改編自第3版， 職業健康與安全百科全書.

在金屬的生產和精煉中，有價值的成分通過一系列不同的物理和化學反應從無價值的材料中分離出來。 最終產品是含有可控雜質的金屬。 初級熔煉和精煉直接從精礦中生產金屬，而二次熔煉和精煉從廢料和加工廢料中生產金屬。 廢料包括不符合規格或磨損但可以回收利用的零碎金屬零件、棒材、車屑、板材和線材（請參閱本章中的“金屬回收”一文）。

流程概覽

兩種金屬回收技術通常用於生產精煉金屬， 火法冶金 和 濕法冶金. 火法冶金工藝使用熱量將所需金屬與其他材料分離。 這些工藝利用氧化電位、熔點、蒸氣壓、密度和/或熔化時礦石組分的混溶性之間的差異。 濕法冶金技術與火法冶金工藝的不同之處在於，使用利用成分溶解度和/或電化學性質在水溶液中的差異的技術將所需金屬與其他材料分離。

火法冶金

 在火法加工過程中，礦石經過 受益的 （經破碎、研磨、浮選、烘乾等濃縮），與布袋除塵、助熔劑等其他物料燒結或焙燒（煅燒）而成。 然後將精礦在高爐中熔煉或熔化，以便將所需的金屬熔化成不純的熔融金條。 然後，這些金條會經過第三道火法冶煉工藝，將金屬精煉到所需的純度水平。 每次加熱礦石或金條時，都會產生廢料。 來自通風和工藝氣體的粉塵可能會被收集在布袋除塵器中，並根據殘留金屬含量進行處理或返回工藝。 氣體中的硫也被捕獲，當濃度超過 4% 時，它可以轉化為硫酸。 根據礦石的來源及其殘留金屬含量，還可能會產生各種金屬，例如金和銀作為副產品。

焙燒是一種重要的火法冶金工藝。 硫酸化焙燒用於生產鈷和鋅。 其目的是分離金屬，以便將它們轉化為水溶性形式，以便進一步進行濕法冶金加工。

硫化礦的熔煉產生部分氧化的金屬精礦（冰銅）。 在熔煉中，無價值的材料（通常是鐵）與助熔劑形成熔渣並轉化為氧化物。 有價值的金屬在轉化爐中發生的轉化階段獲得金屬形式。 這種方法用於銅和鎳的生產。 鐵、鉻鐵、鉛、鎂和亞鐵化合物是通過用木炭和熔劑（石灰石）還原礦石而生產的，冶煉過程通常在電爐中進行。 （另見 鋼鐵行業 章。）用於鋁生產的熔鹽電解是火法冶金工藝的另一個例子。

金屬的火法冶金處理所需的高溫是通過燃燒化石燃料或利用礦石本身的放熱反應（例如，在閃速熔煉過程中）獲得的。 閃速熔煉工藝是一種節能火法冶金工藝的一個例子，在該工藝中，精礦中的鐵和硫被氧化。 放熱反應加上熱回收系統，為冶煉節省了大量能源。 該工藝硫磺回收率高，也有利於環境保護。 大多數最近建成的銅和鎳冶煉廠都使用這種工藝。

濕法冶金

濕法冶金工藝的例子有浸出、沉澱、電解還原、離子交換、膜分離和溶劑萃取。 濕法冶金工藝的第一階段是從價值較低的材料中浸出有價值的金屬，例如使用硫酸。 浸出之前通常進行預處理（例如，硫酸化焙燒）。 浸出過程通常需要高壓、氧氣或高溫。 也可以用電進行浸出。 使用不同的方法通過沉澱或還原從浸出溶液中回收所需的金屬或其化合物。 例如，在用氣體生產鈷和鎳時會進行還原。

金屬在水溶液中的電解也被認為是濕法冶金過程。 在電解過程中，金屬離子被還原為金屬。 金屬處於弱酸溶液中，在電流的影響下從中沉澱在陰極上。 大多數有色金屬也可以通過電解來精煉。

冶金工藝通常是火法和濕法冶金工藝的組合，具體取決於要處理的精礦和要精煉的金屬類型。 一個例子是鎳生產。

危害及其預防

預防冶金行業的健康風險和事故主要是一個教育和技術問題。 體檢是次要的，在預防健康風險方面僅起補充作用。 公司內的規劃、生產線、安全和職業健康部門之間和諧的信息交流和協作可以最有效地預防健康風險。

最好和成本最低的預防措施是在新工廠或流程的規劃階段採取的措施。 在規劃新生產設施時，至少應考慮以下方面：

• 應封閉和隔離空氣污染物的潛在來源。
• 工藝設備的設計和佈置應便於維修。
• 應對可能發生突發和意外危險的區域進行持續監控。 應包括足夠的警告通知。 例如，應持續監測可能接觸胂或氰化氫的區域。
• 應計劃有毒工藝化學品的添加和處理，以避免人工處理。
• 應盡可能使用個人職業衛生取樣裝置，以評估個體工人的真實暴露情況。 定期對氣體、粉塵和噪音進行固定監測可以提供暴露概況，但在評估暴露劑量方面僅起補充作用。
• 在空間規劃中，應考慮到未來工藝變更或擴展的要求，以免工廠的職業衛生標準惡化。
• 應該有一個持續的安全和衛生人員培訓和教育系統，以及工頭和工人。 新員工尤其應該徹底了解潛在的健康風險以及如何在自己的工作環境中預防這些風險。 此外，每當引入新工藝時都應進行培訓。
• 工作實踐很重要。 例如，在工作場所進食和吸煙導致的個人衛生不良可能會大大增加個人接觸。
• 管理層應該有一個健康和安全監測系統，為技術和經濟決策提供足夠的數據。

以下是在冶煉和精煉過程中發現的一些具體危害和注意事項。

受傷

冶煉和精煉行業的工傷率高於大多數其他行業。 這些傷害的來源包括： 熔融金屬和熔渣的飛濺和溢出導致燒傷； 氣體爆炸和熔融金屬與水接觸引起的爆炸； 與移動的機車、貨車、行車和其他移動設備發生碰撞； 重物墜落； 從高處墜落（例如，在進入起重機駕駛室時）； 地板和通道阻塞造成的滑倒和絆倒傷害。

預防措施包括： 充分的培訓、適當的個人防護裝備 (PPE)（例如，安全帽、安全鞋、工作手套和防護服）； 良好的存儲、內務管理和設備維護； 移動設備的交通規則（包括規定的路線和有效的信號和警告系統）； 和墜落保護計劃。

熱

中暑等熱應激疾病是一種常見的危害，主要是由於來自熔爐和熔融金屬的紅外輻射。 當必須在炎熱的環境中進行繁重的工作時，這尤其是一個問題。

預防熱病可包括在爐前設置水幕或風幕、局部降溫、封閉式空調房、防熱服和風冷服，留出足夠的適應時間、在涼爽的地方休息和充足的供應經常飲用的飲料。

化學危害

在冶煉和精煉操作過程中，可能會接觸到各種各樣的有害粉塵、煙霧、氣體和其他化學品。 尤其是破碎和研磨礦石會導致大量接觸二氧化矽和有毒金屬粉塵（例如，含有鉛、砷和鎘）。 在熔爐維護操作期間也可能存在粉塵暴露。 在冶煉操作期間，金屬煙霧可能是一個主要問題。

粉塵和煙霧的排放可以通過封閉、過程自動化、局部和稀釋排氣通風、材料潤濕、減少材料處理和其他過程變化來控制。 如果這些還不夠，則需要呼吸保護。

許多冶煉作業涉及從硫化礦石和燃燒過程中產生大量一氧化碳的二氧化硫。 稀釋和局部排氣通風 (LEV) 是必不可少的。

硫酸是冶煉操作的副產品，用於電解精煉和金屬浸出。 接觸液體和硫酸霧都可能發生。 需要皮膚和眼睛保護以及 LEV。

某些金屬的冶煉和精煉可能具有特殊的危害。 示例包括鎳精煉中的羰基鎳、鋁冶煉中的氟化物、銅和鉛冶煉和精煉中的砷以及金精煉過程中的汞和氰化物暴露。 這些過程需要它們自己的特殊預防措施。

其他危害

來自熔爐和熔融金屬的眩光和紅外線輻射會導致眼睛受損，包括白內障。 應佩戴合適的護目鏡和麵罩。 除非穿著防護服，否則高水平的紅外輻射也可能導致皮膚灼傷。

破碎和研磨礦石、排氣鼓風機和大功率電爐產生的高噪音會導致聽力受損。 如果無法封閉或隔離噪聲源，則應佩戴聽力保護器。 應制定聽力保護計劃，包括聽力測試和培訓。

電解過程中可能會發生電氣危險。 預防措施包括使用上鎖/掛牌程序進行適當的電氣維護； 絕緣手套、衣服和工具； 以及需要時的接地故障斷路器。

手動提升和處理材料可能會導致背部和上肢受傷。 機械起重輔助設備和適當的起重方法培訓可以減少這個問題。

污染與環境保護

二氧化硫、硫化氫和氯化氫等刺激性和腐蝕性氣體的排放可能會造成空氣污染，並導致工廠內和周圍環境中的金屬和混凝土腐蝕。 植被對二氧化硫的耐受性因森林和土壤的類型而異。 一般來說，常綠喬木比落葉喬木能承受較低濃度的二氧化硫。 微粒排放物可能含有非特定微粒、氟化物、鉛、砷、鎘和許多其他有毒金屬。 廢水出水可能含有多種有毒金屬、硫酸等雜質。 固體廢物可能被砷、鉛、硫化鐵、二氧化矽和其他污染物污染。

冶煉廠管理應包括工廠排放的評估和控制。 這是一項專門工作，只能由完全熟悉從工廠過程中排放的材料的化學性質和毒性的人員來執行。 在規劃控制空氣污染的措施時，必須考慮材料的物理狀態、離開過程的溫度、氣流中的其他材料和其他因素。 還需要維護一個氣象站，保存氣象記錄，並準備好在天氣條件不利於菸道排放物擴散時減少輸出。 實地考察對於觀察空氣污染對住宅區和農業區的影響是必要的。

二氧化硫是主要污染物之一，當其含量足夠時，會以硫酸的形式回收。 否則，為了滿足排放標準，二氧化硫和其他有害氣體廢物通過洗滌來控制。 顆粒物排放通常由織物過濾器和靜電除塵器控制。

銅選礦等浮選過程需要大量的水。 大部分水被循環回工藝中。 浮選過程中產生的尾礦作為泥漿被泵入沉澱池。 水在這個過程中被回收。 含金屬的工藝用水和雨水在排放或回收之前在水處理廠進行淨化。

固相廢物包括冶煉爐渣、二氧化硫轉化為硫酸產生的排放泥漿和地表蓄水池（如沉澱池）產生的污泥。 一些爐渣可以重新濃縮並返回到冶煉廠進行再加工或回收存在的其他金屬。 許多這些固相廢物是危險廢物，必鬚根據環境法規進行儲存。

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改編自 EPA 1995。

銅

銅在露天礦和地下礦中開採，具體取決於礦石品位和礦床的性質。 銅礦石通常含有少於 1% 的硫化物礦物形式的銅。 一旦礦石運到地面以上，它就會被破碎並研磨成粉末狀，然後濃縮以進行進一步加工。 在濃縮過程中，磨碎的礦石用水製成漿料，加入化學試劑並向漿料中吹入空氣。 氣泡附著在銅礦物上，然後從浮選槽的頂部撇去。 精礦中含有 20% 至 30% 的銅。 礦石中的尾礦或脈石礦物落到槽底，然後被去除、通過濃縮機脫水並作為漿液輸送到尾礦池進行處理。 該操作中使用的所有水，來自脫水濃縮機和尾礦池，都被回收並循環回工藝中。

銅可以通過火法冶金或濕法冶金生產，具體取決於用作裝料的礦石類型。 含有硫化銅和硫化鐵礦物的精礦經過火法冶金工藝處理，可生產高純度銅產品。 氧化礦石，其中含有可能在礦山其他部分出現的氧化銅礦物，與其他氧化廢料一起，通過濕法冶金工藝處理，以生產高純度銅產品。

銅從礦石到金屬的轉化是通過熔煉完成的。 在熔煉過程中，精礦被乾燥並送入幾種不同類型的熔爐中的一種。 在那裡，硫化物礦物被部分氧化並熔化，形成一層冰銅，一種混合的銅鐵硫化物和爐渣，即上層廢物。

通過轉換進一步處理遮罩。 爐渣從熔爐中取出並儲存或丟棄在現場的爐渣堆中。 出售少量礦渣用於鐵路道碴和噴砂砂礫。 冶煉過程的第三種產品是二氧化硫，這種氣體被收集、純化並製成硫酸用於銷售或用於濕法冶金浸出操作。

熔煉後，冰銅被送入轉爐。 在此過程中，冰銅被倒入裝有一排管道的水平圓柱形容器（大約 10×4 m）中。 稱為風口的管道伸入氣缸，用於將空氣引入轉爐。 冰銅中加入石灰和二氧化矽，與工藝中產生的氧化鐵反應生成熔渣。 也可以將廢銅添加到轉爐中。 旋轉熔爐，使風口被淹沒，空氣被吹入熔融冰銅中，使剩餘的硫化鐵與氧氣反應形成氧化鐵和二氧化硫。 然後轉爐旋轉，倒出矽酸鐵渣。

一旦所有的鐵都被移除，轉爐將旋轉回來並進行第二次空氣吹掃，在此期間，剩餘的硫被氧化並從硫化銅中移除。 然後旋轉轉爐以倒出熔融銅，此時稱為粗銅（如此命名是因為如果允許在此處凝固，由於氣態氧和硫的存在，它將具有凹凸不平的表面）。 轉爐產生的二氧化硫被收集起來，與熔煉爐產生的二氧化硫一起送入氣體淨化系統，製成硫酸。 由於其殘留的銅含量，爐渣被回收回熔煉爐。

粗銅至少含有 98.5% 的銅，分兩步精煉成高純度銅。 第一步是火法精煉，其中將熔化的粗銅倒入圓柱形爐中，外觀類似於轉爐，首先將空氣然後天然氣或丙烷吹過熔體以除去最後的硫和任何來自銅的殘餘氧氣。 然後將熔化的銅倒入鑄輪中，形成足夠純淨的陽極，用於電解精煉。

在電解精煉中，將銅陽極裝入電解槽中，並在硫酸銅溶液浴中與銅起始板或陰極間隔開。 當直流電通過電池時，銅從陽極溶解，通過電解質傳輸並重新沉積在陰極起始板上。 當陰極堆積到足夠的厚度時，將它們從電解槽中取出，並在其位置放置一組新的起始板。 陽極中的固體雜質作為污泥落到電池底部，最終被收集和處理以回收貴金屬，如金和銀。 這種材料被稱為陽極泥。

從電解槽中取出的陰極是銅生產商的初級產品，含有 99.99% 的銅。 這些可以作為陰極出售給線材軋機或進一步加工成稱為棒材的產品。 在製造銅棒時，陰極在豎爐中熔化，熔化的銅被倒在鑄造輪上以形成適合軋製成直徑為 3/8 英寸的連續銅棒的銅棒。 該棒材產品被運送到線材廠，在那裡被擠壓成各種尺寸的銅線。

在濕法冶金過程中，氧化礦石和廢料用冶煉過程中的硫酸浸出。 進行浸出 現場，或在特別準備的堆中，將酸分佈在頂部並使其滲透到收集它的材料中。 浸出墊下方的地面襯有耐酸、不透水的塑料材料，以防止浸出液污染地下水。 一旦收集到富含銅的溶液，它們就可以通過兩種工藝中的任何一種進行處理——滲碳工藝或溶劑萃取/電解沉積工藝 (SXEW)。 在滲碳過程中（今天很少使用），酸性溶液中的銅沉積在廢鐵表面以換取鐵。 當滲出足夠的銅後，富銅的鐵與精礦一起被放入冶煉廠，通過火法冶金途徑回收銅。

在 SXEW 工藝中，富集浸出液 (PLS) 通過溶劑萃取進行濃縮，萃取銅但不萃取雜質金屬（鐵和其他雜質）。 然後在沉澱池中將載銅有機溶液與浸出液分離。 將硫酸添加到富有機混合物中，將銅剝離到電解液中。 含有鐵和其他雜質的浸出液返回浸出操作，其中的酸用於進一步浸出。 富含銅的剝離溶液被送入稱為電解槽的電解槽中。 電解提取槽不同於電解精煉槽，因為它使用永久性不溶性陽極。 然後將溶液中的銅鍍到起始片狀陰極上，其方式與在電解精煉槽中的陰極上的方式大致相同。 貧銅電解液返回溶劑萃取工藝，用於從有機溶液中剝離更多的銅。 電解提取工藝生產的陰極然後以與電解精煉工藝生產的陰極相同的方式出售或製成棒材。

通過將銅電鍍到不銹鋼或鈦陰極上，然後剝離電鍍銅，電解沉積槽還用於製備用於電解精煉和電解沉積工藝的起始板材。

危害及其預防

主要危害是接觸礦石加工和冶煉過程中的礦塵、冶煉過程中的金屬煙霧（包括銅、鉛和砷）、大多數冶煉操作過程中的二氧化硫和一氧化碳、破碎和研磨操作以及熔爐產生的噪音、來自電解過程中的熔爐、硫酸和電氣危險。

預防措施包括： 二氧化硫和一氧化碳的局部排氣和稀釋通風； 噪聲控制和聽力保護計劃； 防護服和防護罩、休息時間和應對熱應激的液體； LEV、PPE 和電解過程的電氣預防措施。 通常佩戴呼吸保護裝置以防止灰塵、煙霧和二氧化硫。

表1列出了銅冶煉和精煉各步驟的環境污染物。

表 1. 銅冶煉和精煉的過程材料輸入和污染輸出

領導

原鉛生產過程包括四個步驟：燒結、熔煉、浮渣和火法精煉。 首先，將主要由硫化鉛形式的鉛精礦組成的原料送入燒結機。 可以添加其他原材料，包括鐵、二氧化矽、石灰石熔劑、焦炭、蘇打、灰分、黃鐵礦、鋅、苛性鹼和從污染控制裝置收集的微粒。 在燒結機中，鉛原料經受熱空氣沖擊，硫被燒掉，產生二氧化硫。 經過此過程後存在的氧化鉛材料含有約佔其重量 9% 的碳。 然後將燒結礦與焦炭、各種回收和清理材料、石灰石和其他助熔劑一起送入高爐進行還原，在高爐中碳充當燃料並熔煉或熔化鉛材料。 熔化的鉛流到熔爐底部，形成四層：“speiss”（最輕的材料，主要是砷和銻）； “啞光”（硫化銅和其他金屬硫化物）； 高爐礦渣（主要是矽酸鹽）； 和鉛塊（按重量計 98% 的鉛）。 然後排出所有層。 精礦和冰銅出售給銅冶煉廠以回收銅和貴金屬。 含有鋅、鐵、二氧化矽和石灰的高爐礦渣堆放起來，部分回收利用。 高爐中的硫氧化物排放來自於燒結進料中的少量殘留硫化鉛和硫酸鉛。

來自高爐的粗鉛塊在進行精煉操作之前通常需要在釜中進行預處理。 在除渣過程中，金條在除渣釜中攪拌並冷卻至剛好高於其冰點（370 至 425°C）。 由氧化鉛以及銅、銻和其他元素組成的浮渣漂浮到頂部並在熔融鉛上方凝固。

將浮渣去除並送入浮渣爐以回收無鉛有用金屬。 為了提高銅的回收率，通過添加含硫材料、鋅和/或鋁來處理浮渣鉛塊，將銅含量降低到大約 0.01%。

在第四步中，使用火法冶金方法精煉鉛塊，以去除任何剩餘的非鉛可銷售材料（例如，金、銀、鉍、鋅和金屬氧化物，如銻、砷、錫和氧化銅）。 鉛在鑄鐵鍋中經過五個階段精煉。 首先除去銻、錫和砷。 然後加入鋅，去除鋅渣中的金和銀。 接下來，通過真空去除（蒸餾）鋅來精煉鉛。 通過添加鈣和鎂繼續精煉。 這兩種材料與鉍結合形成不溶性化合物，可從釜中撇出。 在最後一步中，可將苛性鈉和/或硝酸鹽添加到鉛中以去除任何殘留的痕量金屬雜質。 精煉鉛的純度為 99.90% 至 99.99%，可以與其他金屬混合形成合金，也可以直接鑄造成型。

危害及其預防

主要危害是接觸礦石加工和冶煉過程中的礦塵、冶煉過程中的金屬煙霧（包括鉛、砷和銻）、大多數冶煉操作過程中的二氧化硫和一氧化碳、研磨和破碎操作以及熔爐產生的噪音以及熱應激從熔爐。

預防措施包括： 二氧化硫和一氧化碳的局部排氣和稀釋通風； 噪聲控制和聽力保護計劃； 以及防護服和防護罩、休息時間和應對熱應激的液體。 通常佩戴呼吸保護裝置以防止灰塵、煙霧和二氧化硫。 鉛的生物監測是必不可少的。

表 2 列出了鉛冶煉和精煉各個步驟的環境污染物。

表 2. 鉛冶煉和精煉的工藝材料輸入和污染輸出

鋅

鋅精礦是通過破碎和浮選將含鋅量低至 2% 的礦石從廢石中分離出來的，這一過程通常在採礦現場進行。 然後通過以下兩種方式之一將鋅精礦還原為鋅金屬：通過蒸餾進行火法冶金（在爐中乾餾）或通過電解沉積進行濕法冶金。 後者約佔鋅精煉總量的 80%。

濕法冶煉鋅一般採用四個工藝階段：煅燒、浸出、提純和電積。 煅燒或焙燒是一種高溫過程（700 至 1000 °C），可將硫化鋅精礦轉化為不純的氧化鋅，稱為煅燒。 焙燒爐類型包括多爐床、懸浮床或流化床。 通常，煅燒從含鋅材料與煤的混合開始。 然後加熱或烘烤該混合物以蒸發氧化鋅，然後氧化鋅與所得氣流一起移出反應室。 氣流被引導至布袋除塵器（過濾器）區域，氧化鋅在布袋除塵器粉塵中被捕獲。

所有的煅燒過程都會產生二氧化硫，二氧化硫受到控制並轉化為硫酸作為可銷售的過程副產品。

脫硫煅燒的電解處理包括三個基本步驟：浸出、淨化和電解。 浸出是指將捕獲的煅燒物溶解在硫酸溶液中以形成硫酸鋅溶液。 煅燒物可以浸出一次或兩次。 在雙浸出法中，將煅燒物溶解在弱酸性溶液中以去除硫酸鹽。 然後將煅燒物在溶解鋅的更強的溶液中第二次浸出。 第二個浸出步驟實際上是第三個純化步驟的開始，因為許多鐵雜質和鋅一起從溶液中析出。

浸出後，溶液通過添加鋅粉分兩步或多步進行純化。 溶液被淨化，因為灰塵迫使有害元素沉澱，以便它們可以被過濾掉。 純化通常在大型攪拌罐中進行。 該過程在 40 至 85°C 的溫度範圍和從大氣壓至 2.4 個大氣壓的壓力範圍內進行。 提純過程中回收的元素包括餅狀銅和金屬鎘。 純化後，溶液可用於最後一步，即電解沉積。

鋅電解沉積發生在電解池中，涉及從鉛銀合金陽極流過鋅水溶液的電流。 該過程使懸浮的鋅帶電並迫使其沉積在浸入溶液中的鋁陰極上。 每 24 到 48 小時，每個電池都會關閉，鍍鋅陰極被移除並沖洗，鋅從鋁板上機械剝離。 然後將鋅精礦熔化並鑄成錠，純度通常高達 99.995%。

電解鋅冶煉廠包含多達數百個電池。 一部分電能轉化為熱量，從而提高了電解液的溫度。 電解槽在大氣壓力下的工作溫度範圍為 30 至 35°C。 在電解提取過程中，一部分電解液通過冷卻塔以降低其溫度並蒸發其在該過程中收集的水。

危害及其預防

主要危害是接觸礦石加工和冶煉過程中的礦塵、精煉和焙燒過程中的金屬煙霧（包括鋅和鉛）、大多數冶煉過程中的二氧化硫和一氧化碳、破碎和研磨操作以及熔爐產生的噪音、來自電解過程中的熔爐、硫酸和電氣危險。

預防措施包括： 二氧化硫和一氧化碳的局部排氣和稀釋通風； 噪聲控制和聽力保護計劃； 防護服和防護罩、休息時間和應對熱應激的液體； LEV、PPE 和電解過程的電氣預防措施。 通常佩戴呼吸保護裝置以防止灰塵、煙霧和二氧化硫。

表 3 列出了鋅冶煉和精煉各步驟的環境污染物。

表 3. 鋅冶煉和精煉的過程材料輸入和污染輸出

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