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L'altoforno serve per produrre ghisa (lega binaria di ferro e carbonio) attraverso la riduzione degli ossidi metallici (ad esempio Fe2O3) presenti in natura a causa dell'atmosfera ossidante. La produzione si aggira tra le 2000 e le 4500 tonnellate al giorno. Viene anche utilizzato in ambito metallurgico per produrre industrialmente metalli, quali il ferro e l'alluminio, tramite riduzione con coke dei rispettivi minerali.
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Partendo da un minerale ferroso (Fe3O4 o Fe2O3) occorre recuperare il metallo attraverso una riduzione degli ossidi secondo la reazione
dove Me rappresenta un atomo metallico. Valutando l'affinità del metallo con ossigeno mediante la regola di Gibbs (maggiore affinità indica maggiore stabilità con conseguente aumento di energia di rottura dei legami) è possibile stilare una tabella (detta di Ulich):
Tra i riducenti presenti in natura c'è l'idrogeno che ha una fortissima affinità con l'ossigeno perciò si potrebbe fare
però l'utilizzo dell'idrogeno comporta un fortissimo rischio di esplosione. Per il II e il III gruppo è possibile utilizzare l'ossido di carbonio CO che ha fortissima affinità e tende ad evolvere
L'ossido di carbonio deriva dalla combustione in difetto di ossigeno del coke
Nell'altoforno il monossido di carbonio si crea dalla combustione del coke con aria a 1200°C che arriva dal piano degli ugelli. L'altoforno è alimentato da strati alternati di carbone coke metallurgico e minerale ferroso (in genere ossidi, come ematite, limonite, eccetera, così formando un letto di fusione. Quando l'aria calda viene immessa, il coke brucia e produce il'energia necessaria per la riduzione del minerale. L'ossigeno contenuto nel minerale di ferro si combina con il monossido di carbonio e con una parte del coke per produrre anidride carbonica. Il ferro si combina con il carbonio e diventa ghisa; questo abbassa il suo punto di fusione.
Provvede a trasformare il minerale in ghisa. La carica impiega circa 8 ore per passare dalla bocca al crogiolo; la carica si autosostiene sulla precedente. A livello del ventre si ha ferro puro a contatto del carbonio e si ha la carburazione che permette una riduzione della temperatura di fusione (si raggiungono circa i 1300°C a fine ventre) e si ha gocciolamento di ghisa liquida caratterizzata da composizione chimica:
C=3÷4%; Mn=1,5%; P=1,5%; S=1,5%; Si=1-2%
che non ha utilizzi industriali se non depurata dagli elementi chimici indesiderati (soprattutto zolfo e fosforo che inducono fragilità nella lega). Per l'equazione di Bouduard abbiamo 2 parametri indipendenti e facciamo variare la temperatura all'interno dell'altoforno. Per raggiungere l'equilibrio a una certa temperatura necessita una certa percentuale di CO e ipotizzando una pressione atmosferica si ha un solo parametro da variare. Se ci si sposta a T=cost non si è più in equilibrio: nel punto A si ha carenza di CO e per il principio di Le Chatelier la reazione si sposta a sinistra (l'equazione di Bouduard è esotermica). In analogia possiamo fare lo stesso con
FeO+CO<->Fe+CO2
Se si combinano le curve si ottiene un grafico che indica dove lavorare nell'altoforno. La zona superiore si chiama indiretta perché sembra che la reazione serva per generare CO2 mentre in realtà ha il compito di deossidare FeO. Le riduzioni indirette sono esotermiche perciò queste reazioni alimentano l'impianto mentre quelle dirette sono neutre o leggermente endotermiche con sottrazione di calore (da qui la necessità di introdurre aria calda con polverino di carbone). Alla bocca si introduce carbonato di calcio CaCO3 a circa 800°C che reagirà secondo la reazione
CaCO3<->CaO+CO2
la reazione è fortemente endotermica e aumenta la zona di riduzione indiretta. Dal punto in cui è presente solo Fe inizia il processo di carburazione.
La durata del ciclo integrale è di circa 20 anni. L'ultimo impianto italiano è quello di Taranto costruito negli anni '60. Oggi in Italia non vengono più realizzati per via del passaggio da settore industriale a settore terziario e quindi si preferisce usare il ciclo da rottame.
