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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)。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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