本刊产业研究小组

1.高纯铁、超纯铁简介

工业上将碳质量分数小于0.0218%的铁称为纯铁。按照纯度，纯铁有可进一步分为：工业用纯铁(含铁量为99%～99.9%，即2N-3N)、高纯铁(含铁量为99.99%，即4N)、超纯铁(含铁量为99.999%～99.9999%，即5N-6N)。高纯铁是以高纯生铁、超高纯生铁为原料提纯而得，而超纯铁则是以高纯铁为原料进一步提纯而得。纯铁的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。

高纯铁作为关键基础原料和关键材料，其纯度直接影响铁基材料的品质。发展高纯铁能够降低铁基材料的杂质元素含量，以及提高纯铁材料的性能。

高纯铁、超纯铁是制备磁性材料、非晶材料等高性能功能材料的关键基础材料；也是良好的电磁屏蔽材料，可保障数据安全和精密设备运行；还是制备包括高端特殊钢、高温合金、耐蚀合金、航空航天合金、核工业材料、军工钢在内的高品质合金的关键基础材料，广泛应用于能源、轨道交通、海洋工程、石油化工等领域，以及机械装备、武器装备、飞机、航天器、燃气轮机、半导体芯片制造装备等高端装备制造业。

2.发展高纯铁、超纯铁必要性

工业是实体经济的主体，是推动经济发展、改善人民生活、保障国家安全的根本所在，是国家富强、民族振兴的坚强保障。材料工业是国民经济的基础产业，新材料是材料工业发展的先导，是重要的战略性新兴产业。加快培育和发展新材料产业，对于促进工业转型升级，保障重大工程实施，提升制造业核心竞争力具有重要战略意义。

2021年12月，工信部、科技部、自然资源部三部委联合发布的《“十四五”原材料工业发展规划》（简称《规划》）明确提出，原材料工业是实体经济的根基，是支撑国民经济发展的基础性产业和赢得国际竞争优势的关键领域。《规划》要求，到2025年，新材料产业规模持续提升，占原材料工业比重明显提高；先进基础材料高端产品质量稳定性可靠性适用性明显提升；部分前沿新材料品种实现量产和典型应用；突破一批重点战略领域关键基础材料。

新一代信息技术、航空航天装备、海洋工程和高技术船舶、节能环保、新能源等领域的发展，为新材料产业提供了广阔的市场空间，也对新材料质量性能、保障能力等提出了更高要求。随着科技的发展，不断提高铁纯度以获得新的性能和应用已成为新材料领域一个重要的发展方向。高纯铁、超纯铁等高端铁基新材料作为先进工业基础材料，是发展先进装备制造业的基础，是国家重点鼓励发展的先进钢铁材料。2019年，超高纯生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（2019年版）》。2018年5月，《科技日报》登载了35项我国亟待攻克“卡脖子”核心技术，其中包括航空钢材（大飞机起落架）、高端轴承钢（飞机、汽车、高铁、高精密机床、仪器仪表）、高强度不锈钢（火箭发动机）等，而高纯铁、超纯铁是制备上述“卡脖子”材料的关键基础材料。

目前，国产2N-3N纯铁还不能满足下游用户要求。同时，我国在高纯铁、超纯铁制备技术研究方面起步相对较晚，目前还无法工业化生产出纯度达到99.99%(4N)及以上级别的高纯铁、超纯铁，高纯铁、超纯铁依赖进口，易受制于他国，已经严重制约我国高性能合金材料的发展，阻碍高端装备制造业的进步。鉴于此，我国亟需工业化生产纯度达到4N及以上级别的高纯铁、超纯铁，实现铁基新材料领域补短板，打破国外发达国家的垄断，解决我国铁基新材料领域中的“卡脖子”难题。

此外，高纯铁、超纯铁等高端铁基新材料属于中间品，用于制造先进装备制成品的核心部件，普通消费群体难有切身感受，因而存在认知偏差，将其划归为传统钢铁材料。事实上，高纯铁、超纯铁是国家重点鼓励发展的铁基新材料，已列入国家新材料发展规划。

3.纯铁市场需求

3.1 纯铁市场需求总量及预测

我国纯铁年需求量2019年已超过200万吨，2020年估计达到220万吨，呈现出逐年增长趋势（见图1）。除了需求量增长，市场对纯铁的纯度也提出了更高的要求。目前国产2N-3N纯铁还不能满足先进装备制造业和军工业的要求，如果用4N高纯铁替代低端工业纯铁，军工装甲板、炮管等装备寿命和性能可提高10倍以上。随着大数据、5G技术的推广和磁性屏蔽材料的应用，4N高纯铁的需求量将增加一倍以上。

图1 2010-2020年我国纯铁市场需求变化 万吨

展望未来，随着工业的高质量发展和产品品质提升，特别是先进装备制造业和军工行业的快速发展，对高纯铁、超纯铁的需求还将持续快速增长（见表1、表2）。

表1 “十四五”期间我国纯铁供给预测 万吨，%

表2 “十四五”期间我国纯铁需求预测 万吨，%

据预测，“十四五”期间，国内纯铁市场或将呈现供不应求状态，供应缺口还可能进一步放大。

3.2 主要应用市场需求及预测

3.2.1 高性能合金材料

特钢用于制造各种机械零件，为匹配先进装备制造业高速、重载、精密、长寿的发展方向，必须满足高洁净度、高均质化、高表面质量以及长寿命的质量要求。高洁净度要求降低钢中杂质元素硫、磷、氮、氧、氢的含量；高均质化需要严格控制成分波动和各种异常组织；高表面质量要求提高表面质量与尺寸控制精度；长寿命需要严格控制钢中夹杂物和表面微裂纹，提高疲劳寿命。将高纯铁、超纯铁再次融化后，添加合金元素，用于制备高端特殊钢是高纯铁、超纯铁应用最大的领域。

我国已成为全世界唯一拥有联合国产业分类中所列全部工业门类的国家，但与世界先进制造强国相比，国内制造业大而不强，优化提升的空间巨大，这是特钢需求增长、品质提升的长期基础。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》提出，“提升产业链供应链现代化水平……发展战略新兴产业，加快壮大新一代信息技术、生物技术、新能源、新材料、高端装备、新能源汽车、绿色环保以及航空航天、海洋装备等产业”（见表3）。

表3 国家推动特钢行业发展的主要政策

国内特钢行业发展从“金字塔”底起步，逐渐向“金字塔”尖攀登。“金字塔”尖的高温合金、耐蚀合金等有严苛的质量要求及特殊的使用场景（国防军工、航空航天、海洋工程等），代表了现阶段特钢产业的技术前沿，有较为广阔的需求前景。见图2。

图2 特钢材料“金字塔”发展示意图

虽然我国部分特钢产品类别在规模上已跻身世界前列，但众多关键特钢材料仍为空白或依赖进口，如：高端模具进口依赖度、高端不锈钢进口依赖度等均超过50%，部分品种依然无法满足下游行业的要求，导致核心材料依赖国外进口，严重制约我国诸如航空航天等战略性产业的发展。

我国每年特钢进口量约400万吨，替代进口空间巨大。在进口替代趋势下，特钢产业有望逐步解决高端特钢材料对外依赖问题。自2018年开启的中美贸易争端，及2020年爆发的新冠疫情，给国内制造业供应链带来新的挑战，制造业重视培育国内上游供应链，有利于特钢加快进口替代、扩大研发、推动产品迭代升级。若进口替代成功，将带动纯铁需求增长进入“快车道”。

综上，当前包括高品质特殊钢、高温合金、耐蚀合金、超高强钢、特种不锈钢等高性能合金材料对工业纯铁需求量超过180万吨。

3.2.1 高性能磁性材料

高纯铁、超纯铁是制备磁性材料的关键基础材料。将高纯铁、超纯铁再次融化后添加稀土元素，按规格成型，可制备磁性材料。见图3。

图3 磁性材料分类示意图

（1） 永磁材料

稀土永磁材料在高新技术、国防军工、工农业和家用电器等领域的应用取得进步，下游需求主要集中于传统领域的VCM、汽车EPS（电动助力转向系统）和消费类电子产品，新能源以及节能领域的风力发电机、新能源汽车驱动电机、节能电梯和变频空调压缩机等。我国是稀土钕铁硼需求占比最大国家，并且还是世界第一大稀土钕铁硼生产国，新能源汽车、节能家电、电动工具、工业机器人等行业的发展为稀土永磁材料行业发展提供了重要支撑。

第三代稀土永磁钕铁硼是当代磁体中性能最强的永磁体，主要原料中纯铁占63.95%～68.65%。国内铁基磁性材料产量约为55万吨，其中钕铁硼毛坯产量超过20万吨，按照纯铁平均占配料比值的60%～70%计算，磁性材料行业对纯铁的需求量约为15万吨。

在风电领域，大型化趋势下永磁直驱及半直驱电机将为高端钕铁硼成长提供支撑。“十四五”规划中提出，到“十四五”末，中国非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右。基于“双碳”战略和“十四五”规划目标，测算风电市场容量，若正常完成政策目标，则2021-2025五年及2021-2030十年风电年均新增装机容量分别为44GW和49GW，较“十三五”期间按年均29GW分别增长51.7%和69%。

在新能源汽车领域，高成长的前景广阔，国内主配永磁驱动电机将拉动高端钕铁硼需求。能用于新能源汽车驱动电机的主要有四类，包括直流电机、交流异步电机、永磁同步电机及开关磁阻电机，其中永磁同步驱动电机和交流异步驱动电机成为新能源汽车配置主流。2016-2019年永磁驱动电机占比由75.6%提升至97.5%。在我国新能源电动车发展由政策驱动向产品和市场驱动转型的关键时刻，新能源车企通过优质供给，积极创造私人消费需求，大幅提升新能源车的本土渗透率，新能源车需求有望被继续引导进入持续高增长期。随着永磁材料技术进步、成本降低以及汽车电子化、智能化和自动化对所用电机性能要求的提升，高端钕铁硼单耗将显著提高。

在汽车转向系统方面，电动助力转向系统（EPS）主流地位难被替代，对磁性材料需求稳定增长。EPS系统主要由传感器、助力电机、电控单元（ECU）、车载电源系统等构成，其中起核心作用的便是助力电机，而高性能钕铁硼永磁材料是生产助力电机的核心零部件材料。

（2）软磁材料

高纯铁、超纯铁是制备非晶材料的关键基础材料。将高纯铁、超纯铁再次融化后，按规格成型，即可制备非晶材料。非晶材料是制造电感元件的核心材料，电感元件是高频电能变换设备中的核心元件，下游应用集中于电力电子技术领域，制造变频空调变频器、UPS、光伏发电逆变器、新能源汽车(AC/DC车载充电机和车载 DC/DC 变换器中PFC、BOOST、BUCK 等电路模型)、电能质量整治有源滤波器等，产品广泛用于电力、电子、汽车、航天航空等重要领域。

非晶合金带材具有优异的软磁性能，在配电变压器中的节能效果相比传统的硅钢变压器，可使空载损耗降低60%～80%，非晶带材用于替代变压器铁芯材料(硅钢、铁氧体)，属于新一代变压器铁芯。国内能够生产高质量非晶带材的企业从2016年的9家进一步优化整合到2021年的3家，设计产能超过35万吨。再加上，在“双碳”目标、能效提升计划实施的驱动下，下游产业对非晶合金材料的需求量大幅增加，非晶合金带材的国内需求量突破10万吨。按照纯铁在非晶合金中平均占比85%计算，对应纯铁需求约9万吨。

展望未来，非晶合金变压器的市场容量决定了非晶带材的需求空间。近年来，非晶变压器在生产技术、工艺及效率方面均取得较大进步，在稳定性、可靠性、安全性得到保障的前提下，节能环保优势凸显，非晶变压器也因此成为电网市场的“新宠”。随着电网低碳发展和“十四五”电网配电投资计划实施，国网、南网在配电招标上提高了非晶配电变压器占比，将进一步带动纯铁的市场需求增长。

3.2.3 高性能电磁屏蔽材料

随着电子设备的广泛应用，电磁干扰带来的危害越来越大。减少电磁干扰已经成为不能回避的重要课题。而铁的纯度决定着电磁屏蔽材料的性能，高纯铁、超纯铁是制备高性能电磁屏蔽材料的关键材料。

通讯行业是电磁屏蔽器件最重要的应用领域，通讯领域由于其工作原理的特殊性，对电磁屏蔽器件的需求十分旺盛。通讯行业对电磁屏蔽器件的需求主要是程控交换机和移动通讯基站设备，通讯设备的需求规模一定程度上决定了电磁屏蔽器件的市场需求。

消费电子领域对电磁屏蔽器件的需求主要是手机、计算机和家用电器。智能手机、高性能电脑等运算速度越快，智能化程度越高，对于电磁屏蔽器件的需求也越大。此外，随着绿色家电越来越受消费者喜爱（所谓绿色家电就是利用电磁屏蔽材料尽可能处理掉对人体有害的电磁波），电子消费领域需求扩大将极大提高电磁屏蔽材料的市场需求。

除应用于通讯行业和消费电子领域以外，电磁屏蔽还广泛应用于汽车电子、医疗、军工和电力等领域，将带来电磁屏蔽及导热界面器件需求的更进一步扩大。智能化是现代汽车发展的重要趋势，自动控制等在汽车领域的应用不断推广、电子定位系统在交通运输领域的应用，使得现代汽车智能化程度提高，要求处理汽车内部由于智能化而产生的热和电磁波，以提高汽车的安全性和智能性。在医疗领域，当今许多医疗设备都采用了先进的电子和信息技术，设备的抗干扰性能直接关系到人们的生命安危，如心脏起搏器，往往就会受到来自计算机、手机等的电磁干扰，使其功能发生变化。据测算，仅仅是制作一大型CT屏蔽室就需要普通电磁屏蔽纯铁20吨。电磁屏蔽最早应用在军事领域，而信息化武器装备的飞速发展，电磁兼容技术及其应用已渗透到军事应用中武器装备建设及应用的各个方面。

据估算，我国用于制造高性能电磁屏蔽材料的纯铁需求量在10万～15万吨之间。

4.结语

高性能合金材料、高性能金属功能材料广泛应用于能源、轨道交通、机械装备、武器装备、飞机、航天器、燃气轮机、海洋工程、石油化工、半导体芯片等先进装备制造业，市场前景广阔，需求增长潜力大。随着我国构建“双循环”发展新格局，提升供给体系质量和水平，新材料行业发展将突飞猛进。

高纯铁、超纯铁被列入国家重点发展的先进基础材料，是制备高性能合金材料、高性能功能材料的关键基础材料，是制备高性能电磁屏蔽材料的关键材料。预计到“十四五”末，纯铁的市场需求将从目前的200万吨级，提升至300万吨级。

纯铁生产在我国起步晚，发展较慢，还尚不能工业化生产出纯度达到99.99%(4N)的高纯铁，纯度低已经严重影响关键基础材料的发展，阻碍了高端装备制造业的进步，面临国外“卡脖子”风险。

高纯生铁、超高纯生铁是生产高纯铁、超纯铁的原料，只有能够达到高纯生铁、超高纯生铁稳定生产的企业，才具备发展高纯铁、超纯铁的能力。

因此，加快我国在高纯铁、超纯铁产业化和应用技术方面的发展，实现铁基新材料产业从跟跑向并跑进而领跑质的转变，必将进一步促进我国新材料品质提升，为我国从工业大国向工业强国转变夯实基础。