การผลิตเหล็กและเหล็กกล้าแบบครบวงจร

กระบวนการผลิตผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าแบบ"ครบวงจร" แบ่งกระบวนการผลิตออกได้เป็น 3 ขั้นตอนหลัก คือ การผลิตเหล็กขั้นต้น, การผลิตเหล็กขั้นกลาง, การผลิตเหล็กขั้นปลาย

ประเทศไทยในปัจจุบันยังไม่มีการผลิตในส่วนการผลิตเหล็กขั้นต้น การผลิตผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าในประเทศไทยเริ่มจากการ "ผลิตเหล็กขั้นกลาง" ได้แก่ การหลอมด้วยเตาไฟฟ้า โดยใช้เศษเหล็กเป็นวัตถุดิบ และผสมด้วยเหล็กถลุง (pig iron) เพื่อควบคุมให้ได้ส่วนผสมทางเคมีที่ต้องการ

1. การผลิตเหล็กขั้นต้น :

• สินแร่เหล็ก (Iron ore), ถ่านหิน (Coke), แก๊สธรรมชาติ
• การถลุงเหล็ก (Iron Making), เหล็กถลุงหรือเหล็กพรุน (Pig Iron, DRI)

2. การผลิตเหล็กขั้นกลาง :

• การผลิตเหล็กกล้าและหล่อเหล็ก (steel making + casting)
• เหล็กแท่งยาว (billet, bloom), เหล็กแท่งแบน (slab)
  

3. การผลิตเหล็กขั้นปลาย

• การรีด (ร้อน, เย็น) การหล่อรูปพรรณ (rolling + foundry) --> Bar, rod strural shape, coil, sheet, foundry
• การแปรรูป (forming), การเคลือบ (coating) --> Pre-stress wire, fastener, spring, pipe, coated sheet

การผลิตเหล็กขั้นต้น หรือ การถลุงเหล็ก (iron making) ประกอบด้วย

การเตรียมแร่และวัตถุดิบ เช่น การนำแร่เหล็กละเอียด (fine ore) ไปปั้นเป็นเม็ด (pelletizing) โดยประสบกับตัวประสานต่างๆเพื่อให้มีขนาดของแร่เหล็กที่เหมาะสม

การถลุงแร่ สามารถทำได้สองแบบ

1. การถลุงเหล็กในสภาวะของเหลว : เป็นการผลิตโดยให้ความร้อยกับวัตถุดิบต่างๆ จนกระทั่งวัตถุดิบทั้งหมดหลอมเหลว แล้วจึงทำการถลุงเพื่อขจัดส่ิงสกปรกต่างๆ ที่มากับแร่เหล็กออกไป โดยภายหลังถลุงเสร็จแล้วจะได้เป็นน้ำเหล็กดิบ (hot metal) ซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ 1,400 องศาเซลเซียส ทำการถ่ายน้ำเหล็กลงในแม่พิมพ์แล้วปล่อยให้เย็นตัวลงจะได้เป็นเหล็กถลุง (pig iron)
2. การถลุงเหล็กในสภาวะของแข็ง : หรือเรียกอีกอย่างว่าการผลิตเหล็กพรุน (direct reduced iron - DRI) ทำการถลุงเหล็กในสภาพที่วัตถุดิบต่างๆยังคงเป็นของแข็ง ความร้อนโดยใช้พลังงานจากถ่านหิน (Fastmet, Inmetco) หรือจากแก๊สธรรมชาติ (Midrex, Finmet) ที่ใช้ยังไม่ทำให้เกิดการหลอมเหลว และนำไปอัดเป็นก้อน จะได้เป็น Hot Briquetted Iron - HBI ซึ่งสะดวกต่อการขนส่งมากกว่า เนื่องจากจะไวต่อการติดไฟน้อย

ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกระบวนการถลุงทั้งสองแบบจะเป็นเหล็กที่มีคาร์บอนสูง (~4%) ยังไม่สามารถนำไปใช้งานได้ ต้องทำการปรับปรุงส่วนผสมทางเคมีให้เหมาะสมกับลักษณะงานก่อน โดยการปรับปรุงจะทำในกระบวนการผลิตเหล็กขั้นกลาง

การผลิตเหล็กขั้นกลาง ประกอบด้วย

การปรุง (steel making) และการหล่อ (casting) เหล็กกล้าออกมาเป็นผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูป (semi-finished products) มีเทคโนโลยีในการผลิตสองประเภท คือ การปรุงส่วนผสมโดยใช้เตา BOF - Basic Oxygen Furnace และ การปรุงส่วนผสมโดยใช้เตาอาร์คไฟฟ้า EAF - Electric Arc Furnace

ประเทศไทยในปัจจุบันยังมีเพียงเตาหลอมแบบอาร์คไฟฟ้าเท่านั้น โดยใช้วัตถุดิบที่เป็นเศษเหล็ก เนื่องจากยังไม่มีการผลิตเหล็กขั้นต้นในประเทศ

1. การปรุงส่วนผสมโดยใช้เตา BOF วัตถุดิบหลักที่ใช้คือน้ำเหล็กดิบ (hot metal) และใช้เศษเหล็กเป็นตัวควบคุมอุณหภูมิในการหลอมไม่ให้สูงมากเกินไป อาศัยความร้อนในการปรุงที่มากจากปฏิกิริยาทางเคมีหว่างก๊าซออกซิเจนที่เป่าลงไปในเตาหลอมกับธาตุต่างๆ ที่อยู่ในน้ำเหล็กดิบ เช่น คาร์บอน ฟอสฟอรัส ซิลิกอน ฯลฯ
2. การปรุงส่วนผสมโดยใช้เตาอาร์คไฟฟ้า EAF วัตถุดิบหลักเป็นเศษเหล็ก (steel scrap) ให้เหล็กถลุงหรือเหล็กพรุนเป็นตัวผสมเพื่อควบคุมให้ได้ส่วนผสมทางเคมีตามต้องการ ใช้พลังงานไฟฟ้าในการหลอม เหล็กกล้าที่หลอมได้จะถูกนำไปผ่านเข้าสู่กระบวนการหล่อ เพื่อให้ได้เป็นผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูป เช่น เหล็กแท่งเล็ก (billet), เหล็กแท่งแบน (slab), เหล็กแท่งใหญ่ ( bloom) และสามารถนำไปแปรรูปต่อโดยกระบวนการทางกลและความร้อน ง่ายที่สุดคือการรีด ซึ่งเป็นการเปลี่ยนโครงสร้างจุภาคภายในเนื้อเหล็ก จากโดครงสร้างหล่อที่เปราะ ให้เป็นโครงสร้างที่ละเอียด มีความแข็งแรงและเหนียวเพิ่มขึ้น

การผลิตเหล็กขั้นปลาย ประกอบด้วย

ขั้นตอนการแปรูปเหล็กกล้าที่ได้จากการหล่อเพื่อให้ได้รูปร่างและขนาดที่ต้องการเช่น การแปรรูปร้อน การแปรรูปเย็น การขึ้นรูปแบบต่างๆ รวมถึงการเคลือบ และการหล่อรูปพรรณ (foundry) เพื่อทำเป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จหรือกึ่งสำเร็จต่างๆ