광석에서 철·납·구리 등의 금속을 필요한 순도로 추출하여 지금(地金)의 형태로 만드는 공정. 목적하는 금속의 함유량·화학적 형태가 적당하고 그 금속을 경제적으로 추출할 수 있는 광물을 그 금속의 광석이라고 한다.

광석제련의 공정은 조(粗)제련과 정(精)제련으로 나누는데, 조제련을 좁은 뜻의 제련, 정제련을 정련이라고 하는 경우도 있다. 광석 속에 있는 목적금속의 농도는 높아졌지만 아직도 불순물을 충분히 제거하지 못한 단계까지를 조제련이라고 하는데, 이 단계에서 금속은 단일체가 아니고 화합물의 형태이다.

다음으로 이 조제련 제품을 더욱 정련하여 목적금속의 순도까지 높여 지금으로 사용할 수 있는 단계로 높이는 작업을 정제련이라 한다. 또한 제철·제동과 같이 용광로를 사용하여 제련하는 경우는 영어의 smelting에 해당하며 용련(熔鍊)이라고도 한다. 주로 미국에서는 광석으로부터 목적금속을 추출하는 공정을 추출야금(extractive metallurgy)이라고 한다.

광석은 광산에서 채굴한 후 적당한 방법으로 선광하여 불필요한 성분을 가능한 한 제거하고 목적금속의 함유율을 높여서 제련공정으로 보낸다. 제련을 취급하는 공장을 보통 제련소라고 한다.

오늘날 사용되는 제련방법은, 고온에서 광석을 탄소 등으로 환원하는 건식제련과 산(酸) 등으로 금속성분을 추출하여 수용액을 만들어 목적금속을 용해시키는 습식제련이 있다.

역사적으로 금속명을 한자로 쓸 수 있는 것이 먼저 인류에게 이용되었는데 이들은 자연적으로 산화물 또는 황화물로 산출되며, 황화물은 배소(焙燒)하면 산화물로 변한다.
이와 같은 산화물은 탄소에 의하여 쉽게 환원되어 금속을 유리(遊離)시키기 때문에, 옛날 사람들은 산에서 무거운 돌을 찾아 목탄(탄소)과 함께 불을 붙였다.

이것은 자연상태의 금속으로 얻어지는 은·구리 등이 산불에 의하여 만들어진 숯에 의하여 광석이 환원되었기 때문인 것 같다. 그러나 산화물이 안정되어 탄소 또는 일산화탄소로는 환원되지 않는 금속의 경우는 이 방법으로는 추출할 수 없었으므로, 이러한 금속은 별도의 제련법이 개발되기까지는 추출할 수 없었다.

최근에 공업생산할 수 있게 된 금속의 지각표면에 대한 부존상황을 보면, 반드시 희소한 것만이 아니며, 규소·알루미늄과 같이 금속 중 많이 존재하는 것이 있다.

반면, 가장 오래 사용된 구리는 자원적으로는 희소금속에 속한다. 이것은 옛날부터 사용되었는가 여부와 산화물의 탄소환원이라는 가장 쉬운 제련법으로 추출할 수 있었는가 여부가 지표상 부존량의 대소보다 훨씬 큰 인자(因子)였음을 시사한다. 결국, 제련하기 어려운 것이 희소금속이었다.

옛날부터 제련기술로 처리할 수 없는 이러한 금속은 활성금속인데, 이것들에 대해서는 융해염(融解鹽)을 만들어 전해하거나 또는 할로겐화물로 만들어 광석으로부터 추출한 후 이것을 더욱 활성도가 큰 다른 금속이나 수소와 반응시켜서 환원하는 방법이 도입되었다.

또 종래 방법으로 제련하여 얻은 조금속의 순도를 보다 높이는 방법은 이 조금속을 양극으로 하여 수용액 속에서 전해석출한 후 음극에 순도가 높은 금속을 석출시키는 방법이 이용된다.
활성금속의 지금은 고도의 진공 속에서 용해로 불순물을 확산시키는 방법이 이용되는데, 이를 위해서는 고주파유도용해로 시작하여 조금속의 작은 덩어리를 모아 원주형으로 프레스 성형한 소모전극을 사용하는 아크 용해법, 진공 속에서 전자빔을 쬐어 용해시키는 방법 등이 이용된다. 10억분의 1(ppb)대 이하로 불순물을 감소시키는 정제에는 수직형 또는 수평형의 대상정제법이 이용된다.

일반적으로 제련공정에서는 광석 중의 금속성분을 추출하고 맥석(脈石) 등 불필요한 성분을 제거하여 조금속을 만드는 것이 제1단계이다. 구리에서는 매트(matte)라고 하는 황화물의 형태로 만들고 다음에 이 매트를 전로에서 용해한 후 공기를 불어넣어 조동을 만든다.

철에서는 고로에서 코크스의 탄소를 이용하여 산화철을 환원해서 선철을 만들고, 맥석은 별도로 첨가하는 석회석과 반응시켜 광재(slag)로서 제거한다. 만들어진 철은 탄소를 함유하여 선철이 되므로 전로 등에서 탄소의 양을 감소시켜 강(鋼)으로 만든다. 이것이 오늘날의 제철법인데 간접 제강법이라고 한다.

옛날에는 풀무의 바람을 이용하여 목탄으로 철광석을 환원하였기 때문에 온도도 낮고 탄소가 많이 들지 않고, 단번에 강편 같은 것이 되었다. 이것을 직접 제강법이라고 한다.

제2단계에서는 조금속에서 불순물을 허용량 이하로 제거하여 순도가 높은 지금을 만드는 정련을 한다. 이것에는 납과 같이 고온으로 가열하여 녹인 금속 속의 불순물을 선택산화하거나 아연·마그네슘을 소량 첨가하여 금·은·비스무트 등을 부유물(dross)이라고 하는 금속산화물과 불순물의 혼합부상체 속에 모으는 건식법과, 구리와 같이 조금속을 양극으로 하여 전해정제하는 습식법 등이 있다.

아연·카드뮴·수은 등과 같은 끓는점이 낮은 금속일 경우에는 광석의 증류라는 방식도 있고, 증류기(retort) 속에서 가열하여 휘발되어 나온 금속을 응축기의 저온부에서 응축시켜 금속을 얻는다. 마그네슘에서는 소결한 돌로마이트와 규소철을 혼합하여 내열강의 증류기 속에서 진공가열하고 휘발되어 나온 마그네슘을 저온부에 응축시킨다. 또한 알루미늄은 산화물을 용해한 빙정석에 녹여 전해하면 음극의 역할을 하는 노조(爐槽)의 바닥에 녹아서 괸다.

신금속이라고 하는 것은 모두 활성금속이며 종래에 희유금속(rare metal)이라고 하던 것이다. 제련방법으로는 광석을 할로겐화하는 방법이 잘 이용된다. 할로겐화합물은 용융염전해와 마그네슘·칼슘·나트륨 등의 보다 활성도가 큰 금속에 의한 환원·수소에 의한 환원으로 금속이 된다.

공업적으로 용융염 전해에 의존하는 것은 베릴륨이고, 마그네슘 등 활성금속에 의한 환원은 티타늄·지르코늄·우라늄·베릴륨 등이며, 수소에 의한 환원은 규소가 그 예이다. 얻어진 금속의 정제에, 티타늄·지르코늄에서는 일단 요오드화물을 만들어 열선(熱線)에 접촉시켜 분해하고 이 선을 중심으로 미세한 결정의 집합인 결정봉을 만드는 요오드법, 규소에서는 대상정제, 베릴륨에서는 증류법이 사용된다.

이 중에서 공업적으로 사용되는 것은 규소의 대상정제뿐이며, 티타늄·지르코늄에서는 마그네슘 환원으로 얻어진 지금의 순도로 충분하고 나머지는 진공 중에서 용해하여 잉곳(ingot)을 만들 때 정제한다.

오늘날 제강공정은 간접법인데, 일단 선철을 만들어 놓고 이것을 전로에 장입하여 철광석과 고철을 적당히 배합해서 녹인 다음 위로부터 산소를 불어넣어 여분의 탄소와 불순물을 산화제거하여 강을 만든다. 평로에서도 거의 비슷하다. 얻어진 강은 형에 부어 넣어 강괴를 만들어 가공공장에 보낸다.

전기로에서 합금강을 만들 때는 선철에 합금철을 첨가하여 위로부터 인조흑연전극을 내리고 그 사이에 아크를 발생시켜 그 열로 용해시킨다. 이러한 오늘날의 제철제강방식에 대하여 원자로에서 가열한 고온의 헬륨가스로 수소가스를 가열하고 그 수소가스로 직접 광석을 환원하여 환원철을 만드는 방법이 원자력제철이라고 하며 연구·검토되고 있다.

이 방식에서는 헬륨냉각, 피복입자형 연료의 극고온가스로(VHTR)라 하는 원자로를 사용하여 1,000 ℃대 고온 헬륨가스를 만들고 이 열을 직접, 때로는 용해한 연욕(lead bath)을 매개로 수소가스를 가열하여 환원로에 유도한다. 이 공정에서 사용 후 냉각된 헬륨가스로 물을 가열하여 현재의 화력발전소의 증기조건에 가까운 수증기를 만들어 발전기 터빈을 돌린다.

헬륨가스는 400 ℃ 정도로 냉각되어 원자로에 되돌아간다. 이렇게 발전한 전력은 환원철을 원료로 하는 전기로제강의 전원이 되고 또한 제철·제강소의 소내 전원으로 이용된다. 원자로로부터 배출된 고온 헬륨가스의 일부는 수소제조용 수증기 개질공정(改質工程)의 가열에도 사용된다.