آهن اسفنجی
آهن احیای مستقیم (DRI)، که همچنین به‌نام آهن اسفنجی نیز شناخته می‌شود، از اکسایش-کاهش مستقیم سنگ‌آهن (به صورت کلوخه‌ها، گلوله‌ها یا خاکروبه‌ها) به آهن توسط گاز کاهنده یا کربن عنصری تولیدشده از گاز طبیعی یا زغال‌سنگ به‌وجود می‌آید. بسیاری از سنگ‌های معدنی برای احیای مستقیم مناسب هستند.
کاهش مستقیم به فرآیندهای حالت جامد اشاره دارد که اکسیدهای آهن را به آهن فلزی در دمای زیر نقطه ذوب آهن کاهش می‌دهد. آهن کاهش‌یافته نام خود را از این فرایندها به‌دست می‌آورد، یک نمونه از آن گرم کردن سنگ آهن در یک کوره در دمای بالای ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد (۱۴۷۰ تا ۲۱۹۰ درجه فارنهایت) در حضور کاهش‌دهنده گاز سنتز، ترکیبی از هیدروژن و کربن مونوکسید است. تولید آهن اسفنجی و سپس کار کردن این روش نخستین روش برای به‌دست‌آوردن آهن در خاورمیانه و اروپا بود، جایی که حداقل تا سده شانزدهم مورد استفاده قرار گرفت. شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد از روش شکوفه نیز در چین استفاده شده است، اما چین کوره های انفجاری را برای به‌دست آوردن آهن چدن تا ۵۰۰ پیش‌از میلاد ایجاد کرده بود.
مزیت روش کوره آهن خالص این است که آهن را می‌توان در دمای کمتر از کوره، تنها در حدود ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد یا تقریباً به‌دست آورد. مشکل آن، نسبت به کوره انفجار، این است که تنها مقادیر کمی می‌توانند در یک زمان تحت عملیات ساخت قرار بگیرند.
فرآیندهای کاهش مستقیم تقریباً به دو دسته تقسیم می‌شوند: مبتنی بر گاز و مبتنی بر زغال سنگ. در هر دو مورد، هدف این فرایند، بیرون راندن اکسیژن موجود در اشکال مختلف سنگ آهن (سنگ اندازه، کنسانتره، گلوله، مقیاس آسیاب، گرد و غبار کوره و غیره) است تا بتواند سنگ معدن را بدون ذوب شدن آن به آهن فلزی تبدیل کند. (زیر ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد (۲۱۹۰ درجه فارنهایت)).
روند کاهش مستقیم نسبتاً کارآمد است. فولاد ساخته‌شده با استفاده از احیای مستقیم به میزان قابل توجهی به سوخت نیاز دارد، به این دلیل که کوره انفجار سنتی لازم نیست. احیای مستقیم معمولاً با استفاده از کوره‌های قوس الکتریکی که از فولاد ساخته می‌شود انجام می‌گیرد تا از گرمای زیاد تولیدشده توسط محصول احیای مستقیم استفاده شود.
در صنعت مدرن، فرآیندهای کاهش مستقیم توسعه‌یافته است تا به طور خاص بر مشکلات کوره های انفجار معمولی (کوره بلند) غلبه کند. آهن احیای مستقیم با موفقیت در مناطق گوناگون جهان تولید می‌شود و تولید محصولات تخصصی آهن و فولاد را به روشی غیرمتمرکز (به طور جداگانه با مدل متمرکز کوره قدیمی‌تر به اصطلاح "مجتمع های فولادی" ) امکان‌پذیر می‌کند. سرمایه‌گذاری اولیه (CAPEX) و هزینه‌های عملیاتی (OPEX) کارخانه‌های کاهش مستقیم پایین‌تر از کارخانه های فولادی یکپارچه هستند و برای کشورهای درحال توسعه که در آن تهیه کک زغال سنگ با درجه بالا محدود است، از نظر هزینه مناسب‌تر است اگرچه که ضایعات فولادی به‌طور کلی برای بازیافت در دسترس هستند.
عواملی که تولید آهن احیای مستقیم اقتصادی می کنند:آهن احیای مستقیم در صورت عدم محافظت در معرض اکسیداسیون و زنگ‌زدگی است، و به طور معمول با سرعت بیشتری نسبت به فولاد خورده می‌شود. برخلاف آهن چدن کوره‌ای که تقریباً از فلز خالص است، آهن احیای مستقیم حاوی مقداری ناخالصی سیلیسی است که در فرآیند ساخت فولاد باید آن را ازبین‌برد.
واکنش‌های کربوترمیک زیر سنگ‌آهن را به آهن کاهش می‌دهد.
هماتیت با کاهش مونوکسید کربن و هیدروژن به مگنتیت تبدیل می‌شود.
3 Fe2O3 + COA ->3 Fe3O4 + CO2
3 Fe2O3 + H2 -> 2 Fe3O4 + H2O
مگنتیت با کاهش مونوکسید کربن و هیدروژن به اکسید آهن تبدیل می‌شود:
Fe3O4 + CO -> 3 FeO + CO2
Fe3O4 + H2 -> 3 FeO + H2O
اکسید آهن با کاهش مونوکسید کربن و هیدروژن به آهن اسفنجی تبدیل می‌شود:
FeO + CO -> Fe + CO_2
FeO + H2 -> Fe + H2O
کربن دار کردن سمانتیت را تولید می‌کند.
3 Fe + CH4 -> Fe3C + 2H2
3 Fe + 2CO -> Fe3C + CO2
3 Fe + CO +H2 -> Fe3C + H2O
آهن اسفنجی به‌خودی‌خود سودمند نیست، اما می‌تواند برای ایجاد آهن فرفورژه یا فولاد فرآوری‌شده استفاده شود. اسفنج را از نوعی از کوره جدا کرده که به آن کوره آهن خالص می گویند و بارها با چکش‌های سنگین می‌کوبند و آن را مورد نورد قرار می‌دهند تا هر ناخالصی اضافی تشکیل شده ازبین برود و کربن یا کاربید را اکسید کرده و آن را به آهن جوش دهیم. این روش ساخت معمولاً آهن فرفورژه را با حدود سه درصد ناخالصی و کسری از درصد از دیگر ناخالصی‌ها ایجاد می‌کند. انجام بیشتر این روش ممکن است مقادیر کنترل‌شده کربن را اضافه کرده و انواع مختلفی از عملیات حرارتی (به عنوان مثال "فولاد کردن") را فراهم کند.
امروزه آهن اسفنجی با کاهش سنگ‌آهن بدون ذوب‌شدن آن ایجاد می‌شود. این امر باعث می‌شود که برای تولیدکنندگان فولادهای تخصصی که به استفاده از فولاد قراضه و بازتولید آن تکیه کرده‌اند، از نظر مصرف انرژی کارآمد باشد.