การถลุงเหล็ก

      เหล็กเป็นโลหะที่สำคัญและใช้มากกว่าโลหะชนิดอื่น ๆ ทั่วโลกผลิตเหล็กประมาณร้อยละ ๙๖ ของโลหะทั้งหมดโดยเฉลี่ยในแต่ละปี การผลิตเหล็กเป็นอุตสาหกรรมเริ่มประมาณพุทธศตวรรษที่ ๙ แต่ยังมีอุปสรรคในการผลิตและไม่สามารถผลิตเหล็กได้ครั้งละมาก ๆ ยุคเหล็ก (Iron Age) จึงเริ่มต้นอย่างจริงจังในพุทธศตวรรษที่ ๒๐ ซึ่งมีการถลุงเหล็กจากแร่เหล็กโดยใช้เตาถลุงแบบพ่นลม (blast furnace) เชื้อเพลิงที่ใช้ในตอนแรกคือ ถ่านไม้ ต่อมาใช้ถ่านหิน (coal) ปัจจุบันนี้ใช้ถ่านโค้ก (coke) แทนถ่านหินเหล็กที่ผลิตได้ ในช่วงพุทธศตวรรษที่ ๒๐ เป็นเหล็กคุณภาพไม่ดีนักส่วนใหญ่อยู่ในรูปของเหล็กถลุง (pig iron) แม้จะเป็นเหล็กคุณภาพไม่ดีแต่ก็มีผู้นิยมนำไปใช้ประโยชน์เพราะมีคุณสมบัติดีกว่าโลหะอื่น ๆ

      ในพุทธศตวรรษที่ ๒๓ เซอร์ เฮนรี เบสเซเมอร์ (Sir Henry Bessemer, ค.ศ. ๑๘๑๓-๑๘๙๓ วิศวกรชาวอังกฤษ) พบวิธีทำเหล็กถลุงให้มีคุณสมบัติดีขึ้นเรียกว่า เหล็กกล้า (steel) ซึ่งสามารถชุบเพิ่มความแข็งได้และมีคุณสมบัติอื่น ๆ ดีมาก การค้นพบของเซอร์ เฮนรี เบสเซเมอร์ ทำให้สามารถผลิตเหล็กกล้าได้อย่างรวดเร็วครั้งละมาก ๆ และประหยัดถือได้ว่าเป็นการปฏิวัติอุตสาหกรรมผลิตเหล็ก

แร่เหล็กมีหลายชนิดแต่ละชนิดมีส่วนประกอบแตกต่างออกไป แร่เหล็กมีกระจัดกระจายเกือบทั่วโลกแต่แร่เหล็กที่มีคุณภาพดี มีจำนวนเนื้อแร่สูงและมีปริมาณแร่มากพอที่จะใช้ผลิตเหล็กได้มีอยู่ไม่มากแห่งนักชนิดของแร่เหล็กมีดังนี้คือ

      ๑. แร่ฮีมาไทต์ (hematite) เป็นแร่ที่เหมาะจะใช้ถลุงเหล็ก เหล็กของแร่นี้อยู่ในรูปของออกไซด์มีสูตรทางเคมีว่า Fe₂O₃ เป็นแร่เหล็กที่มีสีแดง มีเหล็กประมาณร้อยละ ๗๐ พบมากในประเทศสหรัฐอเมริกา สหภาพโซเวียต ออสเตรเลีย

      ๒. แร่แมกนีไทต์ (magnetite) เป็นแร่ที่เหมาะจะใช้ถลุงเหล็กเช่นเดียวกับแร่ฮีมาไทต์ มีสูตรทางเคมีว่า Fe₃O₄ มีสีดำและมีเหล็กประมาณร้อยละ ๗๒-๗๓ พบมากในประเทศสหรัฐอเมริกา สวีเดน และประเทศจีน
      ๓. แร่ซิเดอไรด์ (siderite) เป็นแร่สีน้ำตาลมีจำนวนเนื้อแร่ต่ำและเหล็กอยู่ในรูปของคาร์บอเนตมีสูตรทางเคมีว่า FeCO₃ มีเหล็กประมาณร้อยละ ๔๗-๔๙ ไม่ค่อยนิยมนำไปถลุงเพราะมีปริมาณเหล็กต่ำ แร่ชนิดนี้พบมากในประเทศสหรัฐอเมริกา สหราชอาณาจักร และเยอรมัน    

        ๔. แร่ไลมอไนต์ (limonite) แร่ ชนิดนี้มีสีน้ำตาล เหล็กในแร่รวมตัวเป็นสารประกอบในรูปของออกไซด์มีสูตรทางเคมีว่า Fe₂O₃ X(H₂O) มีเหล็กประมาณร้อยละ ๖๐-๖๕ พบมากในประเทศสหรัฐอเมริกา ฝรั่งเศส

      ๕. แร่ไพไรต์ (pyrite) เหล็กในแร่อยู่ในรูปของซัลไฟด์มีสูตรว่า FeS₂ มีสีน้ำตาล มีเหล็กประมาณร้อยละ ๖๐ เนื่องจากเหล็กอยู่ในรูปของซัลไฟด์จึงไม่นิยมนำไปถลุงเพราะกำมะถันที่อยู่ในแร่ทำให้เหล็กที่ถลุงได้มีกำมะถันปนกลายเป็นเหล็กที่เปราะ 

      ในประเทศไทยเท่าที่สำรวจพบแร่เหล็กอยู่หลายบริเวณ เช่น แหล่งแร่เหล็กเขาทับควาย จังหวัดลพบุรี อำเภอเชียงคาน จังหวัดเลย อำเภอเมือง จังหวัดเลย เขาอึมครึม จังหวัดกาญจนบุรี เขาเหล็ก จังหวัดนครศรีธรรมราช แร่ที่พบส่วนใหญ่เป็นแร่ฮีมาไทต์และแมกนีไทต์ปริมาณแร่บางแห่งพอที่จะทำเป็นอุตสาหกรรมถลุงเหล็กหรืออุตสาหกรรมผลิตเหล็กได้แต่ยังขาดเงินลงทุนเพราะอุตสาหกรรมถลุงเหล็กเป็นอุตสาหกรรมที่ใช้เงินลงทุนสูง 

ในอุตสาหกรรมผลิตเหล็ก การผลิตแบ่งออกได้ ๒ วิธีใหญ่ ๆ ด้วยกันคือ 

      ๑. การถลุงเหล็กจากแร่เหล็กโดยตรง การถลุงแบ่งออกเป็นวิธีย่อย ๒ วิธีคือ การถลุงเหล็กถลุงโดยใช้เตาถลุงแบบพ่นลมและการถลุงเหล็ก ถลุงด้วยวิธีลดออกซิเจนโดยตรง (direct reduction) การผลิตด้วยวิธีหลังนี้เหมาะกับแหล่งที่มีก๊าซธรรมชาติอยู่เป็นจำนวนมาก 

      ๒. การผลิตเหล็กโดยนำเศษเหล็กมาหลอมละลายใหม่ในเตาไฟฟ้า การผลิตเหล็กโดยวิธีนี้ไม่ต้องใช้แร่เหล็ก

การถลุงเหล็กด้วยเตาถลุงแบบพ่นลม 

      จากแร่เหล็กเราจะถลุงให้เป็นเหล็กถลุงก่อนด้วยการใช้เตาถลุงแบบพ่นลมซึ่งมีลักษณะเป็นปล่องสูง  มีเส้นผ่านศูนย์กลาง ๖-๑๒ เมตร สูง ๔๐-๖๐ เมตร ตอนล่างป่องแล้วเล็กลงตรงใกล้ฐานตัวเตา ภายนอกจะทำด้วยเหล็กแผ่นส่วนภายในจะบุด้วยอิฐทนไฟชนิดต่าง ๆ เรียงตามอุณหภูมิ ตอนบนของเตาจะมีรถเลื่อนลำเลียงสินแร่เหล็กและหินปูนพร้อมทั้งถ่านโค้กที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงลงบรรจุเตาจากเบื้องบน เบื้องล่างจะมีรูเป่าให้อากาศผ่านเข้าไปเพื่อเผาไหม้ถ่านหิน กาก และของสกปรกต่าง ๆ จะถูกแยกออกมาทางช่องด้านล่างของเตาก่อนที่จะเทเอาเหล็กที่หลอมละลายออก เหล็กที่ได้ เรียกว่าเหล็กถลุง ซึ่งจะยังใช้ทำประโยชน์อะไรไม่ได้เนื่องจากเปราะทั้งนี้เพราะมีสารบางชนิดที่เรียกว่า สารไม่บริสุทธิ์ เช่น ฟอสฟอรัส กำมะถัน ซิลิคอน เจือปนอยู่มาก และปริมาณของคาร์บอนในเหล็กถลุงยังสูงถึงร้อยละ ๔ จึงต้องนำไปทำเป็นเหล็กกล้าหรือเหล็กหล่อหรือจะพูดได้อีกนัยหนึ่งว่า วัตถุดิบในการผลิตเหล็กกล้า เหล็กหล่อ หรือเหล็กผสมอื่น ๆ ก็คือเหล็กถลุงนั่นเอง กำลังผลิตเหล็กถลุงของเตาถลุงแบบพ่นลมมีประมาณ ๕๐๐-๒,๐๐๐ ตันต่อวันต่อเตา โดยสิ้นเปลืองถ่านหินเฉลี่ย ๐.๖ ตันต่อเหล็กถลุง ๑ ตัน

ปฏิกิริยาที่เกิดในเตาเป็นปฏิกิริยาลดออกซิเจน ดังนี้ 

การถลุงเหล็กด้วยวิธีลดออกซิเจนโดยตรง 

      การถลุงแร่เหล็กด้วยวิธีลดออกซิเจนโดยตรงเกิดขึ้นก่อนการถลุงด้วยเตาถลุงแบบพ่นลม ปัจจุบันมีปริมาณเหล็กถลุงที่ผลิตโดยวิธีนี้ไม่เกินร้อยละ ๒ ของปริมาณเหล็กถลุงทั้งหมดในโลก เม็กซิโกเป็นประเทศที่ผลิตมากที่สุด มีโรงงานหลายโรงที่มีกำลังผลิตเหล็กถลุงวันละ ๔๕๐ ตัน เหล็กถลุงที่ผลิตได้จากวิธีนี้มีลักษณะเป็นเม็ดเล็ก ๆ เมื่อขยายดูจะเห็นเป็นรูพรุนโดยรอบลักษณะคล้ายรูที่เกิดขึ้นในฟองน้ำจึงมักเรียกว่า เหล็กพรุน (sponge iron) การผลิตเหล็กพรุนแตกต่างจากการผลิตเหล็กถลุงโดยใช้เตาถลุงแบบพ่นลม คือ ต้องบดแร่เหล็กให้ละเอียดขนาด ๑๑.๕ มิลลิเมตร เชื้อเพลิงที่ใช้โดยทั่วไปคือก๊าซมีเทนซึ่งแยกออกจากก๊าซธรรมชาติหรือก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์กับก๊าซไฮโดรเจน ก๊าซเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิงให้เกิดความร้อนสูงและทำให้เกิดปฏิกิริยาลดออกซิเจน 

      แร่เหล็กที่บดแล้วจะไหลเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ (reactor) ก๊าซที่ได้จากหอความร้อน (heating tower) จะไหลเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ทำปฏิกิริยากับแร่เหล็กได้เป็นเหล็กพรุนออกมา แร่เหล็กต้องทำปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์นานประมาณ ๑๐-๑๔ ชั่วโมง แร่เหล็ก ๑๐๐ ตันจะได้เหล็กพรุน ๖๐-๖๕ ตัน เหล็กพรุน ๑ ตัน ต้องใช้ก๊าซมีเทน ๗๖๐-๘๐๐ ลูกบาศก์เมตร เหล็กพรุนจะมีปริมาณกำมะถันต่ำกว่าเหล็กถลุงที่ได้จากเตาถลุงแบบพ่นลม เพราะกำมะถันในแร่เหล็กถูกกำจัดโดยปฏิกิริยาการลดออกซิเจนเหล็กพรุนที่ได้นี้จะนำไปทำเป็นเหล็กกล้าต่อไป 

      การผลิตเหล็กพรุนเหมาะกับแหล่งที่มีก๊าซธรรมชาติหรือคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นปริมาณมาก ประเทศไทยมีโครงการที่จะผลิตเหล็กพรุนโดยใช้ก๊าซธรรมชาติที่พบในอ่าวไทยโดยโครงการนี้มีแผน จะตั้งโรงงานในบริเวณนิคมอุตสาหกรรมชายฝั่งทะเลตะวันออก