自然界中，鐵是地核的主要成分，對(duì)地球磁場(chǎng)的形成和維持起決定性作用。鐵對(duì)所有生物體都至關(guān)重要，是生命體中不可或缺的元素。

在工業(yè)應(yīng)用中，鐵基合金（如鋼）是用量最大、應(yīng)用最廣的材料，廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)施、機(jī)械制造、汽車以及高端裝備領(lǐng)域1)，是支撐現(xiàn)代工業(yè)的基石。純鐵憑借其低雜質(zhì)含量、高延展性、優(yōu)良磁性等卓越特性，既是基礎(chǔ)原料，又是高性能材料，是眾多領(lǐng)域不可或缺的重要物質(zhì)。

高超純鐵的部分應(yīng)用領(lǐng)域

2019年高超純鐵項(xiàng)目開展之前，國(guó)內(nèi)外大規(guī)模火法冶金方法只能生產(chǎn)2N~3N級(jí)工業(yè)純鐵。美國(guó)1908年出現(xiàn)的阿姆科鐵（Armco Iron）已經(jīng)是純鐵的代名詞。盡管近年來(lái)火法冶金技術(shù)有所進(jìn)步，部分企業(yè)通過一系列復(fù)雜工序，能夠?qū)㈣F的純度提升至 3N 級(jí)，但距離 4N 級(jí)高純鐵仍有差距采用大規(guī)?；鸱ㄒ苯鸱椒ㄟ€不能制備出4N~5N級(jí)的高超純鐵。

4N 級(jí)高純鐵的制備方面，濕法電解鐵技術(shù)是關(guān)鍵途徑。日本和德國(guó)用組合方法提純，可以制備和供應(yīng)市場(chǎng)3N~4N電解鐵產(chǎn)品，但是價(jià)格比較昂貴，售價(jià)超過了20萬(wàn)元噸。國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域存在短板，4N 濕法電解鐵產(chǎn)品主要依賴從日本、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家進(jìn)口。這些進(jìn)口產(chǎn)品不僅價(jià)格高昂，而且供應(yīng)穩(wěn)定性難以保障。

日本東北大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室可以制備出5N~6N的超純鐵。中國(guó)還不能制備出4N級(jí)及以上的高超純鐵，與西方國(guó)家在純鐵制備技術(shù)、特性研究和應(yīng)用技術(shù)等方面存在差距，需要開展高超純鐵的制備技術(shù)研發(fā)工作。此外，對(duì)于特定元素極低含量的高純鐵，目前全球范圍內(nèi)都缺乏成熟有效的制備技術(shù)。

高超純鐵的生產(chǎn)制備面臨諸多難點(diǎn)?；鸱ㄒ苯疬^程中，近鐵元素的去除是一大挑戰(zhàn)。由于這些元素的物理化學(xué)性質(zhì)與鐵較為接近，在高溫冶煉環(huán)境下，難以通過常規(guī)的化學(xué)反應(yīng)或物理分離手段將其有效去除。例如，一些過渡金屬元素在鐵液中的行為與鐵相似，使得它們?cè)诨鸱ㄒ苯疬^程中難以被精準(zhǔn)分離。同時(shí)，選礦配礦環(huán)節(jié)難度頗高。要生產(chǎn)出高質(zhì)量的高純鐵，需要對(duì)原料進(jìn)行嚴(yán)格篩選和精確配比，以確保在后續(xù)冶煉過程中雜質(zhì)元素的引入量盡可能少。但不同礦石中雜質(zhì)元素的種類和含量差異較大，這就要求在選礦配礦過程中具備高度精準(zhǔn)的分析檢測(cè)能力和復(fù)雜的計(jì)算調(diào)配能力。

再者，制備高超純鐵往往需要多種提純工藝的組合。由于鐵中可能含有多達(dá) 70 多種其他元素，且這些元素的性質(zhì)各異，單一的提純方法無(wú)法滿足將所有雜質(zhì)元素降低到極低水平的要求。例如，對(duì)于高飽和蒸氣壓元素，如 MgCuMnZnGaPbBi 等，區(qū)熔提純有顯著效果；而部分易氧化元素，如 AlSi，可在推移作用下實(shí)現(xiàn)部分去除；非平衡系數(shù)小于 0.5 的元素，如 AsTiZrHf 等，也能通過特定工藝去除。然而，要將這些不同的提純工藝合理組合，實(shí)現(xiàn)協(xié)同高效提純，需要深入探明每種工藝對(duì)不同雜質(zhì)元素的去除機(jī)理，而目前這方面的研究仍有待進(jìn)一步深化。同時(shí)，不同提純工藝之間的銜接和參數(shù)優(yōu)化也極為復(fù)雜，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差，都可能影響最終產(chǎn)品的純度。

鐵的深度提純是一個(gè)重要的科技難題，涉及到提純科學(xué)原理、工藝技術(shù)方法、工業(yè)生產(chǎn)制備等三個(gè)方面。針對(duì)目前火法冶金生產(chǎn)的純鐵純度僅達(dá)到2N-3N級(jí)、國(guó)內(nèi)無(wú)法生產(chǎn)4N級(jí)電解鐵產(chǎn)品、不能制備出5N級(jí)超純鐵的現(xiàn)狀，上海大學(xué)董瀚教授團(tuán)隊(duì)通過深入的提純科學(xué)機(jī)理研究，研發(fā)相應(yīng)的提純技術(shù)，開發(fā)3N-4N級(jí)高純鐵的火法冶金生產(chǎn)技術(shù)、4N級(jí)高純鐵的濕法電解技術(shù)、5N級(jí)超純鐵的真空區(qū)熔技術(shù)（圖。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和建設(shè)三類高超純鐵的生產(chǎn)制備生產(chǎn)線，形成相應(yīng)的高超純鐵生產(chǎn)技術(shù)，為市場(chǎng)提供3N-5N高超純鐵系列產(chǎn)品。針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，開展高超純鐵的特性與應(yīng)用技術(shù)研究，形成高超純鐵定制化產(chǎn)品技術(shù)。

高超純鐵項(xiàng)目的研發(fā)路線圖

開發(fā)了年產(chǎn)百萬(wàn)噸級(jí)火法冶金生產(chǎn)3N~4N級(jí)高純鐵工藝技術(shù)與專業(yè)化生產(chǎn)線創(chuàng)新了適合高純鐵生產(chǎn)的全工藝流程（圖），建成世界上首條4N級(jí)高純鐵工業(yè)化火法冶金產(chǎn)線，形成全工序協(xié)同控制技術(shù)，發(fā)明了磷、錳、硫和氮等元素超低控制方法，攻克了不易氧化元素和近鐵元素難去除，不同屬性有害元素去除條件不同甚至矛盾，以及控氧、控氮、控渣、控溫、保護(hù)澆注等關(guān)鍵技術(shù)難題，突破了火法冶金生產(chǎn)純鐵的純度極限，實(shí)現(xiàn)小方坯高純鐵產(chǎn)品規(guī)?；B續(xù)生產(chǎn)。形成了火法冶金制備4N級(jí)高純鐵產(chǎn)業(yè)化技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系。

高純鐵生產(chǎn)的全工藝流程

首創(chuàng)精料精煉精處理三精法技術(shù)路線，用高爐還原法，制備出滿足純鐵生產(chǎn)用的高純生鐵原鐵水。

精料從源頭控制原材料，開發(fā)了精配礦高鈣灰精洗煤三大技術(shù)實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦：S≤0.015%P≤0.01%，五害元素≤0.001%Cu≤0.003%Zn≤0.003%(KO+NaO)≤0.015%；輔料的煤粉含≤0.35%、焦炭含≤0.6%、熔劑含≤0.03%

精煉通過精細(xì)操作控制高爐達(dá)到較活躍的爐缸狀態(tài)、低硅、高堿度和充足的物理熱等條件，以控制Si含量為切入點(diǎn)，采用大風(fēng)量、高富氧、高頂壓操作，結(jié)合理論燃燒溫度控制，實(shí)現(xiàn)低硅、低鈦和低硫鐵水的穩(wěn)定生產(chǎn)，高爐鐵水成分實(shí)現(xiàn)Si≤0.5%S≤0.020%P≤0.030%Ti≤0.025%、五害元素總和≤0.002%

精處理開發(fā)了精煉深度提純的超高純生鐵鐵水控制技術(shù)。通過向鐵水中加入球團(tuán)返礦、鈍化石灰粉、鈍化鎂粒，并分階段通入氧氣、氮?dú)?，去除鐵水中的硅、磷、硫及其它微量元素。精處理后鐵水典型值：4.1%C0.12%Si0.004%Mn0.0011%P0.0015%S0.0078%Cu0.00002%Ti，鉻、釩、鉬、錫、銻、鉛、鉍、碲、砷、硼和鋁等11種微量元素總和不超過0.045%

針對(duì)現(xiàn)有火法冶金裝備在純鐵提純方面存在的不足，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種頂?shù)锥帱c(diǎn)吹氧提純爐，簡(jiǎn)稱為DP-COBDragon Phenix-Combined Oxygen Blowing）提純爐，采用頂?shù)讖?fù)吹高強(qiáng)度供氧，通過多點(diǎn)強(qiáng)攪拌、多點(diǎn)位氧化，為易氧化元素脫除提供強(qiáng)有利的動(dòng)力學(xué)條件。通過爐底側(cè)部噴吹氧化鐵礦粉和石灰石粉，為脫錳、脫磷提供良好的熱力學(xué)條件。實(shí)現(xiàn)了在升溫提純過程中低溫脫磷和高溫脫碳的功能。有利于深度去除親氧元素，降低提純終點(diǎn)鐵液碳氧積，實(shí)現(xiàn)快速脫碳，深度脫硅、脫錳、脫磷等易氧化元素脫除。同時(shí)碳氧積降低，整體氧化性降低，后期脫氧所用鋁粒數(shù)量減少，降低成本。

形成火法冶金生產(chǎn)全工序協(xié)同控制技術(shù)，發(fā)明了磷、錳、硫和氮等有害元素超低控制方法，突破了火法冶金鐵的提純瓶頸，鐵的化學(xué)成分典型值：0.0012%C0.009%Si0.0042%Mn0.0024%P0.0016%S0.0029%O0.0035%Cr0.001%Ni0.008%Cu0.00002%Ti0.0055%Al0.0035%0.00003%，鐵的純度達(dá)到99.97%水平。

在深入研究濕法電解提純鐵的原理和工藝的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)和建設(shè)了年產(chǎn)百噸級(jí)4N級(jí)電解鐵生產(chǎn)線（圖）。本項(xiàng)目利用電解提純?cè)砗蛯?shí)驗(yàn)室大量電解試驗(yàn)，掌握了電解設(shè)備的基本工藝及要求。設(shè)計(jì)和建設(shè)了可自動(dòng)控溫、酸堿度控制、溶液循環(huán)過濾和環(huán)保、節(jié)能型年產(chǎn)百噸級(jí)大尺寸極板（極板尺寸800mm×800mm）的電解鐵生產(chǎn)線。

年產(chǎn)百噸級(jí)4N級(jí)電解鐵生產(chǎn)線

形成了穩(wěn)定的電解生產(chǎn)4N級(jí)高純鐵控制技術(shù)。通過電解液PH值、電解液溫度、電流密度和合理添加劑的匹配，使得電解過程中的CoNiCuZn等近鐵元素提純效率達(dá)到50%以上，電位遠(yuǎn)鐵的Ti等金屬和等非金屬（除外）提純效率達(dá)到90%以上。最終電解鐵中含量總和低于50ppm，其他元素含量總和低于50ppm。工業(yè)化制備出了形貌均勻、純度為4N級(jí)的電解鐵產(chǎn)品。

研發(fā)了氫氣回旋式還原去除電解鐵中的氫和氧技術(shù)，創(chuàng)新構(gòu)建了火法冶金電解提純還原脫氧的電解鐵利用氫氣還原脫除氫和氧的工藝流程。通過電解鐵的氫氣還原工藝，使電解鐵產(chǎn)品中的氫和氧去除率達(dá)90%以上，最終電解鐵產(chǎn)品的純度達(dá)到4N599.995%）。

深入研究了火法冶金、濕法電解、真空區(qū)熔等方法的雜質(zhì)元素去除機(jī)理。根據(jù)元素特性，通過火法冶金、濕法電解、真空區(qū)熔逐級(jí)提純，制備出3N7~5N2高超純鐵。為高超純鐵的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)科學(xué)基礎(chǔ)。深化了鐵的提純機(jī)理，厘清了雜質(zhì)元素的去除方法。研究表明鐵中雜質(zhì)元素的提純機(jī)理可歸納為氣化分離、固相分離、電位分離和分凝分離四種作用。揭示了雜質(zhì)元素的主要提純機(jī)理，成功實(shí)現(xiàn)了5N2超純鐵的制備。

形成了火法冶金濕法電解真空區(qū)熔三階段分級(jí)提純方法（圖），開發(fā)了4N/5N級(jí)高超純鐵工藝技術(shù)。在深入研究鐵的提純機(jī)理基礎(chǔ)上，形成三階段分級(jí)提純方法，開發(fā)了上述三種提純技術(shù)及工藝流程。實(shí)現(xiàn)了火法冶金3N7高純鐵、濕法電解4N5高純鐵、真空區(qū)熔5N2超純鐵的制備。

火法冶金濕法電解真空區(qū)熔三階段分級(jí)提純方法

項(xiàng)目設(shè)計(jì)并制造出可用于高熔點(diǎn)易氧化特性材料提純的超高真空垂直浮區(qū)感應(yīng)區(qū)熔設(shè)備（圖）。揭示了鐵的真空區(qū)熔過程中分凝去雜的主要機(jī)理，研究了工藝參數(shù)（區(qū)熔次數(shù)、速度、真空度和線圈設(shè)計(jì)）對(duì)主要雜質(zhì)去除效果的影響，形成了有效的制備工藝技術(shù)?？梢詫㈦s質(zhì)總量由區(qū)熔前的25.47 ppm減少到7.45 ppm，其中總量由區(qū)熔前9.03 ppm減少到4.34 ppm，成功制備出5N2超純鐵（全部77GDMSEGA可測(cè)量元素的含量總和）。

超高真空垂直浮區(qū)感應(yīng)區(qū)熔設(shè)備

本項(xiàng)目成果達(dá)到的技術(shù)水平與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有水平對(duì)比，見

本項(xiàng)目達(dá)到的技術(shù)水平與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有水平對(duì)比

采用火法冶金工藝試制出了4N級(jí)高純鐵，采用區(qū)熔法制備了5N級(jí)高純鐵，并針對(duì)其力學(xué)、腐蝕、磁學(xué)和導(dǎo)電性能等特性進(jìn)行了研究。

隨著應(yīng)變速率的增加，純鐵的平均屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸增加。純度增加，高純度純鐵的平均抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在相同的應(yīng)變速率時(shí)低于低純度純鐵；其中，4N4純鐵的平均屈服強(qiáng)度在應(yīng)變速率為1.67×10^-4-1時(shí)下降到58MPa，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)上對(duì)純鐵強(qiáng)度的認(rèn)知。而且，隨著純度提高，純鐵的屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變速率的敏感性增加，見圖

2N83N54N4純鐵拉伸試驗(yàn)應(yīng)變速率強(qiáng)度擬合曲線

由圖所示2N83N54N4純鐵和冷軋晶粒無(wú)取向（CRNO）硅鋼直流磁滯回線可以看出，4N4純鐵的磁滯回線比2N83N5純鐵和CRNO硅鋼窄而陡，說(shuō)明4N4純鐵表現(xiàn)出很好的軟磁性能。4N4純鐵晶粒粗大，晶界面積少，磁化阻力??；同時(shí)，由于純度高，雜質(zhì)元素，尤其是不利于軟磁性能的Mn等元素含量低，4N4純鐵表現(xiàn)出了最佳的直流軟磁性能（最高磁導(dǎo)率和最低矯頑力）。

純鐵的直流磁滯回線

電化學(xué)阻抗譜和動(dòng)電位極化結(jié)果（圖）表明，3N2-5N2純鐵的純度越高，腐蝕速率越低。純鐵的腐蝕速率小于普碳鋼和耐候鋼。觀察到的腐蝕行為可能和夾雜物密切相關(guān)。純鐵的純度越高，夾雜物越少，越不易誘發(fā)腐蝕萌生。

純鐵和典型鋼材在3.5wt% NaCl溶液浸泡1h后的奈奎斯特圖

金屬存在電阻的根本原因在于電子被晶格散射，晶格畸變?cè)絿?yán)重，電子散射越強(qiáng)，純鐵的電導(dǎo)率越低。純鐵中的缺陷主要有晶界、位錯(cuò)和固溶原子。以Q195SAE1006HYT2高純鐵為研究對(duì)象，計(jì)算其因雜質(zhì)增加的電阻率分別為86.19nΩ?m14.45nΩ?m2.27nΩ?m（見圖），計(jì)算得到的最終電阻率分別為183.29nΩ?m111.55nΩ?m99.37nΩ?m，與測(cè)量值的吻合度較好。HYT2的電阻率實(shí)測(cè)值為97.5nΩ?m，偏差為1.9%。純鐵的電阻率主要受晶界、位錯(cuò)、空位、雜質(zhì)和溫度等因素影響。當(dāng)晶粒尺寸超過200nm，可忽略晶界對(duì)電阻率的貢獻(xiàn)；位錯(cuò)密度很小（10¹³-10^15-2）時(shí)，也可忽略位錯(cuò)對(duì)純鐵電阻率的影響。結(jié)果表明，隨著純度的升高，雜質(zhì)元素含量顯著降低，電阻率降低。

雜質(zhì)元素對(duì)電阻率的影響

基于高超純鐵的生產(chǎn)裝備與技術(shù)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文52篇，授權(quán)專利42件、其中發(fā)明專利32，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)。近三年經(jīng)濟(jì)效益逾23億元，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益巨大，推廣應(yīng)用和市場(chǎng)前景好。解決了我國(guó)高超純鐵的短缺問題，替代進(jìn)口，為高端裝備提供了基礎(chǔ)原材料保障，推動(dòng)高端裝備制造的高質(zhì)量發(fā)展形成大規(guī)模火法冶金生產(chǎn)高純鐵（4N級(jí)）、濕法電解生產(chǎn)高純鐵（4N級(jí)）、真空區(qū)熔制備超純鐵（5N級(jí)）的純凈化技術(shù)，展現(xiàn)出鋼鐵冶金材料的高純化發(fā)展目標(biāo)，推動(dòng)行業(yè)的持續(xù)技術(shù)進(jìn)步。

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