Besi
telah diperkenalkan kepada China melalui Asia Tengah. Bukti awal penggunaan tanur tinggi di China berpenanggalan abad pertama setelah masehi, dan tungku kubah () digunakan pada awal periode perang (403-221 BCE). Penggunaan tanur tinggi dan kubah tetap menyebar selama Dinasti Song dan Tang.
Artifak besi lebur ditemukan di India berpenanggalan antara 1800 hingga 1200 SM, dan di Levant sejak sekitar 1500 SM (menunjukkan peleburan di Anatolia atau Kaukasus).
Pengolahan besi masuk ke Yunani di akhir abad ke-11 SM. Penyebaran pengolahan besi di Eropa Tengah dan Barat dihubungkan dengan ekspansi kaum Kelt. Menurut Gaius Plinius Secundus ("Pliny the Elder") penggunaan besi adalah jamak pada era Romawi. Produksi besi tahunan Kekaisaran Romawi diperkirakan 84750 ton, sementara China Han yang padat penduduk memproduksi sekitar 5000 ton.
Selama Revolusi Industri di Inggris, Henry Cort mulai memperhalus besi dari besi kasar () dan besi tempa (atau besi batang) menggunakan sistem produksi inovatif. Pada tahun 1783, ia mematenkan proses puddling untuk mengolah bijih besi. Proses ini kemudian disempurnakan oleh peneliti lain, termasuk Joseph Hall.
Besi tuang (atau besi cor) () pertama kali diproduksi di China selama abad ke-5 SM, tetapi hampir tidak dikenal di Eropa sampai periode abad pertengahan. Artifak besi tuang tertua ditemukan oleh arkeolog di tempat yang sekarang dikenal sebagai Luhe County, Jiangsu, China. Besi tuang digunakan oleh China kuno untuk peralatan perang, pertanian, dan arsitektur. Selama periode
abad pertengahan, di Eropa ditemukan sarana produksi besi tempa dari besi cor (dalam konteks ini dikenal sebagai besi kasar) dengan menggunakan "finery forge". Pada seluruh proses ini, digunakan batu bara sebagai bahan bakar.
Tanur tinggi abad pertengahan mempunyai tinggi sekitar dan terbuat dari bata tahan api; udara tekan diperoleh dari penghembus yang digerakkan oleh tangan. Tanur tinggi modern jauh lebih besar.
Pada tahun 1709, Abraham Darby I membentuk tanur tinggi batu bara untuk memproduksi besi tuang. Ketersediaan besi murah adalah salah satu faktor yang menyebabkan Revolusi Industri. Menjelang akhir abad ke-18, besi tuang mulai menggantikan besi tempa untuk tujuan tertentu, karena harganya yang lebih murah. Kandungan karbon dalam besi tidak dilihat sebagai alasan untuk membedakan sifat besi tempa, besi tuang, dan baja hingga abad ke-18.
Karena besi menjadi lebih murah dan lebih banyak, besi juga menjadi bahan struktural utama menyusul pembangunan inovatif jembatan besi pertama pada tahun 1778.
Baja (dengan kandungan karbon yang lebih kecil daripada besi kasar tetapi lebih banyak daripada besi tempa) pertama kali diproduksi menggunakan bloomery. Pandai besi di Luristan, Iran bagian barat membuat baja yang bagus pada 1000 SM. Kemudian, versi pengembagannya adalah, baja Wootz oleh India dan baja Damaskus dikembangkan sekitar 300 SM dan 500 setelah masehi. Metode ini
adalah spesialisasi, dan oleh karenanya baja tiak menjadi komoditas utama hingga tahun 1850an.
Metode produksi baru adalah melalui karburasi besi batangan dalam proses sementasi ditemukan pada abad ke-17. Pada Revolusi Industri, metode baru memproduksi besi batangan tanpa batu bara ditemukan dan hal ini kemudian digunakan untuk memproduksi baja. Pada akhir 1850an, Henry Bessemer menciptakan proses pembuatan baja baru, melibatkan penghembusan udara melalui lelehan besi kasar
untuk memproduksi baja lunak. Hal ini membuat baja jauh lebih ekonomis, oleh karena itu besi tempa tidak lagi diproduksi.
Pada tahun 1774, Antoine Lavoisier mereaksikan uap air dengan besi logam di dalam tabung besi pijar untuk menghasilkan hidrogen dalam percobaan yang mengarah ke demonstrasi konservasi massa, yang mengubah instrumentasi kimia dari ilmu kualitatif menjadi kuantitatif. Oksidasi anaerobik besi pada temperatur tinggi secara skematis dapat ditunjukkan oleh reaksi berikut:
Produksi besi atau baja adalah suatu proses dengan dua tahapan utama, kecuali produk yang diinginkan adalah besi tuang. Tahap pertama adalah produksi besi kasar ("pig iron") dalam tanur tinggi. Cara lain, reduksi langsung. Tahap kedua, besi kasar diubah menjadi besi tempa atau baja.
Untuk beberapa fungsi terbatas seperti inti elektromagnet, besi murni diproduksi dengan cara elektrolisis larutan fero sulfat.
Produksi besi industri dimulai dari bijih besi, biasanya hematit, dengan rumus FeO, dan magnetit, dengan rumus FeO. Bijih ini direduksi menjadi logam dalam suatu reaksi karbotermal, yaitu diberi perlakuan dengan karbon. Konversi ini biasa dilakukan dalam tanur tinggi pada temperatur sekitar 2000 °C. Karbon dipasok dalam bentuk kokas. Process ini juga mengandung "fluks" seperti
"limestone", yang digunakan untuk menghilangkan mineral silika dalam bijih, yang dapat menyimbat tanur. Kokas dan gamping dimasukkan melalui puncak tanur, ketika tengah terjadi ledakan hebat saat pemanasan udara, sekitar 4 ton per ton besi, yang dipompa ke dalam tanur melalui bagian bawah.
Di dalam tanur, kokas bereaksi dengan oksigen dalam ledakan udara menghasilkan karbon monoksida:
Karbon monoksida yang mereduksi bijih besi (sesuai persamaan reaksi di bawah, hematite) menjadi lelehan besi, berubah menjadi karbon dioksida sesuai proses:
Beberapa besi dalam temperatur tinggi di bagian-bagian tanur yang lebih "dingin" bereaksi langsung dengan kokas:
Fluks yang berguna untuk melelehkan ketakmurnian dalam bijih biasanya adalah batu gamping () (kalsium karbonat) dan dolomit (kalsium-magnesium karbonat). Fluks khusus lainnya digunakan bergantung pada karakteristik bijih. Panas di dalam tungku mengakibatkan fluks batu gamping terdekomposisi menjadi kalsium oksida (dikenal juga sebagai tawas):
Slag meleleh karena panas tanur. Pada dasar tanur, lelehan slag mengapung di atas lelehan besi yang lebih padat, dan tingkap di bagian samping tanur dibuka untuk mengalirkan dan memisahkan besi dengan slag. Besi, ketika telah dingin, disebut besi kasar ("pig iron"), sementara slag dapat digunakan sebagai bahan konstruksi jalan atau bahan pengaya tanah yang miskin mineral untuk pertanian.
Karena masalah lingkungan, telah dikembangkan metode alternatif pengolahan besi. "Reduksi besi langsung" mereduksi bijih besi menjadi serbuk yang dinamakan besi "karang" atau besi "langsung" yang cocok untuk pembuatan baja. Dua reaksi utama pada proses reduksi langsung:Silika dihilangkan dengan penambahan fluks gamping seperti telah dijelaskan di atas.
Besi logam secara umum diproduksi di laboratorium melalui dua metode. Pertama adalah elektrolisis fero klorida pada katode besi. Metode kedua melibatkan reduksi besi oksida dengan gas hidrogen pada temperatur sekitar 500 °C.
Besi adalah logam yang paling banyak digunakan, mencakup 92% dari produksi logam dunia. Biayanya yang rendah dan kekuatannya yang tinggi membuatnya sangat diperlukan dalam aplikasi teknik seperti pembangunan mesin dan peralatan mesin, mobil, lambung kapal-kapal besar, dan komponen struktur bangunan. Karena besi murni cukup lunak, hal ini paling sering dikombinasikan dengan unsur paduan untuk membuat baja.
Besi yang tersedia untuk komersial diklasifikasikan berdasarkan kemurnian dan kandungan aditifnya. "Pig iron" memiliki 3.5-4.5% karbon dan mengandung berbagai jumlah kontaminan seperti belerang, silikon dan fosfor. "Pig iron" bukan produk komersial, melainkan tahap antara dalam produksi besi tuang dan baja. Pengurangan kontaminan dalam pig iron yang berpengaruh
negatif kepada sifat materi, seperti belerang dan fosfor, menghasilkan besi tuang yang mengandung 2-4% karbon, 1-6% silikon, dan sejumlah kecil mangan. Ia memiliki titik leleh di kisaran 1420-1470 K, lebih rendah daripada salah satu dari dua komponen utama, dan membuatnya produk pertama yang akan meleleh ketika karbon dan besi dipanaskan bersama-sama. Sifat mekaniknya sangat bervariasi dan bergantung pada bentuk karbon dalam paduan.