เตาที่ใช้ผลิตเหล็กกล้ามีอะไรบ้าง

ขั้นตอนการผลิตเหล็กกล้า เริ่มจากกระบวนการนำแร่เหล็ก (Iron ore) ที่ขุดได้จากเหมือง มาผ่านกระบวนการหลอมในเตาถลุงเหล็ก (Blast furnace) เพื่อให้ได้เหล็กแท่งที่เรียกว่า เหล็กดิบ หรือเหล็กพิก (Pig iron) ก่อนนำไปหลอมและขี้นรูปตามมาตรฐานรูปร่างและขนาดที่ต้องการ

กรรมวิธีการผลิตเหล็กกล้า (การผลิตเหล็กดิบ สินแร่เหล็ก)

        ยุคแห่งการผลิตเหล็กกล้าเริ่มขึ้นอย่างจริงจังเมื่อต้นศตวรรษที่ 19 โดยชาวอังกฤษชื่อเฮนรี่ เบสเซเมอร์(Henry Bessemer) ได้ค้นพบวิธีการถลุงเหล็กกล้าโดยอาศัยการเป่าอากาศเข้าไปในเตาทำให้เกิดปฏิกิริยาการรวมตัวกับออกซิเจนกับสารเจือปน(impurity) สามารถผลิตและหลอมเหล็กได้เหล็กกล้าในเวลารวดเร็ว ประหยัดจึงทำให้อังกฤษการเป็นประเทศชั้นนำในการผลิตเหล็กและเป็นผู้นำในการผลิตเหล็กชนิดต่างๆโดยเฉพาะกรรมวิธีการผลิตเหล็กแบบเบสเซเมอร์ การผลิตดังกล่าวนี้เป็นการเริ่มต้นและเพื่อนำแนวทางสู่การผลิตด้วยวิธีใหม่ๆให้รวดเร็วและทันสมัยได้ถูกวิวัฒนาการมาเรื่อยๆจนในปัจจุบันได้ใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์แทนอากาศธรรมดา
เตาถลุงเหล็กที่ใช้ในปัจจุบันที่นิยมใช้ 7 แบบ คือ
1. เตาสูง ( blast furnace)
2. เตาเบสเซเมอร์ (Bessemer furnace)
3. เตากระทะ (open hearth furnace)
4. เตาแอลดี (L.D. process)
5. เตาคาลโด (kaldo process)
6. เตาไฟฟ้า (electric arc furnace)
7. เตาความถี่สูง (high frequency furnace)

    การผลิตเหล็กดิบ สินแร่เหล็ก
        บริเวณพื้นโลกของเรามีสินแร่อยู่เป็นจำนวนมากมายและอยู่ในลักษณะสารผสม เช่น ดิน หิน ทราย และสินแร่เหล็กผสมกันอยู่ สินแร่เหล็กที่อยู่ในรูปโดดเดี่ยวนั้นไม่มีเลย เพราะแะนั้นการที่จะได้แร่เหล็กบริสุทธิ์นั้นต้องมีขั้นตอนในการผลิตแล้วนำมาผสมกับเนื้อเหล็กผสมอีกครั้งหนึ่งเพื่อปรับปรุงคุณภาพของเหล็กที่จะนำมาใช้งานได้ดียิ่งขึ้น ทำให้เหล็กที่ได้สามารถทนแรงเค้น แรงดึง แรงกด และแรงเฉือนได้ดี ตลอดจนมีความแข็งเพิ่มขึ้น
วัตถุดิบที่ใช้ในการถลุงเหล็กเพื่อให้ได้เหล็กดิบ ประกอบด้วย
1. ถ่านโค้ก (coke) เป็นเช้อเพลิงสำคัญที่ให้ความร้อนต่อการถลุงในเตาถลุง ซึ่งเป็นสารสังเคราะห์ได้จากกระบวนการโดยการนำถ่านหินมาบรรจุในกล่องเหล็กเพื่อไม่ให้อากาศเข้าได้แล้วนำมาให้ความร้อนจนถ่านภายในร้อนแดง สารไฮโดรคาร์บอนท่อยู่ภายในถ่านหินก็จะระเหยกลายเป็นก๊าซ หลังจากนั้นเทถ่านหินที่ร้อนแดงลงในน้ำก็จะได้ถ่านโค้กซึ่งมีลักษณะเป็นรูพรุนและให้ค่าความร้อนสูง ก๊าซที่ได้จากการเผาถ่านก็นำมาใช้ประโยชน์ทางด้านอุตสาหกรรมเคมีได้ เช่น ทำยา ทำสีย้อมผ้า เป็นต้น สำหรับถ่านโค้กที่เหมาะสำหรับในการถลุงควรมีกำมะถันน้อยที่สุด เพราะเมื่อกำมะถันเข้าไปรวมตัวกับเหล็กดิบจะทำให้มีความเปราะ
2. หินปูน (limestone) หรือแคลเซียมคาร์บอเนต(CaCo3)ทำหน้าที่แยกธาตุสารเจือปนในสินแร่เหล็กออกมาเป็นขี้ตระกรัน(slag) จะลอยตัวอยู่เหนือผิวน้ำเหล็กดิบ และเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาลดออกซิเจนในเตาถลุงให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น
3. สินแร่ (ores)ได้มาจากเหมืองแร่แหล่งต่างๆ ก่อนทำการถลุงควรจะขจัดหรือแยกสารเจือปนออกเสียก่อนเพื่อจะทำให้ได้สินแร่เหล็กที่มีคุณภาพดี เราสามารถแบ่งสินแร่เหล็กออกได้เป็น คือ
4. แมกนีไทต์ (magnetite) เป็นแร่แม่เหล็กมีสูตรว่า (Fe3O4) หรือบางครั้งเรียกว่าเหล็กออกไซต์ มีลักษณะเป็นก้อนสีน้ำตาลเข้มถึงสีดำ ถ้านำไปเข้าเครื่องบดบดให้ละเอียดจะมีเนื้อสีดำ มันวาว มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กเลยเรียกว่าแร่แม่เหล็ก มีเนื้อเหล็กอยู่มากถึง 75% มีแมกนีเซียมและแมงกานีสปะปนอยู่บ้าง พบมากที่สุดในประเทศสวีเดน ต่อมาสวีเดนจึงได้ชื่อว่ามีแร่เหล็กที่คุณภาพมากที่สุด
5. เรดฮีมาไทต์(red hematite)มีสูตรคือ Fe2O3 หรือเรียกว่าเหล็กออกไซต์ มีลักษณะเป็นสีแดงหรือน้ำตาลเข้ม เมื่อบดจะมีสีแดงมันวาว มีเนื้อเหล็กประมาณ 70 % มีไทเทเนียมผสมบ้างเล็กน้อย พบมากในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ อังกฤษ ในทะเลสาบสุพีเรียของอเมริกา
6. บราวน์ฮีมาไทต์(brows hematite) มีสูตรคือ Fe2O3 + n(H2O) หรือเรียกว่าลิโมไนต์ มีลักษณะเป็นสีน้ำตาลหรือสีเหลืองเข้ม มีสินแร่ประมาณ 50-67 % พบมากในประเทศเยอรมัน สหรัฐอเมริกา
7. ซิเดอไรต์ (siderite) มีสูตรคือ FeCO3 หรือเรียกว่าเหล็กคาร์บอเนต มีลักษณะเป็นก้อนสีน้ำตาลเข้ม มีสินเหล็กค่อนข้างน้อยประมาณ 48-60 % และมีคาร์บอเนตผสมอยู่ประมาณ 38% พบมากในประเทศอังกฤษ สหรัฐอเมริกา
8.  เหล็กไพไรต์ (iron pyrite) มีสูตรว่า FeS2 มีกำมะถันปนอยู่มากทำให้เหล็กมีคุณสมบัติเปราะและมีสินแร่อยู่น้อยมาก ประมาณ 46% กำมะถัน 53% และยังมีโคบอลต์และนิกเกิลผสมอยู่บ้างเล็กน้อย พบมากในประเทศสเปน สหรัฐอเมริกาและไทย

ขอบคุณที่มา:  ELEC CHANDRAKASEM

Picture : //submahatrading.com/news/topic-77821.html

1. การนำเหล็กกล้ามาหลอมใหม่ (Return Product)การนำเศษเหล็ก ชิ้นงานเครื่องจักรกลต่างๆ ที่ผลิตขึ้นจากเหล็กกล้าที่ชำรุดหรือหมดสภาพการใช้งานแล้วนำกลับมาหลอมละลายใหม่ ซึ่งการผลิตเหล็กกล้าด้วยวิธีการนี้สามารถทำได้หลายวิธีการ เช่น

2.1 การผลิตเหล็กกล้าแบบโอเพนฮาร์ท (Openheart Procer)
การผลิตเหล็กแบบโอเพนฮาร์ท หรือเรียกว่าการผลิตเหล็กแบบเตากระทะพัฒนาขึ้นโดยซีเมนต์ (Siemens)และมาร์ติน (Martin)ประมาณ ค.ศ. 1860 เตาจะมีลักษณะเหมือนกระทะ เหนือขอบเตาจะมีท่อแก๊สเชื้อเพลิงและท่ออากาศร้อนทั้ง 2 ข้าง ข้าง ละ 2 ท่อ เชื้อเพลิงที่ให้ความร้อนในการหลอมละลายคือ Producer Gas เมื่อเริ่มบรรจุวัตถุดิบเข้าตาแล้ว เตาจะทำงานทีละข้าง Producer Gas เป็นก๊าซที่ได้จากการกลั่นทำลายถ่านหิน และอากาศร้อนจะพ่นออกไปรวมกันบริเวณเหนือวัตถุดิบในเตร ทำให้เกิดการเผาไหม้ขึ้น ความร้อนจะแพร่ไปในเตาเหนือวัตถุดิบ ความร้อนเหล่านี้จะผ่านออกจากเตาไปทางอีกข้างหนึ่งเข้าไปในห้องเผาอากาศ ซึ่งเป็นอิฐที่เรียงสลับกันไว้ อิฐจะดูดเอาความร้อนนั้นไว้ การทำงานจะดำเนินไปเรื่อย ๆ ห้องเผาอากาศจะค่อย ๆ มีอุณหภูมิสูงขึ้นประมาณ 1,000 องศาเซลเซียส จากนั้นก็จะสลับข้างกันเช่นนี้เรื่อย ๆ ไปใช้เวลาประมาณ 4-6 ชั่วโมง วัตถุดิบที่อยู่ภายในเตาจะหลอมละลายเหล็ก เมื่อหลอมละลายเจ้าหน้าที่จะต้องนำมาวิเคราะห์จนระดับของคาร์บอนในเนื้อเหล็กเท่ากับเหล็กกล้าแต่ละชนิด

2.2 การผลิตเหล็กกล้าด้วยเตาไฟฟ้า (Electrical Furnace Process)การผลิตเหล็กกล้าแบบนี้จะใช้เศษเหล็กกล้าที่ได้จากเครื่องจักร เครื่องกลต่าง ๆ ที่หมดสภาพการใช้งานแล้วนำมาบรรจุในเตา จากนั้นจะให้ความร้อนแก่เศษเหล็กกล้าจากประกายไฟฟ้า (Electric Arc) ซึ่งกระโดดจากแท่งคาร์บอน (electrodes)ไปยังเศษเหล็กซึ่งจะค่อย ๆ มีความร้อนเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนหลอมละลายเป็นน้ำ โลหะหินปูน (Limestone) จะรวมตัวกับสิ่งที่เจือปนต่าง ๆ ในน้ำเหล็ก เป็นขี้ตะกรัน ลอยอยุ่ข้างบนน้ำโลหะ เตาไฟฟ้าให้ความร้อนได้รวดเร็ว ทำให้ผลิตเหล็กกล้าได้เร็วกว่าการผลิตด้วยวิธีอื่น ๆ และให้อุณหภูมิสูงกว่าเตาชนิดอื่น สามารถใช้หลอมเหล็กกล้าผสมที่มีจุดหลอมเหลวสูง ๆ เช่น เหล็กกล้าผสมทังสเตน เหล็กกล้าผสมโมลิบดีนัม หรือเหล็กเหนียวหล่อ (Cast Steel) ได้ดี

2.3 การผลิตเหล็กกล้าแบบสุญญากาศ (Vacuum Furnace)การผลิตเหล็กกล้าด้วยเตาสุญญากาศ มีลักษณะการทำงานคล้ายกับการผลิตเหล็กกล้าด้วยเตาไฟฟ้า เพียงแต่เตาชนิดนี้จะปิดเตามิดชิด และในขณะทำการหลอมเหลวโลหะจะปั๊มอากาศที่อยู่ในเตาออก ภายในเตาจะมีลักษณะเป็นสุญญากาศ เหล็กจากขบวนการนี้จะไม่มีโอกาสสัมผัสกับออกซิเจน ไนโตรเจน ในอากาศเลย ทำให้เหล็กที่ได้มีโครงสร้างเม็ดเกรนละเอียดมาก การผลิตเหล็กกล้าแบบนี้เหมาะสำหรับใช้ผลิตเหล็กกล้าที่ต้องการคุณภาพสูง หรือผลิตโลหะบางชนิดที่ในขณะหลอมเหลวถ้าทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ จะทำให้เกิดความเสียหายขึ้นได้ เหล็กกล้าที่ผลิตได้จากกรรมวิธีนี้นำไปสร้างชิ้นส่วน อุปกรณ์ที่ต้องรับแรงอัดสูง ๆ หรือชิ้นงานที่ต้องใช้เหล็กที่มีความพิเศษมาก ๆ เช่น โครงสร้างเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์