一、研究的背景与问题

铁是宇宙中非常重要的元素之一，在宇宙的演变中发挥着重要的作用。它是恒星演化的重要产物，是构成行星的重要元素，其丰度仅次于氢、氦、氧、碳和氮。铁是宇宙自然赋予人类的物质，人类也自然地依赖着铁而生存发展。

铁与人类的生存息息相关，它在人体生理、工业生产、农业发展、环境保护和医学健康等多个领域都发挥着不可替代的作用。可以说，铁是人类文明发展的重要支撑，也是维持人类健康和生态系统平衡的关键元素之一。看似普通而又处处存在的铁有许多神秘的地方，人类对于铁的认识还在不断深入中……

相比其它方面，人们更是熟知铁在工业生产方面的作用。我们已知纯铁是制备高端特殊钢和合金的主要原料，超高强钢、航空轴承钢、半导体制备用不锈钢、硬磁合金、铁基超导材料等需要更高纯度的纯铁原料；纯铁是不可或缺的电磁功能材料，高纯度的纯铁材料作为电磁屏蔽、铝电解阴极等应用，有利于提高功效；纯铁更是科学研究和分析测试的基础物质，作为标准物质其纯度决定了分析测试的精度。因此，提高铁的纯度是人们一直努力的方向。高纯铁（4N）和超纯铁（5N）的成功制备是科技进步的结果，彰显了一个国家的科技进步与工业实力。

高超纯铁的制备分为湿法冶金（电解法、溶剂萃取法等）和火法冶金两种方法。湿法冶金利用化学或物理差异而分离杂质，日本东邦亚铅通过电解可以将铁提纯至5N级、我国仅能做到3N级纯铁（见表1）。但是国外电解高纯铁、超纯铁商品处于垄断地位，产品价格高且市场供应不稳定，难以保障需求。我国急需开发自主知识产权的电解高纯铁、超纯铁生产技术和生产线。

表1 国内外电解法制备高超纯铁情况

在实验室，一些发达国家的团队通过区熔法或悬浮熔炼制备出更高纯度的5N级超纯铁（见表2），探索超纯铁的制备并研究铁的特性。美国国家标准和技术研究院（NIST）组织一些发达国家开展了纯铁的力学性能对比研究，超纯铁（5N8）的最低屈服强度达到28MPa，远低于教科书的100MPa。探索铁的最低强度的意义，不仅仅是突破人们的已有认知，更重要的是具有理论认识价值，为钢铁材料高强化提供实际工程意义。

表2 国外区熔法制备高超纯铁的情况

火法冶金通过高温冶炼去除杂质。在纯铁的火法冶金制备方面，老牌工业国家起步较早。美国早在20世纪初就开发出火法冶金的ARMCO铁，后来阿姆科铁成为纯铁的代名词。火法冶金生产纯铁的纯度在上个世纪达到了2N级。近30年间，伴随着钢铁工业的进步，国内钢企采用高炉+转炉+炉外精炼（LF）+真空循环脱气（RH）+板坯/方坯连铸的流程，可以生产出2N-3N级的纯铁。

大规模火法冶金制备纯铁具有效率高、成本低等优势，目前火法冶金生产的纯铁的纯度可以达到3N级。能否突破3N级的纯度上限，开发大规模火法冶金进一步提纯的技术和生产线，使纯铁产品的纯度达到高纯铁级别（4N级），这是摆在冶金工作者面前的一个具有挑战的科技问题，需要深入研究和开发工作。

二、解决问题的思路与技术方案

铁的深度提纯是一个重要的科技难题，涉及到提纯科学原理、工艺技术方法、工业生产制备等三个方面。针对目前火法冶金生产的纯铁纯度仅达到2N-3N级、国内无法生产4N级电解铁产品、不能制备出5N级超纯铁的情况，上海大学董瀚教授团队通过深入的提纯科学机理研究，研发相应的提纯技术，开发3N-4N级高纯铁的火法冶金生产技术、4N级高纯铁的湿法电解技术、5N级超纯铁的真空区熔技术。在此基础上，设计和建设三类高超纯铁的生产制备生产线，形成相应的高超纯铁生产技术，为市场提供3N-5N高超纯铁系列产品。针对不同应用场景，开展高超纯铁的特性与应用技术研究，形成高超纯铁定制化产品技术。

高超纯铁项目的研发技术思路见图 1。

图1 高超纯铁制备技术与产线研发技术思路

三、主要创新性成果

从2019年起，项目开展了铁的提纯理论与技术研发，突破了一系列科技难题，实现了铁的高超纯化理论与技术创新。形成了火法冶金、湿法电解、真空区熔三种相辅相成的逐级提纯方法，制备出4N~5N级高超纯铁。项目达到的技术水平与国内外现有水平对比（见表3）。

表3 本项目达到的技术水平与国内外现有水平对比

1、深入研究铁中杂质元素的去除机理，实现了4N/5N级的高超纯铁分级制备

深入研究了火法冶金、湿法电解、真空区熔等方法的杂质元素去除机理。根据元素特性，通过火法冶金、湿法电解、真空区熔逐级提纯，制备出3N7~5N2高超纯铁。揭示了高超纯铁的物理、化学和力学性能特征，如高纯铁（4N）的屈服强度最低达到45MPa等，为高超纯铁的应用奠定了坚实科学基础。

深化了铁的提纯机理，厘清了杂质元素的去除方法。研究表明铁中杂质元素的提纯机理可归纳为气化分离、固相分离、电位分离和分凝分离四种作用（图2）。揭示了杂质元素的主要提纯机理，成功实现了5N2超纯铁的制备。

图2 5N超纯铁中杂质元素的提纯方式

形成了“火法冶金—湿法电解—真空区熔”三阶段分级提纯方法（图3），开发了4N/5N级高超纯铁工艺技术。在深入研究铁的提纯机理基础上，形成三阶段分级提纯方法，开发了上述三种提纯技术及工艺流程。实现了火法冶金3N7高纯铁、湿法电解4N5高纯铁、真空区熔5N2超纯铁的制备。

图3 三阶段分级提纯

项目设计并制造出可用于高熔点易氧化特性材料提纯的超高真空垂直浮区感应区熔设备（图4）。揭示了铁的真空区熔过程中分凝去杂的主要机理，研究了工艺参数（区熔次数、速度、真空度和线圈设计）对主要杂质去除效果的影响，形成了有效的制备工艺技术。可以将杂质总量由区熔前的25.47 ppm减少到7.45 ppm，其中C、O、N和H总量由区熔前9.03 ppm减少到4.34 ppm，成功制备出5N2超纯铁（全部77种GDMS和EGA可测量元素的含量总和）。

图4 项目开发的超高真空垂直浮区感应区熔装备

2、开发了年产百万吨级火法冶金生产3N-4N级高纯铁工艺技术与专业化生产线

火法冶金制备4N级高纯铁包括了生铁水冶炼提纯和铁水高纯化两个阶段。生铁水冶炼提纯是纯铁高纯化的基础。项目创新开发了“精配料、精冶炼、精处理”高纯生铁水冶炼工艺，形成生铁水冶炼提纯技术，生铁水有害元素最小值为w{[As+Sn+Sb+Bi+Pb]}=10ppm、w[Ti]=3ppm、w[B]=1ppm、w[Cr]=26ppm、w[Cu]=15ppm、w[Ni]=32ppm，图5。

图5 生铁水中元素含量

为了将高纯生铁水进一步提纯至高纯纯铁水，研发了顶/底/侧复合吹炼关键提纯工艺与装备（DP-COB）（图6），实现快速脱碳，深度脱硅、脱锰、脱磷，形成易氧化元素的深度脱除技术。深度提纯后主要元素典型值为：0.02％C、0.001％Si、0.0035％Mn、0.002％P、0.07％O、0.002％N。

图6 DP-COB炉的结构示意图

创新了适合高纯铁生产的全工艺流程（图7），建成世界上首条4N级高纯铁工业化火法冶金产线，形成全工序协同控制技术，发明了磷、锰、硫和氮等元素超低控制方法，攻克了不易氧化元素和近铁元素难去除，不同属性有害元素去除条件不同甚至矛盾，以及控氧、控氮、控渣、控温、保护浇注等关键技术难题，突破了火法冶金生产纯铁的纯度极限，实现小方坯高纯铁产品规模化连续生产。主持制定了《高纯原料纯铁》T/SSEA 0456-2024团体标准、3项特种高纯铁团体标准，38项高纯铁产品企业标准，形成了火法冶金制备4N级高纯铁产业化技术质量标准体系。

突破了火法冶金生产纯铁的纯度极限。纯铁产品的化学成分典型值为：0.0012%C、0.0019%Si、0.0042%Mn、0.0024%P、0.0016%S、0.0029%O、0.0035%N、0.00003%H、0.0035%Cr、0.0041%Ni、0.0048%Cu、0.00002%Ti、0.0055%Al。铁的纯度达了3N7（99.97%）。

图7 火法冶金生产高纯铁的生产工艺流程

3、构建了“火法冶金-电解提纯-还原脱氧”的电解法制备4N级高纯铁产线

在深入研究湿法电解提纯铁的原理和工艺的基础上，创新设计和建设了年产百吨级4N级电解铁生产线（图8）。本项目利用电解提纯原理和实验室大量电解试验，掌握了电解设备的基本工艺及要求。设计和建设了可自动控温、酸碱度控制、溶液循环过滤和环保、节能型年产百吨级大尺寸极板（极板尺寸800mm×800mm）的电解铁生产线。

图8 百吨级电解铁产线

形成了稳定的电解生产4N级高纯铁控制技术。通过电解液PH值、电解液温度、电流密度和合理添加剂的匹配，使得电解过程中的Co、Ni、Cu和Zn等近铁元素提纯效率达到50%以上，电位远铁的Ti、V等金属和P、S等非金属（除H和O外）提纯效率达到90%以上。最终电解铁中H和O含量总和低于50ppm，其他元素含量总和低于50ppm。工业化制备出了形貌均匀、纯度为4N级的电解铁产品。

研发了氢气回旋式还原去除电解铁中的氢和氧技术，创新构建了“火法冶金-电解提纯-还原脱氧”的电解铁利用氢气还原脱除氢和氧的工艺流程（图9）。通过电解铁的氢气还原工艺，使电解铁产品中的氢和氧去除率达90%以上，最终电解铁产品的纯度达到4N5（99.995%）。

图9 电解纯铁制备和脱气工艺流程

四、应用情况与效果

纯铁是重要的物质、材料与原材料。其纯度由目前的2N-3N提高到4N-5N级别，为物质特性研究奠定了良好基础。高超纯铁具有良好的电磁性能，应用于提升电气元件的性能。高超纯铁由于杂质含量低，是高端合金制备的首选原料。

1、应用于高端特殊钢的制备

项目采用4N级高纯铁制备飞机起落架用300M钢、航空主轴用M50钢和新型系列超高强钢（1800MPa、2000MPa、2400MPa级），突破了强韧化极限。本项目已工业化生产出抗拉强度2400 MPa，延伸率9%，断裂韧性15-20 MPa·m^1/2的超高强钢。该钢采用4N级高纯铁为原料制备，应力应变曲线如图10所示。高纯铁为超高强钢的开发奠定了原料基础。

图10 本项目申请人研制的2400 MPa级钢应力应变曲线

抚顺特殊钢股份有限公司是我国大型特殊钢重点企业和军工材料的研发及生产基地。抚顺特钢采用高超纯铁主要用于生产16Ni3CrMoE、18Ni、30CrMnSiNi2A、A-100等超高强钢。采用火法冶金4N级高纯铁杂质含量低，一方面可以直接降低真空感应炉的冶炼时间，每炉可减少2-2.5小时，从而降低成本；另一方面，与传统钢铁原料相比，采购和使用火法冶金4N级高纯铁的成本低300-700元/吨，显著优化了成本结构。高纯铁的应用不仅提高了超高强钢的质量稳定性，也为我国高端装备制造业的发展提供了重要的原材料支撑，促进特冶生产的技术迭代。

2、应用于稀土永磁材料制备

纯铁是制备稀土钕铁硼永磁材料的重要原材料。包头品高、包头鸿浩和包头鑫诚等永磁材料公司在生产高性能的钕铁硼永磁材料中使用高纯铁原料，显著提升了产品的质量和性能。高纯铁应用有助于增强永磁材料的矫顽力并降低成本。验证结果表明，精确的配料使得生产的高性能永磁材料具有优良的微观组织结构和稳定的性能，能够满足新能源汽车、无人机、机器人、3C电子产品、家电及风电等多种应用需求。

3、应用于非晶/纳米晶材料的制备

纯铁在非晶/纳米晶材料中也展示出优异的应用效果。非晶/纳米晶带材的厚度仅为14~28微米，对合金的纯净度有较高要求。其中，铝和氧的含量分别不大于0.005%和0.003%。河北申科磁性材料有限公司、安泰非晶科技有限责任公司、常州创明磁性材料科技有限公司和滑县恒和电子有限公司等开始在生产非晶/纳米晶软磁材料中使用高纯铁。采用高纯铁原料的非晶/纳米晶的均匀性和磁性能方面表现卓越，能提供更高的效率和更低的损耗，疲劳寿命提高30%，损耗降低20%，为电力电气、光伏、新能源和医疗健康等领域提供了材料支撑。

4、应用于高端铸件生产

高纯铁应用在高端铸件的生产中显示出明显优势。沈阳人和机械、邯郸慧桥复合材料等企业应用高纯铁原料生产低碳不锈钢、耐热钢等高端铸件，高纯铁原料的使用验证了其配料便利性、成分准确性、操作简便性及少量有害杂质，显著提高了铸件的力学性能和疲劳寿命。同时超低碳原料可以采用含碳合金替代纯金属配料，节省生产成本。生产的高端铸件产品出口到德国、奥地利等国家，形成稳定的批量供货，产生良好的社会经济效益。

高超纯铁的成功开发不但为科学研究、工业生产、人体健康、农业发展、环境保护等提供了高端的物质、材料和原料，提高了铁的效能，加深了人们对铁的认识。也为今后钢铁材料的高端化发展提供了可以借鉴的方法，促进高纯钢铁材料的生产技术进步。

信息来源：上海大学、河北龙凤山铸业有限公司、抚顺特殊钢股份有限公司、中冶京诚工程技术有限公司、钢研纳克检测技术有限公司、河北龙凤山辰昕新材料科技有限公司、河北工程大学、上海大学（浙江）高端装备基础件材料研究院