6.5 เหล็กกล้า (Steel)

           

เหล็กกล้าเป็นเหล็กที่ผลิตได้จากการหลอมละลายเหล็กดิบสีขาว (Gray Pig Iron) ที่ได้จากเตาสูงให้บริสุทธิ์ขึ้น  โดยทั่วไปเหล็กกล้าจะมีปริมาณธาตุคาร์บอน ( C ) ผสมอยู่ประมาณ 0.008%  ถึง 2%  โดยน้ำหนักนอกจากนี้ยังมีธาตุอื่นปนอยู่ในรูปของสารมลทิน (Impurities) อีกเช่น ซิลิกอน (Si) แมงกานีส (Mn) ฟอสฟอรัส (P) และกำมะถัน (S) ซึ่งสารมลทินเหล่านี้จะถูกำจัดออกให้หมดหรือให้เหลือในปริมาณตามที่ต้องการโดยให้สารมลทินเหล่านี้รวมตัวกับ ฟลักซ์ (Flux) กลายเป็นขี้ตะกรัน (Slag) ออกมา

 

            วิธีกำจัดสารมลทินจะแบ่งออกได้เป็น  2  วิธี คือ วิธีแบบกรด (Acid) และแบบด่าง (Basic)  การเลือกที่จะใช้วิธีใดก็จะขึ้นอยู่กับปริมาณและชนิดของสารมลทิน

            วิธีแบบกรด (Acid) เตาเผาแบบกรดจะบุผนังเตาด้วยอิฐทนไฟที่ทำด้วยวัสดุกรด เช่น ซิลิกอน (Silicon) แมงกานีส (Manganese) หรือกานีสเตอร์ (Ganister) เพื่อป้องกันความเสียหายของวัสดุบุผนังเตาที่เป็นกรด เพราะขี้ตะกรันที่ได้จากการถลุงเหล็กจะมีสภาพเป็นกรดที่ได้จากการถลุงเหล็กจะมีสภาพเป็นกรดและจะมีซิลิกอนมาก  จะพยายามรวมตัวเป็นกลางดวยการไปขัดสีกับวัสดุบุผนังที่มีสภาพเป็นด่าง  ส่วนวัตถุดิบที่ฟลักซ์ (Flux) ก็จะเป็นกรดด้วย  เช่น หินควอทซ์ (Quartz) หรือหินเขี้ยวหนุมาน  ซิลิก้า (SiO2) ซึ่งสามารถกำจัดสารมลทินจำพวกซิลิกอนแมงกานีสได้ดีและคาร์บอนแต่ไม่อาจกำจัดฟอสฟอรัสและกำมะถันได้

            วิธีแบบด่าง (Basic) เตาเผาในกระบวนการด่างจะต้องมีวัสดุบุประกอบด้วยวัสดุทนไฟด่าง  เช่น อลูมิน่า (Alumina) ไดโลไมท์   (Dolomite)       และแมกนีไซด์ (Magnesite) ส่วนประสมเพิ่มและฟลักซ์ (Flux) ที่เติมลงไปในเตาก็จะมีสภาพเป็นด่างด้วย  เช่น  ปูนขาว,  หินปูน  (Lime) ซึ่งสามารถกำจัดสารมลทินต่าง ๆ ได้ดีโดยเฉพาะฟอสฟอรัสและกำมะถัน

            ในอุตสาหกรรมการผลิตเหล็กส่วนมาก  การผลิตเหล็กกล้า (Steel) จะใช้กระบวนการเตาเปิดแบบกรด (Open-hearth process) และเตาไฟฟ้าแบบกรด (Electric are process) แต่การผลิตเหล็กกล้าอ่อน (Wrought Steel) จะให้กระบวนการเตาเปิดแบบด่างและเตาไฟฟ้าแบบด่าง

 

 

 

 

แบบด่าง (Basic)

แบบกรด (Acid)

วัสดุทนไฟที่ใช้ประกอบเตา

Magnesite

Silica

สารมลทิน (Impurities

มี Phosphorus มาก

มี Silicon น้อย

มี Silicon มาก

มี Phosphorus น้อย

ขี้ตะกรัน (Slag)

เป็นด่าง (มีหินปูนมาก)

เป็นกรด (มี Silica มาก)

สารมลทินที่ถูกกำจัดจากปฏิกิริยา Oxidation

C, Si, Mn, P, S

C, Si, Mn

 

ตารางที่6.1 แสดงตารางเปรียบเทียบการผลิตเหล็กกล้าแบบด่างและแบบกรด

 

6.5.1  การผลิตเหล็กกล้าโดยกรรมวิธีเบสเซเมอร์ (Bessemer’s Process)

            กรรมวิธีเบสเซเมอร์เป็นการกำจัดสารมลทินส่วนใหญ่ที่เจือปนอยู่ใน้ำเหล็กดิบออกด้วยกรรมวิธีแบบกรด  โดยการนำเอาน้ำเหล็กดิบที่ถลุงจากเตาสูงมาเทลงในเตา (Converter)  ซึ่งปากเตาจะมีลักษระเป็นปากเอียงดังรูป  ตัวเตาตั้งอยู่บนแกนที่สามารถหมุนได้รอบแกนในแนวราบ  ผนังเปลือกนอก (Steel) เป็นเหล็กกล้า  ผนังภายในบุด้วยวัสดุทนไฟที่มีลักษณะเป็นกรดอย่างแรงซึ่งส่วนมากจะมีซิลิกาเป็นส่วนประกอบเป็นสำคัญหนาประมาณ (30-38 cm.)  ที่ก้นเตาจะเจาะเป็นรูเล็ก ๆ เส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ ¼” เรียกว่ารูอากาศเป็นรูที่อากาศถูกอัดผ่านด้วยเครื่องเป่าอากาศจากหีบลม (Wine box)  ผ่านขึ้นไปยังน้ำเหล็กดิบที่หลอมเหลวมีผลทำให้สารมลทินและออกไซด์ต่าง ๆ ถูกเผาไหม้และถูกดูดออกไปกลายเป็นขี้ตะกรันในสภาพกรด  เนื่องจากเหล็กออกไซด์ที่ยังไม่ได้รวมตัวกันจะมีปฏิกิริยากัดกร่อนอย่างรุนแรงต่อวัสดุบุ  ฉะนั้นก้นเตาจึงถูกกัดกร่อนรวดเร็วมาก  โดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณของท่ออากาศเป็นที่ซึ่งอากาศพบกับเหล็กหลอมเหลว  วัสดุบุก้นเตาจึงมีอายุการเผาจำกัดประมาณ  20-26  ครั้ง แม้ว่าจะมีการซ่อมแซมระหว่างการเผาแต่ละครั้งก็ตาม  ด้วยเหตุนี้ก้นเตาจึงถูกออกแบบมาให้สามารถถอดออกง่าย

            เตาคนเวอร์เตอร์ที่บรรจุน้ำเหล็กดิบได้ครั้งละประมาณ 10-15 ตัน จะมีเส้นผ่าศูนย์กลางภายในส่วนที่เป็นทรงกระบอกประมาณ 2.4 เมตร และมีความสูงจากก้นเตาภายในถึงปากประมาณ 4.6 เมตร

 

การทำงานของเตาโดยกรรมวิธีเบสเซเมอร์

1.      น้ำเหล็กดิบที่ได้จากเตาสูงในถังโลหะร้อน  จะถูกป้อนเข้าสู่เตาในขณะที่เตาเอียงใน

ตำแหน่งแนวนอน

2.      กระแสลมจะเริ่มผ่านเข้าไปในท่ออากาศทางก้นเตา  พร้อมกับตัวเตาค่อย ๆ กลับคืน

สู่ตำแหน่งแนวตั้งเพื่อป้องกันน้ำเหล็กดิบไหลเข้าไปในท่ออากาศ ระหว่างการพ่นลมเข้าจากใต้เตา ออกซิเจนที่มีอยู่ในลมจะทำปฏิกิริยากับ ซิลิกอน (Si) และเหล็ก (Fe) กลายเป็นซิลิก้า (SiO2) และ เฟอร์ริดออกไซด์ (Fe2O3)  ซึ่งเฟอร์ริดออกไซด์บางส่วนที่ละลายอยู่ในน้ำเหล็กดิบจะไปทำปฏิกิริยา Oxidizes กับแมงกานีสให้มีปริมาณลดลงเหลือเพียงเล็กน้อย  ทั้งหมดนี้จะใช้เวลาประมาณ 2-5 นาที

จากนั้นออกซิเจนจะเริ่มทำปฏิกิริยารวมตัวกับคาร์บอนในน้ำเหล็กเกิดเป็นแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ซึ่งจะถูกพ่นออกมา  เผาไหม้อยู่บริเวณปากเตา  เปลวไฟที่เกิดขึ้นจะมีลักษณะสีเหลืองแดงและจะมีขนาดเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งเปลวไฟร้อนมาก  มีสีขาวจากนั้นจะค่อย ๆ  หรี่  ดับลงแสดงว่าสารมลทินถูกกำจัดออกเกือบหมดและเปลี่ยนเป็นขี้ตะกรันลอยอยู่เหนือน้ำเหล็ก

3. หมุนเตากลับไปในแนวนอนอย่างระมัดระหวังพร้อมกับปิดกระแสลมใต้เตา จากนั้นเอียงเตาอย่างช้า ๆ เพื่อเทเอาขี้ตะกรันออกลงภาชนะที่รองรับ นำเหล็กที่เหลืออยู่ในเตาขณะนี้ยังเป็นเหล็กกล้าอ่อนอยู่ (Dead mild steel) คือเป็นหลักกล้าที่มีปริมาณของคาร์บนอนอยู่น้อยเกินไปซึ่งเป็นข้อบกพร้องของกรราวิธีเปสเซเมอร์ แต่สามารถแก้ไขได้โดยการเติมสารเฟอร์โรแมงกานิส (Ferro-manganese) ซึ่งจะมีส่วนผสมของ Mn=78% c=6-7%) ลงไปในปริมาณที่พอเหมาะในการเตมสารเฟอร์โรแมงกานิสไม่เพียงแต่จะเพิ่มปริมาณของคาร์บอนเท่านั้น แต่แมงกานิสยังจะทำปฏิกิริยากับสารละลายของเหล็กออกไซด์ ออกมาเป็นแมงกานิสออกไซด์ (Mno) แกะรวมตัวอยู่ในขี้ตะกรันอีกด้วยจะมีแมงกานีสบางส่วนที่เหลืออยู่ในน้ำเหล็กแต่ก็เป็นปริมาณที่น้อยจึงไม่มีผลต่อน้ำเหล็กมากนัก

3.    เทน้ำเหล็กลงในแบบที่เตรียมไว้ (Ingot Molds) หลักจากนั้นนำแท่งเหล็กที่ยังร้อยอยู่ไปรีดขึ้นรูป หรือตีเป็นแผ่นตามรูปพรรณที่ต้องการต่อไปโดยไม่ต้องเพิ่มความร้อนอีก

 

 

 

 

รูปที่6.2 แสดงขั้นตอนการทำงานของเตาโดยกรรมวิธีเบสเซเมอร์

 

6.5.2 การผลิตเหล็กกล้าโดยกรรมวิธีโธมัส(Thomas Procass)     

            กรรมวิธีโธมัสเป็นการกำจัดสารมลทินออกจากน้ำเหล็กดิบ โดยกรรมวิธีแบบด่าง โดยจะมีลักษณะการทำงานคล้ายกับกรรมวิธีเบกเซเมอร์แต่จะต่างกันที่น้ำเหล็กดิบที่ผลิตโดยกรรมวิธีโธมัสจะมีฟอสฟอรัสประสมอยู่มาก ซึ่งกรรมวิธีเบสเซเมอร์ไม่สามารถกำจัดฟอสฟอรัสในน้ำเหล็กดิบออกได้เพราะฟลักซ์ที่ใช้จะไม่ทำปฏิกิริยากับฟอสฟอรัสจึงทำให้มีปริมาณฟอสฟอรัสเหลืออยู่ในน้ำเหล็กมาก ซึ่งจะทำให้เหล็กมีคุณสมบัติเปราะ (Brittleness)เมื่อเย็นตัวลง

            นอกจากนี้กรรมวิธีโธมัสยังมีวัสดุบุหรืออิฐทนไฟที่มีคุณสมบัติเป็นด่างเช่นแร่ โดโรไมด์ (Calcium dolomite) หุ้มรอบผนังเตาด้านในส่วนฟลักซ์ที่ใช้ได้แก่ หินปูน ซึ่งขจะถูกเติมลงไปก่อนจะเทน้ำเหล็ลงไปในเตากรรวิธีนอกเหนือจากนี้จะเหมือนกับกรรมวิธีเพสเซเมอร์หมด

            ขี้ตะกรันที่ได้จากกรรมวิธีโธมัสจะมีฟอสฟอรัสผสมอยู่มาก ถึง 20% ซึ่งเหมาะที่จะนำมาใช้เป็นส่วนผสมผลิตปุ๋ยใช้ในการเกษตรได้ดี

 

6.5.3 การผลิตเหล็กกล้าโดยกรรมวิธีออกซิเจน (Direct-Oxygen or L-D Process

การผลิตเหล็กกล้าวิธีนี้ ได้มาจากการปรับปรุงข้อเสียของการผลิตโดยกรรมวิธีเบสเซเมอร์ ที่ใช้ออกซิเจนที่มีอยู่ในอากาศโดยตรงมาช่วยในการเผาไหม้ จึงทำให้แกสไนโตเจน (N2) ที่ปนอยู่ในอากาศละลายและแทรกตัวอยู่ในน้ำเหล็ก ซึ่งเกสไนโตเจนเหล้านี้จะรวมตัวกับอะตอมของเหล็กอยู่ในรูปของสารประกอบไนเตรต(Nitrede) เมื่อเหล็กเย็นตัวลงสารประกอบไนเตรตที่อยู่ในแกรน (grain) ของเหล็ก จะทำให้เหล็กมีคุณสมบัติที่แข็งแต่เปราะ

วิธีน้ำนายลินซ์ (Linz) และนายโนาวิตซ์ (Donavwitz) ได้พยายามแก้ไขข้อเสียนี้โดยใช้แกสออกซิเจนเป่าใส่น้ำเหล็กแทนที่จะใช้อกาศแบบเดิม เราจึงเรียกกรรมวิธีนี้ว่า L-D Process การที่ใช้แกสออกซิเจนเป่าใส่น้ำเหล็กจะใช้เวลาที่สั้นจึงทำให้การผลิตเหล็กแบบวิธีนี้ รวดเร็ว เบา เมื่อเปรียบเทียบกับการผลิตแบบวงิธีอี่นและยังประหยัดค่าใช้จ่ายลงได้มาก จึงมีการนิยมใช้เตาผลิตเหล็กวิธีนี้กันมาก โดยเฉพาะในสหรัฐอเมริกา

ลักษณะของเตา (convertor) จะมีลักษณะคล้ายเตาแบบกรรมวิธีเบสเซเมอร์ แต่ก้นเตาจะปิดสนิท ภายในเตาจะหุ้มด้วยอิฐทนไฟ หรือวัสดุบุที่มีคุณสมบัติเป็นด่าง (basic) ตรงปากเตาจะมีท่อสำหรับพ่นแก๊สออกซิเจนเสียบลงมา และบริเวณรอบ ๆเตาจะมีน้ำเป็นตัวระบายความร้อน เนื่องจากเหล็กที่ได้จะมีอุณหภูมิสูงมาก

 

 

 

การทำงานของเตาแบบ L-D Process จะมีลำดับดังนี้

1.เอียงเตาหลอมลงมาเพื่อที่จะใส่เศษเหล็กที่จะหลอมแกะน้ำเหล็กดับลงไปโดยปริมาณประมาณ 65 – 85

2.หมุนตัวเตากลับไปอยู่ในแวดดิ่งตัวตรง หย่อนท่อแกสออกซิเจนลงมาในเตาจนกระทั่งปลายท่อจ่ออยู่เหนือน้ำเหล็กดิบประมาณ 50 –75 ซม. เป่าออกซิเจนลงบนผิวน้ำเหล็กดิบ (ออกซิเจนบริสุทธิ์ประมาณ 98 %) ระหว่างที่ป่าออกซิเจนลงไปนั้นให้เติมปูนขาวลงไปด้วยเพื่อจะได้ รวมตัวกับฟอสฟอรัสกลายเป็นขี้ตะกรันลอยขึ้นมาที่ส่วนบนของน้ำ เหล็กใช้ปูนขาวประมาณ 75 กิโลกรัมต่อเหล็ก 1 ตัน           

3.การเป่าออกซิเจน ลงสู่เตาจะเป่าด้วยความดันบรรยากาศระหว่าง 4 –12 บรรยากาศซึ่งจะทำให้เกิดปฏิกิริยา Oxidatioum อย่างรุนแรงบริเวณผิวหน้าของน้ำเหล็ก ทำให้น้ำเหล็กเกิดการไหลวนเวียนอยู่ในเตา ออกซิเจนจึงมีโอกาสสัมผัสกับน้ำเหล็กอยู่ทั่วถึงจึงทำให้เกิดการควมตัวกับ คาร์บอน , ซิลิกอน และแมงกานิส กลายเป็นขี้ตะกรันลอยขึ้นมาที่ส่วนบนของน้ำเหล็กต่อไป

4.จากปฏิกิริยา Oxidation จะทำให้น้ำเหล็กมีอุณหภูมิสูงกว่าน้ำเหล็กแบบเบสเซเมอร์เพราะเราใช้ออกซิเจนที่บริสุทธิกว่า ซึ่งจะทำให้น้ำเหล็กและผนังเตาไหม้ได้ง่าย เราจะลดอุณหภูมิให้ต่ำลงโดยการเติมเศษ เหล็กกล้าและฟลักซ์ที่เป็นหินปูนลงไปอีกประมาณ 30% รวมปฏิกิริยาทั้งหมดใช้เวลาประมาณ 15- 20 นาที

5.เมื่อนำเหล็กกล้าละลานได้ส่วนผสมดีแล้ว เอียงเตาหลอมลงมาเพื่อเทขี้ตะกรันออกลงเบ้าจานั้นพลิกเตากลับเพื่อเทน้ำเหล็กลงเบ้านำไปใช้งานต่อไป     

 

6.5.4 การผลิตเหล็กกล้าโดยกรรมวิธีเตาไฟฟ้า (Electric Arc Furnace process)

การผลิตเหล็กกล้าโดยกรรมวิธีเตาไฟฟ้า เป็นการใช้ความร้อนจากพลังงานไฟฟ้ามาหลอมเหล็กให้ละลาย กรรมวิธีการผลิตเหล็กโดยเตาไฟฟ้านี้จะมีข้อดีคือสามารถทำให้มีอุณหภูมิสูงมากในเวลาอันรวดเร็ว สามารถควบคุมการเติมออกซิเจนการลดออกซิเจนได้ดี ตลอดจนสามารถควบคุมปริมาณการเติมสารประสมเพิ่มต่าง ๆ ซึ่งเป็นส่วนประกอบของเหล็กให้มีคุณสมบัติใกล้เคียงกัน จึงทำให้ผลิตเหล็กได้มีคุณภาพสูงและเพื่อจุดมุ่งหมายพิเศษ นอกจากนี้ยังประหยัดค่าใช้จ่ายในกรณีที่มีการหยุดผลิตเป็นช่วง ๆ แต่ค่าใช้จ่ายโดยรวมก็ยังแรงกว่ากรรมวิธี การผลิตแบบเบสเซเมอร์หรือแบบ L-D Processอยู่                                                                                                 

เตาเผาไฟฟ้าจะมีตัวเตาสร้างด้วยแผ่นเหล็กกล้าและบุผนังด้วย วัสดุทนไฟชนิดกรดหรือด่างก็ได้ หากเป็นกรรมวิธีแบบด่างจะบุด้วยแมกนี่ไทท์ หรือโดโกไมท์ แต่หากเป็นกรรมวิธีแบบกรดจะบุด้วยซิลิก้า ส่วนบนหลังคาจะดค้งบุด้วยอิฐทนไฟอิฐมีรูสำหรับสอดแท่งคาร์บอนอีเกดโทรด (Carbon Electrod) ผ่านลงมา มีประตูสำหรับป้อนน้ำเหล็กดิบและรูสำหรับปล่อยน้ำเหล็กกล้าที่หลอมเสร็จแล้วออก

 

เตาไฟฟ้าแบ่งเป็น 3 ประเภทคือ

1. เตาไฟฟ้าที่ใช้ความร้อนจากการแผ่รังสีอย่างเดียว (The Indirect arc Furnace)

เตาแบบนี้จะใช้แท่งคาร์บอน อีเลคโทรค 2 ทำให้เกิดการอาร์ค (Arc) ขึ้นที่ปลายซึ่งอยู่เหนือน้ำเหล็กความร้อนที่เกิดจากการอาร์คของแท่งคาร์บอน อิเลคโทรดจะแผ่รัสีเข้าไปยังน้ำเหล็กที่ทำให้อุณหภูมิของน้ำเหล็กสูงขึ้น จนถึงจุดที่เหล็กหลอมละลาย เตาแบบนี้นิยมใช้กันน้อยมาก เพราะเกิดการสูญเสียความร้อนให้แก่ส่วนหลังคา และผนังเตาจึงเป็นการไม่ประหยัด ส่วนมากจะใช้กั้นในห้องปฏิบัติการเล็ก ๆ เป็นเตาขนาดเล็กและทำงานในเวลาสั้น ๆ

 

2. เตาไฟฟ้าที่ใช้ความร้อนจากการแผ่รังสีและความต้านทานไฟฟ้า (The direct arc Furnace)

เตาแบบนี้จะให้แท่งคาร์บอนอิเลคโทรดทำให้เกิดการอาร์คกับเศษเหล็กในเตา โดยให้เศษเหล็กเป็นส่วนหนึ่งของวงจรไฟฟ้า ความร้อนที่ได้รับจะมีอยู่ 2 ทาง คือ เกิดจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เศษเหล็กซึ่งมีความต้านทานจนทำให้อุณหภูมิของเหล็กสูงขึ้นจนถึงจุดที่หลอมละลายและเกิดจากการอาค์คของแท่งคาร์บอน อิเลคโทรดเองแล้วแผ่รังสีความร้อนออกไปจนกระทั่งทำให้อุณหภูมิของเหล็กสูง กระแสไฟฟ้าที่ใช้จะมีทั้ง Single phase และ Three phase โดยจะใช้กระแสประมาณ 12,000 Ampare และแรงเคลื่อนไฟฟ้าประมาณ 40 Volts โดยใช้แท่งคาร์ยบอนอิเลคโทรด 2 แท่ง หรือ 3 แท่ง ซึ่งแต่ละแท่งมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.75 เมตร และยาวประมาณ 2 เมตร เตาแบบนี้ส่วนมากจะใช้ในงานอุตสาหกรรมการถลุงเหล็กกล้าที่มีโลหะผสมต่ำ (Low –alloy steel) เป็นเตาขนาดใหญ่ ที่ใช้เหล็กจากกรรมวิธีเบสเซเมอร์เป็นวัสดุป้อน

 

3. เตาเผาเหนี่ยวนำไฟฟ้า (The Electric Induction Furnace)

เป็นเตาที่อาศัยการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กภายในเนื้อเหล็ก โดยจะเกิดกระแสเหนี่ยวนำ (Induction eddy current) กระทั่งเกิดความร้อนขึ้นภายในเนื้อเหล็กจนเหล็กหลอมละลาย ตัวเตาจะประกอบด้วยขดลวดทองแดงที่หุ้มฉนวนพันอยู่โดยรอย และมีน้ำไหลผ่าน ผนังด้านนอกอีกชั้นหนึ่งเพื่อระบายความร้อน

การทำงานของเตาจะเริ่มขึ้นเมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าที่มีความถี่สูง (High Frequency) ประมาณ 500-2,000 cycle /Second ผ่านขดลวดทองแดงทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก (Magnetic Flux) ขึ้นรอบ ๆ ขดลวดทองแดงภายในเตาและสนามแม่เหล็กจะผ่านเข้าไปในเนื้อเหล็ก เนื่องจากระแสไฟฟ้าที่มีความถี่สูงจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กมาก จึงมีกระแสเหนี่ยวนำไหลวนอยู่ในเนื้อเหล็ก และเกิดความร้อนสูงขึ้น ในอุณหภูมิที่สามารถหลอมละลายได้เตาชนิดนี้ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับหลอมเหล็กกล้าที่มีโลหะผสมสูง (high-alloy steel)  เพราะจะเกิดการสูญเสียเนื้อโลหะที่มีราคาแพงน้อยมากโดยทั่วไปจะไม่มีการใช้มาก

6.5.5การผลิตเหล็กกล้า โดยกรรมวิธีเตาเปิด  Open heart process or siemens –Mertin process)

ที่เรียกว่าเตาเปิดก็เพราะตัวเตาที่ใช้ในการถลุงเหล็กมีความลึกประมากนักและปากเตาเปิด (Open) กว้างพื้นเตามีลักษณะเป็นแอ่งคล้ายกะทะ (heart) เตาแบบนี้สามารถใช้ได้ทั้งกรรมวิธีและกรดและด่าง โดยจะมีความแตกต่างท่ำสำคัญอยู่ที่การใช้วัตถุดิบที่ป้อนเข้าเตาวัสดุตัวเตา ตัวประสมเพิ่ม ขี้ตะกรัน และระยะเวลาที่ใช้ปฏิบัติการของเตาซึ่งกรรมวิธีแบบกรดจะใช้เวลาปฎิบัติการสั้นกว่าแบบด่าง เพราะเหล็กมีสารเจือปนน้อยกว่า

 

ลักษณะของเตาประกอบด้วย

1. ตัวเตา หรือห้องหลอม (hearth chamber) มีพื้นเป็นแอ่งคล้ายกะทะซึ่งจะบุด้วยอิฐทนไฟ คุณภาพสูง เพราะเป็นที่รองรับน้ำเหล็กที่หลอมละลายแล้วและมีอุณหภูมิสูง ตรงบริเวณก้นเตาจะมีรู (Tap hole) สำหรับเจาะเอาน้ำเหล็กออก

2. หลังคาเตา บุด้วยอิฐทนไฟชนิดปานกลาง มีลักษณะเป็นส่วนโค้งปิดเตาไว้เพราะป้องกันไม่ให้อากาศและแก๊สสูญหายไปและยังสามารถสะท้อนนำความร้อนกลับมาช่วยในการเผาไหม้ได้อีกด้วย

3. ผนังเตาบุด้วยอิฐทนไฟชนิดปานกลาง  มีช่องสำหรับบรรจุน้ำเหล็กดิบ เศษเหล็ก สารประสมและตักเอาน้ำเหล็ก ออกมาวิเคราะห์เรียกว่าประตูป้อน (Charging door)

4. หัวและท้ายเตา จะมีช่องว่าง สำหรับทางเดินท่อลม (air) และแก๊ส (gas) อยู่เรียกว่า ports ซึ่งท่อนี้จะต่อมาจากห้อง (Regenerator or regenerative chambers) ที่นำเอาความร้อนจากเตามาใช้อีก

5. ห้องที่นำเอาความร้อน จากเตามาใช้อีก (Regenerator or Regenerative chambers) จะมีอยู่ 2 ห้อง บริเวณใต้สุดของเตาประกอบไปด้วยอิฐทนไฟเรียงสลับกันเป็นตารางหมากรุก (Checker) เพื่อให้แก๊สร้อน (exhaust gas) นี้ออกจากเตาเผาผ่านอิฐและคายความร้อนให้อิฐที่เรียงสลับกันอยู่ไว้เป็นต้นกำเนิดพลังงานความร้อนที่จะนำไปใช้เผาช่วงต่อไป ห้อง Regenerator ห้องจะมี 2 ชุด คือ ห้องสำหรับเพาะอากาศและแก๊สเชื้อเพลิง

 

ลักษณะการทำงาน

1. เมื่อบรรจุน้ำเหล็กดิบ เศษเหล็ก ซึ่งเหล็กและฟลักซ์ลงไปในสเตาแล้วจะเริ่มติดเตาโดยการเป่าแกสและอากาศร้อนเข้าทางช่อง ports บริเวณหัวเตา ซึ่งแกสและอากาศที่เป่าเข้ามาจะผ่านอิฐทนไฟที่ดูดเอาความร้อนไว้ในห้อง regenerator กลายเป็นแก๊สร้อนและอากาศร้อนเป่าอยู่เหนือน้ำเหล็กดิบกระจายไปรอบ ๆเตา กระทั่งอุณหภูมิสูงขึ้นแล้วเกิดการเผาไหม้ไปจนถึงอุณหภูมิทีทำให้เหล็กหลอมละลาย

2. ขณะที่เกิดการเผาไหม้อยู่นั้นแก๊สและอากาศร้อน จะกลายเป็นแก๊สเสีย (exhavst gas) ผ่านเข้าไปยังช่อง port อีกด้านหนึ่งของท้ายเตา ซึ่งจะมีท่อส่งผ่านไปยังห้อง regenerator  อีกห้องหนึ่งที่มีอิฐทนไฟเรียงสลับกันอยู่เมื่ออิฐทนไฟได้รับความร้อนจนกระทั่งมีอุณหภูมิประมาณ 1000 C และขฯะนั้นอุณหภูมิของอิฐทนไฟทีอยู่อีกห้องหนึ่งทางหัวเตาลดลงเหลือประมาณ 600- 800 C การทำงานของเตาก็จะเปลี่ยนช่วงเริ่มต้นใหม่โดยเริ่มจากทางท้ายเตา

3. การทำงาน จากทางท้ายเตาจะเริ่มโดยการปิดลิ้น (values) ทางเดินท่อแกสและลมร้อนทางหัวเตาและเปิดลิ้นทางเดินของท่อแกสและลมร้อนทางท้ายเตาเพื่อเปลี่ยนทิศทางการไหลเข้าออกของอากาศและแกสที่ไหลเข้าสู่เตา การทำงานจะสลับกันไปเรื่อย ๆ แบบนี้ โดยใช้เวลาประมาณ ครึ่งชั่วโมงต่อการเปลี่ยนสลับห้อง

การถลุงเหล็กโดยใช้เตาเปิดจะใช้เวลาประมาณ 6 –12 ชั่วโมง ระวห่างการถลุงนี้จะมีการนำเอาตัวอย่างของน้ำเหล็กออกมาวิเคราะห์อยู่บ่อย ๆ จึงสามารถทราบถึงส่วนผสม ของน้ำเหล็กที่เป็นอยู่ในขณะนี้และสามารถเพิ่มหรือลดส่วนผสมต่าง ๆของน้ำเหล็กตามที่ต้องการได้ จึงทำให้การผลิตเหล็กโดยใช้เตาเปิดได้เหล็กกล้าที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการมาก

หลักจากปฏิกิริยากำจัดสารเจือปน (Impurity) ในน้ำเหล็กสิ้นสุดลงจนกลายเป็นขี้ตะกรันลอยอยู่เหนือน้ำเหล็ก ยังมีออกซิเจนบางส่วนที่เหลืออยู่ในน้ำเหล็กทำให้น้ำเหล็กมีลักษณะเดือดอยู่ซึ่งไม่สามารถเทลงในแบบหรือถังบรรจุน้ำเหล็กได้โดยการเติมสารจำพวก เฟอร์โร แมงกานีส (Ferro- manganese) เฟอร์โรซิลิกอน (Ferro –silicon) อย่างใดอย่างหนึ่งลงไป ซึ่งสารเหล่านี้จะไปดูดซึ่งเอาออกซิเจนออกจากน้ำเหล็กรวมตัวกันเป็นออกไซด์ (oxide)  เช่น Si O2 หรือ AL2 O2 กลายเป็นขี้ตะกรันลอยอยู่เหนือน้ำเหล็กปฏิกิริยานี้เราเรียกว่า “deoxidation” เมื่อออกซิเจนถูกดูดจากน้ำเหล็ก อาการเดือดก็จะสงบลง เราจะเรียกน้ำเหล็กที่ได้นี้ว่า “Killed steel”

 

 

เหล็กกล้าที่ได้จากเตาเปิดจะเป็นเหล็กกล้ายังบริสุทธ์ (Rimming steel) มีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่า 0.5% มีคุณสมบัติทางกลดีโดยมีความเหนียวดี ทนต่อแรงดึง กด บิด และแรงกระแทกได้ดี สามารถนำเป็นเหล็กผสม (Aooly steel) ได้โดยการเติมสารพวก โครเมี่ยม นิเกิล โมลิดินัม และวานาเดียม ลงไปในน้ำเหล็กเพื่อให้ได้คุณสมบัติตามต้องการ

 

 

 

 

การผลิตเหล็กกล้า โดยกรรมวิธีเตาเปิด  Open heart process or siemens –Mertin process)

Next>>