การถลุงเหล็ก (Iron smelting)

การถลุงเหล็ก
ขั้นตอนในการเตรียมสินแร่เหล็กก่อนทำการถลุงในเตาสูง

• เตรียมสินแร่เหล็ก
• ล้างหิน ดิน กรวด ทราย
• บดให้เป็นผง
• ใช้แม่เหล็กดูดสินแร่เหล็ก
• ผสมหินปูน ถ่านโค้ก
• อบไล่ความชื้น
• อัดทำเป็นก้อนกลมขนาด10-15 มิลลิเมตร
• เข้าถลุงในเตาสูง

จาก สินแร่เหล็กที่ได้นำมาถลุงให้เป็นเหล็กดิบด้วยเตาสูง การถลุงเหล็กดิบจากแร่เหล็กโดยตรงจะกระทำได้เฉพาะแร่เหล็กที่มีคุณภาพ กล่าวคือ แร่ที่มีปริมาณเหล็กสูงและมีสารเจือปนต่ำ แต่ในปัจจุบันนี้ปริมาณแร่ที่มีคุณภาพสูงนับวันจะหายากและค่อยๆหมดไป ดังนั้น การถลุงเหล็กที่มีคุณภาพต่ำจึงสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมาก และปริมาณของตระกรันหรือสารประกอบที่เกิดจากการรวมตัวของสารเจือปนรวมกับ ออกซิเจนจำนวนมากทำให้เกิดปัญหาในการแยกหรือนำออกทิ้ง ดังนั้น จึงจำเป็นต้องหาวิธีกำจัดสิ่งที่ไม่ต้องการที่ติดมากับแร่เหล็กขั้นแรกก่อน เพื่อทำให้มีปริมาณแร่เหล็กสูงขึ้น เรียกกรรมวิธีนี้ว่าการเพิ่มปริมาณเหล็กในแร่เหล็ก(concentration) การเพิ่มปริมาณเหล็กในแร่เหล็ก เริ่มโดยการเอาแร่เหล่านี้มาทำใหแตกเป็นก้อนเล็กๆด้วยเครื่องบดที่เรียกว่า จอว์ครัชเชอร์ (jaw crusher) ชุดบกเรียกว่า บอลมิลล์(ball mill) ชุดบอลมิลล์มีลักษณะเป็นรูปทรงกระบอกหมุนรอบแกนได้ ภายในบรรจุด้วยลูกบอลเหล็กขนาดต่างๆเมื่อใส่แร่เหล็กลงไป บอลมิลล์จะทำหน้าที่หมุนรอบแกนทำให้ลูกบอลเหล็กไปกระทบแร่เหล็กทำให้แตกออก เป็นผงเล็กๆนำออกไปผ่านตระแกรงแยกเอาผงเหล็กที่มีขนาดโตออกไปเข้าเครื่องบด ใหม่ ส่วนผงเหล็กละเอียดที่ได้ขนาดนำไปผ่านเครื่องแยกอีกครั้ง เครื่องนี้เรียกว่า แมกเนติก เซเปอเรเตอร์(magnatic separater) โดยอาศัยหลักการคุณสมบัติของแม่เหล็กดูดติดผงเหล็ก และให้แร่เหล็กที่บดแล้วเคลื่อนผ่านแม่เหล็กผงเหล็กจะดูดติด ส่วนที่ไม่ใช่เหล็กก็จะเคลื่อนที่ออกไปต่างหาก จากกรรมวิธีนี้จะได้ผงแม่เหล็กที่มีปริมาณสูงถึง 70% ซึ่งเหมาะที่จะนำไปถลุงในเตาสูง แต่การที่จะนำเอาแร่เหล็กที่มีลักษณะเป็นผงไปบรรจุในเตาถลุงจะกระทำได้ยาก เพราะว่าเหล็กที่ได้อาจจะถูกลมที่พ่นเข้ามาเผาไหม้เชื้อเพลิงเป่าหายไป ดังนั้นจึงจำเป็นที่จะต้องเอาผงเหล็กที่ได้ไปทำเป็นก้อนเสียก่อน โดยผสมกับตัวประสานแล้วอัดเป็นก้อน เรียกวิธีนี้ว่า บริเคตติ้ง (briquetting) หรือนำเอาไปเผาให้แร่เหล็กหลอมละลายบางส่วนเพื่อให้จับรวมตัวกันเป็นก้อน เรียกว่า ซินเตอริ่ง(sintering) ซึ่งนิยมทำกันมากกว่ากรรมวิธีแรก กรรมวิธีซินเตอริ่งทำโดยให้ผงเหล็กที่ผ่านการบดมาผสมกับเชื้อเพลิงที่เป็นผง ละเอียดประมาณ 4-6 เปอร์เซ็นต์ และเติมผงเหล็กออกไซต์ที่ได้จากการรีดเหล็กมิลล์สเกล(mill scale)ประมาณ25-30 เปอร์เซ็นต์ จะเกิดออกไซต์เป็นแผ่นบางๆปกติเราจะเอาออกทิ้งแต่วิธีนี้จะนำมาผสมกับแร่ เหล็ก หลังจากที่ผสมแร่เหล็กกับถ่านโค้ก และผงมิลล์สเกลแล้ว จึงนำไปเผาที่อุณหภูมิประมาณ 750-850 องศาเซลเซียส ซึ่งทำให้ถ่านโค้กเดผาไหม้ช่วยเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นอีกจนประมาณ 1300 องศาเซลเซียส ในขณะที่เผาปรากฎว่าแร่เหล็กรวมตัวกับหินหรือทราบปนมากับแร่เหล็ก และรวมตัวกับคาร์บอมอนอกไซต์ที่เกิดจากการเผาไหม้ของถ่านโค้ก ได้สารประกอบร่วมกันระหว่างเหล็กกับซิลิกอนไดออกไซต์ซึ่งเรียกเหล็กนี้ว่า เหล็กซิลิเกต หรือ ฟายาไลต์ (fayalite) มีสูตรคือ 2FeOSiO2 ปกติฟายาไลต์จะมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่า 1200 องศาเซลเซียส ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นตัวประสานให้กับผงเหล็กในขณะหลอมเหลวบางส่วน เมื่อทิ้งให้เย็นจะทำให้ผงเหล็กจับตัวกันเป็นก้อนแข็งเรียกว่าซินเตอริ่งโป รดักต์(sintering product)ซึ่งเหมาะที่จะนำไปถลุงในเตาสูง ในการทำซินเตอริ่งมีผลดีอย่างหนึ่งคือ การกำจัดกำมะถันในเหล็กดังปฎิกิริยา 3FeS+5O2 ——–> Fe3O4+3SO2 และโดยทั่วไปการทำซินเตอริ่งจะผสมพวกฟลักซ์ ได้แก่พวกหินปูนรวมเข้าไปด้วยเพื่อจะได้ลดปริมาณของฟลักซ์ที่ใช้ในเตาสูงได้ น้อยและเพิ่มประสิทธิภาพให้ฟลักซ์มากด้วยจากแร่เหล็กที่ผ่านกรรมวิธีซินเต อริ่งแลัวนำไปใส่เตาสูง

ขอบคุณที่มา:  มรภ.จันทรเกษม

picture credit: https://www.pexels.com/th-th/photo/208652/