ถลุงเหล็ก เทคโนโลยี วิธีการ วัตถุดิบ

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 14:03

แร่เหล็กได้มาด้วยวิธีปกติ: การขุดในหลุมเปิดหรือใต้ดิน และการขนส่งในภายหลังเพื่อเตรียมการเบื้องต้น โดยวัสดุจะถูกบด ล้าง และแปรรูป

แร่ถูกเทลงในเตาหลอมและเป่าด้วยลมร้อนและความร้อน ซึ่งทำให้แร่กลายเป็นเหล็กหลอมเหลว จากนั้นนำออกจากด้านล่างของเตาหลอมให้เป็นแม่พิมพ์ที่เรียกว่าสุกร ซึ่งนำไปหล่อเย็นเพื่อผลิตเหล็กสำหรับสุกร นำมาแปรรูปเป็นเหล็กดัดหรือแปรรูปเป็นเหล็กได้หลายแบบ

เหล็กคืออะไร

ตอนแรกมีเหล็ก เป็นโลหะที่พบมากที่สุดชนิดหนึ่งในเปลือกโลก สามารถพบได้เกือบทุกที่ ร่วมกับธาตุอื่นๆ ในรูปของแร่ ในยุโรป งานเหล็กมีอายุย้อนไปถึง 1700 ปีก่อนคริสตกาล

ในปี 1786 นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Berthollet, Monge และ Vandermonde ระบุอย่างแม่นยำว่าความแตกต่างระหว่างเหล็ก เหล็กหล่อ และเหล็กกล้านั้นเกิดจากปริมาณคาร์บอนที่ต่างกัน อย่างไรก็ตาม เหล็กกล้าซึ่งทำมาจากเหล็กได้กลายเป็นโลหะที่สำคัญที่สุดในการปฏิวัติอุตสาหกรรมอย่างรวดเร็ว ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 การผลิตเหล็กของโลกอยู่ที่ 28ล้านตัน - มากกว่าปี 1880 ถึง 6 เท่า ในช่วงเริ่มต้นของสงครามโลกครั้งที่ 1 มีการผลิต 85 ล้านตัน เหล็กได้เข้ามาแทนที่เหล็กแล้วเป็นเวลาหลายทศวรรษ

ปริมาณคาร์บอนส่งผลต่อคุณสมบัติของโลหะ เหล็กมีสองประเภทหลัก: โลหะผสมและไม่เจือ โลหะผสมเหล็กหมายถึงองค์ประกอบทางเคมีอื่น ๆ นอกเหนือจากคาร์บอนที่เติมลงในเหล็ก ดังนั้นจึงใช้โลหะผสมของโครเมียม 17% และนิกเกิล 8% เพื่อสร้างเหล็กกล้าไร้สนิม

ปัจจุบันมีแคตตาล็อกแบรนด์มากกว่า 3,000 รายการ (องค์ประกอบทางเคมี) ไม่นับแบรนด์ที่สร้างขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการของแต่ละบุคคล ล้วนมีส่วนทำให้เหล็กเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความท้าทายในอนาคต

วัตถุดิบทำเหล็ก: ประถมและมัธยม

การถลุงโลหะนี้โดยใช้ส่วนประกอบหลายอย่างเป็นวิธีการขุดที่พบบ่อยที่สุด วัสดุชาร์จสามารถเป็นได้ทั้งวัสดุหลักและรอง องค์ประกอบหลักของประจุตามกฎคือเหล็กหมู 55% และเศษโลหะที่เหลือ 45% Ferroalloys เหล็กหล่อที่ดัดแปลงแล้วและโลหะบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ใช้เป็นองค์ประกอบหลักของโลหะผสม ตามกฎแล้ว โลหะเหล็กทุกประเภทจัดเป็นประเภทรอง

แร่เหล็กเป็นวัตถุดิบที่สำคัญที่สุดและเป็นพื้นฐานในอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้า ต้องใช้วัสดุนี้ประมาณ 1.5 ตันในการผลิตเหล็กหมู 1 ตัน ใช้โค้กประมาณ 450 ตันในการผลิตเหล็กหมู 1 ตัน โรงเหล็กมากมายแม้แต่ถ่านก็ยังใช้

น้ำเป็นวัตถุดิบที่สำคัญสำหรับอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้า ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการดับโค้ก, การระบายความร้อนด้วยเตาหลอม, การผลิตไอน้ำที่ประตูเตาถ่านหิน, การทำงานของอุปกรณ์ไฮดรอลิกและการกำจัดน้ำเสีย ต้องใช้อากาศประมาณ 4 ตันในการผลิตเหล็ก 1 ตัน ฟลักซ์ใช้ในเตาหลอมเพื่อแยกสิ่งปลอมปนออกจากแร่ถลุง หินปูนและโดโลไมต์รวมกับสิ่งเจือปนที่สกัดออกมาเป็นตะกรัน

ทั้งเตาหลอมระเบิดและเตาเหล็กบุวัสดุทนไฟ ใช้สำหรับหันหน้าไปทางเตาเผาสำหรับถลุงแร่เหล็ก ซิลิคอนไดออกไซด์หรือทรายใช้สำหรับการขึ้นรูป โลหะที่ไม่ใช่เหล็กใช้ในการผลิตเหล็กเกรดต่างๆ: อลูมิเนียม โครเมียม โคบอลต์ ทองแดง ตะกั่ว แมงกานีส โมลิบดีนัม นิกเกิล ดีบุก ทังสเตน สังกะสี วานาเดียม ฯลฯ ในบรรดาโลหะผสมเหล็กเหล่านี้ แมงกานีสใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเหล็ก.

เศษเหล็กจากโครงสร้างโรงงานที่รื้อถอน เครื่องจักร ยานพาหนะเก่า ฯลฯ ถูกนำกลับมาใช้ใหม่และใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม

เหล็กสำหรับเหล็กกล้า

การถลุงเหล็กด้วยเหล็กหล่อนั้นพบได้บ่อยกว่าวัสดุอื่นๆ เหล็กหล่อเป็นคำที่มักหมายถึงเหล็กสีเทา อย่างไรก็ตาม เหล็กหล่อยังระบุด้วยกลุ่มเฟอโรโลหะผสมจำนวนมาก คาร์บอนประกอบด้วยน้ำหนักประมาณ 2.1 ถึง 4 % โดยน้ำหนัก ในขณะที่ซิลิคอนโดยปกติ 1 ถึง 3 % โดยน้ำหนักในโลหะผสม

การถลุงเหล็กและเหล็กกล้าเกิดขึ้นที่อุณหภูมิจุดหลอมเหลวระหว่าง 1150 ถึง 1200 องศา ซึ่งต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของเหล็กบริสุทธิ์ประมาณ 300 องศา เหล็กหล่อยังแสดงความสามารถในการไหลที่ดี การแปรรูปที่ดีเยี่ยม ทนต่อการเสียรูป ออกซิเดชัน และการหล่อ

เหล็กยังเป็นโลหะผสมของเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนที่แปรผันได้ ปริมาณคาร์บอนของเหล็กอยู่ที่ 0.2 ถึง 2.1 มวล% และเป็นวัสดุผสมที่ประหยัดที่สุดสำหรับเหล็ก การหลอมเหล็กจากเหล็กหล่อมีประโยชน์สำหรับงานวิศวกรรมและโครงสร้างที่หลากหลาย

แร่เหล็กสำหรับเหล็กกล้า

ขั้นตอนการผลิตเหล็กเริ่มต้นจากการแปรรูปแร่เหล็ก หินที่มีแร่เหล็กถูกบดขยี้ แร่ถูกขุดโดยใช้ลูกกลิ้งแม่เหล็ก แร่เหล็กเนื้อละเอียดถูกแปรรูปเป็นก้อนเนื้อหยาบเพื่อใช้ในเตาหลอม ถ่านหินถูกกลั่นในเตาอบโค้กเพื่อผลิตคาร์บอนในรูปแบบที่เกือบจะบริสุทธิ์ ส่วนผสมของแร่เหล็กและถ่านหินถูกทำให้ร้อนเพื่อผลิตเหล็กหลอมเหลวหรือเหล็กหมูซึ่งใช้ทำเหล็ก

ในเตาเผาออกซิเจนหลัก แร่เหล็กหลอมเหลวเป็นวัตถุดิบหลักและผสมกับเศษเหล็กและโลหะผสมจำนวนมากเพื่อผลิตเหล็กเกรดต่างๆ ในเตาอาร์คไฟฟ้า เศษเหล็กรีไซเคิลจะถูกหลอมเป็นเหล็กใหม่โดยตรง เหล็กประมาณ 12% ทำจากวัสดุรีไซเคิล

เทคโนโลยีการหลอม

ถลุงเป็นกระบวนการที่ได้โลหะมาในรูปของธาตุไม่ว่าจะเป็นสารประกอบธรรมดาจากแร่โดยให้ความร้อนเหนือจุดหลอมเหลว โดยปกติจะมีสารออกซิไดซ์ เช่น อากาศ หรือสารรีดิวซ์ เช่น โค้ก

ในเทคโนโลยีการผลิตเหล็ก โลหะที่รวมกับออกซิเจน เช่น เหล็กออกไซด์ จะถูกทำให้ร้อนที่อุณหภูมิสูง และออกไซด์จะเกิดร่วมกับคาร์บอนในเชื้อเพลิง ซึ่งถูกปล่อยออกมาเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์หรือคาร์บอน ไดออกไซด์สิ่งเจือปนอื่น ๆ ที่เรียกรวมกันว่าเส้นเลือด ถูกกำจัดโดยการเพิ่มกระแสที่พวกมันรวมกันเป็นตะกรัน

การผลิตเหล็กสมัยใหม่ใช้เตาหลอมแบบสะท้อนกลับ แร่และลำธารที่มีความเข้มข้น (โดยปกติคือหินปูน) จะถูกบรรจุไว้ที่ด้านบน ในขณะที่ผิวด้านที่หลอมละลาย (สารประกอบของทองแดง เหล็ก กำมะถัน และตะกรัน) จะถูกดึงมาจากด้านล่าง การอบชุบด้วยความร้อนครั้งที่สองในเตาหลอมแบบคอนเวอร์เตอร์เป็นสิ่งจำเป็นในการขจัดเหล็กออกจากพื้นผิวด้าน

วิธีผสมออกซิเจน

กระบวนการ BOF เป็นกระบวนการผลิตเหล็กชั้นนำของโลก การผลิตเหล็กแปรรูปของโลกในปี 2546 มีจำนวน 964.8 ล้านตันหรือ 63.3% ของการผลิตทั้งหมด การผลิตคอนเวอร์เตอร์เป็นสาเหตุของมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ปัญหาหลักของเรื่องนี้คือการลดการปล่อยมลพิษ การปล่อย และการลดของเสีย สาระสำคัญอยู่ที่การใช้พลังงานทุติยภูมิและทรัพยากรวัสดุ

คายความร้อนจากปฏิกิริยาออกซิเดชันในระหว่างการเป่าทิ้ง

ขั้นตอนหลักของการผลิตเหล็กโดยใช้ของเราเองหุ้น:

• เหล็กหลอมเหลว (บางครั้งเรียกว่าโลหะร้อน) จากเตาหลอมเหลว เทลงในภาชนะทนไฟขนาดใหญ่ที่เรียงรายเรียกว่าทัพพี
• โลหะในทัพพีส่งตรงไปยังขั้นตอนการผลิตหรือเตรียมเหล็กหลัก
• ออกซิเจนบริสุทธิ์สูงที่ความดัน 700-1,000 กิโลปาสกาลถูกฉีดด้วยความเร็วเหนือเสียงลงบนพื้นผิวของอ่างเหล็กผ่านหอกระบายความร้อนด้วยน้ำที่แขวนอยู่ในภาชนะและยกขึ้นเหนืออ่างไม่กี่ฟุต

การตัดสินใจก่อนการบำบัดขึ้นอยู่กับคุณภาพของโลหะร้อนและคุณภาพเหล็กขั้นสุดท้ายที่ต้องการ คอนเวอร์เตอร์ด้านล่างแบบถอดได้ตัวแรกที่สามารถถอดและซ่อมแซมได้ยังคงใช้งานอยู่ เปลี่ยนหอกที่ใช้เป่า เพื่อป้องกันการติดขัดของทวนระหว่างการเป่า ได้ใช้ปลอกคอแบบมีร่องที่มีปลายทองแดงเรียวยาว เคล็ดลับของทิปหลังจากการเผาไหม้ ให้เผา CO ที่เกิดขึ้นเมื่อเป่าเป็น CO_{2 และให้ความร้อนเพิ่มเติม ใช้ปาเป้า ลูกบอลทนไฟ และเครื่องตรวจจับตะกรันเพื่อขจัดตะกรัน}

วิธีผสมออกซิเจน: ข้อดีและข้อเสีย

ไม่ต้องใช้อุปกรณ์ฟอกก๊าซเนื่องจากการก่อตัวของฝุ่น เช่น การระเหยของเหล็ก ลดลง 3 เท่า เนื่องจากการลดลงของผลผลิตเหล็กทำให้ผลผลิตของเหล็กเหลวเพิ่มขึ้น 1.5 - 2.5% ข้อดีคือความเข้มของการเป่าในวิธีนี้จะเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้ความสามารถในการเพิ่มประสิทธิภาพของตัวแปลง 18% คุณภาพของเหล็กสูงขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิในบริเวณพื้นที่ระบายต่ำกว่า ส่งผลให้การก่อตัวของไนโตรเจนน้อยลง

ข้อบกพร่องของวิธีการถลุงเหล็กนี้ทำให้ความต้องการบริโภคลดลง เนื่องจากระดับการใช้ออกซิเจนเพิ่มขึ้น 7% เนื่องจากการบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิงที่สูง มีปริมาณไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นในโลหะรีไซเคิล ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงต้องใช้เวลาระยะหนึ่งหลังจากสิ้นสุดกระบวนการเพื่อดำเนินการกำจัดด้วยออกซิเจน ในบรรดาวิธีการทั้งหมด ตัวแปลงออกซิเจนมีการก่อตัวของตะกรันสูงสุด เหตุผลก็คือไม่สามารถตรวจสอบกระบวนการออกซิเดชันภายในอุปกรณ์ได้

วิธีเปิดเตา

กระบวนการเปิดเตาส่วนใหญ่ในศตวรรษที่ 20 เป็นส่วนหลักของการแปรรูปเหล็กทั้งหมดที่ผลิตในโลก วิลเลียม ซีเมนส์ ในยุค 1860 ค้นหาวิธีการเพิ่มอุณหภูมิในเตาหลอมโลหะ รื้อฟื้นข้อเสนอเก่าเพื่อใช้ความร้อนทิ้งที่เกิดจากเตาหลอม เขาทำให้อิฐร้อนด้วยอุณหภูมิสูง จากนั้นจึงใช้เส้นทางเดียวกันเพื่อนำอากาศเข้าสู่เตาเผา อากาศอุ่นทำให้อุณหภูมิของเปลวไฟเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ก๊าซธรรมชาติหรือน้ำมันหนักที่เป็นอะตอมใช้เป็นเชื้อเพลิง อากาศและเชื้อเพลิงถูกทำให้ร้อนก่อนการเผาไหม้ เตาหลอมเต็มไปด้วยเหล็กหมูเหลวและเศษเหล็ก พร้อมกับแร่เหล็ก หินปูน โดโลไมต์ และฟลักซ์

ตัวเตาเองทำจากวัสดุทนไฟสูง เช่น อิฐเตาแมกนีไซต์ เตาเผาแบบเปิดมีน้ำหนักมากถึง 600 ตัน และมักจะติดตั้งเป็นกลุ่ม เพื่อให้อุปกรณ์เสริมขนาดใหญ่ที่จำเป็นในการชาร์จเตาหลอมและเหล็กเหลวในกระบวนการผลิตสามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แม้ว่ากระบวนการ open hearth จะถูกแทนที่เกือบทั้งหมดในประเทศอุตสาหกรรมส่วนใหญ่โดยกระบวนการออกซิเจนขั้นพื้นฐานและเตาอาร์คไฟฟ้า แต่ก็ทำให้ประมาณ 1/6 ของการผลิตเหล็กทั้งหมดทั่วโลก

ข้อดีและข้อเสียของวิธีนี้

ข้อดีคือใช้งานง่ายและสะดวกในการผลิตโลหะผสมเหล็กพร้อมสารเติมแต่งต่างๆ ที่ทำให้วัสดุมีคุณสมบัติพิเศษที่หลากหลาย สารเติมแต่งและโลหะผสมที่จำเป็นจะถูกเติมทันทีก่อนสิ้นสุดการถลุง

ข้อเสียรวมถึงประสิทธิภาพที่ลดลงเมื่อเทียบกับวิธีการแปลงออกซิเจน นอกจากนี้ คุณภาพของเหล็กยังต่ำกว่าวิธีการถลุงโลหะอื่นๆ

วิธีการผลิตเหล็กด้วยไฟฟ้า

วิธีการถลุงเหล็กสมัยใหม่โดยใช้วัสดุสำรองของเราเองคือเตาหลอมที่ให้ความร้อนแก่วัสดุที่มีประจุด้วยอาร์คไฟฟ้า เตาหลอมอาร์คอุตสาหกรรมมีขนาดตั้งแต่หน่วยขนาดเล็กที่มีความจุประมาณหนึ่งตัน (ใช้ในโรงหล่อเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์เหล็ก) จนถึงหน่วย 400 ตันที่ใช้ในโลหะวิทยาทุติยภูมิ

เตาอาร์คที่ใช้ในห้องปฏิบัติการวิจัยอาจมีความจุเพียงไม่กี่สิบกรัม อุณหภูมิเตาหลอมอาร์คไฟฟ้าอุตสาหกรรมสามารถสูงถึง 1800 °C (3, 272 °F) ในขณะที่การติดตั้งในห้องปฏิบัติการสามารถเกิน 3000 °C (5432 °F)

เตาหลอมอาร์คแตกต่างจากเตาแม่เหล็กไฟฟ้าตรงที่วัสดุชาร์จสัมผัสกับอาร์คไฟฟ้าโดยตรง และกระแสในขั้วไฟฟ้าจะไหลผ่านวัสดุที่มีประจุ เตาอาร์คไฟฟ้าใช้สำหรับการผลิตเหล็ก ประกอบด้วยวัสดุทนไฟ มักจะระบายความร้อนด้วยน้ำ ขนาดใหญ่ หุ้มด้วยหลังคาที่หดได้

เตาอบแบ่งออกเป็นสามส่วน:

• เปลือกประกอบด้วยผนังด้านข้างและชามเหล็กด้านล่าง
• เตาประกอบด้วยวัสดุทนไฟที่ดึงโถด้านล่างออกมา
• หลังคาบุวัสดุทนไฟหรือหลังคาระบายความร้อนด้วยน้ำ สามารถทำเป็นลูกกลมหรือทรงกรวยที่ถูกตัดทอน (ส่วนทรงกรวย)

ข้อดีและข้อเสียของวิธีการ

วิธีนี้ครองตำแหน่งผู้นำในด้านการผลิตเหล็ก วิธีการถลุงเหล็กใช้เพื่อสร้างโลหะคุณภาพสูงที่ปราศจากหรือมีสิ่งเจือปนที่ไม่ต้องการจำนวนเล็กน้อย เช่น กำมะถัน ฟอสฟอรัส และออกซิเจน

ข้อดีหลักของวิธีนี้คือการใช้ไฟฟ้าเพื่อให้ความร้อน คุณจึงควบคุมอุณหภูมิการหลอมเหลวได้อย่างง่ายดายและได้อัตราการให้ความร้อนแก่โลหะอย่างเหลือเชื่อ งานอัตโนมัติจะกลายเป็นเป็นการเพิ่มโอกาสที่ยอดเยี่ยมสำหรับการแปรรูปเศษโลหะคุณภาพสูงต่างๆ

ข้อเสียคือกินไฟสูง