铁，元素符号Fe，源于拉丁文ferrum，是一种具有光亮银白色外观的过渡金属，由大质量恒星的聚变产生。在超新星的剧烈坍塌之前，它是能量释放产生的最后一种元素，56个核子的原子核中的每个核子（不分质子和中子）在所有元素中具有最低的质量。金属铁或天然铁很少在地球表面发现，因为它容易氧化。铁的主要矿石有赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、褐铁矿(Fe2O3·nH2O)、菱铁矿(FeCO3)和黄铁矿(FeS2)。
图为太阳系元素丰度及可能的核合成起源[1]
一般采用高炉冶炼的碳含量不小于2.11wt.%的铁碳合金被称为生铁，将碳含量小于0.0218wt.%的铁称为纯铁，图2。根据用途，生铁可以分为炼钢生铁、铸造生铁等几种；纯铁可以分为原料纯铁、电磁纯铁和军工纯铁。根据杂质含量的高低，生铁可分为生铁、高纯生铁、超纯生铁；纯铁可分为纯铁（2N-3N）、高纯铁（4N级）和超纯铁（5N-6N）。
图为铁碳相图（对数横坐标）
尽管中国是世界最大的钢铁生产国，粗钢产量占世界总量一半以上，但高端特殊钢与特种合金的品质方面还有一定的差距，其中生产这些高端材料的铁基原料纯度是一个关键制约因素。目前，可以通过原料精选和精炼方法去除夹杂元素来提高材料的纯净度。生铁和纯铁作为铸造和炼钢行业的关键基础铁基材料，其纯度高低直接影响高端特殊钢与特种合金的品质。
图为高纯生铁（左）和公斤级4N7级高纯铁（右）
河北龙凤山铸业通过自主创新的“三精法（精料、精炼、精处理）”生产工艺，成功研制出了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种微量元素含量总和分别小于0.057%和0.021%，钛、锰、磷、硫等有害元素含量也极低。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，可广泛用于高端铸铁件、铸钢件、特殊钢冶炼等，能够减少废钢带入的杂质与有害元素对材料的影响（图3）。例如，采用高纯生铁和超高纯生铁能保证冶金质量和高纯净度，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；生产的车轴齿轮箱、变速箱体和大型曲轴等军工配件的动态力学性能、疲劳性能和过热能力好；生产的舰船柴油机机体、缸盖、缸套等高端铸件具有高的抗热疲劳强度、硬度和耐磨性，提高了发动机的使用寿命。
图为高纯、超纯生铁在核乏燃料、机车变速箱和曲轴上的应用
高端特殊钢与特种合金使用最多的原料莫过于纯铁。纯铁不仅是冶炼原料，本身也是一种材料。我们知道，工业规模制备纯铁可以追溯到1886年美国西屋电气公司首先用杂质含量0.4%的热轧低碳钢板制备低碳电工钢。1910年美国阿姆科钢铁公司（Armco Steel Corporation）首先采用平炉冶炼出了纯度为99.75%的纯铁（即阿姆科铁），成为了工业用纯铁的代名词。目前，国内外能够工业化大规模实现3N级纯铁的生产，但无法工业化生产4N级以上的纯铁。自纯铁诞生以来，其发展一直在促进工业的进步。随着冶金技术和冶炼装备的进步，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，日本东邦亚铅公司采用电解法成功开发出了纯度为3N5-5N的高纯铁及超纯铁，并且已实现了商业化，并且于2021年成功开发出了高纯铁和超纯铁金属箔（图4），具备良好的耐蚀性、磁性能和力学性能。
图为日本东邦亚铅公司生产的4N和5N纯铁金属箔
纯铁纯度提高到极限后，将会表现出很多不同的现象。2015年美国NIST联合日本、比利时和德国等针对3N8-6N8纯铁进行了力学测试，发现纯度提高后，6N8纯铁在低10-5 s-1应变速率下屈服强度最低能达到28 MPa[2]，远低于对纯铁传统的屈服强度极限的认知。国内关于高纯铁和超纯铁的研究起步虽然较晚，但近几年也取得了可观成果。河北龙凤山铸业与上海大学材料学院、钢研总院以龙凤山的超高纯生铁为基础，创新的提出了工业化火法生产4N级高纯铁的新工艺流程，同时已在上海大学实验室制备出公斤级4N4高纯铁（图3），其平均屈服强度最低能达到58 MPa。
图为河北龙凤山铸业有限公司
图为上海大学
图为上海大学主办的基础件材料创新发展论坛
提高纯铁的纯度，作为原料有效改善高端特殊钢与特种合金纯净度，提高材料性能；作为磁性材料，高纯度能够显著降低矫顽力，提高磁导率。高超纯铁具备高熔点、高塑性的特点，本身是很有发展潜力的军工新材料。高超纯铁杂质含量低，能大幅减少高端特殊钢与特种合金中的夹杂物与有害元素，有助于提高韧性、疲劳强度和蠕变强度，可用于飞机起落架、航空轴承、传动变速装置等高端装备，能够显著提升我国工业实力和国防能力。高超纯铁的夹杂物极少，能有效降低材料的电极电位差异，避免点蚀发生，形成所谓的高超纯不锈铁。
图为CRNO硅钢和不同纯度纯铁的磁滞回线
图为高超纯铁在高端装备与武器装备上的应用潜力
高纯铁和超纯铁的研究还具有重要科学意义：一方面研究纯铁的功能性特征可以深入理解铁的各种性态，探索自然与宇宙物质的演变；另一方面，研究铁的力学性能可以揭示铁的强度极限，研究材料的强度理论基础，理解作为量大面广材料的缺陷强化的潜力，为钢铁材料的高性能化的发展提供科学指导。
发展高纯、超纯的生铁与纯铁在科学上和工程上都具有重要的意义。能够促进和强化工业的材料基础，提升我国综合实力，是我国工业化发展的时代必然。
[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.
（部分图片来源于网络）
