ขั้นตอนการผลิดเหล็ก แปรรูป

กระบวนการผลิตเหล็ก

อุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้า ประกอบด้วยผลิตภัณฑ์ชนิดต่าง ๆ มากมาย ซึ่งสามารถแบ่งเป็นประเภทใหญ่ ๆ ตามขั้นตอนหรือกระบวนการผลิตได้ดังนี้

เหล็กขั้นต้น (Raw Steel Product) ได้จากการนำสินแร่เหล็กมาถลุง  เหล็กที่ได้จากการถลุงเรียกว่า เหล็กถลุง (Pig Iron) และเหล็กพรุน (Sponge Iron) ซึ่งใช้เป็นวัตถุดิบพื้นฐานในการผลิตเหล็ก (Steel Making)

เหล็กขั้นกลาง (Semi-Finished Steel Products) เป็นการนำเหล็กพรุน เหล็กถลุงและเศษเหล็ก (Scrap) มาหลอม ผลิตภัณฑ์เหล็กขั้นกลางที่ได้ คือ เหล็กแท่งกลม (Billet) เหล็กแท่งแบน (Slab) เหล็กแท่งใหญ่ (Bloom Beam)

เหล็กขั้นปลาย (Finish Steel Products) เป็นการนำผลิตภัณฑ์ขั้นกลางมาผ่านกระบวนการแปรรูป ทำได้ 2 ขั้นตอน คือ การแปรรูปรีดร้อนและการแปรรูปรีดเย็น ได้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

เหล็กแท่งยาว (Billet) เป็นผลิตภัณฑ์ทรงยาว เช่น เหล็กเส้น, ลวดเหล็ก เป็นต้น

เหล็กแท่งแบน (Slab) เป็นผลิตภัณฑ์ทรงแบบ เช่น เหล็กแผ่นรีดร้อนและรีดเย็น

เหล็กแท่งใหญ่ (Bloom, Beam) เป็นเหล็กโครงสร้างรูปพรรณ

 เศษเหล็ก (Scrap) ส่วนใหญ่จะเป็นผลิตภัณฑ์เหล็กหล่อขึ้นรูป

กระบวนการผลิตเหล็กและเหล็กกล้า

1. การแต่งแร่และการถลุง

การแต่งแร่ คือ การแปรสภาพสินแร่ให้ได้ขนาดและคุณสมบัติที่เหมาะสมต่อการถลุง เช่น การบดแร่ให้ละเอียดเพื่อแยกเหล็กจากมลทินแล้ว   อาจแยกโดยอาศัยความถ่วงเฉพาะที่ต่างกัน (Float) หรือใช้การแยกด้วยแม่เหล็ก (Magnetic separation) ซึ่งแร่ที่ได้จะละเอียดเกินไป ต้องทำให้เป็นก้อน (Agglomeration) ก่อนป้อนเข้าเตาถลุง

การถลุงเหล็ก คือ การแปรสภาพแร่เหล็กให้มีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้น หรือเปอร์เซ็นต์เหล็กเพิ่มขึ้น โดยการขจัดสิ่งเจือปนต่างๆ ออกจากแร่เหล็ก

2. การหลอมและการปรุงส่วนผสม

การหลอมเหล็ก คือ การให้ความร้อนแก่เหล็กถลุง (Pig iron) เหล็กพรุน หรือเศษเหล็ก ทำให้เหล็กหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 1600 °C)

สำหรับการผลิตเหล็กกล้าในขั้นตอนการหลอมนี้ จะมีการปรับปรุงส่วนผสมทางเคมีของเหล็กโดยการทำออกซิเดชั่นเพื่อลดปริมาณคาร์บอนและฟอสฟอรัส การเติมสารประกอบต่างๆ เพื่อลดปริมาณสารเจือปนและทำให้ผลิตภัณฑ์เหล็กมีคุณสมบัติตามที่ต้องการ ในขั้นตอนนี้สิ่งเจือปนซึ่งส่วนใหญ่เป็นสารประกอบออกไซด์ ซิลิเกตของธาตุต่างๆ จะแยกตัวจากน้ำโลหะ ซึ่งเราเรียกสิ่งเจือปนที่แยกออกมานี้ว่า Slag

3. การหล่อ

การหล่อเหล็ก คือ การนำเหล็กหลอมเหลวที่ได้ปรุงแต่งส่วนผสมแล้วเทลงในแบบเพื่อให้เกิดการแข็งตัวตามรูปร่างที่ต้องการ

การหล่อสามารถแบ่งได้แบ่ง 2 แบบ

1. Ingot Casting คือ การหล่อแบบที่น้ำเหล็กกล้าถูกเทลงสู่แบบหล่อที่ไม่เคลื่อนไหว (Stationary mold) เพื่อหล่อเป็นแท่งโลหะ (Ingot)

2. การหล่อแบบต่อเนื่อง (Continuous Casting) คือ การที่น้ำเหล็กหลอมเหลวได้ไหลผ่านแบบหล่อ (Mold) อย่างต่อเนื่องและแข็งตัวเป็น “ผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จ” คือ Billet, Bloom หรือ Slab ซึ่งสามารถตัดและนำไปผ่านขบวนการแปรรูปต่อไป

4. การแปรรูป

การแปรรูป คือ การแปรรูปเหล็กกล้าที่ได้หลอมเพื่อให้ได้รูปร่างและขนาดที่ต้องการ นอกจากนี้ยังเป็นการปรับปรุงคุณสมบัติเชิงของผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าอีกด้วย การแปรรูปประกอบด้วยการแปรรูปร้อนและการแปรรูปเย็น

สำหรับเหล็กแผ่นเมื่อผ่านการรีดร้อนแล้วสามารถนำไปใช้งานบางอย่างได้โดยตรง แต่สำหรับเหล็กแผ่นบางจะถูกลดขนาดด้วยการรีดเย็นต่อ เพื่อให้ได้ความหนาตามที่ต้องการและด้วยเหตุผลอื่น ๆ ดังนี้

1.      เพื่อปรับปรุงคุณภาพผิว

2.      เพื่อให้ได้คุณสมบัติเชิงกลที่ต้องการ

3.      เพื่อให้ได้ความหนาที่ต่ำกว่าเหล็กแผ่นรีดร้อน

4.      เพื่อควบคุมให้ความคลาดเคลื่อนของความหนาต่ำ

เนื่องจากการรีดร้อนจะประหยัดกว่าการรีดเย็น   ดังนั้นในการผลิตเหล็กแผ่นบางจึงเริ่มจากการรีดร้อนให้ได้ขนาดค่าหนึ่งก่อน จากนั้นจึงทำการรีดเย็นต่อ

 ขอขอบคุณข้อมูลจาก http://metalth.wordpress.com 25/8/56

การผลิตเหล็กกล้า

จากเหล็กถลุงสามารถนำไปผลิตเป็นเหล็กชนิดอื่นๆ ได้ เช่น เหล็กกล้า เหล็กกล้าผสม เหล็กหล่อเทา (gray cast iron) เหล็กพืด (wrought iron) เหล็กตีให้แผ่ได้ (malleable iron) เหล็กนอดุลาร์ (nodular) ประมาณร้อยละ ๘๕-๙๐ ของเหล็กถลุงที่ผลิตได้จะนำไปเปลี่ยนสภาพเป็นเหล็กกล้า ปัจจุบันนี้การแปรรูปเหล็กถลุงเป็นเหล็กชนิดอื่นร้อยละ ๙๐ จะกระทำต่อเนื่องหลังจากที่ได้เหล็กถลุงจากเตา โดยนำเหล็กถลุงที่ยังหลอมละลายใส่รถเบ้า (ladle car) ไปเทใส่เตาที่จะแปรรูป ขณะที่ยังเป็นของเหลวส่วนที่ส่งไปแปรรูปไม่ทัน จะหลอมรวมตัวเป็นแท่งเอาไปใช้งานต่ออีกครั้งหนึ่ง ความแตกต่างของเหล็กแต่ละชนิดขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอน และรูปของคาร์บอนที่อยู่ในเหล็ก เช่น อยู่ในรูปของแกรไฟต์ในเหล็กหล่อเทา หรืออยู่ในรูปของสารประกอบเหล็กและคาร์บอน เป็นต้น 

เหล็กกล้าเป็นเหล็กที่ใช้มากที่สุด เป็นเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอน ระหว่างร้อยละ ๐.๑-๑.๔ มักจะเรียกเหล็กกล้าว่า เหล็กกล้าคาร์บอน (carbon steel) เหล็กกล้ามีคุณสมบัติเด่นคือสามารถชุบเพิ่มความแข็ง หรือเปลี่ยนคุณสมบัติทางกายภาพอื่นๆ ได้ เหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำจะเพิ่ม หรือลดความแข็งได้ไม่ดีเท่าเหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนสูง เหล็กกล้าแบ่งออกตามปริมาณคาร์บอนในเนื้อเหล็ก ๓ ชนิด คือ เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (low carbon steel) มีคาร์บอนในเหล็กไม่เกินร้อยละ ๐.๓๐ เหล็กกล้า คาร์บอนปานกลาง (medium carbon steel) มีคาร์บอนในเหล็กร้อยละ ๐.๓๐-๐.๗๐ และเหล็กกล้าคาร์บอนสูง (high carbon steel) มีคาร์บอนร้อยละ ๐.๗๐-๑.๔๐ 

การผลิตเหล็กกล้าจากเหล็กถลุงส่วนใหญ่เป็นการลดสารเจือปน และคาร์บอนในเหล็กถลุงให้ได้ปริมาณตามต้องการ ด้วยการเพิ่มออกซิเจนให้กับคาร์บอน และสารเจือปนโดยอาศัยปฏิกิริยาจากความร้อน และออกซิเจน ซึ่งมีหลายวิธี เช่น ใช้เตาออกซิเจน (basic oxygen furnace หรือ BOF) เตาไฟฟ้า (electric furnace) เตาโอเพนฮาร์ท (open-hearth) และวิธีเบสเซเมอร์ (Bessemer converter) ปัจจุบันนี้ เลิกใช้วิธีเบสเซเมอร์แล้ว เตาส่วนใหญ่ที่ใช้ผลิตเหล็กกล้าเป็นเตาสามชนิดแรก และมีอัตรากำลังผลิตร้อยละ ๖๐, ๒๕ และ ๑๕ ตามลำดับ

การผลิตเหล็กกล้าจากเตาออกซิเจน 

ดัดแปลงจากหลักการของเซอร์เฮนรี เบสเซเมอร์ ผู้ค้นพบวิธีทำเหล็กกล้า ด้วยการพ่นอากาศเข้าไปในเตาที่มีเหล็กถลุงหลอมละลายอยู่โดยพ่นจากด้านล่างของเตาเบสเซเมอร์ และพยายามที่จะใช้ก๊าซออกซิเจนแทนอากาศแต่ไม่ประสบผลสำเร็จในขณะนั้น เนื่องจากเทคโนโลยีของการผลิตออกซิเจนไม่อำนวย เตาออกซิเจนที่ใช้ปัจจุบันได้ดัดแปลงการพ่นออกซิเจนเข้าทางด้านบนของเตาแทน การทำงานของเตาเริ่มด้วยการเติมเศษเหล็กลงเตา แล้วเติมเหล็กถลุงเหลวที่ได้จากเตาถลุงแบบพ่นลม (อัตราส่วนเหล็กกับเหล็กถลุง ๓๕/๖๕) เมื่อตั้งเตาตรงแล้วหย่อนท่อออกซิเจนที่มีน้ำหล่อเย็นลงในเตา เริ่มพ่นออกซิเจนอุณหภูมิในเตาจะสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงจุดเดือดของเหล็กประมาณ ๑,๖๕๐ เซลเซียส คาร์บอน แมงกานีส และซิลิกา จะได้รับการเติมออกซิเจนกลายเป็นออกไซด์ เมื่อเติมหินปูนและแร่ฟันม้า (feldspar) ลงในเตา เพื่อให้แยกเอาสิ่งเจือปน เช่น ฟอสฟอรัส และกำมะถันออกในรูปของตะกรัน (slag) แล้ว จะเอียงเตาเพื่อนำเหล็กมาทดสอบหาคุณสมบัติเมื่อได้คุณสมบัติตามต้องการจะเทเหล็กออกจากเตา การผลิตเหล็กกล้าจากเตาออกซิเจนใช้เวลาเฉลี่ยประมาณ ๔๕ นาที ผลิตเหล็กกล้าได้ครั้งละ ๑๘๐-๒๕๐ ตันต่อเตา เหล็ก ๑ ตัน ใช้ออกซิเจนประมาณ ๕๐ ลูกบาศก์เมตร 

การผลิตเหล็กกล้าจากเตาไฟฟ้า 

เหล็กที่ใช้ทำเหล็กกล้าจากเตาไฟฟ้า มักจะเป็นเศษเหล็กกล้าปนกับเหล็กถลุง บางครั้งอาจใช้เหล็กถลุงที่หลอมละลายจากเตาถลุงแบบพ่นลม เดิมเตาไฟฟ้าเป็นแบบอินไดเรกต์อาร์ก (indirect arc furnace) ความร้อนที่ใช้ในการหลอมละลายได้จากอาร์กที่เกิดขึ้นระหว่างขั้วไฟฟ้าที่ทำด้วยถ่าน (graphite electrode) ขั้วทั้งสองวางอยู่ในแนวราบ เตาชนิดนี้มีประสิทธิภาพต่ำ จึงมีการพัฒนาเตาไฟฟ้าหลอมเหล็กขึ้นใหม่ โดยใช้ขั้วที่ทำด้วยถ่านแกรไฟต์วางอยู่ในแนวดิ่ง และให้เหล็กที่อยู่ในเตาทำหน้าที่เป็นอีกขั้วหนึ่งในขณะที่ทำงานจะต้องให้ขั้วที่เป็นแท่งถ่านอยู่ห่างจากเศษเหล็กหรือผิวของเหล็กที่หลอมละลายพอควร เพื่อที่จะให้เกิดอาร์กพอเหมาะ เตาชนิดหลังนี้เรียกว่า เตาไดเรกต์อาร์ก (direct arc furnace) เป็นเตาที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าชนิดแรก ภายในบุด้วยอิฐทนไฟ เตามีความจุ ๑๐๐-๒๗๐ ตัน เจาะเอาเหล็กที่ละลายออกทุก ๆ ๒-๓ ชั่วโมง สำหรับเตาที่เจาะเหล็กซึ่งหลอมละลายออกครั้งละ ๑๑๐ ตัน ต้องใช้พลังไฟฟ้า ๕๐,๐๐๐ กิโลวัตต์ชั่วโมง 

 
การผลิตเหล็กกล้าจากเตาโอเพนฮาร์ท 

เตาโอเพนฮาร์ทมีลักษณะคล้ายกระทะ หรืออ่างเก็บน้ำ ใช้เปลวไฟที่ได้จากการเผาน้ำมันเตา หรือก๊าซบางชนิดพ่นบนผิวหน้าของเหล็กถลุงเหลวที่อยู่ในเตาโดยพ่นเปลวไฟจนเหล็กใกล้จุดเดือด (ใช้เวลา ๖-๗ ชั่วโมง) หลังจากนั้นเติมฟลักซ์ (fluxing agents) แล้วพ่นเปลวไฟต่อไปอีก ๓-๔ ชั่วโมง จึงเทน้ำเหล็กออก รวมเวลาที่ใช้ในการทำเหล็กกล้าประมาณ ๑๐ ชั่วโมง เตาชนิดนี้มีขนาดความจุของเตา ๕๐-๕๐๐ ตัน

ในประเทศไทยยังไม่มีการถลุงเหล็กจากแร่เหล็กเพียงแต่มีโครงการผลิตเหล็กจากแร่เหล็ก โดยวิธีลดออกซิเจนโดยตรง ซึ่งยังอยู่ระหว่างการหาเงินมาลงทุน การผลิตเหล็กกล้าในประเทศเป็นการนำเศษเหล็กมาหลอมในเตาไฟฟ้า นำเหล็กที่ได้มาทำเหล็กก่อสร้าง เช่น เหล็กที่ใช้เสริมคอนกรีตเป็นเหล็กเส้นกลม หรือเหล็กฉาก 

ขอขอบคุณข้อมูลจาก http://kanchanapisek.or.th 25/8/56