近期，我国在高超纯铁的制备技术和特性研究方面取得了突破性进展，这是立足于中国高纯生铁、超高纯生铁产业的优势基础之上而出现的。我国高超纯铁技术及产品的出现，打破了美国阿姆科铁（成为已有纯铁的代名词）独占该领域100多年的历史。上海大学、龙凤山集团、上善院与相关单位紧密合作，潜心研发10余年，终于攻克了大规模火法制备4N级高纯铁技术、电解法规模制备4N级高纯铁技术、区熔法制备5N级超纯铁技术。
高超纯铁主要用于制造高端特钢、高温合金、耐蚀合金、稀土永磁材料、电磁屏蔽材料、非晶纳米晶、半导体靶材等关键材料，广泛应用于航空、航天、电子、船舶、生物医疗、半导体芯片、海洋工程等高端装备制造；为科学研究和分析测试提供高纯物质，为人类探索太空和宇宙、地球演变过程奠定物质基础。
首创火法工艺流程生产出4N级高纯铁
河北龙凤山集团以其独有的高纯生铁、超高纯生铁金属液为母材，在以国家“973”计划首席科学家、上海大学教授董瀚为首的专家团队带领下，通过铁液的三脱预处理、深脱硫、深度提纯、精炼、真空深脱碳脱气、浇铸成型和精品加工等工序，将铁的纯度提升至99.95%以上（即4N级水平），首创国内火法冶金提纯工艺，形成了独特的低成本、专业化、规模化4N级高纯铁生产技术，实现了4N级高纯铁的大规模试产，建设了全球首条采用火法生产4N级高纯铁的产业化生产线。
图为龙凤山集团铁基新材料生产基地。
图为高纯铁产品。
开发湿法冶金产线制备出4N级电解铁
电解铁作为高端铁基新材料和标准分析测试物质，在科研和工业领域中扮演着至关重要的角色。长期以来，日本和德国等国家垄断着电解铁的供应，电解铁价格高昂。
经过多年攻关，该研发团队自主开发了电解制备高纯铁的技术和产线，实现了包括气体元素在内的全元素含量检测的4N级电解铁产业化。该成果填补了国内外该技术领域的空白，实现了电解铁产品的低氧化、低成本制备，并开发至4N6（99.996%）电解铁系列产品。
该成果使我国电解铁的年产量达到百吨，实现了高纯电解铁产品的国产化。这不仅标志着中国在材料纯度和性能极限化探索方面取得了重大进展，而且为后续发展5N级超纯铁和更高纯度铁材料奠定了坚实基础。
图为电解纯铁中试线与产品。
研制高真空区熔炉制备出5N级超纯铁
该团队研制了一种结合电解、真空熔炼和真空区熔的提纯工艺，开发出国内首台超高真空垂直感应区熔设备，制备出5N级超纯铁。该技术涉及总体设计、工艺条件、真空度、蒸发损耗、线圈结构、运动部件稳定性控制等关键技术。通过工艺参数调整和设备精准对应协调，该团队解决了设备同步性、准直性和同心性等关键技术问题。
在区熔工艺参数深入分析基础上，该团队明确了熔区速率、方向、真空度及气体压力的作用，实现了铁的跨越提纯，纯度升至5N2（99.9992%）。
图为5N纯铁制备流程。
图为超高真空垂直感应区熔设备。
铁的特性研究
高超纯铁为铁的特性和机理研究奠定了物质基础。该团队探索铁的力学性能微观机制、磁学特性、电学性能、腐蚀机理等问题，为新材料的创制和应用打下牢固的科学基础。
纯铁电阻值随温度的变化曲线
纯铁电阻值随温度变化曲线图反映出3点：一是RRR测试可以反映出样品纯度。3N7多晶铁在4.2K时的RRR值为118，而4N8多晶铁在4.2K的RRR值升高为181；二是晶粒大小对测试结果有一定的影响，准单晶4N8的铁的RRR值提高为215；三是磁场对RRR测试影响很大，加入一个与电流方向平行的磁场后，4N8准单晶的RRR值从215升为791。
电化学阻抗谱结果表明，纯铁的纯度越高，腐蚀速率越低。在3.5wt%NaCl溶液中浸泡1小时后，纯铁的腐蚀速率小于普碳钢和耐候钢，其中Q235B钢的腐蚀速率为5N2铁的2.5倍。
材料纯度与电阻值关系曲线
此外，矫顽力随纯度提高而明显降低，与典型无取向硅钢相比，4N4粗晶纯铁具有较低的矫顽力，其直流软磁性能最佳。
纯铁矫顽力与纯度关系
展望未来，随着铁材料高纯化技术的进一步成熟和应用，我们有理由相信，它们将在新材料的开发和应用中发挥更加关键的作用，促进中国制造业的发展。
高超纯铁技术的突破也将对国家经济发展和战略安全产生深远影响，促进相关产业的升级和转型。
上海大学、龙凤山集团、上善院将继续努力，以4N级高纯铁、5N级超纯铁的制备和研发为基础，构建“高超纯铁制备—新材料生产—高端基础件制造和应用”全产业链，推动我国新材料产业自立自强和高端装备基础件持续发展。
