การผลิตเหล็ก
สินแร่เหล็ก ต้นกำเนิดของเหล็ก ก็คือ แร่เหล็ก ส่วนมากอยู่ในสภาพของออกไซด์ และที่นำมาถลุงได้แก่
1. เฮมาไตต์ (Hematite) มีชื่อทางเคมีว่า เหล็กออกไซด์ (Fe2O3) เป็นแร่สีแดง มีเหล็กผสมอยู่ประมาณ 52 % พบมากใน เยอรมัน อังกฤษ แคนาดาและสเปน
2. แมกนิไตต์ (Magnetite) มีชื่อทางเคมีว่า เฟอโรโซเฟอริคออกไซด์ (Fe3O4) เป็นแร่สีดำ มีเหล็กผสมอยู่ ประมาณ 72 %พบมากในรัสเซีย อเมริกา เยอรมัน และสวีเดน
3. ซิเดอไรท์ (Siderite) มีชื่อทางเคมีว่า เหล็กคาร์บอเนต(Fe CO3) เป็นแร่สีน้ำตาล มีเหล็กผสมอยู่ ประมาณ 45 %พบมากในเยอรมันและอังกฤษ
4. ลิโมไนท์ (Limonite) มีชื่อทางเคมีว่า เหล็กออกไซด์ และน้ำ (Fe2O3 -3 H2 O) เป็นแร่สีน้ำตาล มีเหล็กผสมอยู่ ประมาณ 20-45 % พบมากในเยอรมัน อเมริกา และอังกฤษ แร่ชนิดนี้ บางครั้งเรียกว่า บราวน์ เฮมาไตต์ (Brown Hematite)
5. เหล็กไพไรท์ (Iron Pyrite) มีชื่อทางเคมีว่า Fe S2 มีเหล็กผสมอยู่ ประมาณ 43-45 % พบโดยทั่วไป
การผลิตเหล็กดิบ วัตถุดิบที่สำคัญสำหรับการผลิตเหล็กทั้งหลายก็คือ เหล็กดิบ(Pig Iron) เหล็กดิบผลิตขึ้นจากเตาสูง (Blast Furnace) โดยการหล่อหลอมแร่เหล็ก กับถ่านหินและหินปูน คุณภาพของเหล็กดิบที่ได้ขึ้นอยู่กับชนิดของสินแร่ที่นำมาใช้หล่อหลอม
โดยปกติเหล็กดิบที่ผลิตได้จะมีธาตุอื่น ๆ ปนอยู่โดยประมาณ ดังนี้
คาร์บอน 3-4 %
ซิลิกอน 1-3 %
กำมะถัน 0.05-0.1 %
ฟอสฟอรัส 0.1-1 %
แมงกานีส 1 %
เตาสูง
เตาสูง เตาสูง (Blast Furnace) จากรูปเป็นเตาที่ใช้ผลิตเหล็กดิบ มีรูปร่างสูง ผนังเตาทำด้วยอิฐทนไฟ ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางโต 25ฟุต หรือมากกว่า มีความสูงมากกว่า 200 ฟุต ขึ้นไป สามารถผลิต
เหล็กดิบได้วันละ 800-1700 ตัน บรรทุกแร่เหล็ก ถ่านหินและหินปูน จากโรงเก็บวัตถุดิบไปที่ด้านบนของปากเตา ในการผลิตเหล็กดิบ 1000 ตัน จะต้องใช้แร่ ประมาณ 2000 ตัน ถ่านหินชนิดบิทูมัส (Bituminous)
800 ตัน หินปูน 500 ตันและลมร้อน 4000 ตัน รอบ ๆ ข้างเตาจะมีท่อลมต่อเข้าไปภายในเตาเพื่อส่งอากาศ
ร้อนจากเตาลมร้อนเข้าไปสู่ภายในเตา อากาศที่ผ่านเข้ารูลมร้อนนี้ มีขนาดกำลังดันประมาณ 15 ปอนด์/ตารางนิ้ว อุณหภูมิ 1000ถึง 1800 ฟาเรนไฮน์ ลมร้อนที่ส่งเข้าไปภายในเตา จะช่วยให้อุณหภูมิภายในเตาสูงขึ้น 3000 ฟาเรนไฮน์ ซึ่งร้อนเพียงพอที่จะทำให้สินแร่หลอมละลายได้
วิธีการถลุง
นำเอาสินแร่เหล็ก ถ่านโค๊กและหินปูน บรรจุเข้าที่ปากเตาด้านบนด้วยรถลากวัตถุดิบ ในการบรรจุแต่ละครั้งมีสัดส่วนดังนี้
สินแร่ 2/3
ถ่านโค้ก 1/4
หินปูน 1/12
เมื่อเกิดการเผาไหม้ขึ้นระหว่างถ่านหินกับลมร้อน จะเกิดก๊าซคาร์บอนมอนออกไซด์ (CO) ขึ้น อุณหภูมิภายในเตาจะเพิ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ จนถึงประมาณ 3000 ฟาเรนไฮน์ซึ่งร้อนเพียงพอจะทำให้สินแร่เหล็กหลอมละลายได้ ทุกๆ 5 หรือ 6 ชั่วโมงจะแทงรูเทน้ำโลหะ ซึ่งอยู่ที่ข้างเตาด้านล่าง ให้น้ำเหล็กไหล ออก ในแต่ละครั้งจะได้น้ำเหล็ก ประมาณ 150-300 ตัน และจะได้สแลก (Slag- สิ่งสกปรกที่รวมตัวกับหินปูนลอยอยู่ด้านบน ของน้ำเหล็ก) ไหลออกที่รู เหนือรูเททางด้านขวามือเหล็กดิบ จะมีความแข็งและเปราะ ดังนั้นมันจึงมีความแข็งแรง ความเหนียวไม่มากนัก และทนต่อแรงกระแทกได้น้อย ส่วนใหญ่เหล็กดิบจะถูกขายให้กับโรงหล่อ เพื่อนำไปหล่อเป็นเหล็กชนิดต่าง ๆ ต่อไป
กรรมวิธีการผลิตเหล็กกล้า
วิธีที่ใช้ผลิตเหล็กกล้า แบ่งออกตามชนิดของเตา ดังนี้
1. กรรมวิธีเอสิดเบสเซมเมอร์ (Acid Bessemmer Process)
2. กรรมวิธีเป่าออกซิเจนโดยตรง หรือ LD (Direct Oxygen Process or LD)
3. กรรมวิธีหลอมในเตากระทะ (Open Heart Furnace Process)
4. กรรมวิธีหลอมในเตาไฟฟ้า (Electrical Arc Furnace Process
กรรมวิธีเอสิดเบสเซมเมอร์
1.กรรมวิธีเอสิดเบสเซมเมอร์ (Acid Bessemmer Process)ใช้น้ำเหล็กร้อนใส่เข้าไปในเตา หลังจากนั้นจะทำการอัดลมเข้าเตาที่ความดันประมาณ 150-200 kPa (ปริมาตร 700-1,000 m3/min) เข้าไปทางด้านใต้เตา โดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงในเตาขณะเป่าลมเข้าไปในเตาจะเกิด Oxydation อย่างรุนแรงโดยออกซิเจนจะทำปฏิกริยากับ Si Mn เกิดเป็นตะกรัน (Slag) ลอยบนผิวน้ำเหล็กและทำปฏิกริยากับคาร์บอนได้ ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์
กรรมวิธีเป่าออกซิเจนโดยตรง (LD)
1. กรรมวิธีเป่าออกซิเจนโดยตรง (Direct Oxygen Process or LD) เป็นกรรมวิธีที่แก้ไขจากระบบ เอสิดเบสเซมเมอร์ และใช้ผนังเตาแบบด่าง มีท่อพ่น O2 ที่ทำจากบรอนซ์ปลายอยู่ใกล้น้ำเหล็ก
เนื่องจากอากาศที่เป่าเข้าเตานอกจากมี O2 แล้วยังมี ไนโตรเจน N ด้วย จึงทำให้ N ไปรวมกับเหล็ก เป็นเหล็กไนไตรต์ ซึ่งทำให้เหล็กมีคุณสมบัติ แข็งเปราะซึ่งจะทำการอัดลมเข้าเตาที่ความดันประมาณ 956-1,100 kPa (ปริมาตร 23,600-28,300 m3/min) ซึ่ง O2 จะต้องบริสุทธิ์ถึง 65-80%หลังจากO2ทำปฏิกริยาแล้วจะเติมฟลักซ์ (หินปูน)ลงไป
กรรมวิธีหลอมในเตากระทะ
1. กรรมวิธีหลอมในเตากระทะ (Open Heart Furnace Process) เป็นเตาที่นิยมใช้กันมากชนิดหนึ่ง แต่ต้องใช้เชื้อเพลิงในการหลอมโดยใช้ แก๊ส หรือน้ำมัน พ่นเป็นฝอยเข้าไปสันดาปกับอากาศภายในเตา เตามีลักษณะเป็นแอ่งคล้ายกระทะ นิยมใช้ผนังชนิดด่าง เพื่อใช้กำจัดธาตุต่างๆ เช่น S P Si Mn และ C มีหลังคาปิดเตา ก้นเตามีรูเจาะสำหรับปล่อยน้ำเหล็กออก ด้านข้างมีช่องเติมวัตถุดิบด้านซ้าย-ขวามีห้องอีกข้างละ 2 ห้อง เป็นห้องสำหรับ อุ่นอากาศ และ อุ่นเชื้อเพลิงความร้อนที่ใช้มาจาก ก๊าซร้อน (Hot Gas หรือ Producer Gas) ขั้นตอนการทำงานจะเริ่มจากการเติมวัตถุดิบ เช่น เศษเหล็ก หรือน้ำเหล็กเข้าไปยังภายในเตา แล้วปล่อยให้หลอมละลาย หลังจากหลอมละลายจะเติมฟลักซ์ แล้วปล่อยทิ้งไว้ 18-20 ชม.
เมื่อปฏิกริยาสิ้นสุดจะยังเหลือ O2 อยู่ จึงต้องเติมสารเช่น เฟอร์โรแมงกานีส, เฟอร์โรซิลิคอน หรือซิลิคอนผสมแมงกานีส ลงไปเพื่อรวบรวม O2 ให้เกิดเป็นตะกรัน (Slag) ลอยหน้าอยู่บนน้ำเหล็ก
หลังจากนั้นอาจเติมธาตุต่างๆ เพื่อที่จะทำเหล็กกล้าผสมต่อไปก็สามารถทำได้
กรรมวิธีหลอมในเตาไฟฟ้า
1. กรรมวิธีหลอมในเตาไฟฟ้า (Electric Arc Furnace Process) เป็นกรรมวิธีที่นิยมใช้กันมากที่สุดในปัจจุบัน โดยปกติจะใช้การเติมวัตถุดิบที่เป็นเศษเหล็กกล้า มากกว่าการเติมด้วยน้ำเหล็ก แต่เศษเหล็กที่จะใช้เติมนั้นจะต้องมี S และ P น้อยเตาไฟฟ้าให้ความร้อนได้สูง สามารถผลิตเหล็กที่มีคุณภาพดี เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม เหล็กเครื่องมือ เป็นต้น
ชนิดของเตาไฟฟ้า
เตาไฟฟ้าที่ใช้ผลิตเหล็กกล้า แบ่งออกเป็น 3 ชนิด ได้แก่
1. เตาชนิดอาร์กตรง (Direct Arc Furnace)
2. เตาชนิดอาร์กโดยทางอ้อมตรง (Indirect Arc Furnace)
3. เตาชนิดเหนี่ยวนำ (Induction Furnace)
การผลิตเหล็กหล่อ
เหล็กหล่อ (Cast Iron) เกิดจากการนำเอาเหล็กดิบ (Pig Iron) หรือเหล็กดิบผสมกับเศษเหล็กหล่อหรือเศษเหล็กกล้า ไปเผารวมกับถ่านโค้กและหินปูน ในเตาคูโปลา (Cupora) ที่อุณหภูมิ 1150 -1250 องศาเซลเซียส ที่จุดนี้เหล็กดิบจะเกิดการหลอมละลาย น้ำเหล็กหล่อมีความเหลวมาก ดังนั้นจึงสามารถผลิตชิ้นงานเหล็กหล่อ ให้มีรูปร่างตามที่ต้องการได้ โดยนำไปเทลง ในแบบทรายหรือแบบโลหะ
เหล็กหล่อจะมีธาตุที่เป็นองค์ประกอบหลักอยู่ 5 ชนิดนอกจากเหล็กแล้วยังมี
คาร์บอน 2.5 - 4.0 %
ซิลิกอน 1.0 - 3.0 %
แมงกานีส 0.4 - 1.0 %
กำมะถัน 0.1 - 0.35 %
ฟอสฟอรัส 0.05 - 1.0 %
จะเห็นได้ว่าเหล็กหล่อมีปริมาณคาร์บอนสูงมาก ดังนั้นเหล็กหล่อจึงเป็นวัสดุที่แข็งแรงและเปราะ สามารถรับแรงดึงได้ต่ำ แตกหักง่ายเมื่อรับแรงอัดกระแทก คาร์บอนที่ผสมอยู่ในเหล็กหล่อ จะมีอยู่ 2 ลักษณะ คือ 1. อยู่ในรูปของสารประกอบคาร์บอน
2. อยู่ในรูปของคาร์บอนอิสระ หรือเรียกว่า กราไฟต์
เตาคูโปลา (COPOLA)
เตาคูโปลาเป็นเตาที่ใช้หลอมละลายเหล็กดิบ และเศษโลหะ เพื่อทำเป็นเหล็กหล่อชนิดต่าง ๆ เช่นเหล็กหล่อสีเทาเหล็กหล่อมัลลิเอเบิ้ล เตาชนิดนี้มีรูปร่างและลักษณะการทำงานคล้ายกับเตาสูง (Blast Furnace) แต่มีขนาดเล็กกว่า ขนาดโดยทั่ว ๆ ไปจะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางด้านนอกประมาณ4 ฟุต ถึง 7 ฟุต และสูง 30 ฟุตถึง 40 ฟุต
วิธีการหล่อหลอมเหล็กหล่อ
นำเหล็กดิบ เศษเหล็กเหนียว ถ่านโค้กและฟลักซ์ (โดยทั่วไปใช้หินปูน) ใส่ลงไปภายในเตาสลับกันเป็นชั้น ๆ โดยที่ส่วนล่างสุดจะต้องรองก้นเตาด้วย ถ่านโค้กเสียก่อน ถ่านโค้กที่รองก้นเตา เรียกว่า Bed Coke โดยทั่ว ๆไป ถ่านโค้กรองก้นเตาจะมีความสูงประมาณ 36-54 นิ้ว ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับเส้นผ่าศูนย์กลางภายในของเตา ถ่านโค้กรองก้นเตานี้ ถ้ามีระดับสูงหรือต่ำเกินไป จะมีผล ดังนี้
1. ถ้า Bed Coke มีระดับต่ำเกินไป จะมีผลให้เหล็กหลอมละลายเร็วกว่าช่วงเวลาที่กำหนดและมีอุณหภูมิต่ำ
2. ถ้า Bed Coke สูงเกินไป ระยะการหลอมละลายจะยืดออกไปชั้นหรือระดับของถ่านโค้ก ซึ่งขั้นอยู่แต่ละชั้นของเหล็กเพื่อช่วยในการหลอมละลายเรียกว่า ชาร์จ โค้ก (Charge Coke)
ชาร์จ โค้ก มีความสูงอยู่ระหว่าง 6-9 นิ้วเหล็กดิบ เศษเหล็กหล่อและเศษเหล็กเหนียวที่ใส่ลงในเตา
แต่ละชิ้นจะเป็นสัดส่วนกับถ่านโค้กที่ใส่ลงไปแต่ละชนิดด้วย โดยทั่ว ๆไป จะใช้อัตราส่วน 5:1 ถึง 8:1 โดยน้ำหนัก เช่น ถ้าใส่เหล็กดิบ 5 กก. จะต้องใส่ถ่านโค้ก 1 กก.
ฟลักซ์
ฟลักซ์ เป็นวัสดุที่มีจุดหลอมละลายต่ำ ใช้ทำความสะอาดน้ำเหล็ก ทำหน้าที่ผสมกับถ่านโค้กและออกไซด์ของเหล็ก ออกมาในรูปของสแลก (Slag- สิ่งสกปรกที่ลอยอยู่เหนือน้ำเหล็ก)ฟลักซ์ที่ใช้ได้แก่ หินปูน, โซดาไฟ, ฟลูออกไรท์ โดยปกติสแลกที่เกิดขึ้นจะมีสีเขียวดำเมื่อบรรจุวัตถุดิบจนเต็มเตาแล้ว จึงให้ความร้อน ถ่านโค้กส่วนล่างสุด จะเกิดการเผาไหม้ ในขณะเผาไหม้ก็จะผ่านลมร้อนเข้าไปภายในเตา เพื่อช่วยให้อุณหภูมิภายในเตาสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว อุณหภูมิช่วงนี้จะอยู่ระหว่าง 1000-1300 องศาเซลเซียส
ซึ่งร้อนเพียงพอ ที่จะหลอมละลายเหล็กดิบและเศษเหล็กได้หลักจากเหล็กดิบในชั้นแรกหลอมละลายจนหมด ก็จะแทงรูเทให้น้ำเหล็กไหลออกเพื่อนำไปเทลงในแบบ ให้มีรูปร่างต่างๆ ที่ต้องการต่อไป
ขอบคุณข้อมูลเพื่อการศึกษา
อาจารย์ณัฐธิดา ศรีราชยา
การศึกษา
ปริญญาตรี(BS) ภาควิชาวัสดุศาสตร์ สาขาวิทยาศาสตร์พอลิเมอร์และสิ่งทอ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
ปริญญาโท (MS)Polymer Science The Pretroleum and Petrochemical College Chulalongkorn University
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น