Τα ορυκτά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του σιδήρου είναι κατά κύριο λόγο ο αιματίτης (Fe₂O₃) και δευτερευόντως ο μαγνητίτης (Fe₃O₄) και ο λειμωνίτης (2Fe₂O₃.3H₂O).

Στο εμπόριο, ο σίδηρος απαντά σε τρεις μορφές: το χυτοσίδηρο, το σφυρήλατο σίδηρο και το χάλυβα. Στην ουσία, πρόκειται για κράματα του σιδήρου με άνθρακα, τα οποία διαφέρουν κυρίως στο ποσοστό του άνθρακα, γεγονός που προσδιορίζει τις ιδιότητες τους. Συνήθως, από το εμπλουτισμένο μετάλλευμα παράγεται αρχικά ο χυτοσίδηρος και από αυτόν, στη συνέχεια, ο σφυρήλατος σίδηρος ή ο χάλυβας.

Παραγωγή χυτοσιδήρου

Ο χυτοσίδηρος παράγεται κυρίως από τον αιματίτη σε ειδικές καμίνους, τις υψικαμίνους. Οι πρώτες υψικάμινοι θεωρείται ότι εμφανίστηκαν περίπου το 1350 μ.Χ στη Γερμανία και αργότερα στην Αγγλία γύρω στο 1500. Αρχικά ως αναγωγικό χρησιμοποιήθηκε ο ξυλάνθρακας, που στις αρχές του 18ου αιώνα, αντικαταστάθηκε με το μεταλλουργικό κωκ.

Η υψικάμινος είναι μία κυλινδρική κατακόρυφη κάμινος ύψους 20-30m με διάμετρο 6m, που αποτελείται από ένα χαλύβδινο μανδύα επενδυμένο εσωτερικά με πυρίμαχους πλίνθους. Η υψικάμινος τροφοδοτείται από την κορυφή με σιδηρούχο μετάλλευμα, κωκ και ασβεστόλιθο, CaCO₃, (συλλίπασμα), ενώ από ανοίγματα διαταγμένα κυκλικά στη βάση της διοχετεύεται ξηρός αέρας θερμοκρασίας 600 - 800 ^οC.

Αρχικά, το οξυγόνο του αέρα, που εισάγεται από τη βάση, οξειδώνει μέρος του κωκ προς διοξείδιο του άνθρακα με ταυτόχρονη έκλυση θερμότητας:

C_(s) + Ο_2(g)    CΟ_2(g)

Με τη θερμότητα που εκλύεται, η θερμοκρασία ανυψώνεται σε τέτοιο βαθμό, ώστε να πραγματοποιηθούν οι σχετικές αντιδράσεις και να διατηρηθούν τα προϊόντα σε κατάσταση τήξης.

Το θερμό διοξείδιο του άνθρακα, που παράγεται, καθώς ανέρχεται μέσα στην υψικάμινο, ανάγεται από το κωκ προς μονοξείδιο του άνθρακα: CΟ2 + C    2CΟ Το μονοξείδιο του άνθρακα, καθώς ανέρχεται στις υψηλότερες ζώνες της υψικαμίνου, ανάγει το μετάλλευμα προς σπογγώδη μεταλλικό σίδηρο μέσω μιας σειράς ενδιάμεσων αντιδράσεων: 3Fe2O3 + CΟ    2Fe3O4 + CΟ2 Fe3O4 + CΟ    3FeO + CΟ2 FeO + CΟ    Fe + CΟ2 Ακόμη, μικρά ποσά οξειδίου του σιδήρου (ΙΙ), που διαφεύγουν την αναγωγή, ανάγονται τελικά στη μεσαία και στη κάτω ζώνη της υψικαμίνου από τον ίδιο τον άνθρακα: FeO + C    Fe + CΟ

Το CΟ₂, που σχηματίζεται κατά τις παραπάνω αντιδράσεις, ανάγεται και πάλι από το κωκ προς CΟ, το οποίο συμμετέχει στον κύκλο των αντιδράσεων, ενώ ο σπογγώδης μεταλλικός Fe τήκεται στα κατώτερα τμήματα της υψικαμίνου και ρέει προς τη βάση της από όπου και εξάγεται.

Οι γαιώδεις προσμίξεις του μεταλλεύματος, διοξείδιο του πυριτίου (SiO₂) και πυριτικά άλατα, αντιδρούν με τον ασβεστόλιθo και σχηματίζoυν εύτηκτα πυριτικά άλατα του ασβεστίου, τα οποία επιπλέουν στο τήγμα του μετάλλου και απομακρύνονται ως σκωρία.

Ο αργός χυτοσίδηρος τήκεται μεταξύ 1100 και 1300 ^οC και αποτελείται κατά 90% από σίδηρο, 3 ως 5% από άνθρακα, ενώ περιέχει και προσμίξεις μαγγανίου, πυριτίου, φωσφόρου και θείου, που τον κάνουν σκληρό, εύθραυστο και μη σφυρηλατήσιμο. Χρησιμοποιείται για την κατασκευή χυτών αντικειμένων, τα οποία δεν πρόκειται να υποβληθούν σε μεγάλες μηχανικές καταπονήσεις (π.χ. βάσεις μηχανών, σωληνώσεις, θερμάστρες, κ.λ.π.). Κυρίως, όμως, αποτελεί την πρώτη ύλη για την παραγωγή σφυρήλατου σιδήρου και χάλυβα.

Σφυρήλατος σίδηρος και χάλυβας

Οι διεργασίες παραγωγής του σφυρήλατου σιδήρου (μέθοδος pudding) και του χάλυβα με διάφορες μεθόδους (μέθοδοι Siemens-Martin, Bessemer και ηλεκτρικής καμίνου) αποσκοπούν στην απομάκρυνση μέρους του άνθρακα και των άλλων προσμίξεων από το χυτοσίδηρο.

Ο σφυρήλατος σίδηρος είναι σχετικά καθαρός σίδηρος. Περιέχει 0,12 - 0,25% άνθρακα και λιγότερο από 0,5% συνολικά από τις υπόλοιπες προσμίξεις. Τήκεται στους 1500 ^οC, αλλά είναι σχετικά μαλακός και μπορεί να υποβληθεί με ευχέρεια σε μηχανική κατεργασία. Έτσι, βρίσκει εφαρμογή στην κατασκευή αλυσίδων, συρμάτων, κ.λ.π.

Ο όρος χάλυβας στην ουσία προσδιορίζει μία κατηγορία υλικών, που είναι όλα κράματα του σιδήρου με άνθρακα. Γενικά, οι χάλυβες διακρίνονται σε μαλακούς (< 0,25%), μέσης (0,25 - 0,45%) και υψηλής περιεκτικότητας (0,45 - 1,5%) σε άνθρακα. Το ποσοστό του άνθρακα, καθώς και η θερμική επεξεργασία που έχει υποστεί προσδιορίζουν τις ιδιότητες και επομένως τις δυνατότητες χρήσεις ενός τύπου χάλυβα. Σε ορισμένες περιπτώσεις μάλιστα, προστίθενται και άλλα μέταλλα, κυρίως νικέλιο, χρώμιο και μολυβδαίνιο, με αποτέλεσμα να υπάρχει μία μεγάλη γκάμα κραμάτων χάλυβα με διαφορετικές ιδιότητες και ποικίλες χρήσεις.