鐵，元素符號Fe，源於拉丁文ferrum，是一種（zhǒng）具有光亮銀白（bái）色外觀的過渡金屬，由大質量恒星的聚變產生（shēng）。在超新星的劇烈坍（tān）塌之前，它是（shì）能量釋放產生的***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）在所有元素中（zhōng）具有***低的質量。金屬鐵或天然鐵很少在（zài）地球表麵發現，因為它容易氧化。鐵的主要礦石有（yǒu）赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、褐鐵礦(Fe2O3·nH2O)、菱鐵礦(FeCO3)和黃鐵礦(FeS2)。
圖為太陽係元素豐度及（jí）可能的核合成起源（yuán）[1]
一般（bān）采用高爐冶煉的碳含量不（bú）小於2.11wt.%的鐵碳合金被稱為生鐵（tiě），將碳含（hán）量小於0.0218wt.%的鐵稱（chēng）為純鐵，圖2。根據用途，生鐵可以（yǐ）分為煉鋼生鐵、鑄造（zào）生鐵等（děng）幾種；純鐵（tiě）可以（yǐ）分為原料純鐵、電磁純鐵和軍工純鐵。根據雜質含量的高低，生鐵可分為（wéi）生鐵、高純生鐵、超純（chún）生鐵；純鐵可分為純鐵（2N-3N）、高純（chún）鐵（4N級）和超（chāo）純鐵（5N-6N）。
圖為鐵碳相圖（tú）（對數（shù）橫坐標（biāo））
盡管中國是世界***大的鋼鐵生產（chǎn）國，粗鋼產量占（zhàn）世界總量一半以上，但高端特殊鋼與特種合（hé）金的品質方麵還有一定的（de）差距，其中生產這些高端材料的鐵基原料純度是一個關鍵（jiàn）製約因素。目（mù）前，可以通過（guò）原料精選和精煉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（zào）和煉鋼行業的關鍵基礎鐵基材料，其純度高低直接影響高端特殊鋼與特種合金的品質。
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自主創新的三精法（精料、精煉、精處理）生產工藝，成功研（yán）製（zhì）出了高純生鐵和超高純生鐵（tiě）。其中，高純（chún）生鐵和（hé）超高純生鐵中鉻、釩、鉬、錫（xī）、銻、鉛、鉍、碲、砷、硼、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（jí）低。龍鳳山鑄（zhù）業生產的（de）高純生鐵和超純生鐵組織致密、無氣孔和夾渣、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質與有害元素對材料（liào）的影響（圖（tú）3）。例如，采（cǎi）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（qì）組織致密（mì），無鑄造缺陷和晶界偏析（xī）夾雜；生產的車軸齒輪箱、變速箱體和大型曲軸等軍工配件的動態力學性能、疲（pí）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（gāo）端鑄件（jiàn）具有高的抗熱（rè）疲勞強（qiáng）度（dù）、硬（yìng）度和耐磨性，提高了（le）發動機的使用壽命。
圖為高純、超純生鐵在核乏燃料、機車變（biàn）速箱和曲（qǔ）軸上的應用
高端特殊鋼與特種合金使用***多的原料莫過於純鐵。純鐵不僅是冶煉原料，本身也是一種材料（liào）。我們知道，工業規模（mó）製備純鐵可以追溯到1886年美國西屋電氣公司首先用雜質（zhì）含量0.4%的熱軋低碳鋼板製備低碳電（diàn）工鋼。1910年美國（guó）阿姆科鋼鐵公司（Armco Steel Corporation）首先（xiān）采用平爐冶煉出了純（chún）度為99.75%的純鐵（即阿姆科鐵），成為了工業用（yòng）純鐵的代名詞。目前，國內外能夠工業化大規模實（shí）現3N級純鐵的生產，但無法工業化生產4N級以上的純鐵。自純鐵誕生以來（lái），其發展一直在（zài）促進工業的進步。隨著冶金技術和（hé）冶煉裝備的進步，發（fā）達******（美國、日本、德國（guó）、瑞典和法（fǎ）國等）越來越重視高純鐵和超（chāo）純鐵的（de）研發。例如，日本東邦亞鉛公司采用（yòng）電解法成（chéng）功開發出了純度為3N5-5N的高純鐵及超純鐵，並且已實現了商業化，並且於2021年成功開發出了高純鐵和超純（chún）鐵金（jīn）屬箔（圖4），具備良好的耐蝕性、磁性能和力學性能。
圖（tú）為日本東邦亞鉛公司生產的4N和5N純鐵金屬箔（bó）
純鐵純（chún）度提高到極限後（hòu），將會（huì）表現出很多（duō）不同的現象。2015年美（měi）國NIST聯合日本、比利時和德國等（děng）針對3N8-6N8純鐵進行了力學測試，發現純度提高後（hòu），6N8純鐵在低10-5 s-1應變速率下屈服強度***低能達（dá）到28 MPa[2]，遠低於對純（chún）鐵傳統的屈服強度極限的認知（zhī）。國內關於高純鐵和超（chāo）純鐵的研究起步雖然較晚，但近幾年也（yě）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為基礎，創新的提出了工業化火法生產4N級高純鐵的新工藝流程，同時（shí）已在上海（hǎi）大學實驗室製備出公（gōng）斤級4N4高純（chún）鐵（圖（tú）3），其平均屈（qū）服強度***低能達到58 MPa。
圖為河（hé）北龍鳳山鑄業有限（xiàn）公司（sī）
圖為上海大學
圖為上海大學主（zhǔ）辦的基礎件材料（liào）創新發展論壇
提高純鐵的純度，作為（wéi）原料有（yǒu）效改善高端特殊鋼與特種合（hé）金純淨度，提高材（cái）料性（xìng）能；作為磁（cí）性材料，高純度能（néng）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（yǒu）發展潛（qián）力的軍工新材料。高超純鐵雜質（zhì）含量低，能大幅減少高端特（tè）殊鋼與特種合金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（qǐ）落架、航空軸承、傳動變速（sù）裝置等高端裝備，能夠顯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，能有效降低材料的電極電位差異，避免點蝕發生，形成所謂的高超純不鏽鐵。
圖為（wéi）CRNO矽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（qián）力（lì）
高純鐵和超純鐵的研究還（hái）具有（yǒu）重要科學（xué）意義：一方麵研究（jiū）純鐵的功能（néng）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；另一方麵，研究鐵的力學（xué）性能可以揭示鐵的強度極限，研究材料的強度理論基礎（chǔ），理解作為量大麵（miàn）廣（guǎng）材（cái）料的（de）缺陷強（qiáng）化的潛力，為鋼鐵材料的高性（xìng）能化的發（fā）展（zhǎn）提供（gòng）科學指導。
發展高純、超純的生鐵與純鐵（tiě）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的材料基礎（chǔ），提升我國綜合實力，是（shì）我國工業化（huà）發展的時代必（bì）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.
（部分圖片來源於網絡）
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