自然界中的金属矿石大多以氧化物、硫化物和卤化物等形式存在。冶金是一门研究如何经济地从矿石或其他原料中提取金属或金属化合物,并用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学。冶金方法可归纳为三种方法:火法冶金、湿法冶金和电冶金。
(1)火法冶金
它是指在高温下矿石经熔炼与精炼反应及熔化作业,使其中的金属和杂质分开,获得较纯金属的过程。整个过程可分为原料准备(如选矿、干燥、焙烧、煅烧、烧结、球团等)、冶炼和精炼三个工序。
①选矿 根据矿石中不同矿物的物理、化学性质,把矿石破碎磨细以后,采用重选法、浮选法、磁选法、电选法等,将有用矿物与脉石矿物分开,并使各种共生(伴生)的有用矿物尽可能相互分离,除去或降低有害杂质,以获得冶炼或其他工业所需原料的过程。选矿能够使矿物中的有用组分富集,降低冶炼或其他加工过程中燃料、运输的消耗,使低品位的矿石能得到经济利用。
②干燥 除去原料中的水分。干燥温度一般为400~600℃。
③焙烧 将矿石或精矿置于适当的气氛下,加热至低于它们的熔点温度,发生氧化、还原或其他化学变化的冶金过程。其目的是为改变原料中提取对象的化学组分,满足熔炼的要求。焙烧的产物称为焙砂。按焙烧过程控制气氛的不同,可分为氧化焙烧、还原焙烧、硫酸化焙烧、氯化焙烧等。例如,硫化镍矿在氧化焙烧中可以去掉矿石中的硫。红土镍矿(氧化镍矿)在还原焙烧中可以预还原出金属镍、部分金属铁和低价氧化铁。弱磁性的赤铁矿(Fe 2 O 3 )通过还原磁化焙烧使其转变为具有强磁性的磁铁矿(Fe 3 O 4 ),以便磁选。
④煅烧(焙解) 将碳酸盐或氢氧化物的矿物原料在空气中加热分解,除去二氧化碳或水分变成氧化物的过程。如石灰石煅烧成石灰。
⑤烧结和球团 将粉矿加热焙烧,固结成多孔块状或球状的物料,是粉矿造块的主要方法。
⑥熔炼(冶炼) 将处理好的矿石或其他原料,在高温下通过氧化还原反应,使矿石中金属和杂质分离为两个液相层,即金属液和熔渣的过程。按熔炼条件可分为还原熔炼、造锍熔炼、吹氧熔炼等。
⑦精炼 进一步处理熔炼所得含有少量杂质的粗金属,以提高其纯度。如熔炼铁矿石得到生铁,再经氧化精炼成钢。
火法冶金过程所需能源,主要依靠燃料燃烧供给,也有依靠过程中的化学反应热来提供的。
(2)湿法冶金
(水法冶金)它是在温度不高的条件下进行的,一般低于100℃,即使是在现代湿法冶金中的高温高压过程,温度也不过200~300℃。湿法冶金是金属矿物原料在酸性介质或碱性介质的水溶液进行化学处理或有机溶剂萃取、分离杂质、提取金属及其化合物的过程。整个过程包括浸出、分离、富集和提取等工序。
①浸出 浸出的实质是将原料中有用成分转入溶液,即用适当的溶剂处理矿石或精矿,使要提取的金属成为某种离子(阳离子或络阴离子)形态进入溶液,而脉石及其他杂质则不溶解,这样的过程叫浸出。浸出后经澄清和过滤,得到含金属(离子)的浸出液和由脉石矿物组成的不溶残渣(浸出渣)。对某些难浸出的矿石或精矿,在浸出前常常需要进行预备处理,使被提取的金属转变为易于浸出的某种化合物或盐类。例如,转变为可溶性的硫酸盐而进行的硫酸化焙烧等,都是常用的预备处理方法。
②分离 浸取溶液与残渣分离,同时将夹带于残渣中的冶金溶剂和金属离子洗涤回收。
③富集 浸取溶液的净化和富集,常采用离子交换和溶剂萃取技术或其他化学沉淀方法。
④提取 从净化液提取金属或化合物。
(3)电冶金
利用电能提取和精炼金属的方法。按电能形式可分为两类。
①电热冶金 利用电能转变成热能,在高温下提炼金属,同火法冶金。
②电化学冶金 用电化学反应使金属从含金属的盐类的水溶液或熔体中析出。前者称为溶液电解,如铜的电解精炼,可归入湿法冶金;后者称为熔盐电解,如电解铝。
从矿石或精矿中提取金属的生产工艺流程,常常是既有火法过程又有湿法过程,即使是以火法为主的工艺流程,如硫化镍精矿的火法冶炼,最后还须要有湿法的电解精炼过程;而在湿法炼锌中,硫化锌精矿还需要用高温氧化焙烧对原料进行炼前处理。