การผลิตเหล็กเพื่องาน วิศวกรรม

เหล็ก เป็นธาตุที่มีบนโลกมากเป็นอันดับที่สาม รองจาก ออกซิเจน และ ซิลิกอน ปัจจุบันแม้จะมีวัสดุอื่นใหม่ๆ ที่เบากว่า แข็งแรงกว่าเหล็ก แต่ยังไม่ได้รับความนิยมเท่าเหล็ก

โดยปกติเหล็กจะเกิดในธรรมชาติในรูปของแร่เฮมาไทท์ และ แมกนีไทท์ โดยมีแหล่งแร่ที่สำคัญอยู่ที่ประเทศออสเตรเลีย อินเดีย บราซิล เป็นต้น ขั้นตอนคร่าว ๆ ของกระบวนการผลิต

เริ่มจากการทำเหมือง การแต่งแร่เหล็ก การถลุงโดยเตาพ่นลมเพื่อให้ได้เหล็กดิบ หรือ เหล็กพิก

และขั้นตอนสุดท้าย คือ ปรุงน้ำเหล็กให้บริสุทธิ์เพื่อให้เป็นเหล็กกล้า

ในทุกขึ้นตอนจะมีของเสียที่ไม่ต้องการที่สามารถสร้างปัญหามลภาวะได้ในหลายรูปแบบ ซึ่งอาจจะอยู่ใน สภาพอากาศ น้ำ และ ของแข็ง แต่หากเลือกวิธีการในการป้องกันการเกิดมลภาวะที่เหมาะสมแล้วปัญหาดังกล่าว ก็จะไม่ส่งผลการะทบต่อสภาพสิ่งแวดล้อม

วัตถุดิบที่สำคัญอันได้แก่ แร่เหล็ก ถ่านโค๊ก หินปูน และ อากาศจะถูกป้อนเข้าสู่เตาพ่นลมในอัตราส่วน 7: 3: 1: 4 จุดที่เป็นส่วนที่มีปัญหามาก คือ ในส่วนของเตาผลิตถ่านโค๊ก (Coke Oven)

โค๊กผลิตได้โดยการเผาถ่านหินภายใต้แรงดัน และที่อับอากาศ เป็นเวลา 13-14 ชั่วโมง โค๊กที่ได้จะถูกทำให้เย็นอย่างรวดเร็วโดยการพ่นน้ำ ดังนั้นผลพลอยได้จากกระบวนการถลุงเหล็ก ได้แก่ สารไอระเหย (Volatile) ก๊าซในรูปต่าง ๆ คาร์บอนมอนอกไซด์ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ แอมโมเนีย น้ำเสีย ฝุ่น และไอระเหย ต่างๆ

นอกจากเตาพ่นลมแล้ว แร่เหล็กสามารถ ถลุงที่อุณหภูมต่ำโดย ที่แร่เหล็กอาจจะไม่หลอมเหลวก็ได้ โดยใช้ก๊าซธรรมชาติ หรือ ถ่านหิน ซึ่งเป็นกรรมวิธีในการผลิตเหล็กแบบใหม่ที่เรียกว่า Direct Reduction การทำ Direct Reduction แตกต่างจากการผลิตเหล็ก โดยเตาพ่นลมที่วิธีนี้ ไม่ใช้ถ่านโค๊ก มีขนาดกำลังการผลิตเล็กกว่ามาก และเป็นกรรมวิธีที่มีปัญหาเกี่ยวกับมลภาวะน้อย เนื่องจากไม่มีเตาผลิตโค๊ก ปัจจุบันมีกระบวนการผลิตที่เป็นที่นิยม แพร่หลายอยู่หลายวิธี ได้แก่ HyL,Midrex, Corex, Fastmet เป็นต้น

ผลผลิตจากการถลุงเรียกว่าเหล็กพิก (Pig Iron) ซึ่งมีส่วนประกอบของเหล็ก ประมาณ 95% คาร์บอน 3-4% ซิลิกอน 1% และ ธาตุอื่นๆ เล็กน้อย เหล็กพิกนี้จะต้องนำมาทำให้บริสุทธิ์ขึ้นและเติมสารอัลลอย เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของเหล็ก ในเตาที่เรียกว่า BOF หรือ Q-BOP และ Open Hearth เนื่องจากเหล็กพิกไม่มีคุณสมบัติที่เหมาะสมสำหรับนำมาผลิตชิ้นส่วนทาง วิศวกรรม

ในขั้นตอนนี้ คาร์บอน และ ธาตมลทินอื่นๆ จะถูกทำให้น้อยลงโดยการพ่นออกซิเจนเข้าไปในน้ำเหล็ก เหล็กกล้าที่ใช้งานส่วนใหญ่ไม่ว่าจะเป็นเหล็กแผ่น เหล็กโครงสร้าง ต่างมีปริมาณคาร์บอนไม่เกิน 0.3% ฟอสฟอรัส และกำมะถัน ไม่เกิน 0.05% เหล็กกลุ่มนี้เรียกันว่า เหล็กกล้าคาร์บอน นอกจากนี้ หากมีการเติมธาตุผสมอื่น ๆ เช่น แมงกานีส นิเกิล โครเมียม โมลิบดินั่ม วาเนเดียม ฯลฯ เข้าไปโดยมีผลรวมไม่เกิน 5% ก็จะได้เหล็กที่เรียกกันว่า เหล็กธาตุผสม (Alloy Steel) หากผลรวมของธาตุผสมเกิน 5% เหล็กที่ได้จะจัดอยู่ในกลุ่มเหล็กเครื่องมือ (Tool Steel)

นอกจากการผลิตเหล็กกล้าจากเหล็กพิก แล้ว อีก วิธีหนึ่งที่กำลังได้รับความนิยมมากขึ้น และเป็นกระบวนการผลิตที่มีในประเทศไทย นั่นคือ การผลิตเหล็กกล้าจากการหลอมเศษเหล็ก ด้วย เตาอาร์คไฟฟ้า (Electric Arc Furnace)

การผลิตเหล็กแผ่นรีดร้อน

ประเทศไทยในปี 2357 มีปริมาณการใช้เหล็กแผ่นกล้ารีดร้อน 1.8 ล้านตัน และ เหล็กแผ่นรีดเย็น 1.3 ล้านตัน โดยประมาณ ผู้ใช้รายใหญ่สำหรับเหล็กกแผ่นรีดเย็นเป็ฯ อตสาหกรรมผลิตเหล็กแผ่นเคลือบดีบุก สังกะสีและโครเมียม ส่วนเหล็กแผ่นรีดร้อนน้นใช้ทั่วไปในอุตสาหกรรมก่อสร้าง ท่อเหล็ก และ เฟอร์นิเจอร์ เป็นต้น

ภาพวาดในหน้านี้แสดงขั้นตอนของการผลิตเหล็กแผ่นม้วนรีดร้อนโดย สังเขป จากแผ่นเหล็กแท่งแบน (Slab) ที่ออกจากเตาเผาที่อุณหภูมิ 1000 C เศษ ขณะที่ออกมาเหล็กแท่งแบนจะถูกปกคลุมด้วยเหล็กออกไซด์ หรือ ที่เรียกกันทั่วไปว่า หเกล (Scale) ซึ่งจะถูกกำจัดโดยการฉีดน้ำอย่างแรงกับการรีดเบา ๆ หลังจากนั้นจะถูกลำเลียงเข้าสู่แท่นรีดหยาบ (Roughing Stands) ในระหว่างนี้เหล็กแท่งแบนจะมีขนาดบางลงและมีขนาดยาวขึ้นเรื่อยๆ ความกว้างของเหล็กแท่งแบนจะถูกควบคุม โดยชุดลูกรีดในแนวตั้ง ขณะการรีดร้อน น้ำจะนวนมหาศาลจะถูกฉีดไปที่เหล็กแผ่นเพื่อกำจัดสเกล และควบคุมอุณหภูมิของการีดให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสม เนื่องจากเหล็กจะมีอุณหภูมเพิ่มขึ้นตลอดเวลาขณะถูกทำการรีด

แผ่นเหล็กที่รีดได้จนมีขนาดความหนาตามต้องการแล้วจะได้รับการส่งต่อมาที่ โต๊ะเย็น (Cooling Table) ที่ทำหน้าที่ปรับอุณหภูมิก่อนจะม้วนเป็นคอยล์ (Coil) ด้วยความเร็วที่อาจสูงถึง 80 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

การผลิตเหล็กแผ่นรีดเย็น

เหล็กแผ่นรีดเย็น

เริ่มโดยรับม้วนเหล็กแผ่นรีดร้อนมารีดซ้ำโดยไม่มีการเผาเหล็กให้ร้อน เหล็กแผ่นรีดเย็นมีคุณสมบัติที่เหนือกว่าเหล็กรีดร้อนตรงที่มีผิวที่สวย ขนาดและ ความเรียบที่สม่ำเสมอ และส่วนผสมเดียวกัน เหล็กแผ่นรีดเย็นจะมีความแข็งแรง สูงกว่า แต่ก่อนที่จะรีดได้นั้น เหล็กม้วนรีดร้อนจะต้องได้รับการทำความสะอาดด้วยกรด (Pickling) เสียก่อนให้ปราศจาก สิ่งสกปรกและสเกล

ขั้นตอน คร่าว ๆ มีดังนี้ เหล็กม้วนรีดร้อน จะถูกนำเข้าเครื่องล้างอย่างต่อเนื่อง (Continuous Pickler)เครื่องดังกล่าวออกแบบให้ทำงานได้อย่างต่อเนื่องโดยมีส่วนประกอบที่สำคัญคือ อ่างกรด (Pickling Tank) ส่วนเก็บแผ่นสำรอง (Accumulator) เครื่องตัดปลายให้เรียบ (Shear) และเครื่องเชื่อม (Welder) สำหรับต่อปลายม้วนเข้าด้วยกัน ดังนั้นในขณะที่แผ่นเหล็กม้วนแรกหมดลง ปลายของม้วนจะถูกตัดให้เรียบ และจะถูกทำการเชื่อมต่อกับหัวม้วนของเหล็กม้วนใหม่ก่อนเข้าสู่บ่อกรด เหล็กแผ่นอาจจะถูกรีดเบา ๆ (Temper Mill) อีกครั้งก็ได้เพื่อช่วยให้สเกลหลุดร่อนได้ง่ายขึ้น หลังจากบ่อกรดเหล็กแผ่นก็จะถูกล้างด้วยน้ำสะอาด และทำให้แห้งก่อนส่งต่อเข้าสู่การรีด

เหล็กม้วนรีดร้อนที่ผ่านการทำความสะอาดเรียบร้อยแล้วจะถูกส่งเข้าแท่นรีดเย็น แท่นรีดเย็นที่ทันสมัยจะมีความสามารถรีดเหล็กแผ่นหนา 2.5 มม. ให้บางลงได้ถึง 0.75 มม. ในเวลา ไม่ถึง 2 นาที โดยที่ความยาวของแผ่นเหล็กจะเพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนกับความหนาที่ลดลง

ผลสืบเนื่องจากกระบวนการรีดเย็น ทำให้เหล็กแผ่นที่ได้มีความแข็งเพิ่มขึ้น ซึ่งบางครั้งไม่เหมาะสมกับผลสืบเนื่องจากรกระบวนการรีดเย็น ทำให้เหล็กแผ่นที่ได้มีความแข็งเพิ่มขึ้น ซึ่งบางครั้งไม่เหมาะกับการใช้งาน เนื่องจาก จะนำไปขึ้นรูปได้ยาก เหล็กม้วนรีดเย็นดังกล่าวจึงจำเป็นจะต้องผ่านกระบวนการอบอ่อนเพื่อทำให้เหล็กนั้นมีความแข็งตามระบุ และ ให้มีคุณสมบัติเหมาะสมต่การนำไปใช้งานต่อไป

เหล็กม้วนรีดเย็นจะถูกนำไปวางซ้อนกัน และครอบด้วยฝา มีลักษณะเป็นระฆังคว่ำ เพื่อทำหน้าที่ควบคุมสภาพบรรยากาศไม่ให้เหล็กม้วนเกิดสเกลในขณะอบ หลังจากครอบด้วยฝาเรียบร้อยแล้ว เตาอบก็จะถูกยกมาครอบอีกชั้นหนึ่ง กระบวนการนี้จะใช้เวลา 5-6 วัน

หลังจากผ่านการอบอ่อนแล้ว เหล็กม้วนจะได้รับการรีดเป็นครั้งสุดท้าย (Temper Mill) เพื่อปรับสภาพความแข็ง ความเรียบ คุณสมบัติของโลหวิทยา และ คุณภาพของผิวหน้า เหล็กม้วนดังกล่าว อาจจุถูกส่งไปขายในลักษณะ ม้วน หรือ ตัดตามขนาดก็ได้ ก่อนส่งให้ผู้ซื้อ

อุตสาหกรรมเหล็กแผ่นเคลือบสังกะสี

การเตรียมแผ่น

แผ่นเหล็กจะเคื่อนจากที่จ่ายม้วน (Pay-off) ผ่านเครื่องเชื่อมต่อแผ่นเข้าเครื่องสำรองแผ่น (Accumulator) ซึ่งจะทำหน้าที่จ่ายแผ่นได้อย่างต่อเนื่องแม้ขณะการเชื่อมต่อม้วน ต่อจากนั้นแผ่นเหล็กกล้า จะได้รับการทำความสะอาดด้วยสารเคมี ตามด้วยการอบอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับสภาพแผ่นเหล็ก

บ่อชุบ

แผ่นเหล็กจะถูกชุบลงในบ่อที่มีสังกะสีเหลวอยู่ ขณะที่แผ่นเหล็กวิ่งขึ้นมาเหนือระดับน้ำโลหา จะถูกลมอย่างแรงเป่าไล่ปริมาณน้ำสังกะสีเส่วนเกิน เพื่อควบคุมความหนาของสังกะสี แผ่นเหล็กเคลือบจะวิ่งขึ้นสู่หอคอยเพื่อให้น้ำสังกะสีแข็งตัว หลังจากนั้นจะมีการปรับสภาพผิวด้วยสารเคมีเพื่อป้องกันผิวอีกครั้งก่อนนำไปยืดให้เรียบก่อน การม้วนเป็นคอยล์เพื่อส่งเขาย หรือนำไปขึ้นรูปต่อไป

หน้างานที่กำลังก่อสร้าง ก็มีการก่อสร้างทั้งสี่ส่วน มีส่วนที่ผลิตไฟฟ้าเพิ่มขึ้นมาด้วย

ส่วนที่ลำเลียงวัสดุ ทำอุโมงเพื่อส่งลำเลียงวัสดุเสร็จเป็นส่วนใหญ่แล้ว

ส่วนที่ผลิตแต่งแร่ให้เป็นเม็ด ก็ไปได้เยอะแล้ว

ส่วนเตาพ่นลมก็ไปได้เยอะแล้วเหมือนกัน ลองดูรูป แล้วเดาไปก่อนนะคับ

เหล็กกล้ามีจุดอ่อนประการหนึ่งคือ สามารถเกิดสนิมและผุกร่อนได้ง่าย ซึ่งส่งผลให้โลหะขาดความแข็งแรง และไม่สวยงาม วิธีการป้องกันการเกิดสนิมของเหล็กแผ่นที่แพร่หลายได้แก่การเคลือบด้วยโลหะ เช่น สังกะสี ดีบุก โครเมียม และ การเคลือบด้วยสารอินทรีย์ เช่น สี แลคเคอร์ หรือ อาคริลิค เป็นต้น

สำหรับการเคลือบเหล็กแผ่นด้วยโลหะนั้น ที่นิยมแพร่หลายมากที่สุดได้แก่ การเคลือบด้วยสังกะสี ซึ่งแสดงโดยแผนภูมข่างล่าง ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่เคลือบแผ่นเหล็กด้วยสังกะสีอย่างต่อเนื่อง ด้วยความเร็วหลายร้อยเมตรต่อนาที แผ่นเหล็กที่เคลือบสังกะสีแล้ว สามารถนำไปใช้งานได้กว้างขวางมาก เช่น ทำหลังคา ตัวถังรถยนต์ รางน้ำ ถังเก็บน้ำ แผ่นเหล็กชุบสังกะสีนี้ อาจจะนำไปเคลือบสีทับอีกชั้นก็ได้ เพื่อเพิ่มความสวยงาม และการต่อต้านการผุกร่อน

เหล็กโครงสร้างและเหล็กเส้น

ปัจจุบันประเทศไทยสามารถผลิตเหล็กเส้นและเหล็กโครงสร้างภายในประเทศได้จากการหลอมเศษเหล็กในเตาไฟฟ้าแล้วเทเหล็กให้ได้เหล็กแท่งเล็ก (Billet) และเหล็กแท่งใหญ่ (Bloom) แล้วจึงนำไปรีด เหล็กแท่งเล็กจะถูกนำไปรีดเป็นเหล็กเพลากลม เหล็กเส้นก่อสร้างและ เหล็กลวด ส่วนเหล็กแท่งใหญ่นั้นจะนำไปรีดเป็นเหล็กโครงสร้าง ดังรายละเอียดข้างล่าง

การรีดเหล็กโครงสร้าง

เหล็กแท่งใหญ่ (Bloom) เริ่มต้นจะต้องถูกนำไปเผาให้ร้อนประมาณ 1050 C แล้วจึงถูกส่งเข้าเครื่องรีดกระเทาะสเกล (Breakdown stand) และแท่นรีดที่มีลูกรีดเป็นร่องรูปร่างต่างๆ แท่งเหล็กอาจจะวิ่งไปกลับได้หลายเที่ยวในแต่ละแท่น (ยกเว้นแท่นสุดท้าย) จนกว่าจะได้ขนาดและรูปร่างที่ต้องการจากแท่นรีดสุดท้าย เหล็กโครงสร้างจะต้องผ่านเครื่องรีดให้ตรง (Straightener) หลังจากนั้นอาจจะถูกตัดหัวให้เรียบและตัดให้ความยาวตามความต้องการของผู้ใช้

« Back

วุฒิวิศวกรโยธา

ชื่อ
เบอร์โทรศัพท์
อีเมล
หัวข้อ
รายละเอียด