金属是怎样制成的？

作为一种生产技术，金属冶炼有着非常古老的起源。人类用金属代替石器和陶器，是一次文明的飞跃。人类使用天然金属(主要是天然铜)已经8000多年了。然而，天然铜资源稀缺，要使用更多的铜，必须从矿石中提取。世界上最早的炼铜是在美索不达米亚，大概是公元前38世纪到公元前36世纪。最早的青铜器出现在苏米尔，约公元前30世纪。在人类文明史上，青铜被广泛使用的时代被称为青铜时代。铁器的使用是人类文明的又一大进步。最早的炼铁是在黑海南岸的山区，大约公元前14世纪。到公元前13世纪，铁器的应用在埃及已经占据了一定的比重，一般认为这是人类文明进入铁器时代的开始。在欧洲，铁是在公元前11世纪在中欧使用的，但是传播到西欧的速度非常慢。直到公元前55年，随着罗马人的入侵，铁才被引入大不列颠。在中世纪的1000多年里，冶金技术进步非常缓慢。直到公元14 ~ 16世纪，欧洲才发展到采用水力鼓风，扩大加高炼铁炉，生产铸铁。在15世纪的欧洲，虽然熟铁已被广泛使用，但铜和青铜仍是产量最大的金属。16世纪，资本主义在欧洲萌芽，冶金企业转让给资本家，资本家之间相互竞争，促进了生产技术的发展。另一方面，机械、造船等工业的发展为冶金工业开拓了市场，提供了技术装备。在1640之后的250年里，冶金生产和技术变革主要集中在英国的高炉炼铁和炼钢上，尤其是在1700 ~ 1890年，一系列重要的技术发明使英国的炼铁和炼钢工业蓬勃发展。这些发明如下:1790A。达比用焦炭代替木炭成功炼铁，使冶铁业摆脱了木炭资源(森林)的限制；1828年，J.B. Nelson利用热风降低了炼铁和炼焦的配比，生产效率提高了一倍。炼钢方面有:1740 B .亨斯迈最早使用坩埚炼钢生产铸钢件；1856 H .贝塞麦发明转炉炼钢，开启炼钢新时代；1855 K.W .西门子发明了回热器；1864年，P.E .马丁利用这一原理创造了平炉炼钢，从而扩大了炼钢的原料来源；1879年，S.G .托马斯和P.C .盖尔克里斯特发明了碱性转炉炼钢法，成功解决了从高磷生铁冶炼优质钢的问题。轧钢方面有:1697 J .汉伯里生产镀锡铁板用平辊轧制熟铁板；1783 H .库尔特通过孔型轧制生产熟铁棒材，后来用于生产型材。这些发明使英国的炼铁和炼钢工业在18 ~ 19世纪领先于世界。炼钢也是如此。铜资源并不丰富的英国在上世纪60年代成为世界上铜产量最大的国家。

中国古代的冶炼技术比欧洲先进，尤其是铸铁技术比欧洲早2000年。对我国古代铁器的鉴定表明，我国汉代生产的一些铸铁件中的石墨呈球状，有弹性，与现代的可锻铸铁颇为相似。中国古代生产的铸铁和热处理技术已经能够满足制作农具的要求，从汉代开始铁的产量就超过了铜。春秋战国时期，中国已经掌握了金、银、铜、铁、锡、铅、汞七种常见金属。欧洲直到罗马帝国末期才完全掌握上述金属。中国在15世纪就有了锌，比欧洲早了300多年。纵观古代世界冶金工业的发展，金属制品，尤其是青铜器和铁器，对人类社会生产力的发展起着巨大的作用。

(2)不同金属矿石的冶炼方法

金属冶炼是根据各种金属的矿石的不同特性，采用不同的生产工艺和设备，从矿石或其他原料中经济地提取金属或金属化合物。目前大部分金属都是火法冶炼，通过各种冶炼工艺加入还原剂还原金属。随着技术水平的提高和环境保护的要求，湿法冶金逐渐应用于许多金属制备工艺中。如湿法炼锌、浸金电解工艺等。下面简单介绍钢、铜、镍、铅、锌、金的冶炼方法。

1.钢铁冶炼

现代炼铁大多采用高炉炼铁，也有部分采用直接还原炼铁和电炉炼铁。高炉炼铁是将铁矿石在高炉中还原，熔化成生铁。该方法操作简单，能耗低，成本低，可大量生产。生铁除铸造外，大多用作炼钢的原料。由于适合高炉冶炼的优质焦煤日益短缺，使用其他能源代替焦炭的非高炉炼铁方法相继出现。直接还原炼铁法是将固态的矿石用气体或固体还原剂还原，在低于矿石熔化温度的温度下，冶炼成固态或半熔融的海绵铁、金属化球团或含有少量杂质元素的粒状铁，可作为炼钢原料(也可作为高炉炼铁或铸造的原料)。电炉炼铁法多采用无轴还原电炉，可使用强度较差的焦炭(或煤或木炭)作为还原剂。电炉炼铁电加热可以替代部分焦炭，低品位焦炭也可以，但耗电量大，只能在电力充足、电价低的情况下使用。

炼钢主要以高炉炼出的生铁、直接还原炼铁法炼出的海绵铁和废钢为原料，用不同的方法炼成钢。主要的炼钢方法有转炉炼钢、平炉炼钢和电弧炉炼钢。以上三种炼钢工艺都能满足一般用户对钢材质量的要求。为了满足更高质量和更多品种的高钢级钢的需要，出现了多种钢水外部处理方法(也称炉外精炼)。如吹氩处理、真空脱气、炉外脱硫等。对转炉、平炉和电弧炉生产的钢水进行附加处理后，可以生产高级钢种。对于一些特殊用途，要求超高质量的钢，通过外处理无法满足要求，要通过特殊的炼钢方法进行精炼。例如，电渣重熔是一种精炼工艺，其中钢在转炉、平炉、电弧炉等中熔炼。铸造或锻造成电极，然后用渣电阻加热重熔两次。

2.炼铜

炼铜有两种方法，即火法炼铜和湿法炼铜。目前，火法炼铜是铜冶炼的主要方法，其产量约占世界铜总产量的85%。但湿法冶金具有成本低、环保等优点，该技术正在逐步推广。

火法炼铜适用于高含量硫化铜矿。铜矿石经选矿富集到12%以上，作为铜精矿，在密闭鼓风炉、反射炉、电炉或闪速炉中进行冰铜冶炼。产出的冰铜(锍)再送入转炉吹炼成粗铜，再在另一反射炉中氧化精炼除去杂质，或流程短适应性强，铜的回收率可达95%。但由于矿石中的硫在造锍和吹炼时作为二氧化硫废气排放，难以回收，容易造成污染。

湿法炼铜一般适用于氧化铜含量低的情况，产出的精铜称为电积铜。现代湿法冶金包括硫酸化焙烧-浸出-电积、浸出-萃取-电积、细菌浸出等。适用于低含量复杂矿石、氧化铜矿和含铜废矿石的堆浸、槽浸或原地浸出。酸浸法应用广泛，而氨浸法仅限于处理含钙量和镁量高的结合氧化矿。硫酸化焙烧-浸出或用氨或氯化物溶液直接浸出通常用于处理硫化矿石。

氧化铜矿石酸浸工艺:氧化铜矿石一般不易通过选矿富集，常采用稀硫酸溶液直接浸出。含铜溶液可通过硫化物沉淀、中和水解、铁屑置换和溶剂萃取-电积等方法提取。

硫化铜精矿焙烧浸出法:硫化铜精矿硫酸化焙烧后浸出，得到含铜浸出液，电积得到电解铜。

3.铅的熔炼

目前从铅精矿中生产金属铅的方法是火法冶金，湿法炼铅仍处于实验研究阶段，尚未在工业上采用。根据熔炼原理的不同，火法炼铅可分为三种类型。

反应熔炼法:这种方法是通过反射炉或平炉将一部分PbS氧化成PbO和PbSO4 _ 4，然后使其与未氧化的PbS反应生成金属铅。该方法适用于处理高含量铅精矿(含铅量s65% ~ 70%)。

沉淀熔炼法:这种方法是将铁屑或氧化铁和碳质还原剂与硫化铅混合，加热到适当的高温，使大部分硫化铅被铁取代，生成金属铅。这种方法很少单独使用。例如，在高炉还原焙烧中，经常加入铁屑，以降低铅锍中的铅含量，提高金属铅的回收率。

焙烧还原熔炼法:这种方法也叫常规炼铅法或标准炼铅法。世界上大约90%的粗铅都是用这种方法生产的。将铅精矿和溶剂加入焙烧炉中焙烧，使部分PbS氧化成PbO烧结体，然后在高炉中与焦炭一起熔炼形成粗铅，粗铅经精炼得到含量大于99%的铅锭。

4.锌冶炼

炼锌的方法可分为火法炼锌和湿法炼锌。目前湿法炼锌发展非常迅速，世界上80%的锌产量来自湿法炼锌。

火法炼锌是将硫化锌矿石煅烧生成氧化锌或氧化锌和硫化锌的混合物，然后加入碳质还原剂，在高温下用碳质还原剂还原氧化锌，使锌挥发形成锌蒸气，冷凝成液态金属锌。一般有平罐炼锌、立罐炼锌、电炉炼锌、密闭鼓风炉炼锌等炼锌方法。密闭鼓风炉是目前主要的火法冶金方法。

湿法炼锌又称电解沉积炼锌，是将硫化锌氧化成氧化锌矿或氧化锌和硫酸锌的混合物，溶于稀酸溶液并与脉石分离，浸出液净化后进行电解。电解沉淀的结果是锌在阴极沉淀，氧在阳极沉淀，产生硫酸。沉积在阴极上的锌被有规律地剥离，然后熔化并铸造成锌锭。

5.镍冶炼

生产镍的方法主要有两种:火法和湿法。根据含镍硫化矿和氧化矿的不同，冶炼处理方法也不同。目前，含镍硫化矿主要采用火法冶金处理。铜镍硫用精矿焙烧反射炉(电炉或高炉)冶炼，镍精矿电解得到金属镍。氧化矿主要是低含量的含镍红土矿，适合湿法处理。主要方法有氨浸法和硫酸法。

火法冶炼:镍精矿经干燥、脱硫后，送电炉(或高炉)冶炼，目的是将铜镍氧化物转化为硫化物，产出低锍镍(铜镍锍)和造渣脉石。得到的低锍镍中，镍和铜的总含量为8% ~ 25%(一般为13% ~ 17%)，硫含量为25%。吹低锍镍的目的是除去铁和一部分硫，得到含70% ~ 75%铜镍的高锍镍(镍含高硫)，而不是金属镍。转炉熔化温度高于1230℃，由于镍锍含量低，吹炼时间一般较长。高冰镍经细磨破碎后，通过浮选和磁选获得含镍67% ~ 68%的镍精矿，并选择铜精矿和铜镍合金分别回收铜和铂族金属。镍精矿用反射炉熔炼得到硫化镍，然后送去电解精炼或用电炉(或反射炉)还原熔炼得到粗镍再电解精炼。粗镍中不仅含有铜和钴，还含有金、银和铂族元素，需要通过电解精炼回收。与铜电解不同，这里用的是隔膜电解槽。以粗镍为阳极，镍始极片为阴极，电解液为硫酸盐溶液、硫酸盐和氯化物盐的混合溶液。通电后，镍从阴极析出，铂族元素进入阳极泥，分别回收。电解镍的纯度可以达到“合金金”的99%以上。

6.黄金冶炼

自然界中大部分黄金以自然金的形式存在。根据其在不同矿物中的不同赋存状态，通过物理和化学选矿富集金，再通过火法或湿法火法冶炼获得纯度在99.5%以上的纯金。

砂金和岩金中的粗金经重选混汞得到砂金和汞齐(汞和金的络合物)，砂金和汞齐在坩埚中熔炼，加入应时，用等熔剂提纯，得到99%以上的“结合金”。

岩金中的氧化矿一般可直接用氰化法浸出，得到氰化金的复杂溶液。在原生金矿中，通常通过浮选来富集金，以获得金精矿。研磨后，氰化浸出可得到氰化金的络合物溶液。氰化浸出络合溶液可用于以两种方式获得合金金。首先用锌粉和锌丝代替金金属，坩埚熔炼得到合金金。其次，通过活性炭吸附、分析、电解、坩埚熔炼得到“合金金”。

(3)新疆金属冶炼的发展

1.新疆钢铁冶金概况

新中国成立前，新疆没有现代钢铁工业。新中国成立后，驻疆解放军省吃俭用，艰苦奋斗，自筹资金。1951年，新疆第一家钢铁企业——新疆八一钢铁厂建成。1952年，八一钢铁厂生产出第一炉钢铁，轧制出第一批合格钢材，结束了新疆没有钢铁工业的历史。1950至1957，新疆钢铁工业总投资2307万元(不含更新改造资金)，全部用于建设八一钢铁厂，形成固定资产2096万元。到1957，生产生铁51500吨，钢材42300吨，钢材38200吨，全部收回资金投入。

从1958到1965，新疆钢铁工业基建投资共计65438+7500万元(不含更新改造资金)，其中生产性投资65438+5900万元。基建总投资中，八一钢铁厂为7242万元，占总投资的41.4%。期间，在“大炼钢”的号召下，投资4754万元建设了雅满苏铁矿、哈密钢铁厂、伊犁钢铁厂、乌鲁木齐第二钢铁厂、天龙钢铁厂、跃进钢铁厂以及库车、康苏等小型钢铁厂和矿山。1963，这些小钢铁企业在国民经济调整中关停，没有形成生产能力。只保留天龙钢铁厂等企业，企业经济效益不好，大部分处于亏损状态。

“文革”时期，新疆钢铁工业投资重点不突出，一些建设项目时起时落，建设周期长，经济效益差。大部分都未能达到基建投资的预期效果。从1966到1980，钢铁行业资金投入合计3.5亿元。其中，八一钢铁厂投资654.38+0.84亿元，占总投资的33.9%；该矿总投资6060万元，占总投资的17.3%；地方小钢厂投资654.38+0.49亿元，占总投资的465.438+0.4%；其他投资21.86万元，占总投资的6.3%。哈密钢铁厂、伊犁钢铁厂、伊犁钢铁厂、托里铬矿等地方小钢铁企业已经恢复建设，形成了一定的生产规模。从65438到0978，新疆钢产量达到8.46万吨，钢产量达到6.83万吨。

党的十一届三中全会后，新疆钢铁工业发展迅速。“六五”、“七五”、“八五”期间，新疆钢铁工业共完成投资4.33亿元(不含更新改造资金)，投资重点是八一钢铁厂扩建工程，占总投资的76.9%，矿山占总投资的11.1%，地方小钢铁企业占总投资的0%。从1980到1994，八一钢铁厂钢产量从92800吨增长到61700吨，增长了3.4倍；钢材产量从7.8万吨增加到53万吨，增长了5.8倍。同期新疆钢产量增长5倍，铁产量增长3.1倍，钢产量增长5.5倍。从65438年到0997年，新疆钢铁工业工业总产值27.59亿元，工业增加值7.39亿元。销售收入25.96亿元，利税总额654.38+0.22亿元。

目前，八一钢铁厂已成为中国六家实现全连铸和全一烧结的企业之一。多项技术指标达到国内先进水平，特别是两台12吨转炉的成功改造，使产能达到100万吨，创造了全国钢铁工业改造史上的奇迹。八一钢铁厂的技术、设备和效益都达到了全国一流水平。引进当代世界最先进的技术和设备建成的连续式小型棒材轧机，不仅使产品结构和成本构成发生了深刻的变化，而且提高了产品的质量和档次，增强了市场竞争力。目前，结合从德国引进的电炉产能，八一钢铁厂炼钢产能达到654.38+0.5万吨，轧钢产能达到654.38+0.3万吨，分别占全区炼钢和轧钢产能的80%以上和77%。1999年钢产量分别达到105万吨和1170万吨。近年来，钢铁生产发展迅速。2006年全国共有铁矿125座，其中大型矿1座，中型矿26座，年开采能力1095万吨。粗钢产量362万吨，生铁产量270万吨。2007年，中国粗钢产量约为445万吨，钢材产量为469万吨，生铁产量为387万吨。

2.新疆有色金属和稀有冶金概况

据史料记载，在先秦时期，新疆的炼铜技术已经达到很高的水平。20世纪80年代，考古学家在新疆尼勒克县南部的努拉赛和源头山发现了几个冶炼厂的遗迹。

新中国成立前，新疆以炼铜为主，铅锌次之。但是规模不大，没有工艺系统。

新中国成立后，新疆冶金局从1958到1961先后在乌鲁木齐创办了八一铜厂、电解铜厂、红旗冶炼厂(乌鲁木齐铝厂前身)等小型有色金属冶炼企业。由于当时新疆尚未发现大中型铜矿，铜资源得不到保障，铝电解成本过高，导致这些冶炼厂无法生存。

65438年至0978年党的十一届三中全会后，新疆有色金属工业有了很大发展。1981 ~ 1989乌鲁木齐铝厂经过三期技改扩建，形成了2万吨/年的铝锭生产能力。此外，CocotoSea矿务局利用其丰富的水电资源，在1987处建设了2400吨铝锭的CocotoSea选矿厂。1989新疆有色金属公司与伊犁电业局合资建设的5000吨铝锭厂投产。1990新疆已形成3万吨/年的铝锭生产能力。

65438年至0989年，新疆有色金属公司新建喀拉通克铜镍矿投产，形成7285吨高冰镍生产能力，新疆现代铜镍矿工业起步。1993年末建成富康冶炼厂，采用先进的湿法精炼技术生产电解镍，形成电解镍2040吨/年的生产能力。

新中国成立后，新疆的黄金生产也有了突飞猛进的发展。新疆现有中小型金矿32座，包括阿希金矿、哈图金矿、哈巴河多拉纳萨依金矿、富蕴萨尔布拉克金矿、鄯善康古尔金矿。特别是阿希金矿采用国际先进的氰化树脂提金工艺，年产量32000多只。

新疆是中国最早从事稀有金属开发和冶炼的省份。经过40多年的努力，新疆建成了中国第一个稀有金属技术产业基地，产品质量和自主研发能力最大。目前可提供30多种稀有金属产品，包括锂、铷、铯及其化合物。

(四)金属冶炼的发展方向

冶炼过程的生产自动化将是未来金属冶炼发展的重要方向。20世纪下半叶以来，冶金生产技术和自动化技术日益紧密地结合在一起。氧气转炉炼钢、连续铸锭、高速连轧等新技术将钢铁冶金的生产效率推向了一个新的高度，这在很大程度上归功于计算机的自动控制。没有自动控制，氧气转炉难以充分发挥其快速炼钢能力，难以保证连续铸钢的质量和获得高效率，难以实现高速连续轧制。

研究和开发新的萃取冶金技术也是未来冶金发展的一个方向。单纯着眼于金属提取，利用我们今天拥有的自然科学知识和技术手段，即使矿石含量更低，成分更复杂，也可以提取金属。问题是能耗是否过大，成本是否划算。因此，萃取冶金仍有许多研究课题。比如，扩大资源范围，通过新技术、新设备，把以前的技术水平和经济条件下不能利用的资源变成可利用的资源；减少或消除生产过程对环境的污染，发展资源综合利用，形成无污染或无废弃物的工艺；充分利用氧气，进一步强化冶炼过程，大大节约能源。

图6-2-1磁铁矿照片(肖宇摄)

图6-3-1黄铜矿和孔雀石照片(肖宇摄)

图6-3-2方铅矿和闪锌矿照片(肖宇摄)

图6-3-3新疆尼勒克县阿吾拉勒环形铜带

图6-3-4新疆西昆仑铁克里克-库斯拉矿分布图

图6-3-5塔里木周边中新生代砂岩型铜铅锌矿带及矿产分布图

图6-4-1自然金照片(张素兰摄)

图6-4-2新疆民丰县南山巴西低阶砂金矿开采坑(肖宇摄)

图6-4-3纹理天然黄金(张素兰拍摄)

图6-4-4浸染状自然金(张素兰摄)

图6-5-1阿尔泰山花岗伟晶岩稀有金属矿集区与地质构造关系示意图(根据新疆有色地质研究所)

图6-5-2电气石和绿柱石

图6-5-3钽酸锰和铌酸钽多晶

图6-5-4可可托海稀有金属矿3号矿脉露天矿(杨庆山摄)

图6-5-5三号脉冲的三维示意图

图6-5-6可可托海3号矿脉构造单元分布图

图6-6-1清河旗造币厂古铜钱(杨庆山摄)

图6-6-2平硐(刘增人摄)

图6-6-3斜井(刘增人摄)

图6-6-4竖井(杨庆山摄)

图6-7-1选矿流程图

图6-7-2康苏选矿厂优化浮选工艺流程图

图6-7-3八一钢铁厂最佳浮选工艺流程图

图6-7-4喀拉通克铜镍矿简单选矿工艺流程图

图6-7-5哈图金矿混汞浮选工艺流程图

图6-7-6 cocoto sea“87-66”工厂选择工艺流程图