纯铁

铁，元素符号Fe，源自拉丁语铁，是一种具有明亮银色外观的过渡金属，由大质量恒星融合而成。在超新星剧烈坍缩之前，它是能量释放产生的最后一种元素，56个原子核（不考虑质子和中子）中的每一个都是所有元素中质量最低的。金属铁或天然铁很少出现在地球表面，因为它们很容易氧化。主要铁矿物为赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）、褐铁矿（Fe2O3 nH2O）、菱铁矿（FeCO3）和黄铁矿（FeS2）。

图片显示了太阳系中元素的丰度以及核合成的可能起源【1】

一般用高炉冶炼的含碳量不低于2.11wt.%的铁碳合金称为生铁，含碳量低于0.0218wt.%的铁称为纯铁，如图2所示。根据用途，生铁可分为炼钢生铁、铸造生铁等；纯铁可分为原料纯铁、电磁纯铁和军用纯铁。按照杂质含量，生铁可分为生铁、高纯生铁和超纯生铁；纯铁可分为纯铁（2N-3N）、高纯铁（4N级）和超纯铁（5N-6N）。

该图显示了铁碳相图（对数横坐标）

尽管中国是世界上最大的钢铁生产国，粗钢产量占世界总量的一半以上，但高端特殊钢和特种合金的质量仍有一定差距，其中生产这些高端材料的铁基原料的纯度是关键制约因素。目前可以通过原料选择和精炼去除杂质元素，提高材料的纯度。生铁和纯铁是铸造和炼钢行业的关键基础铁基材料，其纯度直接影响高端特殊钢和特种合金的质量。

图为公斤级4N7的高纯生铁（左）和高纯铁（右）。

河北龙凤山铸业通过“三炼法（精矿、精炼、精处理）”生产工艺的自主创新，成功开发出高纯生铁和超高纯生铁。其中，高纯生铁和超高纯生铁中铬、钒、钼、锡、锑、铅、铋、碲、砷、硼、铝等11种微量元素的总含量分别小于0.057%和0.021%，钛、锰、磷、硫等有害元素的含量也极低。龙凤山铸业生产的高纯生铁和超纯生铁组织致密、无气孔和夹渣、表面洁净，可广泛应用于高端铸铁件、铸钢件、特殊钢冶炼等。，并能减少废钢带来的杂质和有害元素对材料的影响（图3）。例如，使用高纯度生铁和超高纯度生铁可以保证冶金质量和高纯度，生产的核乏燃料储运容器组织致密，无铸造缺陷和晶界偏析夹杂；车桥变速箱、变速箱体、大型曲轴等军用附件的动态力学性能、疲劳性能和过热能力良好；生产的船用柴油机缸体、缸盖和缸套高端铸件具有较高的热疲劳强度、硬度和耐磨性，提高了发动机的使用寿命。

图为高纯和超纯生铁在乏核燃料、机车齿轮箱和曲轴中的应用。

纯铁是高端特殊钢和特种合金使用最多的原材料。纯铁不仅是冶炼的原料，而且是一种材料本身。我们知道，工业制备纯铁可以追溯到1886年，当时西屋电气公司首次从杂质含量为0.4%的热轧低碳钢板中制备出低碳电工钢。1910年，Armco Iron Corporation首次在平炉中冶炼出纯度为99.75%的纯铁（即Armco铁），成为工业纯铁的代名词。目前国内外有可能大规模生产3N级纯铁，但不可能工业化生产4N级以上的纯铁。自纯铁诞生以来，它的发展一直推动着工业的进步。随着冶金技术和冶炼设备的进步，发达国家（美国、日本、德国、瑞典和法国等。）越来越重视高纯铁和超纯铁的研发。例如，日本东邦铅公司通过电解法成功开发出纯度为3N5-5N的高纯铁和超纯铁，并已实现商业化，并于2021年成功开发出具有良好耐腐蚀性、磁性能和机械性能的高纯铁和超纯铁金属箔（图4）。

图为东邦铅业公司生产的4N和5N纯铁箔。

纯铁的纯度提高到极限后，会表现出许多不同的现象。2015年，美国NIST联合日、比、德对3N8-6N8纯铁进行了力学测试。研究发现，纯度提高后，6N8纯铁在10-5 s-1的低应变速率下屈服强度可达28 MPa【2】，远低于传统理解的纯铁屈服强度极限。国内对高纯铁和超纯铁的研究虽然起步较晚，但近年来也取得了相当的成果。河北龙凤山铸造工业、材料学院和上海大学钢铁研究所以龙凤山超高纯生铁为基础，创新性地提出了工业火法冶炼生产4N级高纯铁的新工艺流程，同时在上海大学实验室已制备出4N4级高纯铁（图3），最低平均屈服强度达到58 MPa。

图为河北龙凤山铸造有限公司。

图为上海大学。

图为上海大学主办的基础材料创新发展论坛。

提高纯铁纯度，有效提高高端特殊钢和特种合金原料的纯度，改善材料性能；作为磁性材料，高纯度可以显著降低矫顽力并提高磁导率。超纯铁具有高熔点和高塑性的特点，是一种极具发展潜力的新型军事材料。超纯铁杂质含量低，可大大减少高端特种钢和特种合金中的夹杂物和有害元素，有助于提高韧性、疲劳强度和蠕变强度。它可用机起落架、航空空轴承、传动和变速装置等高端装备，可显著提升中国的工业实力和国防能力。超纯铁中夹杂物少，能有效降低材料的电极电位差，避免点蚀，形成所谓的超纯不锈铁。

图为CRNO硅钢和不同纯度纯铁的磁滞回线。

图为超纯铁在高端装备和武器装备中的应用潜力。

高纯铁和超纯铁的研究也具有重要的科学意义:一方面，研究纯铁的功能特性可以深入了解铁的各种性质，探索自然和宇宙物质的演化；另一方面，研究铁的力学性能可以揭示铁的强度极限，研究材料强度的理论基础，了解作为一种大体积、宽范围材料的缺陷强化潜力，为高性能钢铁材料的开发提供科学指导。

高纯和超纯生铁和纯铁的开发在科学和工程领域具有重要意义。提升和强化工业物质基础，提升我国综合实力，是我国工业化发展的必然趋势。

【1】何军，李兵，刘伟，等。宇宙中除铁以外的重化学元素是如何形成的？[J]。2018年中国科学通报。

【2】Lucon E，Abiko K，Lambrecht M等，商业纯、高纯和超高纯铁的拉伸性能:国际循环赛的结果。2015.

（部分图片来自网络）