Please enable JavaScript.
Coggle requires JavaScript to display documents.
บทที่ 3 กระบวนการผลิตโลหะกลุ่มเหล็กและโลหะนอกกลุ่มเหล็ก - Coggle Diagram
บทที่ 3
กระบวนการผลิตโลหะกลุ่มเหล็กและโลหะนอกกลุ่มเหล็ก
3.1กระบวนการผลิตโลหะกลุ่มเหล็ก
1.1 เตาหลอมสำหรับการผลิตโลหะเหล็ก
1.1.1 Basic oxygen furnace (BOF)
ใช้เหล็กดิบหลอมเหลวเป็นวัตถุดิบเหล็ก
โดยจะใช้ประมาณ65-80%ที่เหลือจะใช้เศษเหล็ก
เริ่มจากนำเอาเศษเหล็กใส่เข้าไปในเตาจากนั้นนำเหล็กดิบใส่ตามไป
จากนั้นทำการเป่าแก็สออกซิเจนเข้ามาภายในเตาจนกระทั้งนำเหล็กเดือด จากนั้นทำการเติมหินปูนเพื่อท่ีจาการขจัดสิ่งสกปรกท่ีเจือปน มา เช่น ฟอสฟอรัส และซัลเฟอร์
จากน้ันทำการตรวจสอบส่วนผสมของน้ำเหล็ก เมื่อได้ตามที่ต้องการแลเวก็จะทำการเทใส่เบ้าและเติมส่วนผสมต่างๆตามที่ต้องการจากนั้นก็จะทำการเคลื่อนที่ เบ้าเพื่อนำน้ำเหล็กไปเทเข้าในแม่พิมพ์โดยที่ชนิดของเหล็กที่ได้จะเป็นเหล็กกล้า
1.1.2 เตาไฟฟ้า (Electric furnace)
วัตถุดิบท่ีใช้ในการหลอมด้วยเตาชนิดน้ีได้แก่เหล็กดิบและเศษเหล็กจะถูกบรรจุเข้าใน เตาจากทางด้านบน การหลอมด้วยเตาชนิดน้ีจะต้องมีการระมัด ระวังในการเลือกใช้เศษเหล็กที่จะเติมเข้าไป ดังนั้น ในบางกรณีอาจจึงต้องมีการใช้เหล็กดิบถึง 98% จึงทำให้สามารถที่จะทำการผลิต เหล็กเกรดต่างๆ
– The acid lined furnace โดยพื้นของก้นเตาจะบุด้วย Ganister และที่ผนัง ด้านข้างจะเป็น อิฐซิลิการ ซึ่งเตาชนิดน้ีจะเหมาะกับการผลิตเหล็กกล้า คาร์บอนต่ำและเหล็กกล้าผสมคาร์บอนต่ำ
– Thebasic-linedfurnaceโดยพื้นของก้นเตาจะบุด้วย แมกนีไซด์ (Magnetite) และที่ผนังด้านข้างจะเป็นอิฐ แมกนีไซด์ และอลูมินา เตาชนิดน้ีจะสามารถทำการควบคุมปริมาณของฟอสฟอรัส ซัลเฟอร์ และ ควบคุมอุณหภูมิและส่วนผสมได้ดีเหมาะกับการผลิตเหล็กกล้าและเหล็ก กล้าผสมเกรดต่าง
1.1.3 เตากระทะ (Open-hearth furnace)
บางคร้ังเตาชนิดน้ีจะถูกเรียกว่า Reverberatory โดยทางฝั่งด้านข้างของทั้ง2ด้าน จะมีห้องอุ่นลมและแก๊ส (Regenerative Chambers) ซึ่งจะทำให้การเผ่าไหม้และการควบคุมอุณหภูมิ ในขณะทำการหลอมเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ เตาชนิดน้ีจะมีทั้งที่บุผนังเตาด้วยวัสดุที่เป็นกรด และด่างโดยทั่วไปมากกว่า90%จะเป็นชนิดที่เป็นด่าง(Basicopen-heartfurnace)ซึ่งจะใช้วัสดุ พวกแมกนีไซด์ (Magnesite)
1.1.4 เตาคิวโปลา (Cupola)
เตาคิวโปลาเหมาะสาหรับการผลิตเหล็กหล่อ โดยเตาชนิดน้ีเป็นเตาที่มีโครงสร้างอย่างง่ายและใช้ง่ายประกอบด้วยปลอกเหล็กเหนียวรูปทรงกระบอกวางในแนวต้ัง มีอิฐทนไฟบุอยู่ ภายใน ดังน้ันจึงทำให้เสียค่าใช้จ่ายในการดำเนินการต่ำ นอกจากน้ียังมีข้อดีคือ หลอมละลาย ติดต่อกันได้นาย และสามารถทำให้มีอัตราการหลอมละลายสูงได้ รวมทั้งสามารถปรับส่วนผสม (Chemical composition) ได้มาก
1.2 เบ้าหลอมสาหรับการปรับสมบัติ (Refining furnaces and vesseis)
1.2.2 เตาหลอมแบบเหนี่ยวนำ (Induction furnace)
เตาหลอมแบบเหนี่ยวนำนอกจากจะใช้ในการปรับปรุงสมบัติของเหล็ก (Refining) ยังสามารถหลอมเหล็กได้อีกด้วย ซึ่งจะจัดอยู่ในกลุ่มของเตาไฟฟ้า (Electric induction furnace) โดย เตาหลอมชนิดน้ีจะใช้พลังงานความร้อนจากการเหนี่ยวนำของกระแสไฟฟ้าที่มีความถี่สูง (ประมาณ 10,000 Hz) จากขดลวดที่อยู่โดยรอบเบ้านั้นจึงไม่เกิดปัญหาเรื่องของสารมลทินที่เกิด จากการเผาไหม้เข้าไปรวมตัวกับเหล็กที่หลอมละลาย
1.2.1 เตาหลอมแบบเบ้า (Crucible)
เป็นกระบวนการที่เก่าแก่ที่สุดสาหรับการผลิตเหล็กมีลักษณะเป็นเบ้าที่ทำมาจากกราไฟต์ และดินเหนียว จะแตกหักง่ายแต่เมื่อได้รับความร้อนจะมีความแข็งแรง เพิ่มมากข้ึนในปัจจุบันนี้กระบวนการน้ีได้ถูกนำมานิยมใช้กับการผลิตโลหะนอกกลุ่มเพิ่มมากข้ึน
1.2.3 เตาหลอมแบบสุญญากาศ (Vacuum furnace)
เตาหลอมชนิดน้ีต้องทำ ให้บรรยากาศสุญญากาศ ดังนั้นออกซิเจนหรือไอนำ้จะไม่สามารถเข้าไปทำปฏิกิริยากับเหล็กหลอม ละลายที่อยู่ภายในเตาได้ซึ่งทำให้การควบคุมความบริสุทธ์ิและส่วนผสมเป็นไปได้โดยง่าย
1.3การจำแนกประเภทของโลหะเหล็ก(Classificationofferrousmetals)
1.3.1 เหล็กกล้า (Steel)
เหล็กกล้าคาร์บอน (Plain carbon steels)
เป็นเหล็กกล้าที่มีธาตุคาร์บอนทำหน้าที่เป็นธาตุผสม (Alloy) หลักดังนั้นความแข็งและความแข็งแรงของเหล็กล้าคาร์บอนจะข้ึนอยู่กับเปอร์เซ็นต์คาร์บอนที่ผสมอยู่
– เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (Low carbon steels) คือเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนผสม อยู่น้อยกว่า0.2% เช่นโลหะแผ่นที่ใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ และรางรถไฟ
– เหล็กล้าคาร์บอนสูง (High carbon steels) คือ เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนผสม อยู่มากกว่า0.5%ใช้ในงานที่ต้องการความแข็งแรงและความสูงเช่นสปริงเครื่องมือตัดและชิ้นส่วนที่ต้องการทนต่อการสึกหรอ
เหล็กกล้าผสมต่ำ(Lowalloysteels)
เหล็กกล้าคาร์บอนที่มีส่วนผสมของธาตุอื่นๆ รวมแล้วไม่เกิน 5% โดยน้ำหนัก เพื่อทำให้ได้สมบัติที่ดีข้ึนเมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าคาร์บอน
ธาตุผสมนิยมนำมา เติมเพื่อให้ได้สมบัติตามต้องการคือ
– โครเมี่ยม (Cr) เพื่อเพิ่มความแข็งการทนต่อการสึกหรอ
– แมงกานีส(Mn)เพื่อเพิ่มความแข็งความแข็งแรง
– โมลิบดิมั่ม (Mo)เพิ่มความเหนียว
– นิเกิล(Nl)เพิ่มความแข็งแรงและความเหนียว
เหล็กกล้าไร้สนิม(Stainlesssteels
จัดเป็นกลุ่มเหล็กกล้าผสมที่มีการผสมธาตุต่างๆ มากกว่า 5% โดยน้ำหนักเพื่อที่จะให้มีคุณลักษณะพิเศษคือ ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี
– เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก (Austenitic stainless steel) มีสมบัติความเหนียวสูง ทนต่อการกัดกร่อนไดีดีและไม่มีสมบัติความ เหนียวสูง ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี และไม่มีสมบัติเป็นแม่เหล็กเหมาะกับการนำไปใช้งานใน อุตสาหกรรมอาหาร เคมี และชิ้นส่วนเครื่องจักรที่ต้องทนต่อการกัดกร่อน
– เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติก (Ferritic stainless steel) เหล็กกล้าไร้สนิมชนิด น้ีไม่สามารถทำการปรับปรุงคุณสมบัติด้วยวิธีการทางความร้อนได้ แต่ความเหนียวและการทนต่อการกัดกร่อนจะน้อยกว่า เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตไนต์นิยมใช้นำมาผลิตอุปกรณ์เครื่องครัวเช่นAISI430และAISI405
– เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก (Martensitic stainless steel) สามารถทำการปรับปรุงสมบัติด้วยวิธีทางความร้อนได้ มีความแข็งแรงสูง ต้านทานการล้าได้ดี เน้ือเหนียวทนต่อการกัดกร่อนได้น้อยกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอร์ไรด์และออสเตไนต์ นิยมนำมาผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น AISI416 และ AISI440
เหล็กกล้าเครื่องมือ (Tool steels)
จัดอยู่ในกลุ่มเหล็กกล้าผสมที่มีการผสม ธาตุต่างๆมากกว่า5%เพื่อให้ได้คุณลักษณะพิเศษสำหรับใช้านอุตสาหกรรมการตัดโลหะการทำแม่พิมพ์พลาสติกและแม่พิมพ์โลหะ ซึ่งต้องการความแข็งแรง ความแข็ง การทนต่อการกัดกร่อน ความเหนียวที่เพิ่มข้ึน รวมทั้งความสามารถในการปรับปรุงสมบัติโดยวิธีทางความร้อน
1.3.2 เหล็กหล่อ (Cast iron)
ประกอบด้วยธาตุคาร์บอนประมาณ 2.1-4.0% และธาตุซิลิกอนประมาณ 1- 3% เนื่องจากมีธาตุคาร์บอนผสมอยู่ในเน้ือเหล็กหล่อมีคุณสมบัติเปราะ แตกหักได้ง่าย
เหล็กหล่อเทา (Gray cast iron) เป็นเหล็กหล่อที่มีปริมาณการใช้มากที่สุด ในกลุ่มเหล็กหล่อ มีคุณสมบัติในด้านการรับแรงสั่นสะเทือนไดีดีและมีสมบัติการหล่อลื่นที่ดี
เหล็กหล่อขาว(Whitecastiron)มีปริมาณธาตุคาร์บอนและซิลิกอนน้อยกว่าเหล็กหล่อสีเทาและมีสมบัติความแข็งแรงสูงความแข็งสูงแต่เปราะ
เหล็กหล่ออบเหนียว(Malleableiron)ได้จากการนำเหล็กหล่อขาวมาผ่าน กรรมวิธีทางความร้อน โดยทำการอบอ่อน (Annealing) ที่อุณหภูมิ 815-1010 องศา เป็นเวลา 3-4 วัน ซึ่งจะได้เหล็กที่มีความเหนียวเพิ่มมากข้ึน
เหล็กหล่อเหนียว(DuctileironหรือNodulariron)มีชื่อเรียกอีกชื่อหน่ึงว่าเหล็กหล่อกราไฟต์กลม (Nodular iron) ซึ่งจะส่งผลทำให้ได้สมบัติความเหนียวและความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนที่ดีข้ึน
3.2กระบวนการผลิตโลหะนอกกลุ่มเหล็ก
2.1 กระบวนการผลิตอลูมิเนียม (Production of aluminum)
นำแร่บอกไซต์ที่ผ่านการอบแห้งแล้วมาบดให้เป็นผง แล้วละลายในโซเดียมไฮดรอกไซต์ภายใต้ ความถนัดสูงซึ่งจะทำให้ได้โซเดียมอลูมิเนต จากนั้นลดความดันลงภายหลังจากที่ปฏิกิริยาสิ้นสุด ก็จะได้น้ำอลูมินาที่อยู่ในรูปของโซเดียมมลูมิเนต
จากน้ันนำผลึกที่ได้ไปเผาที่ อุณหภูมิสูงกว่า 980 องศา ก็จะทำให้ได้อนามีน จากนั้นนำอลูมินาบริสุทธ์ิที่ได้ไปเผ่า โดยกระบวนการ แยกโลหะด้วยไฟฟ้า (Electrolytic process) จะได้โลหะอลูมิเนียมบริสุทธ์ิ
หลังจากน้ันจะนำไป ปรับปรุงโดยการเติมธาตุต่างๆ
ข้ึนอยู่กับวัตถุประสงค์การใช้งานต่อไป สำหรับการหลอมละลายโลหะอลูมิเนียม จะนิยมใช้เตาเบ้าในการหลอมละลาย
ใส่อลูมิเนียมใหม่และโลหะที่เป็นส่วนผสมที่ต้องการ ควรตัดโลหะออกเป็นชิ้นเล็กๆ แล้วทำให้ร้อนในขั้นตอนแรกเสียก่อนเพื่อให้ละลายรวดเร็วและลดการสูญเสีย
เมื่อโลหะในเตาเริ่มละลายก็เติมฟลักซ์คลุมเพื่อกันไม่ให้เกิดการทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและไม่ให้น้ำโลหะดูดแก๊สจากบรรยากาศ โดยต้องกวนน้ำโลหะบ่อยพอเพื่อให้โลหะ ผสมกันสม่ำเสมอ
จากนั้นจึงนำน้ำโลหะอลูมิเนียมท่ีได้ไปทำการเทใส่แม่พิมพ์ตามท่ีต้องการ
2.2 กระบวนการผลิตแมกนีเซียม (Production of magnesium)
น้ำทะเลมาทำปฏิกิริยากับปูนขาวที่ได้จากการเผาเปลือกหอยนางรมหรือหอยมุกแมกนีเซียมที่ปนอยู่ในน้ำทะเลจะทำปฏิกิริยากับปูนขาวได้เป็นแมกนีเซียมไฮเดรต (Magnesium hydrate)
ปล่อยให้ตกตะกอนในถังตกตะกอนออกมาและนำไปทำปฏิกิริยากับกรดไฮดรอคลอริก (Hydrochloric acid) ก็จะได้ตะกอนที่มีลักษณะเหมือน้ำแป้ง
3.จากน้ันนำไปทำการแยกโดยการนำไปกรองเอาตะกอนออกมาและนำมาทำปฏิกิริยากับกรดไฮดรอคลอริกก็จะได้เป็นแมกนีเซียม คลอไรด์
4.จากนั้นนำไปกรองและอบแห้งแล้วนำไปผ่านกระบวนการแยก โลหะด้วยไฟฟ้า ก็จะได้โลหะแมกนีเซียม และแก๊สคลอรีน โดยโลหะแมกนีเซียมจะถูกนำไปหล่อ เป็นแท่ง
2.3 กระบวนการผลิตทองแดง (Production of copper)
1.นำแร่ทองแดงแคลโลคอปิไรต์ประกอบด้วยสารประกอบหลัก2ชนิด คือ Cu2S และ CuFeS2 นำมาบดแล้วผสมคลุกเค้ากับปูนขาวและซิลิกา ผสมจากน้ันนำไปอบ
จากนั้นนำส่วนผสมน้ีไปหลอมรวม กับหินปูนในเตากระทะ สารประกอบที่มีเหล็กผสมอยู่ส่วนใหญ่จะถูก กำจัดออกไปในรูปของสแลค
นำไปผ่านกระบวนการแยกโลหะด้วยไฟฟ้า อีกคร้ังหน่ึงซึ่งจะทำให้ได้โลหะทองแดงที่มีความบริสุทธ์ิ 98-99 % แต่เน้ือโลหะที่ได้จะมีลักษณะเป็นฟอง
นำผ่านกระบวนการแยกโลหะด้วยไฟฟ้าอีกคร้ังหน่ึงซึ่งก็จะ ทำให้ได้ทองแดงที่มีความบริสุทธ์ิสูงข้ึน
2.4 กระบวนการผลิตตะกั่ว(Production of lead)
นำแร่ตะกั่วที่ผ่านการอบเพื่อไล่สารซัลไฟด์ออกมาผสมกับหินปูน แร่เหล็ก และทรายคลุกเคล้าให้เข้ากันโดยใช้เครื่องผสมแล้วจึงตำไปเผา
จากนั้นนำไปทำให้หลอมละลายในเตาถลุง ที่ใช้ถ่านโค้กเป็นเชื้อเพลิงหลอมเหลวผสมที่ได้จากเตาถลุงส่วนที่ลอยอยู่ ด้านบนจะเป็นส่วนที่มีทองแดงผสมอยู่ซึ่งจะถูกนาไปต้มรวมกับกำมะถันในหม้อต้มเพื่อแยก ทองแดงออกมา
นำสังกะสีมาเติมเพื่อให้เงินกับทองคาที่มีอยู่ละลายปะปนออกไปกับสังกะสี หลังจากน้ันนำของหลอมเหลวที่ได้ไปผ่านภาชนะสุญญากาศที่มี ความร้อนซึ่งจะทำให้สังกะสีที่หลงเหลือยู่กลายเป็นไอแยกตัวออกไปจากของเหลว
ของเหลวจะถูก ส่งลงไปต้มในหม้อเพื่อจัดการสารมลทินที่หลงเหลืออยู่เป็นขั้นตอนสุดท้ายก็จะได้โลหะตะกั่วที่จะนำไปหล่อเป็นแท่งต่อไป