เตาถลุงเหล็กดิบ
เตาสูง
ส่วนประกอบของเตาสูง
การบรรจุวัตถุดิบในเตา
ผลผลิตที่ได้จากเตาสูง
การถลุงสินแร่เหล็ก
ที่อุณหภูมิต่ำ
เตาสูง (Blast Furnace)
    มีลักษณะเป็นปล่องสูงเรียวขึ้นไปจนถึงปากปล่อง ส่วนตรงกลางเตาจะป่องและค่อยๆเรียวลงมายังก้นเตา เปลือกนอกของเตาหุ้มด้วยเหล็กแผ่น ผนังภายในของเตาเรียงด้วยอิฐทนไฟชนิดต่างๆ ตามช่วงของความร้อนภายในเตาภายในผนังเตายังมีระบบน้ำหล่อเย็นเดินไว้ด้วย เพื่อควบคุมอุณหภูมิภายในเตาไม่ให้ร้อนจนเกินไปและมีท่อลมเป่าเข้าบริเวณท่อนกลางของเตา ซึ่งเป็นบริเวณหลอมละลายของเหล็ก ลมที่เป่าเข้าไปจะเป็นลมร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิในการหลอม และช่วยประหยัดเชื้อเพลิง ขนาดของเตาสูงโดยทั่วไป มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 10-20 เมตร ความสูงโดยประมาณ 30 เมตร ทำงานติดต่อกัน ตลอดเวลา 24 ชั่วโมง ราว 10 ปี จึงมีการหยุดเพื่อซ่อมแซมครั้งหนึ่ง
เตาสูง (Blast Furnace)
ส่วนประกอบของเตาสูง
1. ฐานเตา (Foundation)
    เป็นส่วนที่รองรับน้ำหนักของเตาทั้งหมด ทำด้วยคอนกรีตเสริมเหล็ก ส่วนที่เป็นฐานรากจะต้องตอกเสาเข็มคอนกรีตอัดแรงเพื่อป้องกันพื้นทรุด เนื่องจากขณะทำการถลุงจะมีน้ำหนักของต้วเตาเองแล้ว ยังต้องรวมของวัตถุดิบที่ใส่ลงไปในเตา และน้ำหนักเหล็กดิบที่กำลังหลอมละลายอีกด้วย
2. ก้นเตา (Hearth)
    เป็นส่วนรองรับน้ำหนักเหล็กดิบที่หลอมละลายแล้ว ซึ่งจะก่อด้วยอิฐทนไฟเรียงเป็นชั้นๆ ดังนั้นตัวอิฐจะต้องมีความสามารถทนความร้อนได้สูง ที่บริเวณก้นเตานี้ยังมีรูสำหรับเจาะเอาน้ำเหล็กออก ถัดสูงจากรูเจาะสำหรับเอาน้ำเหล็กออกแต่อยู่คนละข้างของเตา จะมรรูเจาะอีกรูหนึ่ง สำหรับระบายขี้ตะกรัน (Slsg)     สาเหตุที่ต้องเจาะรูระบายขี้ตะกรันให้สูงกว่าเพราะขี้ตะกรันเบากว่าน้ำเหล็ก และลอยอยู่บนผิวหน้าของน้ำเหล็ก ดังนั้น ขี้ตะกรันจะถูกระบายออกก่อนน้ำเหล็ก เหนือรูทั้งสองขึ้นไปจะมีช่องสำหรับมองดูการหลอมละลายและดูระดับน้ำเหล็ก
3. ส่วนหลอมละลาย (Bosh)
    เป็นบริเวณหลอมละลายของวัตถุดิบที่ใส่ลงไปในเตา หรือ บริเวณสิ้นสุดของ
ปฏิกริยาการเผาไหม้ภายในเตา ซึ่งบริเวณที่เกิดความร้อนสูงสุดภายในเตา ดังนั้นบริเวณนี้จะต้องเรียงด้วยอิฐทนไฟที่ทนความร้อนได้มากที่สุดของเตา ทางส่วนช่วงลาดของเตาจะมีรูลม (Tuyeres) อยู่รอบๆเตา มีจำนวนหลายรูที่รับลมร้อนมาจากท่อใหญ่อีกทีหนึ่ง
4. ปล่องเตา (Stack)
    คือบริเวณส่วนที่เรียงอยู่ถัดสูงขึ้นมาจากบริเวณหลอมละลาย ภายในเตาบริเวณนี้เป็นบริเวณช่วงกำลังเกิดปฏิกริยาต่างๆ และเป็นช่วงอุ่นตัวของวัตถุดิบ ดังนั้น บริเวณนี้จะมีอุณหภูมิต่ำกว่าช่วงล่าง สามารถเรียงด้วยอิฐทนไฟชนิดทนความร้อนได้ปานกลางได้
5. ส่วนบนเตา (Top)
    เป็นบริเวณบรรจุวัตถุดิบต่างๆ ลงในเตา ส่วนบนของเตาจะมีฝาปิดซึ่งมีลักษณะเป็นกรวย 2 ชั้น เพ่อป้องกันไม่ให้แก๊สในเตารั่วออก ขณะบรรจุวัตถุดิบจะเปิดกรวยชั้นแรกก่อน แล้วเติมวัตถุดิบลงไปแล้วปิด จากนั้นจึงเปิดกรวยที่อยู่ข้างล่างวัตถุดิบก็จะหล่นลงไปในปล่องเตา นอกจากนี้ ส่วนบนของเตายังประกอบด้วยท่อทางออกของแก๊สร้อนที่ได้จากการถลุง เพื่อนำไปเป็นเชื้อเพลิงในการอุ่นลมที่จะป้อนเข้าเตา
6.อุปกรณ์ลำเลียง (Charging Apparatus)
    ประกอบด้วยรถลำเลียง (Skip Car) หรืออาจเป็นสายพานลำเลียง (Convayer)
เพื่อลำเลียงวัตถุดิบ เช่น แร่เหล็ก ,ถ่านโค้ก ,หินปูน ,เศษเหล็ก เป็นต้น
7.เตาเผาลมและอุปกรณ์พ่นลม (Chequer Chamber and Blower)
    เป็นส่วนที่แยกออกต่างหากจากเตาสูง มีลักษณะเป็นทรงกระบอกสูง ส่วนบนสุดโค้งเป็นครึ่งวงกลม ภายในเรียงด้วยอิฐทนไฟสลับกันเป็นชั้นๆ หลายแถว แก๊สร้อนจะเข้าทางด้านล่างของอิฐทนไฟ ทำการเผาอิฐทนไฟจนร้อนแดง เมื่ออิฐร้อนแดงจนได้ที่แล้วช่องแก๊สร้อนเข้าจะถูกปิด จากนั้นจะเปิดปั้มลมเพื่อปั้มลมเข้าเตา ลมจะวิ่งผ่านอิฐที่ร้อนแดงและจะนำเอาความร้อนไปด้วย กลายเป็นลมร้อนผ่านเข้าไปในท่อวงแหวนซึ่งมีท่อเล็กๆต่อแยกไปยังรูต่างๆ ที่อยู่ในบริเวณส่วนหลอมละลาย
    เตาสูง (Blast Furnace) สำหรับถลุงเหล็กดิบ 1 เตา จะมีเตาอุ่นลมอยู่ประมาณ 2-3 เตาขึ้นไป
เพื่อใช้ในการสับเปลี่ยนหมุนเวียนทำให้เกิดลมร้อนอย่างต่อเนื่อง

การบรรจุวัตถุดิบในเตา
    การบรรจุวัตถุดิบในเตานั้น จะใส่ผสมรวมๆกันไปด้วยกันไม่ได้ จะต้องใส่เป็นชั้นๆตามชนิดของวัตถุดิบ เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพของปฏิกริยาในการหลอมละลายมากที่สุด
ชั้นของวัตถุดิบที่ใส่ลงในเตา
เรียงลำดับจากก้นเตาขึ้นมาถึงส่วนบนของเตา
    ชั้นที่ 1 ถ่านโค้ก ตอนที่เริ่มจุดเตาเพื่อถลุงเหล็กนั้น ต้องใสถ่านโค้กก่อนเพื่อให้เป็นเชื้อเพลิง ทำให้เกิดปฏิกริยาภายในเตา
    ชั้นที่ 2 หินปูน เมื่อถ่านโค้กติดไฟแล้วจะเกิดความร้อน ซึ่งจะทำให้หินปูนสลายตัวรอผสมกับสิ่งสกปรกที่จะเกิดขึ้นภายในเตา
    ชั้นที่ 3 เศษเหล็ก สำหรับชั้นนี้ในบางเตาอาจไม่ใช้ ถ้าเป็นเช้านี้ให้ใส่ชั้นต่อไปได้เลย
    ชั้นที่ 4 สินแร่เหล็ก จะต้องผ่านการเตรียมให้มีขนาดตามต้องการ คือก้อนโตประมาณ 10 – 15 มม.

ผลผลิตที่ได้จากเตาสูง
1.เหล็กดิบ (Pig lron)
    ผลผลิตที่สำคัญซึ่งได้จากการถลุงแร่ในเตาสูง ได้แก่เหล็กดิบ แต่เหล็กดิบที่ได้จากเตานั้นมีหลายประเภท ขึ้นอยู่กับชนิดของแร่เหล็กและวัตถุดิบที่ใส่เข้าไป

ชนิดของเหล็กดิบ มีดังนี้
    1)เหล็กดิบสีเทา (Grey Pig lron) เป็นเหล็กดิบที่มีซิลิกอนผสมอยู่มาก ซิลิกอนเป็นตัวช่วยแยกคาร์บอนในเหล็กดิบออกมาอยู่ในรูปการาไฟด์ (Garphite) หรือ คาร์บอน ดังนั้นถ้านำเหล็กดิบสีเทามาหักดูเนื้อในจะเห็นรอยหักเป็นเม็ดเล็กๆสีเทา เหล็กดิบสีเทานิยมเอาไปถลุงอีกครั้งเพื่อให้ได้เป็นเหล็กหล่อสีเทา (Grey Cast lron) ต่อไป
    2) เหล็กดิบสีขาว (White Pig lron) เป็นเหล็กดิบที่ส่วนประกอบของแมงกานีสอยู่มาก คาร์บอนจะรวมตัวกับเหล็กในรูปของซีเมนไตท์ (Cementite) เมื่อสังเกตดูรอยหักจะเป็นเนื้อละเอียดขาว เหล็กดิบสีขาวนี้นิยมนำไปถลุงและผ่านกรรมวิธีต่างๆเพื่อให้ได้เป็นเหล็กกล้าที่จะนำมาใช้งานต่อไป

2. ขี้ตะกรัน (Slag)
    เป็นสิ่งสกปรกที่อยู่ในสินแร่เหล็ก ซึ่งถูกกำจัดโดยหินปูน ขี้ตะกรันที่ได้จากเตาสูงจะมีเนื้อละเอียด ใช้เป็นส่วนผสมในการทำปูนซีเมนต์ และเป็นวัตถุดิบอย่างหนึ่งสำหรับผลิตใยหิน ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นฉนวนป้องกันความร้อน และเป็นกันความร้อน และเป็นฉนวนป้องกันเสียงได้ดี

3.แก๊สร้อน (Hot Gas) ที่ได้จากเตาสูงในการผลิตเหล็กดิบจำนวน 1 ตัน มีส่วนผสมดังนี้
    CO2 = 18.5 %
    CO = 23.4 %
    H2 = 0.2 %
    N2 = 53.1 %
    H2O = 4.8 %
    
    ช่วงต่างๆของอุณหภูมิที่เกิดปฏิกริยาภายในเตามีดังนี้
1. ช่วงให้ความร้อนล่วงหน้าหรือช่วงอุ่น (Preheating Zone) อุณหภูมิประมาณ 200 - 300 °C
ความชื้นหรือน้ำกลายเป็นไอ กำมะถันส่วนหนึ่งถูกไหม้เป็นก๊าซ
2. ช่วงลดออกซิเจน (Reduction Zone) อุณหมิประมาณ 600 - 800 °C ก๊าซออกซิเจน รวมตัวกับ
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
3. ช่วงเติมคาร์บอนของถ่านโค้ก (Carburirgation Zone) อุณหภูมิประมาณ 1,000 – 1,100 °C
เป็นช่วงที่ถ่านโค้กรวมตัวกับก๊าซออกซิเจน
4.ช่วงหลอมละลาย (Meltion Zone) อุณหภูมิประมาณ 1,400 – 1,600 °C ได้เหล็กคาร์ไบด์กับ
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

การถลุงสินแร่เหล็กที่อุณหภูมิต่ำ
    การถลุงเหล็กอีกวิธีหนึ่งคือการถลุงที่อุณหภูมิต่ำ (Direct Reduction) โดยการนำเหล็กแร่ ก๊าซธรรมชาติ หรือถ่านโค้ก เพื่อให้ความร้อน อุณหภูมิที่ใช้ถลุงประมาณ 1,000 °C ซึ่งเป็นอุณหภูมิต่ำไม่ทำให้เหล็กหลอมตัวได้ ผลผลิตที่ได้จึงอยู่ในสภาวะของแข็งมีลักษณะเป็นรูพรุน เรียกว่า เหล็กพรุน (Sponge iron) ก่อนนำไปใช้งานต้องผ่านกระบวนการเหมือนเหล็กดิบ
 
แสดงกระบวนการถลุงเหล็กโดยใช้อุณหภูมิต่ำ
    เหล็กกล้าที่ผ่านการถลุงและกระบวนการกำจัดสารมลทินมาแล้ว จะได้เหล็กดิสีเทาซึ่งก่อนที่จะนำไปผลิตเป็นเหล็กกล้า (Steel) และเหล็กหล่อ (Cast iron) จะต้องมีการศึกษาคุณสมบัติและคุณลักษณะเฉพาะของเหล็กทั้ง 2 ให้ละเอียด ซึ่งมีข้อแตกต่างดังตาราง
เหล็กกล้า(เหล็กเหนียว)
เหล็กหล่อ
1.ปริมาณคาร์บอนน้อยกว่า 2%
2.มีสารมลทินปนอยู่น้อย
3.รับแรงอัดได้ไม่ดี
4.รับแรงดึงได้ดี
5.จุดหลอมเหลวสูง (ป 1,536 ฐC)
6.ผิวละเอียด
7.ดีดสปริงหรือโค้งงอได้
8.เมื่อเผาให้ร้อนจะอ่อนตัว
9.ผงเหล็กจะแหลม ตะไบยาก
10.การรวมตัวของคาร์บอนจะแทรกอยู่
ในเนื้อเหล็ก		 1.ปริมาณคาร์บอนมากกว่า 2 %
2.มีสารมลทินปนอยู่มาก
3.รับแรงอัดได้ดี
4.รับแรงดึงได้ไม่ดี
5.จุดหลอมเหลวสูง (ป 1,150-1,250 ฐC)
6.ผิวหยาบ
7.ดีดสปริงหรือโค้งงอไม่ได้
8.เมื่อเผาให้ร้อนจะยุบตัว
9.ผงเหล็กมีสีดำ ทู่ ตะไบง่าย
10.การรวมตัวของคาร์บอนจะอยู่ในรูปของ กราไฟต์ คือการแยกเป็นอิสระ
 
     ปริมาณของธาตุคาร์บอน มีความสำคัญที่สุดที่ใช้ผสมลงในเหล็ก ซึ่งถ้าผสมลงไป
เพียง 0.1% ก็จะสามารถเพิ่มความเค้น ความต้านทานแรงดึง ความสามารถในการตัดเฉือนและการเชื่อมและคุณสมบัติอื่นๆได้ระดับหนึ่ง แต่ถ้าผสมลงไปมากกว่า 2% ก็จะมีผลทำให้มีการแปรรูปได้ยากขึ้น เช่น การขึ้นรูปวัสดุ การเชื่อม การแปรรูปวัสดุแบบคายเศษและไม่คายเศษ เพระามีความแข็งสูงขึ้นและความเปราะมากขึ้น
     ดังนั้น ธาตุคาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็กกล้าคาร์บอน (Steel) จึงมีอิทธิพลอย่างมากใน
การศึกษา คุณสมบัติของวัสดุทางด้านการผลิตและพฤติกรรมของวัสดุก่อนนำมาใช้งานมีดังนี้

คุณสมบัติของเหล็กกล้าคาร์บอนที่เพิ่มขึ้น มีดังนี้
1. ความต้านทานแรงดึง
2. ความแข็ง
3. ความเค้นคราก
4. การชุบแข็ง
5. ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงประมาณ 400 ฐC
6. ความสามารถในการเพิ่มความแข็งแรงด้วยการขึ้นรูปเย็น
7. ความเค้นล้าจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย โดยการชุบแข็ง

คุณสมบัติของเหล็กกล้าคาร์บอนที่ลดลงเล็กน้อย มีดังนี้
1. ความยืดตัว
2. ความต้านทานแรงกระแทก
3. ความสามารถในการขึ้นรูปเย็น
4. ความสามารถในการขึ้นรูปลึก
5. ความสามารถในการตีขึ้นรูป
6. ความสามารถในการเชื่อมแบบความต้านทาน
7. ความสามารถในการเชื่อมแบบหลอมละลาย
TOP