该图显示了太阳系中元素的丰度以及可能的核合成起源[1]
一般在高炉中冶炼的含碳量不低于2.11wt.%的铁碳合金称为生铁，含碳量小于0..%的铁称为纯铁，图2。根据按用途，生铁可分为炼钢生铁、铸造生铁等； 纯铁可分为原料纯铁、电磁纯铁和军工纯铁。 根据杂质含量，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）。
图为铁碳相图（对数横坐标）
尽管中国是全球最大的钢铁生产国，粗钢产量占全球一半以上，但高端特钢和特种合金的质量仍存在一定差距。 用于生产这些高端材料的铁基原材料的纯度是一个关键限制。 因素。 目前，可以通过原料选择和精炼方法去除夹杂元素，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“三精炼法（浓缩料、精炼、精处理）”生产工艺，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较少。分别低于0.057%和0.021%。 钛、锰、磷、硫等有害元素含量也很低。 龙凤山铸业生产的高纯生铁、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、特钢冶炼等，并可减少废钢带入的杂质和废料。 有害元素对材料的影响（图3）。 例如，使用高纯生铁和超高纯生铁可以保证冶金质量和高纯度。 生产的乏核燃料储运容器组织致密，无铸造缺陷和晶界偏析夹杂物； 生产的车桥变速箱、传动机构及大型曲轴等军工配件具有良好的动态力学性能、疲劳性能和过热能力； 生产的船用柴油机缸体、缸盖、缸套等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、超纯生铁在乏核燃料、机车齿轮箱、曲轴中的应用
高端特殊钢和特种合金最常用的原材料是纯铁。 纯铁不仅是冶炼原料，而且本身也是一种材料。 我们知道，工业规模制备纯铁可以追溯到1886年，当时美国西屋电气公司首先用杂质含量为0.4%的热轧低碳钢板制备了低碳电工钢。 1910年，美国阿姆科钢铁公司首先采用平炉冶炼纯度为99.75%的纯铁（即阿姆科铁），成为工业用纯铁的代名词。 目前国内外可以大规模工业化生产3N级纯铁，但无法工业化生产4N级以上纯铁。 纯铁自诞生以来，其发展一直推动着工业进步。 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、法国等）越来越重视高纯铁和超纯铁的研究和开发。 例如，日本东邦铅业公司采用电解方法成功开发出纯度为3N5-5N的高纯铁和超纯铁特殊钢材热轧，并已实现商品化。 2021年成功研制出高纯铁和超纯铁金属箔（图4），具有良好的耐腐蚀性、磁性能和机械性能。
图为日本 Lead公司生产的4N、5N纯铁金属箔
当纯铁的纯度提高到极限时，会表现出许多不同的现象。 2015年，美国NIST、日本、比利时和德国对3N8-6N8纯铁进行了力学测试，发现纯度提高后，6N8纯铁在低应变率下屈服强度最低可达28MPa 10-5 s-1[2]，远低于传统纯铁的屈服强度极限。 国内对高纯铁和超纯铁的研究虽然起步较晚，但近年来取得了可观的成果。 以龙凤山超高纯生铁为基础，河北龙凤山铸造工业联合上海大学材料与钢铁研究院，创新提出了工业化火法生产4N级高纯铁的新工艺。 上海大学实验室也已制备。 公斤级4N4高纯铁（图3）的平均屈服强度可低至58MPa。
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
提高纯铁作为原料的纯度，可以有效提高高端特殊钢和特种合金的纯度，改善材料性能； 作为磁性材料，高纯度可以显着降低矫顽力，增加磁导率。 高超纯铁具有高熔点、高塑性的特点，是一种极具发展潜力的新型军工材料。 高超纯铁杂质含量低，可显着减少高端特殊钢和特种合金中的夹杂物和有害元素，有利于提高韧性、疲劳强度和蠕变强度。 可用于飞机起落架、航空轴承、传动装置等高端装备，可显着增强我国的工业实力和国防能力。 高超纯铁的夹杂物极少特殊钢材热轧，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。
图为不同纯度CRNO硅钢与纯铁的磁滞回线
图为超纯铁在高端装备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，探索自然和铁的演化过程。宇宙物质； 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，了解缺陷强化作为大体积、宽范围材料的潜力，为铁的强度极限研究提供科学指导。高性能钢铁材料的开发。
开发高纯、超纯生铁和纯铁具有重大的科学和工程意义。 能够提升和强化工业物质基础，增强我国综合实力，是我国工业化发展的必然趋势。
[1] 何静，冰刚，刘伟，等。 古代重铁是怎样炼成的？[J]. ，2018。
[2] Lucon E、Abiko K、M 等。 纯铁、高铁和超高铁：循环赛。 2015年。
（部分图片来源于网络）
