金屬冶煉是一種提煉技術(shù)，是指用焙燒、熔煉、電解以及使用化學(xué)藥劑等方法把礦石中的金屬提取出來;減少金屬中所含的雜質(zhì)或增加金屬中某種成分，煉成所需要的金屬。

從礦石或其他原料中提取金屬或金屬化合物，并通過冶金方法獲得具有一定性能的金屬原料，可采用不同的方法和工藝流程，常用的方法有以下三種。

1、火法冶金

火法冶金是指在高溫下礦石經(jīng)熔煉與精煉反應(yīng)及熔化作業(yè)，使其中的金屬和雜質(zhì)分離，獲得較純金屬的工藝過程。不同的有色金屬有不同的火法冶煉工藝流程，所需要的冶煉工序也有所不同。如選礦、干燥、焙燒、球團(tuán)、熔煉、精煉等。

2、濕法冶金

濕法冶金是指在常溫或100℃以下，用溶劑處理礦石和精礦，使有價金屬溶解于溶液中，而其他雜質(zhì)不溶解，然后再從溶液中將金屬提取的工藝過程。常用的工序有漿化、浸出、沉降過濾、換熱、蒸發(fā)、結(jié)晶、萃取和溶液電解等。

3、電冶金

電冶金是指利用電能精煉并提取金屬的方法。借助電化學(xué)反應(yīng)使金屬從含金屬的鹽類水溶液或熔體中析出，稱為電解精煉。一般可分為水溶液電解和熔鹽電解兩種。

水溶液電解：

水溶液電解是在水溶液電解質(zhì)中，插入陰極和陽極，通入直流電，使水溶液電解質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，這個過程稱為水溶液電解。由于使用的陽極不同，電冶金可分為可溶性陽極電解與不可溶性陽極電解，前者稱為電解精煉，后者稱為電解沉積。

可溶性陽極電解的過程是，陽極在電解液中進(jìn)行化學(xué)溶解，陽極離子附著到陰極上，陽極不斷減小而陰極不斷增大。雜質(zhì)則進(jìn)入陽極泥和電解液中，從而實現(xiàn)金屬與雜質(zhì)的分離，如銅電解、鉛電解等。

不可溶性陽極電解的過程是，當(dāng)通以直流電時，電解液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，陰極上沉積純金屬，陽極上釋放氧氣，陽極在電解液中是不溶解的，因而不消耗陽極。

熔鹽電解：

熔鹽電解是用熔融鹽作為電解質(zhì)的電解過程。熔鹽電解主要用于提取輕金屬，如鋁、鎂、鈣、鋰、鈉等。由于輕金屬的化學(xué)活性很大，通過電解輕金屬的水溶液得不到金屬。為了使固態(tài)電解質(zhì)成為熔融體，電解過程要在高溫條件下進(jìn)行。

有色金屬品種繁多，但通常把它們分成四類，即重金屬、輕金屬、貴金屬和稀有金屬。

有色重金屬一般是指密度在4.5g/cm3以上的金屬，包括銅、鉛、鋅、錫、鎳、鈷等;有色輕金屬是指密度在4.5g/cm3以下的金屬，包括鋁、鎂、鈣、鈉、鍶、鋇等;貴金屬包括金、銀和鉑族元素(鋨、銥、鉑、釕、銠、鈀等);稀有金屬是指那些在自然界中含量較少或分布稀散的金屬(鋰、銣、鈦、釩、鉬、鎢、鎵、銦、鍺、鐳、鈾等)。

在工業(yè)生產(chǎn)中，使用最多最普遍的是有色重金屬和輕金屬，如銅、鉛、鋅、鋁等。

1、銅電解精煉

火法冶金產(chǎn)出的精銅品位一般為99.2%～99.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后同)，其中含有0.3%～0.8%的雜質(zhì)，為了提高銅的品位并回收其中的貴金屬和稀有金屬，需要進(jìn)行電解精煉(陰極銅品位能達(dá)到99.99%)。

銅的精煉方法通常有三種：常規(guī)電解精煉法、永久性陰極法和薄形陽極板法。但這三種方法的作業(yè)工藝過程基本相同，所不同的是永久性陰極法所采用的陰極為反復(fù)使用的永久性陰極，一般陰極板選用4～6mm厚的不銹鋼板或鈦板來制作。陰極銅從陰極板上剝離而得。

薄形陽極板法與常規(guī)電解精煉法的唯一區(qū)別只是陽極板的澆注方法不同。前者是將銅溶液連續(xù)澆注成薄形板材，后者是借助模具澆注成厚度較大的單塊陽極。薄形陽極需經(jīng)過沖剪機(jī)切成所需形狀和尺寸的陽極板，由于薄形陽極板的厚度僅有20mm左右，只有澆注機(jī)澆注的陽極板厚度的一半，因此，殘極率較高，已經(jīng)很少使用。

常規(guī)電解精煉仍然是目前應(yīng)用最廣的一種方法，銅的電解精煉是以火法精煉產(chǎn)出的粗銅澆注成陽極，以電解產(chǎn)出的精銅薄片(始極片)為陰極，以硫酸銅和硫酸的水溶液作電解液。在直流電的作用下，陽極銅進(jìn)行化學(xué)溶解，以離子形式向陰極遷移聚積，產(chǎn)生純凈的金屬，雜質(zhì)則進(jìn)入陽極泥和電解液中，從而實現(xiàn)銅與雜質(zhì)的分離。

銅電解精煉生產(chǎn)原理如下圖所示。

電解精煉時，陽極上進(jìn)行的氧化反應(yīng)為：

Cu→Cu2++2e

M-2e→M2+

式中，M是指Fe、Ni、As、Sb等比銅更負(fù)電性的金屬，因其濃度很低，其電解電勢將進(jìn)一步降低，從而優(yōu)先進(jìn)入電解液。

陰極上進(jìn)行的還原反應(yīng)為：

Cu2++2e→Cu

M2++2e→M

精煉時，標(biāo)準(zhǔn)電位比銅低而濃度又小的電負(fù)性金屬M，不會在陰極上析出。

2、鉛電解精煉

鉛是藍(lán)灰色金屬。純鉛是重金屬中最軟的金屬，其密度為11.27～11.48g/cm3，熔點為327.5℃，沸點為1525℃。鉛的硬度小、展性好、延性和導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性差，液態(tài)鉛的流動性好。在高溫下鉛容易揮發(fā)，造成冶煉時的金屬損失和環(huán)境污染。

鉛是電氣企業(yè)制造蓄電池、汽油添加劑和電纜的原材料，由于鉛有很高的抗酸、堿性能，被應(yīng)用于化工、冶金設(shè)備作電解槽內(nèi)襯材料。鉛能吸收放射性射線，所以用作原子能工業(yè)和醫(yī)學(xué)中的防護(hù)屏。鉛與許多金屬熔煉成的合金材料被廣泛應(yīng)用于工業(yè)的各個部門中。

鉛電解精煉與銅電解精煉的工藝過程極其相似。電解時，比鉛更負(fù)電性的金屬如鋅、鐵、鎘、鈷、鎳、錫等能與鉛一道溶解，但因其含量很小，對電解液不會造成污染，所以電解液無需進(jìn)行特殊凈化處理。而比鉛更正電性的金屬如銻、鉍、砷、銅、金、銀等不溶解，形成陽極泥，再從陽極泥中回收這些金屬。

鉛電解精煉時，以硅氟酸和硅氟酸鉛的水溶液作電解液，用粗鉛作陽極，純鉛作陰極。陽極的制備首先是通過火法治煉的艾薩爐和鼓風(fēng)爐獲得粗鉛，在粗鉛中還含有1%～4%的其他金屬和雜質(zhì)。粗鉛經(jīng)過鉛鍋熔煉后澆注成陽極板。陽極板有平模澆注和立模澆注兩種方法。

近年來國內(nèi)開始采用立模澆注，立模澆注方法極大地提高了陽極板的質(zhì)量。陰極由純鉛制作成鉛卷，再由陰極制片機(jī)制作成帶導(dǎo)電棒的陰極。陰、陽極按一定的等間距排列后即可入電解槽進(jìn)行電解作業(yè)。在直流電的作用下，陽極在電解液中溶解并以離子形式向陰極聚積，得到高純度的陰極鉛：稀貴金屬則進(jìn)入陽極泥中：

電解精煉時，陽極上進(jìn)行氧化反應(yīng)：

Pb-2e→Pb2+

陰極上進(jìn)行還原反應(yīng)：

Pb2++2e→Pb

3、鋅的電解沉積

鋅是一種白色而略帶藍(lán)灰色的金屬，光澤度好，鋅的熔點為419.5℃，沸點為906℃，密度為6.9～7.2g/cm3，莫氏硬度為2.5，質(zhì)軟，有展性。但經(jīng)過加工后則變硬，熔化后的流動性好。鋅是比較活潑的金屬，在潮濕空氣中容易被氧化，生成一層灰白色的致密性好的薄膜，可阻止鋅繼續(xù)被氧化。

鋅是用途很廣泛的金屬，在電鍍作業(yè)中，鋅作為覆蓋材料以保護(hù)鋼鐵制品不被氧化。鋅能和很多有色金屬形成合金，例如，由銅鋅形成的黃銅、銅錫鋅形成的青銅、銅錫鉛鋅形成的抗磨合金、鋅與鋁、鎂、銅形成的壓鑄合金等。

這些合金被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)、國防工業(yè)和交道運(yùn)輸業(yè)等各個工業(yè)領(lǐng)域中。在化學(xué)工業(yè)中，鋅可作為制造顏料的添加劑，氧化鋅可用于橡膠制造業(yè)，氯化鋅可用作木材防腐劑，硫酸鋅用于制革、紡織和醫(yī)藥等。在冶金工業(yè)中，鋅可用來從含金溶液中置換金，在濕法冶金中，用鋅粉凈液除銅、鎘等。

鋅的冶煉方法可分為火法和濕法兩種，火法煉鋅的基本原理是，將氧化鋅在高溫下用碳質(zhì)還原劑還原，并利用鋅沸點低的特點，使鋅以蒸氣揮發(fā)，然后冷凝為液態(tài)鋅?；鸱掍\包括焙燒、還原、蒸鎦和精鎦三個過程。焙燒得到的粗鋅，含有較易揮發(fā)的鎘、鉛等雜質(zhì)，還要進(jìn)一步精煉提純。精煉的方法是利用鋅與其他金屬的沸點不同，采用蒸鎦的方法來提純。鋅的精鎦精煉是在一種專門的精鎦塔內(nèi)進(jìn)行的，精鎦精煉后可得到99.99%以上的純鋅。

濕法煉鋅的實質(zhì)是用稀硫酸將焙燒中的鋅浸出，浸出液再進(jìn)行凈化除去其中的雜質(zhì)，然后電解析出鋅。濕法煉鋅包括焙燒、浸出、凈化和電解沉積四個過程。下面主要介紹鋅的電解沉積工藝過程，鋅的電解沉積是將凈化后的純硫酸鋅溶液與一定比例的電解廢液混合，作為電解液注入電解槽內(nèi)，用Pb-Ag合金板(0.5%～1%Ag，質(zhì)量分?jǐn)?shù))作陽極，壓延純鋁板作陰極。通入直流電后，在陰極上析出金屬鋅，陽極上釋放出氧氣。溶液中硫酸再生，鋅電解沉積總反應(yīng)、陰極反應(yīng)、陽極反應(yīng)如下：

總反應(yīng)：ZnSO4+H2O→Zn+H2SO4+?O2

陰極：Zn2++2e→Zn

陽極：H2O-2e→?O2+2H+

隨著電解過程的進(jìn)行，電解液中鋅離子濃度不斷降低，硫酸濃度相應(yīng)增加。為了維持電解液中鋅和硫酸濃度穩(wěn)定，必須連續(xù)地抽取一部分電解液作為廢電解液返回浸出工段作溶劑，同時又將凈化后的中性硫酸鋅溶液連續(xù)地注入電解槽內(nèi)，以保持鋅和硫酸的平衡。

當(dāng)電解達(dá)到一定的周期后，陰極板上沉積的純鋅片經(jīng)剝片機(jī)剝離后，經(jīng)熔鑄機(jī)澆注成鋅錠即為陰極鋅產(chǎn)品。陰極板經(jīng)處理后返回電解槽繼續(xù)使用，電解過程中并不消耗陽極板，但經(jīng)過一定的電解周期后，需要對陽極板進(jìn)行處理，消除附著在其表面上的各種雜質(zhì)，以提高電解效率。

4、鋁的電解生產(chǎn)工藝過程

鋁是銀白色的金屬，精鋁的密度為2.7g/cm3(純度為99.99%)，熔點為600.24℃，沸點為2500℃。鋁具有良好的延展性，可以拉成鋁線，壓成鋁板和鋁箔;鋁的導(dǎo)熱性能良好，它的導(dǎo)熱能力比鐵大3倍;鋁的導(dǎo)電性能僅次于銀和銅;鋁的化學(xué)穩(wěn)定性很強(qiáng)，其表面有致密的氧化物保護(hù)膜，不易被腐蝕，被廣泛用于食品機(jī)械、醫(yī)療器械、冷凍裝置、石油精煉裝置、石油和天然氣管道等。

由于氧化鋁是典型的兩性化合物，既可以用堿性溶液也可以用酸性溶液使鋁土礦中的氧化鋁溶出。但在工業(yè)上都是采用堿性溶液獲取氧化鋁。

金屬鋁的生產(chǎn)主要采用融鹽電解法，也就是在電解槽中以冰晶石——氧化鋁熔體為電解質(zhì)，通入直流電后，電解過程在電解槽內(nèi)進(jìn)行。在炭素陽極及陰極的參與下，電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)出液態(tài)金屬鋁，用真空臺包定期從電解槽中將金屬鋁液吸出，經(jīng)精煉后澆注成鋁錠，即得到純鋁產(chǎn)品。

電解鋁時，鋁電解槽陰極上產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)是鋁氧氟絡(luò)合離子中的鋁放電析出。除此以外，在一定條件下還有鈉析出，陰極上的電化學(xué)反應(yīng)如下：

Al3++3e→Al

Na++e→Na

在純冰晶石溶體或在冰晶石一氧化鋁熔體中，在940~1010℃時，鋁是比鈉更正電性的金屬。因此，在陰極上發(fā)生的一次電解過程中主要是鋁離子(Al3+)放電析出。但由于Al和Na的電位相差只有0.1～0.2V，故在一定條件下仍有Na同時析出。電解時，在陽極上的電化學(xué)過程比較復(fù)雜，因為炭陽極本身也參加電化學(xué)反應(yīng)。陽極上的一次反應(yīng)是鋁氧氟絡(luò)合離子中的氧離子在炭陽極放電，生成二氧化碳的反應(yīng)，即

2O2-+C-4e→CO2

在陰極和陽極上總的電化學(xué)反應(yīng)為：

C+Al3+-e+2O2-→AI+CO2

鋁電解槽是煉金屬鋁的主要設(shè)備，主要由陽極和陰極組成。金屬鋁電解中陽極和陰極的制備與銅、鉛、鋅電解精煉中陽極和陰極的制備是不同的。在鋁電解槽設(shè)備中，陰極是一個長方形外殼，底部用耐火磚絕熱，耐火磚上部鋪設(shè)炭塊，炭塊中間插入一根鋼棒稱為陰極棒，陰極棒伸出鋼制外殼，并與陰極母線連接。陽極是用炭素粉及粒子做骨粒，用煤瀝青做粘結(jié)劑混成糊狀，經(jīng)冷卻制成塊狀陽極糊，加入電解槽中而形成。