自然界中，鐵是地核的主要成分，對地球磁場的形成和維持起決定性作用。鐵對所有生物體都至關重要，是生命體中不可或缺的元素。
在工業應用中，鐵基合金（如鋼）是用量最大、應用最廣的材料，廣泛應用于建筑設施、機械制造、汽車以及高端裝備領域，是支撐現代工業的基石。純鐵憑借其低雜質含量、高延展性、優良磁性等卓越特性，既是基礎原料，又是高性能材料，是眾多領域不可或缺的重要物質。目前，工業制備的純鐵純度一般為2N級（99%）或3N級（99.9%）。
2019年，上海大學與河北龍鳳山鑄業有限公司（現河北龍鳳山新材料科技集團有限公司）聯合啟動高超純鐵項目，建成大規?；鸱ㄒ苯鹕a4N級高純鐵的專業化生產線，產品純度達99.97%。該項目開發的濕法提純產線，制備出5N級電解鐵，純度達99.996%。成功研制高真空區熔提純技術，將純度進一步提升至99.9992%。
大規?；鸱ㄖ苽?N級純鐵
在2019年之前，國內外大規?；鸱ㄒ苯鸱椒ㄖ荒苌a2N級~3N級工業純鐵，如今國內外已形成年產百萬噸火法冶金高純鐵的產能。
生產4N級火法高純鐵，必須從原料源頭質量控制開始?；鸱ㄒ苯鹕a工藝流程為：超純凈原鐵水→鐵水三脫→KR脫硫→DP-COB提純爐→ LF爐精煉→扒渣站→RH真空爐→方坯連鑄。
圖1 火法冶金4N級高純鐵生產工藝流程
采用超純凈原鐵水替代普通鐵水，增加鐵水三脫和LF爐工序，實現逐步提純；使用KR脫硫替代噴粉脫硫，實現經濟穩定脫硫；采用DP-COB專用提純爐，實現快速脫碳、深度脫硅、脫錳、脫磷；采用方坯凝固連鑄，方便純鐵產品的切割精整。
純鐵產品的元素含量典型值為：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，鐵含量達到99.97%的4N級水平。
電解法制備4N純鐵
電解鐵是一種通過電解方法制備的高純鐵，其基本原理基于以下電化學反應：
金屬能否通過水溶液電沉積方式獲得，與金屬離子Mx+轉化為金屬M的平衡電位相關。理論上，金屬Mx+/M平衡電位比氫標準電位更正的金屬，才有可能在水溶液中析出。下圖給出了可以在水溶液中電沉積得到的金屬。
圖2 在水溶液中可以電沉積得到的金屬
通過電解裝備設計、制作和電解工藝過程控制，配合合適的溫度、pH值、電解電壓等工藝參數，成功制備出4N電解鐵。電解鐵產品中的磷和硫含量均低于5ppm，氣體元素含量總和低于50ppm。
圖3 百噸級電解法制備4N級純鐵生產線和電解鐵產品
區熔制備5N2純鐵
區熔提純是一種利用雜質元素在基體材料的固相和液相中溶解度差異實現高純金屬精煉的物理方法。本研究設計并制造了一臺高真空垂直浮區感應區熔裝置，區熔設備圖及區熔過程的示意圖與實物圖如圖4所示。
圖4 區熔設備圖、鐵的區熔實物圖及示意圖
區熔提純鐵的實驗結果表明，該方法對高飽和蒸氣壓元素（如C、O、Mg、Cu、Mn、Zn、Ga、Pb、Bi等）具有顯著去除效果；部分易氧化元素（如Al、Si）在推移作用下也可實現部分去除；非平衡系數小于0.5的元素（P、S、As、Ti、Zr、Hf等）也具有顯著的去除效果。
采用4N2（99.992%）的電解鐵原料，先經過真空熔煉并鍛造成鐵棒，最終采用上述設備真空區熔后，可實現雜質元素總含量約為7.7wt ppm（計算GDMS和EGA可測量的全部77種雜質元素含量），純度為5N2（99.9992%）的區熔鐵，實物圖如圖5所示。研究結果驗證了該方法在純鐵高純化領域的可行性與適用性。
圖5 區熔制備5N2超純鐵樣品圖
高超純鐵的研究與應用展望
繼續開發其他鐵提純技術，如基于陽離子及陰離子交換、電積鐵、羥基及羰基鐵、電遷移等技術，全面掌握各方法的提純規律。利用每種技術的優勢，設計多步驟流程，進一步提升鐵的純度，嘗試制備出6N以上的超純鐵。針對應用需求，開發特定元素極低含量的純鐵（元素純鐵）。目前已初步開發出某些特定元素含量小于0.1ppm的4N級元素純鐵，可應用于核工業，突破國外對此類原材料的封鎖，實現國產替代。（謝港生 張迪 夏安）
