กระบวนการการผลิตเหล็ก และการผลิตเหล็กกล้า ในประเทศไทย

กระบวนการการผลิตเหล็กและเหล็กกล้าในประเทศไทยนั้นจะทำการผลิตเริ่มต้นจากขั้นกลาง คือขั้นตอนของการหลอมและการหล่อ

1. การแต่งแร่และการถลุง

การแต่งแร่หมายถึง การนำสินแร่ไปแปรสภาพโดยทำให้แร่มีคุณสมบัติและขนาดที่เหมาะสมต่อการนำไปถลุง เริ่มต้นจากการแยกเหล็กออกจากสิ่งแปลกปลอมอื่นๆ ซึ่งการแยกเหล็กนั้นมีกระบวนการที่หลากหลาย ได้แก่ วิธีการนำแร่มาบดให้ละเอียดเพื่อแยกเหล็ก อาจทำการแยกโดยการอาศัยค่าความแตกต่างของความถ่วงจำเพาะ (Float) หรือใช้แม่เหล็กในการแยก (Magnetic separation) แร่ที่ได้จากการแยกจะมีขนาดที่ค่อนข้างละเอียดจึงต้องทำให้แร่เหล่านั้นเป็นก้อน (Agglomeration) ก่อนนำเข้าเตาถลุง

การถลุงเหล็ก หมายถึง การกำจัดสิ่งเจือปนที่อยู่ในแร่เหล็กออกไปเพื่อให้เหล็กมีความบริสุทธิ์เพิ่มมากขึ้น และมีเปอร์เซ็นต์ความเป็นเหล็กสูงขึ้น

2. การหลอมและการปรุงส่วนผสม

การหลอมเหล็ก หมายถึง การนำเหล็กพรุน เหล็กถลุง (Pig iron) หรือเศษเหล็ก มาให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงประมาณ 1600 °C เพื่อทำให้เหล็กหลอมเหลว ในขั้นตอนการหลอมเหล็กของการผลิตเหล็กกล้านี้ เป็นขั้นตอนที่จะต้องทำการลดปริมาณคาร์บอนและฟอสฟอรัสโดยวิธีการออกซิเดชั่น และปรับปรุงส่วนประกอบทางเคมีของเหล็กโดยการเติมสารประกอบต่างๆ เพื่อทำการลดปริมาณสารเจือปน หรือ Slag ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสารประกอบออกไซด์ ซิลิเกตของธาตุต่างๆ ที่จะแยกตัวจากน้ำโลหะ ขั้นตอนดังกล่าวทำให้ผู้ผลิตสามารถได้เหล็กที่มีคุณสมบัติตามต้องการ

3. การหล่อ

การหล่อเหล็ก หมายถึง การเทเหล็กลงในแบบเพื่อทำให้เหล็กแข็งตัวเป็นรูปร่างต่างๆ โดยเหล็กที่จะสามารถนำมาหล่อได้ต้องผ่านขั้นตอนการหลอมเหลวและปรุงแต่งส่วนผสมมาเรียบร้อยแล้ว

ซึ่งการหล่อสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภท

1. Ingot casting คือ การหล่อเหล็กเป็นแท่งโลหะ (Ingot) โดยวิธีการนี้น้ำเหล็กกล้าหลอมเหลวจะถูกเทลงแบบหล่อที่ไม่มีการเคลื่อนไหว (Stationary mold)
2. Continuous casting หรือ การหล่อแบบต่อเนื่อง คือ การหล่อเหล็กเป็นผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จ ได้แก่ Billet, Bloom หรือ Slab โดยการนำน้ำเหล็กหลอมเหลวไหลผ่านแบบหล่อ (Mold) อย่างต่อเนื่องจนแข็งตัว ซึ่งผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จที่ได้นี้สามารถตัดแต่งและนำไปแปรรูปต่อไปได้

เนื่องจากวิธีการหล่อแบบต่อเนื่องสามารถทำการปรับปรุงคุณภาพของเหล็กได้แล้วยังช่วยเพิ่มความสามารถในการผลิต เพิ่มประสิทธิภาพของการลงทุน  และสามารถนำไปสู่การเพิ่มสัดส่วนผลผลิตที่ได้รับ (Yield) การหล่อแบบต่อเนื่องจึงเป็นวิธีที่ได้รับความนิยมเป็นอย่างมากในปัจจุบัน

4. การแปรรูป

การแปรรูป หมายถึง การนำเหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการหลอมมาทำให้ได้ขนาดและรูปร่างที่ต้องการโดยการแปรรูป มากกว่านั้นกระบวนการแปรรูปยังเป็นการนำเหล็กกล้ามาทำการปรับปรุงคุณสมบัติเชิงผลิตภัณฑ์อีกด้วย โดยการแปรรูปสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ การแปรรูปร้อนและการแปรรูปเย็น

การนำผลิตภัณฑ์เหล็กไปผ่านกระบวนการของอุตสาหกรรมต่อเนื่อง เพื่อทำการผลิตผลิตภัณฑ์ให้มีความหลากหลายและเหมาะสมต่อการใช้งาน ผลิตภัณฑ์เหล็กเหล่านั้นจะต้องผ่านขั้นตอนการแปรรูปก่อน แล้วจึงจะสามารถนำไปผ่านกระบวนการอุตสาหกรรมได้ ตัวอย่างเช่น ถังความดัน วัสดุก่อสร้าง คอนเทนเนอร์ ชิ้นส่วนยานยนต์ ท่อ ไฟฟ้าและเครื่องจักรกล เป็นต้น

ในส่วนของเหล็กแผ่นที่ผ่านการรีดร้อนมาแล้วนั้น สามารถนำไปใช้งานโดยตรงได้บางประเภท   แต่หากต้องการเหล็กแผ่นที่มีขนาดบางกว่าสามารถทำได้โดยการนำไปรีดเย็นเพื่อลดขนาดและเพื่อให้ได้ความหนาตามที่ต้องการต่อไป ซึ่งการรีดเย็นยังมีประโยชน์สำหรับแผ่นเหล็กในด้านอื่นๆ อีกด้วย ได้แก่การรีดเพื่อปรับปรุงคุณภาพผิว เพื่อให้ได้ความหนาที่น้อยกว่าเหล็กแผ่นรีดร้อน เพื่อให้ได้คุณสมบัติเชิงกลตามต้องการ และเพื่อควบคุมให้ความคลาดเคลื่อนของความหนาต่ำ

เนื่องจากการรีดเย็นมีค่าใช้จ่ายที่ค่อนข้างสูงกว่าการรีดร้อน ดังนั้นส่วนมากในการทำการผลิตเหล็กแผ่นบางจึงมีกระบวนการเริ่มจากการนำเหล็กไปรีดร้อนให้ได้ขนาดค่าหนึ่งก่อน หลังจากนั้นจึงค่อยทำการรีดเย็นต่อไป

การทดสอบส่วนผสมทางเคมีของเหล็ก (Chemical Composition Testing)

1. ทดสอบโดยใช้กรรมวิธีทางเคมี

กรรมวิธีทางเคมี สามารถทำการทดสอบได้โดยการนำตัวอย่างชิ้นงานมาย่อยจากนั้นนำเศษหรือผงที่ถูกย่อยมาทำละลายด้วยสารเคมี แล้วจึงนำสารละลายที่ได้ไปทดสอบตามกรรมวิธีการทดสอบของแต่ละธาตุ โดยวิธีการดังกล่าวเป็นวิธีทดสอบที่ให้ผลแม่นยำมากที่สุด

2. การทดสอบโดยใช้เครื่องทดสอบ

เป็นวิธีการการทดสอบด้วยเครื่อง Spectrometer ที่สามารถทดสอบธาตุต่างๆ ตามต้องการได้พร้อมกัน โดยเครื่องดังกล่าวจะทำงานโดยการตรวจจับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการใช้กระแสไฟฟ้ากระตุ้นให้อะตอมปล่อยรังสีคลื่นออกมา แล้วประมวลผลออกมาเป็นเปอร์เซ็นต์และชนิดของธาตุส่วนผสมแต่ละตัว ซึ่งเป็นวิธีทดสอบที่สามารถทำได้ง่าย สะดวกและรวดเร็วกว่ากรรมวิธีทางเคมี

การทดสอบโครงสร้างภายใน (Metallography)

การทดสอบโครงสร้างภายในคือ การทดสอบขนาดและรูปร่างของเกรนและผลึก (Grain & Crystallites) ภายในเหล็ก

การทดสอบคุณสมบัติทางกล (Mechanical Properties)

1. การทดสอบแรงดึง (Tensile Test)

เป็นการทดสอบเพื่อหาค่าความแข็งแรงของวัสดุ (Tensile Strength)

2. การทดสอบการดัดโค้ง (Bend Test)

เป็นการทดสอบคุณสมบัติของวัสดุในการยืดออกได้ และการถูกดึงออกได้ในช่วงของการเสียรูปถาวร (Plastic deformation) ด้วยการตรวจสอบความเหนียว (Ductility)

3. การทดสอบแรงกระแทก (Impact Test)

เป็นวิธีการทดสอบความสามารถของวัสดุในการรับพลังงานไว้โดยที่ไม่เกิดการแตกหักหรืออาจเรียกได้ว่าเป็นการทดสอบ ความแกร่ง (Toughness) ของวัสดุ

4. การทดสอบความแข็ง (Hardness)

ทำการทดสอบโดยการ นำหัวกดรูปร่างต่างๆ มากดลงบนผิวของชิ้นงานด้วยแรงขนาดหนึ่ง ซึ่งหัวกดที่ใช้จะขึ้นอยู่กับวัสดุและวิธีการทดสอบ ได้แก่ หัวทรงกลมและทรงกรวย จากนั้นเครื่องจะพิจารณาจากแรงที่ใช้ ขนาดของหัวกด และรอยบุ๋มที่เกิดขึ้นจากแรงกด เพื่อทำการคิดคำนวณและบันทึกค่าความแข็งของวัสดุ โดยวิธี Rockwell และ Brinell เป็นวิธีทดสอบที่ได้รับความนิยมมากที่สุด