การผลิตเหล็กกล้า

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 และสารเจือปนโดยอาศัยปฏิกิริยาจากความร้อนและออกซิเจน ซึ่งมีหลายวิธี เช่น ใช้เตาออกซิเจน (basic oxygen furnace หรือ BOF) เตาไฟฟ้า (electric furnace) เตาโอเพนฮาร์ท (open-hearth) และวิธีเบสเซเมอร์ (Bessemer converter) ปัจจุบันนี้ เลิกใช้วิธีเบสเซเมอร์แล้ว เตาส่วนใหญ่ที่ใช้ผลิตเหล็กกล้าเป็นเตาสามชนิดแรกและมีอัตรากำลังผลิตร้อยละ 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