí）高材料性能；作為磁性材料，高純（chún）度能夠顯著（zhe）降低矯頑（wán）力，提高磁導率。高超純鐵具備高熔點（diǎn）、高塑性的特點，本身是很有發展潛力的軍工新材料。高超（chāo）純鐵雜質（zhì）含量低，能大（dà）幅（fú）減少高端特殊鋼與特種合金（jīn）中的夾雜物與有害元素，有助於提高韌性、疲勞強度和蠕變強度，可用於飛機起落架、航空軸（zhóu）承、傳動變速裝置等高（gāo）端（duān）裝（zhuāng）備，能夠顯（xiǎn）著提升我國工業實力和國防能（néng）力。高超純鐵的夾雜物極少（shǎo），能有效降低材料的電極電位差異（yì），避免點蝕發（fā）生，形（xíng）成（chéng）所謂的（de）高超純不鏽鐵。
圖（tú）為CRNO矽鋼和不同純度純鐵的磁（cí）滯回線
圖（tú）為高超純鐵在高端裝備與武器裝備上的應（yīng）用（yòng）潛力
高純鐵和超純鐵的研究還具（jù）有重要科學意（yì）義（yì）：一方麵研（yán）究純鐵的功能性特征可以深入理解鐵的各種性態，探索自然與宇宙物質的演變；另（lìng）一方麵，研究鐵的力學性能可（kě）以揭示鐵的強度極限，研究材料的強度理論基礎，理解作為量（liàng）大麵廣（guǎng）材料的缺陷強化的潛力，為鋼鐵材料（liào）的高性能化的發展提供科學指導。
發展（zhǎn）高純、超（chāo）純的生鐵與純（chún）鐵在科學上和工程上都具有（yǒu）重要的意義。能夠（gòu）促進和（hé）強化工業（yè）的材料基礎，提升我國（guó）綜合實力，是我國工業化發（fā）展的時代必然（rán）。
[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.
（部分圖片來（lái）源於網（wǎng）絡）
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