Добиването на стомана направо от руда първоначално се е извършвало по съвсем първобитни методи в открити огнища, които са били строени по такъв начин, че се използвала естествена тяга.
За усилване на горенето по-късно е била използвана и изкуствена тяга – чрез вдухване на въздух през специален отвор в долната част на огнището, какъвто е случаят например с каталонското огнище или самоковските видни. В тези огнища рудата се насипва върху подложка от дървени въглища, като пластове от руда и въглища се редуват.
Процесите, които протичат в огнището, могат да се сведат към следното. При преминаването на въздуха през насипания материал кислородът окислява въглерода на горивото главно до въглероден окис. Влизайки в контакт с рудата, последният редуцира частично железните окиси, като в същото време се окислява до въглероден двуокис. При преминаването си през следващия пласт от дървени въглища въглеродният двуокис се редуцира отново до въглероден окис и по такъв начин газовата фаза в огнището има винаги редукционен характер.
Като се свлича постепенно надолу (сляга), шихтовият материал навлиза в области с по-висока температура, където съществуват условия за по-интензивна редукция. При достигане на достатъчно висока температура скалният примес на рудата и нередуцираните железни окиси се стопяват и образуват течна шлака. Това създава възможност за по-близък контакт между шлаката и въглената маса и при сравнително висока температура тук се извършва предимно директна редукция. В сравнение с високата пещ температурата в огнището обаче е все още ниска, поради което скоростта на редукция е сравнително малка. Вследствие на това значителна част от железния окис остава напълно или до голяма степен нередуциран в шлаката. При наличността на такава богата на железни окиси шлака не може да се извърши овъглеродяване на редуцирането желязо, както това става във високата пещ. Известно е, че с повишаване съдържанието на железен окис в шлаката се понижава съдържанието на въглерод в стоманата. Именно по такъв начин в огнището се стига до получаването на нисковъглероден продукт – стомана.
Редукцията на мангана и особено на силиция е незначителна, тъй като SiO2 се свързва с желязото Железни руди в шлаката във форма на силикат (FeO . SiO2), с което редукцията на силиция се затруднява още повече. Фосфорът частично се ошлакова, и то толкова повече, колкото по-богата е шлаката на желязо и колкото по-ниско е въглеродното съдържание на стоманата.
Разгледаните по-горе процеси се извършват при температури, които лежат под точката на топене на получената стомана и следователно последната се намира не в течно състояние, а в твърдо състояние, във вид на слитъци. В порите на тези слитъци е отложена шлаката. Отделянето на по-голямата част от шлаката става чрез изковаване на слитъка, при което се получава един по-плътен стоманен блок. Степента на отделяне на шлаката естествено ще зависи от вида на механичната обработка. Поради това характерно за получената по този начин стомана е наличността на шлакови включвания.
От казаното дотук се вижда, че по директен път в огнището може да се получи достатъчно качествена стомана само ако се използват чисти изходни материали.
Поради малката производителност голямата загуба на желязо в шлаката (до 50%) и повишените качества, които трябва да има понастоящем стоманата, този метод в неговия първоначален вид не може да намери приложение в съвременното стоманодобивно производство и е бил изместен от индиректния метод.
В по-ново време идеята за директно добиване на стомана започва отново да представлява интерес, тъй като директният път е много по-къс от индиректния (при който са необходими специални процеси за преработването на междинния продукт – чугуна, в стомана). Освен това опитите показват, че качествата на стоманата, получена по директен път, например в твърдо състояние, са много добри и тя може да служи като отличен материал за добиване на легирани стомани.
Проблемът за директно добиване на стомана от руда е интересен както от гледище на металургията, така и от гледище на икономиката. Трудност при тези методи представлява отстраняването на вредните примеси (S,P), а спънка за широкото им разпространение – тяхната малка производителност. Разработени са голям брой методи, които, въпреки че все още не могат да задоволят напълно изискванията, представляват интерес за по-нататъшното развитие.
В зависимост от физичното състояние на получавания продукт и съответно от температурата, при която се извършва редукцията, съществуващите методи за директно добиване на стомана от железни руди могат да се разделят на три групи:
- Методи за добиване на желязна гъба, които се провеждат при сравнително ниски температури. В резултат на това се извършва само редукция на железните окиси без стопяване на скалните примеси. Продуктът на редукцията (редуцираното желазо) е в твърдо състояние.
- Методи за добиване на слитъци (крици). Температурата, при която се провеждат процесите, е значително по-висока в резултат на което скалните примеси се стопяват и се образува течна шлака, а частиците редуциран метал се заваряват помежду си и образуват тестообразен слитък, който след това се втвърдява.
- Методи за добиване на течна стомана, които се провеждат при температури, лежащи над точката на топене на желязото. Крайният продукт при тези процеси е течна стомана и течна шлака.
Особеностите на отделните методи се обуславят от състава на изходните материали и от състава на дезоксидаторите.
Така при производството на желязна гъба обикновено се използват богати на желязо и чисти от вредни примеси руди, агломерат и дезоксидатори с ниско съдържание на сяра, тъй като скалният примес в процеса на редуцирането не претърпява никакви изменения и остава в желязната гъба, а сярата от редукторите може да премине в желязото.
При производството на слитъци, където скалните примеси от рудата се превръщат в течна шлака и след това се отделят от метала, могат да се използват бедни руди и нискокачествено гориво.
За получаване на течна стомана може да се използват богати прахообразни руди или брикети, получени от концентрати, а като дезоксидатори се използват въглероден окис, водород или смес от тези газове, а също кокс и различни видове твърдо нискокачествено гориво.
В зависимост от тяхната чистота продуктите на редукцията се използват за различни цели. Желязната гъба се използва за производството на железен прах и като заместител на стоманен лом при производството на висококачествена стомана в кисели мартенови и електрически пещи. Слитъците, които обикновено съдържат по-големи количества примеси, се използват във високите пещи или като заместители на стоманен лом в мартеновите пещи, електродъговите пещи и конвертори.
Получаване на желязна гъба. Желязната гъба се получава чрез редуциране на висококачествени руди при относително ниски температури (1100оС), изключващи не само стопяването, но дори и синтероването (спичането) на рудата. Като редуктор се използват въглероден окис, водород, смес от тези газове или твърд въглен. Използват се главно два начина:
Редуциране с твърд редуктор в пещи, където рудата и редукторът се насипват в отделни пластове и загряването се извършва индиректно в пламъчни пещи (метод на Хьоганес) или в тръбни въртящи се пещи, където рудата и редукторът се смесват и загряването се извършва индиректно (метод RN).
Редуциране с газообразен редуктор. Процесът се провежда се провежда в камерни и шахтови пещи с външно загряване, в шахтови пещи при обикновено и високо налягане, в периодично действащи реторти със стабилен газов поток, в пещи, при които се използва пулсиращ газов поток, в реторти с кипящ слой (H-iron процес) и др.
Получаване на железни слитъци (крично желязо). Производството на крично желязо, който е най-старият начин за получаване на желязо от неговите руди в т.нар. крични огнища, понастоящем се използва отново при съвременни условия.
За целта се използват въртящи се наклонени тръбни пещи, които намират приложение в различни отрасли на промишлеността за високотемпературно изпичане на насипни материали.
Характерна особеност на крично-рудния процес е температурният режим на неговото провеждане (1250-1350оС), който осигурява стопяване на скалните примеси с образуването на течна шлака и заваряване на отделните зърна от редуцираното желязо в тестообразни слитъци (крици), тоест в отделни късове с размери от 1 до 50 mm (предимно от 3 до 8 mm) Получаваното по този начин желязо почти не съдържа скални примеси, поради което за добиването му може да се използват труднообогатими бедни руди.
Като редуктор могат да се използват коксов и въглероден прах и други видове нискокачествени горива.
Загряването на пещта се извършва с газообразно прахообразно или течно гориво, което се подава с горелка през единия край на пещта.
Получаване на течна стомана. Директното добиване на течна стомана се извършва при по-високи температури, отколкото при добиването на желязна гъба. Задачата на процеса е да се получи полупродукт или готова стомана. За целта са предложени и изпробвани различни методи, при които се използват въртящи се тръбни пещи, пламъчни пещи от типа на сименсмартеновите, електропещи, циклонни пещи със следващо редуциране на желязото от стопилката и др. От тях засега най-голям интерес представлява методът, при който редукцията на железните окиси се извършва в тръбна въртяща се пещ, а стопяването на редуцираната шихта се извършва в друг агрегат, например електродъгова пещ.
