张福成，中国工程院院士，现任全国政协常委、华北理工大学校长、中国金属学会常务理事、《钢铁》期刊副主编。长期致力于先进钢铁材料基础理论和关键技术研究。作为第一完成人获国家技术发明奖二等奖2项、国家科技进步奖二等奖1项及教育部和河北省技术发明或科技进步奖一等奖4项。获何梁何利基金科学与技术进步奖、全国创新争先奖、光华工程科技奖、霍英东基金会高校青年教师奖一等奖和河北省科技突出贡献奖。发表学术论文500多篇，SCI引用5000多次；出版著作4部，授权我国和美国发明专利100多件。

    钢铁产业是支撑我国经济发展的中流砥柱。1952—1978年的26年间，我国在极其困难的情况下，大力发展钢铁工业，有效地化解了当时西方国家对我国的“卡脖子”危机，保证了国家安全、经济发展和社会稳定。因此，说钢铁是一个民族的脊梁一点也不为过。但当我们谈到“钢铁”两个字时，经常被误认为是一种东西，实际上，钢铁是一个包含了很多种类的大家族，“钢”和“铁”有根本的区别。铁是自然界中广泛存在的一种元素，钢是铁经过精炼并添加碳等元素后得到的合金，两者虽同根同源，却各有千秋，它们在物理性能、化学性能和力学性能等方面有着很大区别。纯铁等高端铁基新材料属于中间品，是制造先进装备的关键材料，是一个国家高纯金属材料发展的重要基础，其生产和应用一定程度上影响一个国家的科技与工业化水平，非本领域人士，存在认知偏差，将其归类为“钢铁”行业，使纯铁材料不仅得不到相关产业扶持政策，而且其发展受到一定制约。事实上，纯铁是国家重点鼓励发展的铁基新材料，2024年，4N级高纯铁被列入工信部制定的《重点新材料首批次应用示范指导目录（2024年版）》。

    “铁”的“前世”与“今生”

    在人类文明的长河中，金属的发现和使用是一个重要的里程碑。其中，铁作为一种重要的金属，最早发现和使用的铁是来自外空的陨铁，随后人们才开始用开采的铁矿石来生产铁。炼铁的历史最早起源于公元前1800年的印度，公元前约1500 年安纳托利亚的赫梯人开始冶炼铁，公元前约1200年赫梯王国灭亡，各部落带着他们的炼铁知识分散到欧洲和亚洲，从此开始了“铁器时代”。铁器时代工匠们并不知道钢铁冶炼的化学过程，在其炼铁过程中会偶然产生一个副产品“钢”。到了15世纪，钢铁已经在全世界广泛应用。按照碳含量不同，分为生铁、钢和纯铁。纯铁是指碳含量小于0.0218%的铁碳合金，是重要的工业原料。工业上通常用数字结合字母N（英文nine的缩写）来表示纯铁的纯度，按照纯度可以分为工业纯铁（2N—3N级）、高纯铁（4N级）和超纯铁（5N—6N）级。

    “纯铁”的形成与演变

    纯铁室温组织以铁素体为主，具有质地柔软、韧性大、延展性好、电磁性能优异等特点。高纯铁具有良好的导电性、软磁性能和耐腐蚀性能，质地柔软、韧性强。随着纯度进一步提高，高纯铁又展现出更加独特的性能，如：不溶于盐酸和硫酸，在潮湿空气中不易生锈，熔点高于普通的铁。为了获得纯铁，工业上采用精炼的方法，将初炼的钢液在真空、惰性气氛或还原性气氛中进行脱气、脱硫、脱氧以及去除钢铁中所含的杂质元素。工业上常用的精炼方法包括：钢包精炼法、真空精炼法、脱碳去气型精炼法。钢包精炼法适用于冶炼质量要求严格的高合金钢以及在处理多炉钢水连续浇铸时对钢水进行补温、精炼、脱气、脱氧和去除夹杂物。真空精炼法是借助真空条件实现对钢水的提纯精炼。脱碳去气型精炼法适用于冶炼低碳和超低碳钢。我国工业生产纯铁采用多种精炼方法联用，已达到较高的纯度要求。

    高纯铁作为一种高新产业发展所需的特殊材料，比传统纯铁及铁基材料具有更优异的耐腐蚀性能、磁学和电学性能。高纯铁的制备是一个提纯的过程，制备工艺包括：电解精炼、区域熔炼、冷坩埚熔炼、固态电迁移、电磁悬浮熔炼、溶液萃取。电解精炼是传统工业纯铁生产的主要工艺，水溶液电解精炼在高纯铁制备中展现出重要价值。区域熔炼作为一种深度提纯手段，以其卓越的净化能力备受推崇，能够将金属纯度推向极致。冷坩埚熔炼是通过在水冷铜坩埚与熔融金属间形成保护性固体壳层，有效隔绝外界污染，从而保证了熔炼过程的纯净。固态电迁移技术以其在固态下的操作优势，避免了熔炼过程中的污染问题，特别适用于对特定杂质高度敏感的材料提纯。电磁悬浮熔炼利用电磁力实现无接触熔炼，为金属提纯提供了无污染的新途径。溶液萃取法可以去除电解工艺中无法去除的电位更负的杂质元素，通过有机相与水相间的杂质分配差异实现高效分离，提升铁的纯度。单一的高纯铁提纯方法难以达到高纯度的要求，需要结合多种冶炼方式才能制备高纯度的纯铁。

    “纯铁”应有大作为

    纯铁按照不同的用途可以分为原料纯铁、军工纯铁和电磁纯铁。原料纯铁可用于生产各种精密合金和非晶态合金等。军工纯铁能应用于国防尖端科技领域、航空航天装备等一系列对真空气密性和电磁性能要求极为苛刻的工业军工产品。电磁纯铁具有低矫顽力、高磁导率、磁性稳定的优良软磁性能，多应用于仪表电器以及国防尖端工业的电磁元件的制造。虽然我国是钢铁生产大国，但是生产的主要是粗钢，目前仍较难实现纯度在99.99%以上纯铁的工业化生产。以高纯生铁、超高纯生铁为“母材”制备的4N级以上纯铁新材料是制备特种合金和高性能功能材料的关键基础材料，也是制备磁性材料、非晶材料、半导体材料等功能材料的关键基础原料，较大程度上影响着一个国家的航空航天、核电军工、电力电子、轨道交通、新能源等行业在世界范围内的地位及话语权。加快发展“纯铁”产业，对实现我国新材料产业自立自强和高质量发展具有重要意义。

    目前世界范围内对高纯铁和超高纯铁的研发高度重视，4N级高纯铁作为“科研标准物质”和“特殊合金”原材料，以前我国只能依赖进口，面对“卡脖子”现状，国内相关企业、高校及科研单位奋起直追，取得长足进步。但是在地方企业实际生产和研发过程中，由于这类材料未被列入《战略性新兴产业分类（2018）》统计目录，在地方统计过程中将其归类为“钢铁”行业，受到一定影响。因此，需要将高纯生铁、超高纯生铁、4N级高纯铁等铁基新材料产品纳入《战略性新兴产业分类》统计目录，以此激发科技创新活力，开辟制胜新赛道，加快推进我国铁基新材料产业健康发展。

    科技攻关犹如太空探索、深海潜行，但未来必会因科技的进步而焕发新生。以纯铁纯度提升为目标的科技创新和产业创新深度融合依然任重道远，科技战线重任在肩、使命光荣。期待政府、行业、企业、院校等主体深度融合、协同发力，促进产业链、人才链、教育链、创新链有机衔接，开发绿色环保、短流程的纯铁制备工艺，勇于挑战5N—6N级超纯铁前沿技术。

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    文章来源：《学习时报》2024年7月24日第6版
    本期编辑：董大伟