กรรมวิธีการผลิตเหล็กกล้า

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



ถ่านโค๊ก

2. หินปูน (limestone) หรือแคลเซียมคาร์บอเนต(CaCo3)ทำหน้าที่แยกธาตุสารเจือปนในสินแร่เหล็กออกมาเป็นขี้ตระกรัน(slag) จะลอยตัวอยู่เหนือผิวน้ำเหล็กดิบ และเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาลดออกซิเจนในเตาถลุงให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น



หินปูน

สินแร่ (ores)ได้มาจากเหมืองแร่แหล่งต่างๆ ก่อนทำการถลุงควรจะขจัดหรือแยกสารเจือปนออกเสียก่อนเพื่อจะทำให้ได้สินแร่เหล็กที่มีคุณภาพดี เราสามารถแบ่งสินแร่เหล็กออกได้เป็น คือ

1. แมกนีไทต์ (magnetite) เป็นแร่แม่เหล็กมีสูตรว่า (Fe3O4) หรือบางครั้งเรียกว่าเหล็กออกไซต์ มีลักษณะเป็นก้อนสีน้ำตาลเข้มถึงสีดำ ถ้านำไปเข้าเครื่องบดบดให้ละเอียดจะมีเนื้อสีดำ มันวาว มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กเลยเรียกว่าแร่แม่เหล็ก มีเนื้อเหล็กอยู่มากถึง 75% มีแมกนีเซียมและแมงกานีสปะปนอยู่บ้าง พบมากที่สุดในประเทศสวีเดน ต่อมาสวีเดนจึงได้ชื่อว่ามีแร่เหล็กที่คุณภาพมากที่สุด



แมกนีไทต์ (magnetite)

        2.เรดฮีมาไทต์(red hematite)มีสูตรคือ Fe2O3 หรือเรียกว่าเหล็กออกไซต์ มีลักษณะเป็นสีแดงหรือน้ำตาลเข้ม เมื่อบดจะมีสีแดงมันวาว มีเนื้อเหล็กประมาณ 70 % มีไทเทเนียมผสมบ้างเล็กน้อย พบมากในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ อังกฤษ ในทะเลสาบสุพีเรียของอเมริกา

เรดฮีมาไทต์(red hematite)

        3.บราวน์ฮีมาไทต์(brows hematite) มีสูตรคือ Fe2O3 + n(H2O) หรือเรียกว่าลิโมไนต์ มีลักษณะเป็นสีน้ำตาลหรือสีเหลืองเข้ม มีสินแร่ประมาณ 50-67 % พบมากในประเทศเยอรมัน สหรัฐอเมริกา

บราวน์ฮีมาไทต์(brows hematite)

        4.ซิเดอไรต์ (siderite) มีสูตรคือ FeCO3 หรือเรียกว่าเหล็กคาร์บอเนต มีลักษณะเป็นก้อนสีน้ำตาลเข้ม มีสินเหล็กค่อนข้างน้อยประมาณ 48-60 % และมีคาร์บอเนตผสมอยู่ประมาณ 38% พบมากในประเทศอังกฤษ สหรัฐอเมริกา

ซิเดอไรต์ (siderite)

        5.เหล็กไพไรต์ (iron pyrite) มีสูตรว่า FeS2 มีกำมะถันปนอยู่มากทำให้เหล็กมีคุณสมบัติเปราะและมีสินแร่อยู่น้อยมาก ประมาณ 46% กำมะถัน 53% และยังมีโคบอลต์และนิกเกิลผสมอยู่บ้างเล็กน้อย พบมากในประเทศสเปน สหรัฐอเมริกาและไทย

เหล็กไพไรต์ (iron pyrite)

การถลุงเหล็ก

ขั้นตอนในการเตรียมสินแร่เหล็กก่อนทำการถลุงในเตาสูง

1. เตรียมสินแร่เหล็ก
2. ล้างหิน ดิน กรวด ทราย
3. บดให้เป็นผง
4. ใช้แม่เหล็กดูดสินแร่เหล็ก
5. ผสมหินปูน ถ่านโค้ก
6. อบไล่ความชื้น
7. อัดทำเป็นก้อนกลมขนาด10-15 มิลลิเมตร
8. เข้าถลุงในเตาสูง 

      จากสินแร่เหล็กที่ได้นำมาถลุงให้เป็นเหล็กดิบด้วยเตาสูง การถลุงเหล็กดิบจากแร่เหล็กโดยตรงจะกระทำได้เฉพาะแร่เหล็กที่มีคุณภาพ กล่าวคือ แร่ที่มีปริมาณเหล็กสูงและมีสารเจือปนต่ำ แต่ในปัจจุบันนี้ปริมาณแร่ที่มีคุณภาพสูงนับวันจะหายากและค่อยๆหมดไป ดังนั้น การถลุงเหล็กที่มีคุณภาพต่ำจึงสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมาก และปริมาณของตระกรันหรือสารประกอบที่เกิดจากการรวมตัวของสารเจือปนรวมกับออกซิเจนจำนวนมากทำให้เกิดปัญหาในการแยกหรือนำออกทิ้ง ดังนั้น จึงจำเป็นต้องหาวิธีกำจัดสิ่งที่ไม่ต้องการที่ติดมากับแร่เหล็กขั้นแรกก่อนเพื่อทำให้มีปริมาณแร่เหล็กสูงขึ้น เรียกกรรมวิธีนี้ว่าการเพิ่มปริมาณเหล็กในแร่เหล็ก(concentration) การเพิ่มปริมาณเหล็กในแร่เหล็ก เริ่มโดยการเอาแร่เหล่านี้มาทำใหแตกเป็นก้อนเล็กๆด้วยเครื่องบดที่เรียกว่า จอว์ครัชเชอร์ (jaw crusher) ชุดบกเรียกว่า บอลมิลล์(ball mill) ชุดบอลมิลล์มีลักษณะเป็นรูปทรงกระบอกหมุนรอบแกนได้ ภายในบรรจุด้วยลูกบอลเหล็กขนาดต่างๆเมื่อใส่แร่เหล็กลงไป บอลมิลล์จะทำหน้าที่หมุนรอบแกนทำให้ลูกบอลเหล็กไปกระทบแร่เหล็กทำให้แตกออกเป็นผงเล็กๆนำออกไปผ่านตระแกรงแยกเอาผงเหล็กที่มีขนาดโตออกไปเข้าเครื่องบดใหม่ ส่วนผงเหล็กละเอียดที่ได้ขนาดนำไปผ่านเครื่องแยกอีกครั้ง เครื่องนี้เรียกว่า แมกเนติก เซเปอเรเตอร์(magnatic separater) โดยอาศัยหลักการคุณสมบัติของแม่เหล็กดูดติดผงเหล็ก และให้แร่เหล็กที่บดแล้วเคลื่อนผ่านแม่เหล็กผงเหล็กจะดูดติด ส่วนที่ไม่ใช่เหล็กก็จะเคลื่อนที่ออกไปต่างหาก จากกรรมวิธีนี้จะได้ผงแม่เหล็กที่มีปริมาณสูงถึง 70% ซึ่งเหมาะที่จะนำไปถลุงในเตาสูง แต่การที่จะนำเอาแร่เหล็กที่มีลักษณะเป็นผงไปบรรจุในเตาถลุงจะกระทำได้ยาก เพราะว่าเหล็กที่ได้อาจจะถูกลมที่พ่นเข้ามาเผาไหม้เชื้อเพลิงเป่าหายไป ดังนั้นจึงจำเป็นที่จะต้องเอาผงเหล็กที่ได้ไปทำเป็นก้อนเสียก่อน โดยผสมกับตัวประสานแล้วอัดเป็นก้อน เรียกวิธีนี้ว่า บริเคตติ้ง (briquetting) หรือนำเอาไปเผาให้แร่เหล็กหลอมละลายบางส่วนเพื่อให้จับรวมตัวกันเป็นก้อนเรียกว่า ซินเตอริ่ง(sintering) ซึ่งนิยมทำกันมากกว่ากรรมวิธีแรก กรรมวิธีซินเตอริ่งทำโดยให้ผงเหล็กที่ผ่านการบดมาผสมกับเชื้อเพลิงที่เป็นผงละเอียดประมาณ 4-6 เปอร์เซ็นต์ และเติมผงเหล็กออกไซต์ที่ได้จากการรีดเหล็กมิลล์สเกล(mill scale)ประมาณ25-30 เปอร์เซ็นต์ จะเกิดออกไซต์เป็นแผ่นบางๆปกติเราจะเอาออกทิ้งแต่วิธีนี้จะนำมาผสมกับแร่เหล็ก หลังจากที่ผสมแร่เหล็กกับถ่านโค้ก และผงมิลล์สเกลแล้ว จึงนำไปเผาที่อุณหภูมิประมาณ 750-850 องศาเซลเซียส ซึ่งทำให้ถ่านโค้กเดผาไหม้ช่วยเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นอีกจนประมาณ 1300 องศาเซลเซียส ในขณะที่เผาปรากฎว่าแร่เหล็กรวมตัวกับหินหรือทราบปนมากับแร่เหล็ก และรวมตัวกับคาร์บอมอนอกไซต์ที่เกิดจากการเผาไหม้ของถ่านโค้ก ได้สารประกอบร่วมกันระหว่างเหล็กกับซิลิกอนไดออกไซต์ซึ่งเรียกเหล็กนี้ว่า เหล็กซิลิเกต หรือ ฟายาไลต์ (fayalite) มีสูตรคือ 2FeOSiO₂ ปกติฟายาไลต์จะมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่า 1200 องศาเซลเซียส ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นตัวประสานให้กับผงเหล็กในขณะหลอมเหลวบางส่วน เมื่อทิ้งให้เย็นจะทำให้ผงเหล็กจับตัวกันเป็นก้อนแข็งเรียกว่าซินเตอริ่งโปรดักต์(sintering product)ซึ่งเหมาะที่จะนำไปถลุงในเตาสูง ในการทำซินเตอริ่งมีผลดีอย่างหนึ่งคือ การกำจัดกำมะถันในเหล็กดังปฎิกิริยา 3FeS+5O₂ --------> Fe₃O₄+3SO₂ และโดยทั่วไปการทำซินเตอริ่งจะผสมพวกฟลักซ์ ได้แก่พวกหินปูนรวมเข้าไปด้วยเพื่อจะได้ลดปริมาณของฟลักซ์ที่ใช้ในเตาสูงได้น้อยและเพิ่มประสิทธิภาพให้ฟลักซ์มากด้วยจากแร่เหล็กที่ผ่านกรรมวิธีซินเตอริ่งแลัวนำไปใส่เตาสูง