它在冶金过程动力学和传输理论的基础上解析冶金过程的各种特性，寻求过程中各主要参变量之间的相互关系，找出其数学表达式（数学模型）；根据各种假设和实验条件，利用计算机解出各参变量之间的定量关系，借以确定最优的反应设备设计和工艺操作参数，以达到操作自动控制的目的。冶金反应工程学是在现代化实验技术、工艺理论和计算技术基础上正在发展的交叉学科。

20世纪60年代，日本鞭岩将化学反应工程学的研究方法和手段应用于冶金领域，1972年出版专著《冶金反应工程学》，首次提出冶金反应工程学的概念，并对钢铁冶金过程及其反应设备进行了较系统的分析。几乎在同一时期，其他国家的学者开始将传输理论、宏观动力学及化学反应工程学的研究方法应用于冶金过程，先后出版了多种专著，在理论和实践上充实和发展了冶金反应工程学的内容。中国学者叶渚沛在20世纪50年代就提出应用传输理论来研究冶金过程的提议。70年代后期起，中国冶金工作者在喷射冶金、高炉炼铁、真空脱气、复合吹炼、炉外精炼、熔盐电解、连续铸钢等方面开展了广泛的研究，使冶金学的知识体系由研究化学反应扩展到研究工艺装置。2001年出版的《冶金反应工程学系列丛书》，总结了冶金反应工程学的重要研究成果和基本理论发展。

冶金反应工程学的主要研究内容包括几下几方面。

①传输原理在冶金工程中的应用。伴随冶金反应过程发生的动量、热量和质量传递是影响实际冶金过程速率的重要因素，20世纪70年代以来，关于描述动量、热量和质量传递规律的“传输原理”成为冶金工程的重要理论基础。其以物理学三个基本定理（质量守恒定律、牛顿第二定律和热力学第一定律）为依据，在研究的对象中选取微元控制体积，根据该微元的质量、动量和能量的收支平衡，建立描述流体运动状态下的质量、动量和能量的基本微分方程；结合所研究的工程问题，确定初始条件、边界条件及各有关参数，建立定解方程；求解得出研究工程介质中的流场、温度场、浓度场，从而对实际的冶金工程给出定量的理解。冶金工程中，传输原理的定解微分方程大都难以解析求解，需要借助计算机。

②冶金工程的物理模拟。物理模拟是冶金反应工程学中广泛应用的方法，尤其是水力学模拟。具体方法是：对实际的工程问题根据相似原理建立水力学模拟装置，用水和有关介质模拟各种可能的工况，使用示踪物质或高速摄影、录像技术观察流场分布状况，从而优化反应器结构、减少死区、防止流场短路；也可根据黑箱原理，使用示踪剂测定刺激-响应特性中的平均停留时间、初起时间和峰值时间；经综合分析确定最佳工况；再根据相似原理，返回指导生产实践的改进。冶金反应工程学也采用热态的物理模拟方法，多为实验室热态实验。大型的工程运行也必须先进行小型工业实验。

③冶金工程的数学模拟。数学模拟是冶金反应工程学研究的基本手段。国际上关于冶金反应工程学的数学模拟可以追溯到20世纪60年代，由反应器内的宏观流动模拟为主发展为流动与物质传输、反应热力学、动力学等相关行为的耦合，使其更接近于生产实践，提升了反应器内关键工艺参数的预测精度。早期的数学模拟研究工作在于求得解析解，后发展为求数值解，并开发计算软件，用以制作数学模拟工具、进行虚拟模拟实验，提升对冶金过程认知的直观性和精细程度。在数学模拟的基础上再进行热态实验和工业实验，可提高工作效率，降低成本，提升工作精度，促进新工艺、新流程的研发。冶金反应工程的数学模型和数学模拟技术引进了多种非分析的近代数理方法，如不可逆过程热力学、数理统计、蒙特卡洛方法、最优化技术、聚类分析、神经元网络、专家系统、人工智能等，并延伸至与生产过程自动化技术无缝衔接。

④冶金系统工程和优化。冶金反应工程学在冶金单元操作和冶金单元过程研究的基础上，进一步发展至冶金过程系统的研究。用系统工程的理念和方法来处理冶金工程问题，引入了多变量、大数据等系统工程方法，促进了冶金工程学与系统科学、信息科学等学科的交叉渗透。20世纪80年代以来，冶金工业从简单扩大规模的模式转向科学的进步模式，不仅注重具体的单元技术进步，更加重视各项单元技术与冶金过程整个系统的优化组合；不仅注重系统内部的技术进步更加重视系统与资源环境的友好协调的可持续的绿色发展。

⑤冶金工程的时-空多尺度效应及结构研究。经典的冶金反应工程学研究的是反应器内流动对冶金反应的影响，主要涉及冶金流程中冶金反应器动态运行过程时间和空间（简称时-空）尺度上的问题。冶金反应涉及的边界层一般是毫米至厘米尺度，而冶金反应器大都为米级或数十米级的尺度。在低碳经济下冶金技术的发展要求冶金工程还必须关注系统与外部环境的协调。外部环境包括资源、能源、环保、市场等，冶金工程系统与外部环境构成了更大的系统。21世纪以来，冶金反应工程学参照时-空多尺度效应及结构优化的理念扩展了研究范围，向更宏观的尺度发展。