一、研究的背景与问题

高纯铁是指Fe含量在99.9%（3N级）金属铁材料，其广泛应用于航空航天、大规模集成电路、核工业设施等各类高端制造领域，制备高纯铁具有重要意义和应用前景。

目前，国内外均不能长流程大规模、高效率生产4N级（99.99%Fe）高纯铁。国外电解湿法生产4N-5N级高/超纯铁价格高昂，价格为10~100万/吨；国内以太钢为代表的先进企业，率先具备了批量生产3N级工业纯铁的生产能力；河北龙凤山铸业有限公司以高纯生铁、超高纯生铁金属液为母材，通过三脱预处理、深脱硫、深度提纯、精炼、真空深脱碳脱气、凝固和精品加工等工序，首次实现了火法提纯准4N级高纯铁。高纯铁已成为限制高端制造业发展和大国竞争的“卡脖子”环节。4N级高纯铁2021年列入产业基础创新发展目录，2024年再次纳入国家重点新材料首批次应用示范指导目录，其开发和批量工业生产的迫切性不言而喻。

在高纯铁产品生产面临的共性问题总结如下：

1、以长流程下火法生产纯铁工艺为例，其极低元素控制依赖基于特殊元素控制的高纯度矿石或高纯生铁、复杂的特殊工艺设备（如DP-COB炉）等，难以实现4N级高纯铁基料的大规模生产，长流程条件下高效生产高纯铁基料仍是行业空白。

2、以欧美、日本为代表的水电解等湿法生产4N级以上高纯铁效率低，残留较多的非金属杂质且难以去除，Fe电位差较小的Co、Ni、Cr、Mn、Cu即使后续采用离子电弧熔炼、区域熔炼等火法来协同湿法提纯，仍难以实现其高效率生产，同时也存在技术壁垒和贸易壁垒，是实现4N级高纯铁国产化替代的限制性环节。

3、熔盐电解法需要预去除熔盐中和Fe电位差较小、氧势较高的上述金属元素，才能实现熔盐电解法的效率高、成本低、大规模连续化生产。如何高效去除熔盐中和Fe电位差较小、氧势较高的Co、Ni、Cr、Mn、Cu，其机理和应用目前尚无统一定论。

此外，如何在保证高纯铁可浇性条件下，实现钢中较低的全氧控制，是高纯铁基料高效连铸的重大瓶颈，且在非钙处理单水口连浇问题牵扯到连铸工艺的高效生产突破，也是行业的共性问题。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目针对长流程火法生产高纯铁基料难度大、湿法非金属杂质元素残留、传统电解法去除和Fe电位差较小的元素（Co、Ni、Cr、Mn、Cu）效率低、高效连铸生产等棘手问题，基于炼钢长流程冶炼基料、微米级粉末制备、熔盐电解进一步提纯等关键技术，实现了千吨级4N高纯铁的工业制备和批量生产。

 图1 项目主要研究内容和关键控制技术

三、主要创新性成果

1、建立了长流程条件下脱锰与脱磷协同提效的关键技术，实现了基料中碳（≤0.0010%）、硅（≤0.0020%）、锰（≤0.007%）、磷（≤0.0020%）、硫（≤0.0020%）极低杂质元素长流程冶炼。开发了高纯铁基料中的夹杂物调控技术，突破了单支水口浇钢量超1000吨的多炉次连铸，实现了高纯铁基料（≥99.96%Fe）的批量工业化生产。

2、开发了窄粒度范围的高纯铁微粉工业制备技术，实现了铁微粉≤50μm、D50为22.2μm、D90为48.9μm的窄范围控制。

3、研制了专用熔盐电解质，开发了低能耗熔盐电解提纯工艺技术，实现了低成本千吨级4N高纯铁微粉（99.992% Fe）工业生产。

四、应用情况与效果

本项目关键技术已成功应用于高纯铁生产，产品应用于航空航天、燃气轮机、工业电机等高端制造领域，经济社会效益显著。具体应用效果如下：

1、实现了高纯铁基料长流程冶炼工艺的产业化生产。实现了基料中碳（≤0.0010%）、硅（≤0.0020%）、锰（≤0.007%）、磷（≤0.0020%）、硫（≤0.0020%）极低杂质元素的批量工业生产，上述五大元素最低值可控制在150ppm以内。

2、开发了高纯铁基料多炉次连铸关键技术，实现了在非钙处理、不换浸入式水口条件下单支水口浇钢量突破1000吨。实现高纯铁基料（≥99.96%Fe）的批量工业化生产。

图2 工业纯铁成品典型元素控制水平与连铸浇铸曲线

3、实现了高纯铁基料的微米级粉（≤50μm）的工业制备，实现了铁微粉≤50μm、D50为22.2μm、D90为48.9μm的窄范围控制。

4、基于熔盐电解法进一步提纯，实现了低成本千吨级4N高纯铁（99.992%Fe）的工业制备及成套设备开发和应用技术。

 图3 微米粉末及4N级纯铁成套设备工艺流程

项目组与华北理工大学开展协同创新研究，在此期间，形成发明专利24件，已授权国家发明专利12项；在国内外期刊发表学术论文16余篇；形成企业技术秘密2项，产品应用于航空航天、燃气轮机、工业电机等高端制造领域，累计创效1亿多元。

信息来源：华北理工大学、唐山钢铁集团有限责任公司