本刊產業(yè)研究小組

1.高純鐵、超純鐵簡介

工業(yè)上將碳質量分數(shù)小于0.0218%的鐵稱為純鐵。按照純度，純鐵有可進一步分為：工業(yè)用純鐵(含鐵量為99%～99.9%，即2N-3N)、高純鐵(含鐵量為99.99%，即4N)、超純鐵(含鐵量為99.999%～99.9999%，即5N-6N)。高純鐵是以高純生鐵、超高純生鐵為原料提純而得，而超純鐵則是以高純鐵為原料進一步提純而得。純鐵的室溫組織以鐵素體為主，具有質地柔軟、韌性大、延展性好、電磁性能優(yōu)異等特點。

高純鐵作為關鍵基礎原料和關鍵材料，其純度直接影響鐵基材料的品質。發(fā)展高純鐵能夠降低鐵基材料的雜質元素含量，以及提高純鐵材料的性能。

高純鐵、超純鐵是制備磁性材料、非晶材料等高性能功能材料的關鍵基礎材料；也是良好的電磁屏蔽材料，可保障數(shù)據安全和精密設備運行；還是制備包括高端特殊鋼、高溫合金、耐蝕合金、航空航天合金、核工業(yè)材料、軍工鋼在內的高品質合金的關鍵基礎材料，廣泛應用于能源、軌道交通、海洋工程、石油化工等領域，以及機械裝備、武器裝備、飛機、航天器、燃氣輪機、半導體芯片制造裝備等高端裝備制造業(yè)。

2.發(fā)展高純鐵、超純鐵必要性

工業(yè)是實體經濟的主體，是推動經濟發(fā)展、改善人民生活、保障國家安全的根本所在，是國家富強、民族振興的堅強保障。材料工業(yè)是國民經濟的基礎產業(yè)，新材料是材料工業(yè)發(fā)展的先導，是重要的戰(zhàn)略性新興產業(yè)。加快培育和發(fā)展新材料產業(yè)，對于促進工業(yè)轉型升級，保障重大工程實施，提升制造業(yè)核心競爭力具有重要戰(zhàn)略意義。

2021年12月，工信部、科技部、自然資源部三部委聯(lián)合發(fā)布的《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》（簡稱《規(guī)劃》）明確提出，原材料工業(yè)是實體經濟的根基，是支撐國民經濟發(fā)展的基礎性產業(yè)和贏得國際競爭優(yōu)勢的關鍵領域?！兑?guī)劃》要求，到2025年，新材料產業(yè)規(guī)模持續(xù)提升，占原材料工業(yè)比重明顯提高；先進基礎材料高端產品質量穩(wěn)定性可靠性適用性明顯提升；部分前沿新材料品種實現(xiàn)量產和典型應用；突破一批重點戰(zhàn)略領域關鍵基礎材料。

新一代信息技術、航空航天裝備、海洋工程和高技術船舶、節(jié)能環(huán)保、新能源等領域的發(fā)展，為新材料產業(yè)提供了廣闊的市場空間，也對新材料質量性能、保障能力等提出了更高要求。隨著科技的發(fā)展，不斷提高鐵純度以獲得新的性能和應用已成為新材料領域一個重要的發(fā)展方向。高純鐵、超純鐵等高端鐵基新材料作為先進工業(yè)基礎材料，是發(fā)展先進裝備制造業(yè)的基礎，是國家重點鼓勵發(fā)展的先進鋼鐵材料。2019年，超高純生鐵被列入工信部制定的《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2019年版）》。2018年5月，《科技日報》登載了35項我國亟待攻克“卡脖子”核心技術，其中包括航空鋼材（大飛機起落架）、高端軸承鋼（飛機、汽車、高鐵、高精密機床、儀器儀表）、高強度不銹鋼（火箭發(fā)動機）等，而高純鐵、超純鐵是制備上述“卡脖子”材料的關鍵基礎材料。

目前，國產2N-3N純鐵還不能滿足下游用戶要求。同時，我國在高純鐵、超純鐵制備技術研究方面起步相對較晚，目前還無法工業(yè)化生產出純度達到99.99%(4N)及以上級別的高純鐵、超純鐵，高純鐵、超純鐵依賴進口，易受制于他國，已經嚴重制約我國高性能合金材料的發(fā)展，阻礙高端裝備制造業(yè)的進步。鑒于此，我國亟需工業(yè)化生產純度達到4N及以上級別的高純鐵、超純鐵，實現(xiàn)鐵基新材料領域補短板，打破國外發(fā)達國家的壟斷，解決我國鐵基新材料領域中的“卡脖子”難題。

此外，高純鐵、超純鐵等高端鐵基新材料屬于中間品，用于制造先進裝備制成品的核心部件，普通消費群體難有切身感受，因而存在認知偏差，將其劃歸為傳統(tǒng)鋼鐵材料。事實上，高純鐵、超純鐵是國家重點鼓勵發(fā)展的鐵基新材料，已列入國家新材料發(fā)展規(guī)劃。

3.純鐵市場需求

3.1 純鐵市場需求總量及預測

我國純鐵年需求量2019年已超過200萬噸，2020年估計達到220萬噸，呈現(xiàn)出逐年增長趨勢（見圖1）。除了需求量增長，市場對純鐵的純度也提出了更高的要求。目前國產2N-3N純鐵還不能滿足先進裝備制造業(yè)和軍工業(yè)的要求，如果用4N高純鐵替代低端工業(yè)純鐵，軍工裝甲板、炮管等裝備壽命和性能可提高10倍以上。隨著大數(shù)據、5G技術的推廣和磁性屏蔽材料的應用，4N高純鐵的需求量將增加一倍以上。

圖1 2010-2020年我國純鐵市場需求變化 萬噸

展望未來，隨著工業(yè)的高質量發(fā)展和產品品質提升，特別是先進裝備制造業(yè)和軍工行業(yè)的快速發(fā)展，對高純鐵、超純鐵的需求還將持續(xù)快速增長（見表1、表2）。

表1 “十四五”期間我國純鐵供給預測 萬噸，%

表2 “十四五”期間我國純鐵需求預測 萬噸，%

據預測，“十四五”期間，國內純鐵市場或將呈現(xiàn)供不應求狀態(tài)，供應缺口還可能進一步放大。

3.2 主要應用市場需求及預測

3.2.1 高性能合金材料

特鋼用于制造各種機械零件，為匹配先進裝備制造業(yè)高速、重載、精密、長壽的發(fā)展方向，必須滿足高潔凈度、高均質化、高表面質量以及長壽命的質量要求。高潔凈度要求降低鋼中雜質元素硫、磷、氮、氧、氫的含量；高均質化需要嚴格控制成分波動和各種異常組織；高表面質量要求提高表面質量與尺寸控制精度；長壽命需要嚴格控制鋼中夾雜物和表面微裂紋，提高疲勞壽命。將高純鐵、超純鐵再次融化后，添加合金元素，用于制備高端特殊鋼是高純鐵、超純鐵應用最大的領域。

我國已成為全世界唯一擁有聯(lián)合國產業(yè)分類中所列全部工業(yè)門類的國家，但與世界先進制造強國相比，國內制造業(yè)大而不強，優(yōu)化提升的空間巨大，這是特鋼需求增長、品質提升的長期基礎?！吨泄仓醒腙P于制定國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》提出，“提升產業(yè)鏈供應鏈現(xiàn)代化水平……發(fā)展戰(zhàn)略新興產業(yè)，加快壯大新一代信息技術、生物技術、新能源、新材料、高端裝備、新能源汽車、綠色環(huán)保以及航空航天、海洋裝備等產業(yè)”（見表3）。

表3 國家推動特鋼行業(yè)發(fā)展的主要政策

國內特鋼行業(yè)發(fā)展從“金字塔”底起步，逐漸向“金字塔”尖攀登?！敖鹱炙奔獾母邷睾辖?、耐蝕合金等有嚴苛的質量要求及特殊的使用場景（國防軍工、航空航天、海洋工程等），代表了現(xiàn)階段特鋼產業(yè)的技術前沿，有較為廣闊的需求前景。見圖2。

圖2 特鋼材料“金字塔”發(fā)展示意圖

雖然我國部分特鋼產品類別在規(guī)模上已躋身世界前列，但眾多關鍵特鋼材料仍為空白或依賴進口，如：高端模具進口依賴度、高端不銹鋼進口依賴度等均超過50%，部分品種依然無法滿足下游行業(yè)的要求，導致核心材料依賴國外進口，嚴重制約我國諸如航空航天等戰(zhàn)略性產業(yè)的發(fā)展。

我國每年特鋼進口量約400萬噸，替代進口空間巨大。在進口替代趨勢下，特鋼產業(yè)有望逐步解決高端特鋼材料對外依賴問題。自2018年開啟的中美貿易爭端，及2020年爆發(fā)的新冠疫情，給國內制造業(yè)供應鏈帶來新的挑戰(zhàn)，制造業(yè)重視培育國內上游供應鏈，有利于特鋼加快進口替代、擴大研發(fā)、推動產品迭代升級。若進口替代成功，將帶動純鐵需求增長進入“快車道”。

綜上，當前包括高品質特殊鋼、高溫合金、耐蝕合金、超高強鋼、特種不銹鋼等高性能合金材料對工業(yè)純鐵需求量超過180萬噸。

3.2.1 高性能磁性材料

高純鐵、超純鐵是制備磁性材料的關鍵基礎材料。將高純鐵、超純鐵再次融化后添加稀土元素，按規(guī)格成型，可制備磁性材料。見圖3。

圖3 磁性材料分類示意圖

（1） 永磁材料

稀土永磁材料在高新技術、國防軍工、工農業(yè)和家用電器等領域的應用取得進步，下游需求主要集中于傳統(tǒng)領域的VCM、汽車EPS（電動助力轉向系統(tǒng)）和消費類電子產品，新能源以及節(jié)能領域的風力發(fā)電機、新能源汽車驅動電機、節(jié)能電梯和變頻空調壓縮機等。我國是稀土釹鐵硼需求占比最大國家，并且還是世界第一大稀土釹鐵硼生產國，新能源汽車、節(jié)能家電、電動工具、工業(yè)機器人等行業(yè)的發(fā)展為稀土永磁材料行業(yè)發(fā)展提供了重要支撐。

第三代稀土永磁釹鐵硼是當代磁體中性能最強的永磁體，主要原料中純鐵占63.95%～68.65%。國內鐵基磁性材料產量約為55萬噸，其中釹鐵硼毛坯產量超過20萬噸，按照純鐵平均占配料比值的60%～70%計算，磁性材料行業(yè)對純鐵的需求量約為15萬噸。

在風電領域，大型化趨勢下永磁直驅及半直驅電機將為高端釹鐵硼成長提供支撐?！笆奈濉币?guī)劃中提出，到“十四五”末，中國非化石能源占能源消費總量比重提高到20%左右。基于“雙碳”戰(zhàn)略和“十四五”規(guī)劃目標，測算風電市場容量，若正常完成政策目標，則2021-2025五年及2021-2030十年風電年均新增裝機容量分別為44GW和49GW，較“十三五”期間按年均29GW分別增長51.7%和69%。

在新能源汽車領域，高成長的前景廣闊，國內主配永磁驅動電機將拉動高端釹鐵硼需求。能用于新能源汽車驅動電機的主要有四類，包括直流電機、交流異步電機、永磁同步電機及開關磁阻電機，其中永磁同步驅動電機和交流異步驅動電機成為新能源汽車配置主流。2016-2019年永磁驅動電機占比由75.6%提升至97.5%。在我國新能源電動車發(fā)展由政策驅動向產品和市場驅動轉型的關鍵時刻，新能源車企通過優(yōu)質供給，積極創(chuàng)造私人消費需求，大幅提升新能源車的本土滲透率，新能源車需求有望被繼續(xù)引導進入持續(xù)高增長期。隨著永磁材料技術進步、成本降低以及汽車電子化、智能化和自動化對所用電機性能要求的提升，高端釹鐵硼單耗將顯著提高。

在汽車轉向系統(tǒng)方面，電動助力轉向系統(tǒng)（EPS）主流地位難被替代，對磁性材料需求穩(wěn)定增長。EPS系統(tǒng)主要由傳感器、助力電機、電控單元（ECU）、車載電源系統(tǒng)等構成，其中起核心作用的便是助力電機，而高性能釹鐵硼永磁材料是生產助力電機的核心零部件材料。

（2）軟磁材料

高純鐵、超純鐵是制備非晶材料的關鍵基礎材料。將高純鐵、超純鐵再次融化后，按規(guī)格成型，即可制備非晶材料。非晶材料是制造電感元件的核心材料，電感元件是高頻電能變換設備中的核心元件，下游應用集中于電力電子技術領域，制造變頻空調變頻器、UPS、光伏發(fā)電逆變器、新能源汽車(AC/DC車載充電機和車載 DC/DC 變換器中PFC、BOOST、BUCK 等電路模型)、電能質量整治有源濾波器等，產品廣泛用于電力、電子、汽車、航天航空等重要領域。

非晶合金帶材具有優(yōu)異的軟磁性能，在配電變壓器中的節(jié)能效果相比傳統(tǒng)的硅鋼變壓器，可使空載損耗降低60%～80%，非晶帶材用于替代變壓器鐵芯材料(硅鋼、鐵氧體)，屬于新一代變壓器鐵芯。國內能夠生產高質量非晶帶材的企業(yè)從2016年的9家進一步優(yōu)化整合到2021年的3家，設計產能超過35萬噸。再加上，在“雙碳”目標、能效提升計劃實施的驅動下，下游產業(yè)對非晶合金材料的需求量大幅增加，非晶合金帶材的國內需求量突破10萬噸。按照純鐵在非晶合金中平均占比85%計算，對應純鐵需求約9萬噸。

展望未來，非晶合金變壓器的市場容量決定了非晶帶材的需求空間。近年來，非晶變壓器在生產技術、工藝及效率方面均取得較大進步，在穩(wěn)定性、可靠性、安全性得到保障的前提下，節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢凸顯，非晶變壓器也因此成為電網市場的“新寵”。隨著電網低碳發(fā)展和“十四五”電網配電投資計劃實施，國網、南網在配電招標上提高了非晶配電變壓器占比，將進一步帶動純鐵的市場需求增長。

3.2.3 高性能電磁屏蔽材料

隨著電子設備的廣泛應用，電磁干擾帶來的危害越來越大。減少電磁干擾已經成為不能回避的重要課題。而鐵的純度決定著電磁屏蔽材料的性能，高純鐵、超純鐵是制備高性能電磁屏蔽材料的關鍵材料。

通訊行業(yè)是電磁屏蔽器件最重要的應用領域，通訊領域由于其工作原理的特殊性，對電磁屏蔽器件的需求十分旺盛。通訊行業(yè)對電磁屏蔽器件的需求主要是程控交換機和移動通訊基站設備，通訊設備的需求規(guī)模一定程度上決定了電磁屏蔽器件的市場需求。

消費電子領域對電磁屏蔽器件的需求主要是手機、計算機和家用電器。智能手機、高性能電腦等運算速度越快，智能化程度越高，對于電磁屏蔽器件的需求也越大。此外，隨著綠色家電越來越受消費者喜愛（所謂綠色家電就是利用電磁屏蔽材料盡可能處理掉對人體有害的電磁波），電子消費領域需求擴大將極大提高電磁屏蔽材料的市場需求。

除應用于通訊行業(yè)和消費電子領域以外，電磁屏蔽還廣泛應用于汽車電子、醫(yī)療、軍工和電力等領域，將帶來電磁屏蔽及導熱界面器件需求的更進一步擴大。智能化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要趨勢，自動控制等在汽車領域的應用不斷推廣、電子定位系統(tǒng)在交通運輸領域的應用，使得現(xiàn)代汽車智能化程度提高，要求處理汽車內部由于智能化而產生的熱和電磁波，以提高汽車的安全性和智能性。在醫(yī)療領域，當今許多醫(yī)療設備都采用了先進的電子和信息技術，設備的抗干擾性能直接關系到人們的生命安危，如心臟起搏器，往往就會受到來自計算機、手機等的電磁干擾，使其功能發(fā)生變化。據測算，僅僅是制作一大型CT屏蔽室就需要普通電磁屏蔽純鐵20噸。電磁屏蔽最早應用在軍事領域，而信息化武器裝備的飛速發(fā)展，電磁兼容技術及其應用已滲透到軍事應用中武器裝備建設及應用的各個方面。

據估算，我國用于制造高性能電磁屏蔽材料的純鐵需求量在10萬～15萬噸之間。

4.結語

高性能合金材料、高性能金屬功能材料廣泛應用于能源、軌道交通、機械裝備、武器裝備、飛機、航天器、燃氣輪機、海洋工程、石油化工、半導體芯片等先進裝備制造業(yè)，市場前景廣闊，需求增長潛力大。隨著我國構建“雙循環(huán)”發(fā)展新格局，提升供給體系質量和水平，新材料行業(yè)發(fā)展將突飛猛進。

高純鐵、超純鐵被列入國家重點發(fā)展的先進基礎材料，是制備高性能合金材料、高性能功能材料的關鍵基礎材料，是制備高性能電磁屏蔽材料的關鍵材料。預計到“十四五”末，純鐵的市場需求將從目前的200萬噸級，提升至300萬噸級。

純鐵生產在我國起步晚，發(fā)展較慢，還尚不能工業(yè)化生產出純度達到99.99%(4N)的高純鐵，純度低已經嚴重影響關鍵基礎材料的發(fā)展，阻礙了高端裝備制造業(yè)的進步，面臨國外“卡脖子”風險。

高純生鐵、超高純生鐵是生產高純鐵、超純鐵的原料，只有能夠達到高純生鐵、超高純生鐵穩(wěn)定生產的企業(yè)，才具備發(fā)展高純鐵、超純鐵的能力。

因此，加快我國在高純鐵、超純鐵產業(yè)化和應用技術方面的發(fā)展，實現(xiàn)鐵基新材料產業(yè)從跟跑向并跑進而領跑質的轉變，必將進一步促進我國新材料品質提升，為我國從工業(yè)大國向工業(yè)強國轉變夯實基礎。