การถลุงเหล็ก - สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ
 
สารานุกรมไทย
สำหรับเยาวชน  เมนู 2
เล่มที่ ๒
เรื่องที่ ๑ การจำแนกและการจัดหมวดหมู่ของสัตว์
เรื่องที่ ๒ เวลา
เรื่องที่ ๓ บรรยากาศ
เรื่องที่ ๔ การตรวจอากาศ
เรื่องที่ ๕ อุตสาหกรรม
เรื่องที่ ๖ อุปกรณ์ขยายขอบเขตของสัมผัส
เรื่องที่ ๗ มหาราชในประวัติศาสตร์ไทย
เรื่องที่ ๘ การศึกษา
เรื่องที่ ๙ กรุงเทพมหานคร
เรื่องที่ ๑๐ ตราไปรษณียากรไทย
รายชื่อผู้เขียน

สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ / เล่มที่ ๒ / เรื่องที่ ๕ อุตสาหกรรม / การถลุงเหล็ก

 การถลุงเหล็ก
การถลุงเหล็ก

เหล็กเป็นโลหะที่สำคัญ และใช้มากกว่าโลหะชนิดอื่นๆ ทั่วโลกผลิตเหล็กประมาณร้อยละ ๙๖ ของโลหะทั้งหมดโดยเฉลี่ยในแต่ละปี การผลิตเหล็กเป็นอุตสาหกรรม เริ่มประมาณพุทธศตวรรษที่ ๙ แต่ยังมีอุปสรรคในการผลิต และไม่สามารถผลิตเหล็กได้ครั้งละมากๆ ยุคเหล็ก (Iron Age) จึงเริ่มต้นอย่างจริงจังในพุทธศตวรรษที่ ๒๐ ซึ่งมีการถลุงเหล็กจากแร่เหล็ก โดยใช้เตาถลุงแบบพ่นลม (blast furnace) เชื้อเพลิงที่ใช้ในตอนแรกคือ ถ่านไม้ ต่อมาใช้ถ่านหิน (coal) ปัจจุบันนี้ใช้ถ่านโค้ก (coke) แทนถ่านหินเหล็กที่ผลิตได้ ในช่วงพุทธศตวรรษที่ ๒๐ เป็นเหล็กคุณภาพไม่ดีนัก ส่วนใหญ่อยู่ในรูปของเหล็กถลุง (pig iron) แม้จะเป็นเหล็กคุณภาพไม่ดี แต่ก็มีผู้นิยมนำไปใช้ประโยชน์ เพราะมีคุณสมบัติดีกว่าโลหะอื่นๆ ในพุทธศตวรรษที่ ๒๓ เซอร์ เฮนรี เบสเซเมอร์ (Sir Henry Bessemer, ค.ศ. ๑๘๑๓-๑๘๙๓ วิศวกรชาวอังกฤษ) พบวิธีทำเหล็กถลุงให้มีคุณสมบัติดีขึ้นเรียกว่า เหล็กกล้า (steel) ซึ่งสามารถชุบเพิ่มความแข็งได้ และมีคุณสมบัติอื่นๆ ดีมาก การค้นพบของเซอร์ เฮนรี เบสเซเมอร์ ทำให้สามารถผลิตเหล็กกล้าได้อย่างรวดเร็ว ครั้งละมากๆ และประหยัด ถือได้ว่าเป็นการปฏิวัติอุตสาหกรรมผลิตเหล็ก

แร่เหล็กมีหลายชนิด แต่ละชนิดมีส่วนประกอบแตกต่างออกไป แร่เหล็กมีกระจัดกระจายเกือบทั่วโลก แต่แร่เหล็กที่มีคุณภาพดี มีจำนวนเนื้อแร่สูง และมีปริมาณแร่มากพอที่จะใช้ผลิตเหล็กได้มีอยู่ไม่มากแห่งนัก ชนิดของแร่เหล็กมีดังนี้คือ

๑. แร่ฮีมาไทต์ (hematite) เป็นแร่ที่เหมาะจะใช้ถลุงเหล็ก เหล็กของแร่นี้อยู่ในรูปของออกไซด์ มีสูตรทางเคมีว่า Fe2O3 เป็นแร่เหล็กที่มีสีแดง มีเหล็กประมาณร้อยละ ๗๐ พบมากในประเทศสหรัฐอเมริกา สหภาพโซเวียต ออสเตรเลีย
แร่แมกนิไทต์
แร่แมกนิไทต์
๒. แร่แมกนีไทต์ (magnetite) เป็นแร่ที่เหมาะจะใช้ถลุงเหล็ก เช่นเดียวกับแร่ฮีมาไทต์ มีสูตรทางเคมีว่า Fe3O4 มีสีดำ และมีเหล็กประมาณร้อยละ ๗๒-๗๓ พบมากในประเทศสหรัฐอเมริกา สวีเดน และประเทศจีน
๓. แร่ซิเดอไรด์ (siderite) เป็นแร่สีน้ำตาลมีจำนวนเนื้อแร่ต่ำ และเหล็กอยู่ในรูปของคาร์บอเนต มีสูตรทางเคมีว่า FeCO3 มีเหล็กประมาณร้อยละ ๔๗-๔๙ ไม่ค่อยนิยมนำไปถลุง เพราะมีปริมาณเหล็กต่ำ แร่ชนิดนี้พบมากในประเทศสหรัฐอเมริกา สหราชอาณาจักร และเยอรมัน แร่ซีเดอไรต์
แร่ซีเดอไรต์
แร่ไลมอไนต์
แร่ไลมอไนต์
๔. แร่ไลมอไนต์ (limonite) แร่ ชนิดนี้มีสีน้ำตาล เหล็กในแร่รวมตัวเป็นสารประกอบในรูปของออกไซด์มีสูตรทางเคมีว่า Fe2O3 X(H2O) มีเหล็กประมาณร้อยละ ๖๐-๖๕ พบมากในประเทศสหรัฐอเมริกา ฝรั่งเศส
แร่ไพไีรต์
แร่ไพไรต์
๕. แร่ไพไรต์ (pyrite) เหล็กในแร่อยู่ในรูปของซัลไฟด์มีสูตรว่า FeS2 มีสีน้ำตาล มีเหล็กประมาณร้อยละ ๖๐ เนื่องจากเหล็กอยู่ในรูปของซัลไฟด์ จึงไม่นิยมนำไปถลุง เพราะกำมะถันที่อยู่ในแร่ทำให้เหล็กที่ถลุงได้มีกำมะถันปนกลายเป็นเหล็กที่เปราะ
ในประเทศไทยเท่าที่สำรวจ พบแร่เหล็กอยู่หลายบริเวณ เช่น แหล่งแร่เหล็กเขาทับควาย จังหวัดลพบุรี อำเภอเชียงคาน จังหวัดเลย อำเภอเมือง จังหวัดเลย เขาอึมครึม จังหวัดกาญจนบุรี เขาเหล็ก จังหวัดนครศรีธรรมราช แร่ที่พบส่วนใหญ่เป็นแร่ฮีมาไทต์ และแมกนีไทต์ ปริมาณแร่บางแห่งพอที่จะทำเป็นอุตสาหกรรมถลุงเหล็ก หรืออุตสาหกรรมผลิตเหล็กได้ แต่ยังขาดเงินลงทุน เพราะอุตสาหกรรมถลุงเหล็กเป็นอุตสาหกรรมที่ใช้เงินลงทุนสูง

ในอุตสาหกรรมผลิตเหล็ก การผลิตแบ่งออกได้ ๒ วิธีใหญ่ๆ ด้วยกันคือ

๑. การถลุงเหล็กจากแร่เหล็กโดยตรง การถลุงแบ่งออกเป็นวิธีย่อย ๒ วิธีคือ การถลุงเหล็กถลุง โดยใช้เตาถลุงแบบพ่นลม และการถลุงเหล็ก ถลุงด้วยวิธีลดออกซิเจนโดยตรง (direct reduction) การผลิตด้วยวิธีหลังนี้เหมาะกับแหล่งที่มีก๊าซธรรมชาติอยู่เป็นจำนวนมาก

๒. การผลิตเหล็กโดยนำเศษเหล็กมาหลอมละลายใหม่ในเตาไฟฟ้า การผลิตเหล็กโดยวิธีนี้ไม่ต้องใช้แร่เหล็ก

การถลุงเหล็กด้วยเตาถลุงแบบพ่นลม

จากแร่เหล็กเราจะถลุงให้เป็นเหล็กถลุงก่อนด้วยการใช้เตาถลุงแบบพ่นลม ซึ่งมีลักษณะเป็นปล่องสูง มีเส้นผ่านศูนย์กลาง ๖-๑๒ เมตร สูง ๔๐-๖๐ เมตร ตอนล่างป่องแล้วเล็กลงตรงใกล้ฐานตัวเตา ภายนอกจะทำด้วยเหล็กแผ่น ส่วนภายในจะบุด้วยอิฐทนไฟชนิดต่างๆ เรียงตามอุณหภูมิ ตอนบนของเตาจะมีรถเลื่อนลำเลียงสินแร่เหล็ก และหินปูน พร้อมทั้งถ่านโค้กที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงลงบรรจุเตาจากเบื้องบน เบื้องล่างจะมีรูเป่าให้อากาศผ่านเข้าไปเพื่อเผาไหม้ถ่านหิน กาก และของสกปรกต่างๆ จะถูกแยกออกมาทางช่องด้านล่างของเตา ก่อนที่จะเทเอาเหล็กที่หลอมละลายออก เหล็กที่ได้ เรียกว่าเหล็กถลุง ซึ่งจะยังใช้ทำประโยชน์อะไรไม่ได้ เนื่องจากเปราะ ทั้งนี้ เพราะมีสารบางชนิดที่เรียกว่า สารไม่บริสุทธิ์ เช่น ฟอสฟอรัส กำมะถัน ซิลิคอน เจือปนอยู่มาก และปริมาณของคาร์บอนในเหล็กถลุงยังสูงถึงร้อยละ ๔ จึงต้องนำไปทำเป็นเหล็กกล้า หรือเหล็กหล่อ หรือจะพูดได้อีกนัยหนึ่งว่า วัตถุดิบในการผลิตเหล็กกล้า เหล็กหล่อ หรือเหล็กผสมอื่นๆ ก็คือเหล็กถลุงนั่นเอง กำลังผลิตเหล็กถลุงของเตาถลุงแบบพ่นลมมีประมาณ ๕๐๐-๒,๐๐๐ ตันต่อวันต่อเตา โดยสิ้นเปลืองถ่านหินเฉลี่ย ๐.๖ ตันต่อเหล็กถลุง ๑ ตัน

แผนภาพแสดงการทำงานของเตาถลุงแบบพ่นลมที่ใช้ในการถลุงแร่เหล็กให้เป็นเหล็กถลุง
แผนภาพแสดงการทำงานของเตาถลุงแบบพ่นลมที่ใช้ในการถลุงแร่เหล็กให้เป็นเหล็กถลุง

ปฏิกิริยาที่เกิดในเตา เป็นปฏิกิริยาลดออกซิเจน ดังนี้



การถลุงเหล็กด้วยวิธีลดออกซิเจนโดยตรง

การถลุงแร่เหล็กด้วยวิธีลดออกซิเจนโดยตรงเกิดขึ้นก่อนการถลุงด้วยเตาถลุงแบบพ่นลม ปัจจุบันมีปริมาณเหล็กถลุงที่ผลิตโดยวิธีนี้ไม่เกินร้อยละ ๒ ของปริมาณเหล็กถลุงทั้งหมดในโลก เม็กซิโกเป็นประเทศที่ผลิตมากที่สุด มีโรงงานหลายโรงที่มีกำลังผลิตเหล็กถลุงวันละ ๔๕๐ ตัน เหล็กถลุงที่ผลิตได้จากวิธีนี้มีลักษณะเป็นเม็ดเล็กๆ เมื่อขยายดูจะเห็นเป็นรูพรุนโดยรอบ ลักษณะคล้ายรูที่เกิดขึ้นในฟองน้ำจึงมักเรียกว่า เหล็กพรุน (sponge iron) การผลิตเหล็กพรุนแตกต่างจากการผลิตเหล็กถลุงโดยใช้เตาถลุงแบบพ่นลม คือ ต้องบดแร่เหล็กให้ละเอียดขนาด ๑๑.๕ มิลลิเมตร เชื้อเพลิงที่ใช้โดยทั่วไปคือ ก๊าซมีเทน ซึ่งแยกออกจากก๊าซธรรมชาติ หรือก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ กับก๊าซไฮโดรเจน ก๊าซเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิงให้เกิดความร้อนสูง และทำให้เกิดปฏิกิริยาลดออกซิเจน

แผนภาพแสดงการถลุงเหล็กด้วยวิธีลดออกซิเจนโดยตรง
แผนภาพแสดงการถลุงเหล็กด้วยวิธีลดออกซิเจนโดยตรง

แร่เหล็กที่บดแล้วจะไหลเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ (reactor) ก๊าซที่ได้จากหอความร้อน (heating tower) จะไหลเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ทำปฏิกิริยากับแร่เหล็กได้เป็นเหล็กพรุนออกมา แร่เหล็กต้องทำปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์นานประมาณ ๑๐-๑๔ ชั่วโมง แร่เหล็ก ๑๐๐ ตันจะได้เหล็กพรุน ๖๐-๖๕ ตัน เหล็กพรุน ๑ ตัน ต้องใช้ก๊าซมีเทน ๗๖๐-๘๐๐ ลูกบาศก์เมตร เหล็กพรุนจะมีปริมาณกำมะถันต่ำกว่าเหล็กถลุงที่ได้จากเตาถลุงแบบพ่นลม เพราะกำมะถันในแร่เหล็กถูกกำจัดโดยปฏิกิริยาการลดออกซิเจนเหล็กพรุนที่ได้นี้จะนำไปทำเป็นเหล็กกล้าต่อไป

แผนผังแสดงเหล็กชนิดต่างๆ ที่ผลิตจากเหล็กถลุง (pig iron)
แผนผังแสดงเหล็กชนิดต่างๆ ที่ผลิตจากเหล็กถลุง (pig iron)

การผลิตเหล็กพรุนเหมาะกับแหล่งที่มีก๊าซธรรมชาติ หรือคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นปริมาณมาก ประเทศไทยมีโครงการที่จะผลิตเหล็กพรุนโดยใช้ก๊าซ ธรรมชาติที่พบในอ่าวไทย โดยโครงการนี้มีแผน จะตั้งโรงงานในบริเวณนิคมอุตสาหกรรมชายฝั่ง ทะเลตะวันออก
หัวข้อก่อนหน้า หัวข้อถัดไป