金屬是怎樣制成的？

(壹)金屬礦石冶煉的歷史沿革

作為壹種生產技術，金屬冶煉有著非常古老的起源。人類用金屬代替石器和陶器，是壹次文明的飛躍。人類使用天然金屬(主要是天然銅)已經8000多年了。然而，天然銅資源稀缺，要使用更多的銅，必須從礦石中提取。世界上最早的煉銅是在美索不達米亞，大概是公元前38世紀到公元前36世紀。最早的青銅器出現在蘇米爾，約公元前30世紀。在人類文明史上，青銅被廣泛使用的時代被稱為青銅時代。鐵器的使用是人類文明的又壹大進步。最早的煉鐵是在黑海南岸的山區，大約公元前14世紀。到公元前13世紀，鐵器的應用在埃及已經占據了壹定的比重，壹般認為這是人類文明進入鐵器時代的開始。在歐洲，鐵是在公元前11世紀在中歐使用的，但是傳播到西歐的速度非常慢。直到公元前55年，隨著羅馬人的入侵，鐵才被引入大不列顛。在中世紀的1000多年裏，冶金技術進步非常緩慢。直到公元14 ~ 16世紀，歐洲才發展到采用水力鼓風，擴大加高煉鐵爐，生產鑄鐵。在15世紀的歐洲，雖然熟鐵已被廣泛使用，但銅和青銅仍是產量最大的金屬。16世紀，資本主義在歐洲萌芽，冶金企業轉讓給資本家，資本家之間相互競爭，促進了生產技術的發展。另壹方面，機械、造船等工業的發展為冶金工業開拓了市場，提供了技術裝備。在1640之後的250年裏，冶金生產和技術變革主要集中在英國的高爐煉鐵和煉鋼上，尤其是在1700 ~ 1890年，壹系列重要的技術發明使英國的煉鐵和煉鋼工業蓬勃發展。這些發明如下:1790A。達比用焦炭代替木炭成功煉鐵，使冶鐵業擺脫了木炭資源(森林)的限制；1828年，J.B. Nelson利用熱風降低了煉鐵和煉焦的配比，生產效率提高了壹倍。煉鋼方面有:1740 B .亨斯邁最早使用坩堝煉鋼生產鑄鋼件；1856 H .貝塞麥發明轉爐煉鋼，開啟煉鋼新時代；1855 K.W .西門子發明了回熱器；1864年，P.E .馬丁利用這壹原理創造了平爐煉鋼，從而擴大了煉鋼的原料來源；1879年，S.G .托馬斯和P.C .蓋爾克裏斯特發明了堿性轉爐煉鋼法，成功解決了從高磷生鐵冶煉優質鋼的問題。軋鋼方面有:1697 J .漢伯裏生產鍍錫鐵板用平輥軋制熟鐵板；1783 H .庫爾特通過孔型軋制生產熟鐵棒材，後來用於生產型材。這些發明使英國的煉鐵和煉鋼工業在18 ~ 19世紀領先於世界。煉鋼也是如此。銅資源並不豐富的英國在上世紀60年代成為世界上銅產量最大的國家。

中國古代的冶煉技術比歐洲先進，尤其是鑄鐵技術比歐洲早2000年。對我國古代鐵器的鑒定表明，我國漢代生產的壹些鑄鐵件中的石墨呈球狀，有彈性，與現代的可鍛鑄鐵頗為相似。中國古代生產的鑄鐵和熱處理技術已經能夠滿足制作農具的要求，從漢代開始鐵的產量就超過了銅。春秋戰國時期，中國已經掌握了金、銀、銅、鐵、錫、鉛、汞七種常見金屬。歐洲直到羅馬帝國末期才完全掌握上述金屬。中國在15世紀就有了鋅，比歐洲早了300多年。縱觀古代世界冶金工業的發展，金屬制品，尤其是青銅器和鐵器，對人類社會生產力的發展起著巨大的作用。

(2)不同金屬礦石的冶煉方法

金屬冶煉是根據各種金屬的礦石的不同特性，采用不同的生產工藝和設備，從礦石或其他原料中經濟地提取金屬或金屬化合物。目前大部分金屬都是火法冶煉，通過各種冶煉工藝加入還原劑還原金屬。隨著技術水平的提高和環境保護的要求，濕法冶金逐漸應用於許多金屬制備工藝中。如濕法煉鋅、浸金電解工藝等。下面簡單介紹鋼、銅、鎳、鉛、鋅、金的冶煉方法。

1.鋼鐵冶煉

現代煉鐵大多采用高爐煉鐵，也有部分采用直接還原煉鐵和電爐煉鐵。高爐煉鐵是將鐵礦石在高爐中還原，熔化成生鐵。該方法操作簡單，能耗低，成本低，可大量生產。生鐵除鑄造外，大多用作煉鋼的原料。由於適合高爐冶煉的優質焦煤日益短缺，使用其他能源代替焦炭的非高爐煉鐵方法相繼出現。直接還原煉鐵法是將固態的礦石用氣體或固體還原劑還原，在低於礦石熔化溫度的溫度下，冶煉成固態或半熔融的海綿鐵、金屬化球團或含有少量雜質元素的粒狀鐵，可作為煉鋼原料(也可作為高爐煉鐵或鑄造的原料)。電爐煉鐵法多采用無軸還原電爐，可使用強度較差的焦炭(或煤或木炭)作為還原劑。電爐煉鐵電加熱可以替代部分焦炭，低品位焦炭也可以，但耗電量大，只能在電力充足、電價低的情況下使用。

煉鋼主要以高爐煉出的生鐵、直接還原煉鐵法煉出的海綿鐵和廢鋼為原料，用不同的方法煉成鋼。主要的煉鋼方法有轉爐煉鋼、平爐煉鋼和電弧爐煉鋼。以上三種煉鋼工藝都能滿足壹般用戶對鋼材質量的要求。為了滿足更高質量和更多品種的高鋼級鋼的需要，出現了多種鋼水外部處理方法(也稱爐外精煉)。如吹氬處理、真空脫氣、爐外脫硫等。對轉爐、平爐和電弧爐生產的鋼水進行附加處理後，可以生產高級鋼種。對於壹些特殊用途，要求超高質量的鋼，通過外處理無法滿足要求，要通過特殊的煉鋼方法進行精煉。例如，電渣重熔是壹種精煉工藝，其中鋼在轉爐、平爐、電弧爐等中熔煉。鑄造或鍛造成電極，然後用渣電阻加熱重熔兩次。

2.煉銅

煉銅有兩種方法，即火法煉銅和濕法煉銅。目前，火法煉銅是銅冶煉的主要方法，其產量約占世界銅總產量的85%。但濕法冶金具有成本低、環保等優點，該技術正在逐步推廣。

火法煉銅適用於高含量硫化銅礦。銅礦石經選礦富集到12%以上，作為銅精礦，在密閉鼓風爐、反射爐、電爐或閃速爐中進行冰銅冶煉。產出的冰銅(鋶)再送入轉爐吹煉成粗銅，再在另壹反射爐中氧化精煉除去雜質，或流程短適應性強，銅的回收率可達95%。但由於礦石中的硫在造鋶和吹煉時作為二氧化硫廢氣排放，難以回收，容易造成汙染。

濕法煉銅壹般適用於氧化銅含量低的情況，產出的精銅稱為電積銅。現代濕法冶金包括硫酸化焙燒-浸出-電積、浸出-萃取-電積、細菌浸出等。適用於低含量復雜礦石、氧化銅礦和含銅廢礦石的堆浸、槽浸或原地浸出。酸浸法應用廣泛，而氨浸法僅限於處理含鈣量和鎂量高的結合氧化礦。硫酸化焙燒-浸出或用氨或氯化物溶液直接浸出通常用於處理硫化礦石。

氧化銅礦石酸浸工藝:氧化銅礦石壹般不易通過選礦富集，常采用稀硫酸溶液直接浸出。含銅溶液可通過硫化物沈澱、中和水解、鐵屑置換和溶劑萃取-電積等方法提取。

硫化銅精礦焙燒浸出法:硫化銅精礦硫酸化焙燒後浸出，得到含銅浸出液，電積得到電解銅。

3.鉛的熔煉

目前從鉛精礦中生產金屬鉛的方法是火法冶金，濕法煉鉛仍處於實驗研究階段，尚未在工業上采用。根據熔煉原理的不同，火法煉鉛可分為三種類型。

反應熔煉法:這種方法是通過反射爐或平爐將壹部分PbS氧化成PbO和PbSO4 _ 4，然後使其與未氧化的PbS反應生成金屬鉛。該方法適用於處理高含量鉛精礦(含鉛量s65% ~ 70%)。

沈澱熔煉法:這種方法是將鐵屑或氧化鐵和碳質還原劑與硫化鉛混合，加熱到適當的高溫，使大部分硫化鉛被鐵取代，生成金屬鉛。這種方法很少單獨使用。例如，在高爐還原焙燒中，經常加入鐵屑，以降低鉛鋶中的鉛含量，提高金屬鉛的回收率。

焙燒還原熔煉法:這種方法也叫常規煉鉛法或標準煉鉛法。世界上大約90%的粗鉛都是用這種方法生產的。將鉛精礦和溶劑加入焙燒爐中焙燒，使部分PbS氧化成PbO燒結體，然後在高爐中與焦炭壹起熔煉形成粗鉛，粗鉛經精煉得到含量大於99%的鉛錠。

4.鋅冶煉

煉鋅的方法可分為火法煉鋅和濕法煉鋅。目前濕法煉鋅發展非常迅速，世界上80%的鋅產量來自濕法煉鋅。

火法煉鋅是將硫化鋅礦石煆燒生成氧化鋅或氧化鋅和硫化鋅的混合物，然後加入碳質還原劑，在高溫下用碳質還原劑還原氧化鋅，使鋅揮發形成鋅蒸氣，冷凝成液態金屬鋅。壹般有平罐煉鋅、立罐煉鋅、電爐煉鋅、密閉鼓風爐煉鋅等煉鋅方法。密閉鼓風爐是目前主要的火法冶金方法。

濕法煉鋅又稱電解沈積煉鋅，是將硫化鋅氧化成氧化鋅礦或氧化鋅和硫酸鋅的混合物，溶於稀酸溶液並與脈石分離，浸出液凈化後進行電解。電解沈澱的結果是鋅在陰極沈澱，氧在陽極沈澱，產生硫酸。沈積在陰極上的鋅被有規律地剝離，然後熔化並鑄造成鋅錠。

5.鎳冶煉

生產鎳的方法主要有兩種:火法和濕法。根據含鎳硫化礦和氧化礦的不同，冶煉處理方法也不同。目前，含鎳硫化礦主要采用火法冶金處理。銅鎳硫用精礦焙燒反射爐(電爐或高爐)冶煉，鎳精礦電解得到金屬鎳。氧化礦主要是低含量的含鎳紅土礦，適合濕法處理。主要方法有氨浸法和硫酸法。

火法冶煉:鎳精礦經幹燥、脫硫後，送電爐(或高爐)冶煉，目的是將銅鎳氧化物轉化為硫化物，產出低鋶鎳(銅鎳鋶)和造渣脈石。得到的低鋶鎳中，鎳和銅的總含量為8% ~ 25%(壹般為13% ~ 17%)，硫含量為25%。吹低鋶鎳的目的是除去鐵和壹部分硫，得到含70% ~ 75%銅鎳的高鋶鎳(鎳含高硫)，而不是金屬鎳。轉爐熔化溫度高於1230℃，由於鎳鋶含量低，吹煉時間壹般較長。高冰鎳經細磨破碎後，通過浮選和磁選獲得含鎳67% ~ 68%的鎳精礦，並選擇銅精礦和銅鎳合金分別回收銅和鉑族金屬。鎳精礦用反射爐熔煉得到硫化鎳，然後送去電解精煉或用電爐(或反射爐)還原熔煉得到粗鎳再電解精煉。粗鎳中不僅含有銅和鈷，還含有金、銀和鉑族元素，需要通過電解精煉回收。與銅電解不同，這裏用的是隔膜電解槽。以粗鎳為陽極，鎳始極片為陰極，電解液為硫酸鹽溶液、硫酸鹽和氯化物鹽的混合溶液。通電後，鎳從陰極析出，鉑族元素進入陽極泥，分別回收。電解鎳的純度可以達到“合金金”的99%以上。

6.黃金冶煉

自然界中大部分黃金以自然金的形式存在。根據其在不同礦物中的不同賦存狀態，通過物理和化學選礦富集金，再通過火法或濕法火法冶煉獲得純度在99.5%以上的純金。

砂金和巖金中的粗金經重選混汞得到砂金和汞齊(汞和金的絡合物)，砂金和汞齊在坩堝中熔煉，加入應時，用等熔劑提純，得到99%以上的“結合金”。

巖金中的氧化礦壹般可直接用氰化法浸出，得到氰化金的復雜溶液。在原生金礦中，通常通過浮選來富集金，以獲得金精礦。研磨後，氰化浸出可得到氰化金的絡合物溶液。氰化浸出絡合溶液可用於以兩種方式獲得合金金。首先用鋅粉和鋅絲代替金金屬，坩堝熔煉得到合金金。其次，通過活性炭吸附、分析、電解、坩堝熔煉得到“合金金”。

(3)新疆金屬冶煉的發展

1.新疆鋼鐵冶金概況

新中國成立前，新疆沒有現代鋼鐵工業。新中國成立後，駐疆解放軍省吃儉用，艱苦奮鬥，自籌資金。1951年，新疆第壹家鋼鐵企業——新疆八壹鋼鐵廠建成。1952年，八壹鋼鐵廠生產出第壹爐鋼鐵，軋制出第壹批合格鋼材，結束了新疆沒有鋼鐵工業的歷史。1950至1957，新疆鋼鐵工業總投資2307萬元(不含更新改造資金)，全部用於建設八壹鋼鐵廠，形成固定資產2096萬元。到1957，生產生鐵51500噸，鋼材42300噸，鋼材38200噸，全部收回資金投入。

從1958到1965，新疆鋼鐵工業基建投資共計65438+7500萬元(不含更新改造資金)，其中生產性投資65438+5900萬元。基建總投資中，八壹鋼鐵廠為7242萬元，占總投資的41.4%。期間，在“大煉鋼”的號召下，投資4754萬元建設了雅滿蘇鐵礦、哈密鋼鐵廠、伊犁鋼鐵廠、烏魯木齊第二鋼鐵廠、天龍鋼鐵廠、躍進鋼鐵廠以及庫車、康蘇等小型鋼鐵廠和礦山。1963，這些小鋼鐵企業在國民經濟調整中關停，沒有形成生產能力。只保留天龍鋼鐵廠等企業，企業經濟效益不好，大部分處於虧損狀態。

“文革”時期，新疆鋼鐵工業投資重點不突出，壹些建設項目時起時落，建設周期長，經濟效益差。大部分都未能達到基建投資的預期效果。從1966到1980，鋼鐵行業資金投入合計3.5億元。其中，八壹鋼鐵廠投資654.38+0.84億元，占總投資的33.9%；該礦總投資6060萬元，占總投資的17.3%；地方小鋼廠投資654.38+0.49億元，占總投資的465.438+0.4%；其他投資21.86萬元，占總投資的6.3%。哈密鋼鐵廠、伊犁鋼鐵廠、伊犁鋼鐵廠、托裏鉻礦等地方小鋼鐵企業已經恢復建設，形成了壹定的生產規模。從65438到0978，新疆鋼產量達到8.46萬噸，鋼產量達到6.83萬噸。

黨的十壹屆三中全會後，新疆鋼鐵工業發展迅速。“六五”、“七五”、“八五”期間，新疆鋼鐵工業共完成投資4.33億元(不含更新改造資金)，投資重點是八壹鋼鐵廠擴建工程，占總投資的76.9%，礦山占總投資的11.1%，地方小鋼鐵企業占總投資的0%。從1980到1994，八壹鋼鐵廠鋼產量從92800噸增長到61700噸，增長了3.4倍；鋼材產量從7.8萬噸增加到53萬噸，增長了5.8倍。同期新疆鋼產量增長5倍，鐵產量增長3.1倍，鋼產量增長5.5倍。從65438年到0997年，新疆鋼鐵工業工業總產值27.59億元，工業增加值7.39億元。銷售收入25.96億元，利稅總額654.38+0.22億元。

目前，八壹鋼鐵廠已成為中國六家實現全連鑄和全壹燒結的企業之壹。多項技術指標達到國內先進水平，特別是兩臺12噸轉爐的成功改造，使產能達到100萬噸，創造了全國鋼鐵工業改造史上的奇跡。八壹鋼鐵廠的技術、設備和效益都達到了全國壹流水平。引進當代世界最先進的技術和設備建成的連續式小型棒材軋機，不僅使產品結構和成本構成發生了深刻的變化，而且提高了產品的質量和檔次，增強了市場競爭力。目前，結合從德國引進的電爐產能，八壹鋼鐵廠煉鋼產能達到654.38+0.5萬噸，軋鋼產能達到654.38+0.3萬噸，分別占全區煉鋼和軋鋼產能的80%以上和77%。1999年鋼產量分別達到105萬噸和1170萬噸。近年來，鋼鐵生產發展迅速。2006年全國共有鐵礦125座，其中大型礦1座，中型礦26座，年開采能力1095萬噸。粗鋼產量362萬噸，生鐵產量270萬噸。2007年，中國粗鋼產量約為445萬噸，鋼材產量為469萬噸，生鐵產量為387萬噸。

2.新疆有色金屬和稀有冶金概況

據史料記載，在先秦時期，新疆的煉銅技術已經達到很高的水平。20世紀80年代，考古學家在新疆尼勒克縣南部的努拉賽和源頭山發現了幾個冶煉廠的遺跡。

新中國成立前，新疆以煉銅為主，鉛鋅次之。但是規模不大，沒有工藝系統。

新中國成立後，新疆冶金局從1958到1961先後在烏魯木齊創辦了八壹銅廠、電解銅廠、紅旗冶煉廠(烏魯木齊鋁廠前身)等小型有色金屬冶煉企業。由於當時新疆尚未發現大中型銅礦，銅資源得不到保障，鋁電解成本過高，導致這些冶煉廠無法生存。

1978十壹屆三中全會後，新疆有色金屬工業有了很大發展。1981 ~ 1989烏魯木齊鋁廠經過三期技改擴建，形成了2萬噸/年的鋁錠生產能力。此外，CocotoSea礦務局利用其豐富的水電資源，在1987處建設了2400噸鋁錠的CocotoSea選礦廠。1989新疆有色金屬公司與伊犁電業局合資建設的5000噸鋁錠廠投產。1990新疆已形成3萬噸/年的鋁錠生產能力。

65438年至0989年，新疆有色金屬公司新建喀拉通克銅鎳礦投產，形成7285噸高冰鎳生產能力，新疆現代銅鎳礦工業起步。1993年末建成富康冶煉廠，采用先進的濕法精煉技術生產電解鎳，形成電解鎳2040噸/年的生產能力。

新中國成立後，新疆的黃金生產也有了突飛猛進的發展。新疆現有中小型金礦32座，包括阿希金礦、哈圖金礦、哈巴河多拉納薩依金礦、富蘊薩爾布拉克金礦、鄯善康古爾金礦。特別是阿希金礦采用國際先進的氰化樹脂提金工藝，年產量32000多只。

新疆是中國最早從事稀有金屬開發和冶煉的省份。經過40多年的努力，新疆建成了中國第壹個稀有金屬技術產業基地，產品質量和自主研發能力最大。目前可提供30多種稀有金屬產品，包括鋰、銣、銫及其化合物。

(四)金屬冶煉的發展方向

冶煉過程的生產自動化將是未來金屬冶煉發展的重要方向。20世紀下半葉以來，冶金生產技術和自動化技術日益緊密地結合在壹起。氧氣轉爐煉鋼、連續鑄錠、高速連軋等新技術將鋼鐵冶金的生產效率推向了壹個新的高度，這在很大程度上歸功於計算機的自動控制。沒有自動控制，氧氣轉爐難以充分發揮其快速煉鋼能力，難以保證連續鑄鋼的質量和獲得高效率，難以實現高速連續軋制。

研究和開發新的萃取冶金技術也是未來冶金發展的壹個方向。單純著眼於金屬提取，利用我們今天擁有的自然科學知識和技術手段，即使礦石含量更低，成分更復雜，也可以提取金屬。問題是能耗是否過大，成本是否劃算。因此，萃取冶金仍有許多研究課題。比如，擴大資源範圍，通過新技術、新設備，把以前的技術水平和經濟條件下不能利用的資源變成可利用的資源；減少或消除生產過程對環境的汙染，發展資源綜合利用，形成無汙染或無廢棄物的工藝；充分利用氧氣，進壹步強化冶煉過程，大大節約能源。

圖6-2-1磁鐵礦照片(肖宇攝)

圖6-3-1黃銅礦和孔雀石照片(肖宇攝)

圖6-3-2方鉛礦和閃鋅礦照片(肖宇攝)

圖6-3-3新疆尼勒克縣阿吾拉勒環形銅帶

圖6-3-4新疆西昆侖鐵克裏克-庫斯拉礦分布圖

圖6-3-5塔裏木周邊中新生代砂巖型銅鉛鋅礦帶及礦產分布圖

圖6-4-1自然金照片(張素蘭攝)

圖6-4-2新疆民豐縣南山巴西低階砂金礦開采坑(肖宇攝)

圖6-4-3紋理天然黃金(張素蘭拍攝)

圖6-4-4浸染狀自然金(張素蘭攝)

圖6-5-1阿爾泰山花崗偉晶巖稀有金屬礦集區與地質構造關系示意圖(根據新疆有色地質研究所)

圖6-5-2電氣石和綠柱石