Как указывалось выше, сталь – это сплав железа с углеродом, содержащий углерода менее 2,14 %. Постоянными примесями в стали являются кремний, марганец, фосфор и сера.

Исходными металлическими материалами для получения стали служат передельный чугун, стальной лом и ферросплавы. Основная задача передела чугуна в сталь состоит
в удалении избытка углерода и примесей с помощью окислительных процессов. Основными способами производства стали являются: кислородно-конвертерный, мартеновский, электродуговой и индукционный.

В основе конвертерных процессов лежит обработка жидкого чугуна газообразными окислителями (например, воздухом, кислородом) без подвода извне дополнительного тепла. Продувка чугуна производится в специальных агрегатах – конвертерах, которые бывают ёмкостью 100–400 т. Исходными материалами конвертерной плавки являются жидкий чугун, металлический лом, шлакообразующие и окислители. При продувке кислород, проникая
в металл, прежде всего, взаимодействует с железом, составляющим основную массу чугуна:

2Fe + O₂ = 2FeO + Q.

Образующийся оксид FeO частично переходит в шлак, частично растворяется в металле и окисляет примеси, содержащиеся в чугуне:

2FeО + Si = 2Fe + SiO₂ + Q₁;

FeO + Mn = Fe + MnO + Q₂;

5FeO + 2P = 5Fe + P₂O₅ + Q₃.

Эти реакции, идущие с большим выделением тепла (особенно окисление кремния), приводят к тому, что уже через 2–4 минуты после начала продувки кремний полностью окисляется. С повышением температуры металла и снижением содержания кремния и марганца возрастает скорость окисления углерода, как за счёт взаимодействия с FeO по реакции:

FeО + C = Fe + CO ? Q₄,

так и за счёт прямого воздействия газообразного кислорода:

C + O₂ = CO₂ + Q₅.

После окончания продувки и получения заданного содержания углерода берут пробу и выпускают металл в ковш. Обязательной завершающей операцией является раскисление в ковше. Раскислением называется процесс восстановления железа из FeО. Раскисление производят марганцем, кремнием и алюминием по реакциям:

FeO + Mn = Fe + MnO;

2FeO + Si = 2Fe + SiO₂;

3FeO + 2Al = 3Fe + Al₂O₃.

В противном случае высокая концентрация FeО в стали привела бы к красноломкости при горячей деформации. В связи с тем, что качество кислородно-конвертерной стали не уступает мартеновской, а себестоимость на 20–30 % ниже, в последние годы происходит постепенное вытеснение мартеновского процесса кислородно-конвертерным.

Мартеновское производство сталей осуществляется в пламенных печах, в рабочем пространстве которых сжигается газообразное или жидкое топливо – мазут. Высокая температура обеспечивается за счёт регенерации тепла отходящих газов. Различают основные и кислые мартеновские печи (в зависимости от вида футеровки).

Футеровка (от нем. Futter – подкладка) – огнеупорная кладка внутренней части печи. В зависимости от состава огнеупорных материалов различают основную футеровку, в составе которой преобладают основные оксиды – СаО, MgO, например, магнезит, и кислую, состоящую из SiO₂, например, динас. Кислую футеровку выполняют при использовании чистых по сере и фосфору шихтовых материалов. Использование основной футеровки позволяет удалять из расплава серу и фосфор. Отсюда и название мартеновских процессов – основной и кислый.

В качестве газообразного топлива обычно используют смесь доменного и коксового газов. Со второй половины 20 в. широко применяют природный газ. Воздух для сжигания топлива дополнительно обогащают кислородом. Процесс плавки состоит из нескольких периодов: заправка печи, закладка шихтовых материалов, плавление, кипение, раскисление и выпуск сплава. При плавлении полностью окисляется кремний и частично углерод, марганец и фосфор. Из оксидов SiO₂, MnO, FeO, CaO образуется жидкий шлак, покрывающий металл, через который и происходит дальнейшее окисление примесей металла. В частности, фосфор удаляется в результате протекания следующих экзотермических реакций:

2P + 5FeO = P₂O₅ + 5Fe + Q₁;

P₂O₅ + 3FeO = P₂O₅·3FeO + Q₂;

P₂O₅•3FeO + 3CaO = P₂O₅•3CaO + 3FeO + Q₃.

В период кипения тепловой режим печи форсируют, вводят небольшими порциями железную руду для окисления углерода:

C + FeO = Fe + CO ? Q.

Эффективное удаление серы в шлак происходит в конце периода кипения:

FeS + CaO = CaS + FeO.

После удаления вредных примесей и получения заданной концентрации углерода производят раскисление стали в два этапа: предварительное – ферромарганцем и ферросилицием в печи – и алюминием – в ковше во время выпуска плавки.

Электроплавка – наиболее совершенный способ получения стали. Для выплавки применяют дуговые и индукционные электрические печи. Ёмкость дуговых печей колеблется в пределах 0,5–360 т; индукционных – от нескольких килограммов до 90 т. Печи средней и большой ёмкости используют на металлургических заводах для получения слитков, а печи малые – на машиностроительных заводах для получения отливок.

Источником тепла являются либо электрическая дуга, возбуждаемая между графитовыми электродами и металлической шихтой, либо индуктор, возбуждающий мощные вихревые токи, обеспечивающие нагрев и расплавление металла.

Плавка может вестись как основным, так и кислым процессами. Химизм процессов аналогичен вышеизложенным. Индукционные печи позволяют вести плавку в любой контролируемой атмосфере и в вакууме, обеспечивая получение стали с минимальным содержанием газов и неметаллических включений.

Прямое получение железа. Прямым получением железа называют процессы получения металлизированного полупродукта (окатышей или губчатого железа) непосредственно из железорудных материалов. Восстановителями могут служить монооксид углерода, водород, низкосортные виды топлива или их смеси:

Получаемые окатыши содержат 95 % железа и около 1 % углерода и в дальнейшем применяются для получения стали. Метод экономически эффективен и перспективен, так как позволяет исключить из технологической цепи получения стали доменный процесс. Описанный способ был осуществлён в СССР на Оскольском электрометаллургическом комбинате, а также на Белорецком металлургическом комбинате в Башкирии.

Из других способов прямого восстановления железа можно отметить продувку восстановительным газом в кипящем слое и в тиглях с использованием плазмы.