Chapter1 introduction metallurgy

ENGINEERING METALLURGY

อาจารยส์เุนตร มูลทาINDUSTRIAL ENGINEERING (PTWIT)

2064317โลหะวทิยาวศิวกรรม

www.sunetr.iepathumwan.com

เกณฑ์การให้คะแนน

บทที่ 1Introduction to Engineering Metallurgy

2064317

ENGINEERING METALLURGYLECTURER: M_SUNETR

What’s cause this ship to fracture ?

1. กระบวนการผลิต2. คณุสมบติัของวสัดุ3. การใชง้าน

Introduction to Engineering Metallurgy

วชิาโลหะวทิยา เป็นวชิาท่ีวา่ด้วยกระบวนการผลิต

โลหะ ต้ังแต่การถลงุ กระบวนการอบชุบ ตลอดจนความเสยีหายท่ีเกิดขึน้กับโลหะหลังจากใชง้านแล้ว

โดยมวีตัถปุระสงค์ เพื่อให้เราทราบสาเหตุของความเสยีหายและทราบขอ้มูลท่ีจำาเป็นต่อการปรบัปรุงระบวนการผลิตให้ดียิง่ขึน้

กระบวนการผลิตแรโ่ลหะ- แรโ่ลหะเหล็ก- แรโ่ลหะนอกกลุ่มเหล็ก เชน่ - ดีบุก (Tin)

- ตะกัว่ (Lead)- ทองแดง (Copper)- อลมูเินียม (Aluminium)- แมกนีเซยีม (Magnesium)

แรโ่ลหะเหล็ก1. การแต่งแร่ คือ การแปรสภาพสนิแรใ่ห้ได้

ขนาดและคณุสมบติัท่ีเหมาะสมต่อการถลงุ เริม่ด้วย การบดแรใ่ห้ละเอียดเพื่อแยกเหล็กจากมลทิน จากนัน้

จะทำาการแยกแรด้่วยวธิต่ีางๆ ดังนี้- แยกโดยอาศัยความถ่วงเฉพาะท่ีต่างกัน

(Float)- แยกด้วยแมเ่หล็ก (Magnetic separation)

ซึง่แรท่ี่ได้จะละเอียดเกินไป ต้องทำาให้เป็นก้อน(Agglomeration)

ดังรูปท่ี 1 ก่อนป้อนเขา้เตาถลงุ เพื่อความสะดวกในการลำาเลียง

แรท่ี่เป็นวตัถดิุบในการผลิตเหล็กมกัจะอยูใ่น รูปของ ออกไซด์, คารบ์อเนต, ซลิิเกต และ ซลัไฟด์ มี

คณุสมบติัแมเ่หล็ก ได้แก่

- Magnetite (Fe3O4) จะมเีหล็กอยูป่ระมาณ70%

- Hematite (Fe3O3) จะมเีหล็กอยูป่ระมาณ70%

- Siderite (FeCO3) จะมเีหล็กอยูป่ระมาณ60%

- Pyrite (FeS2) จะมเีหล็กอยูป่ระมาณ45%

- Limonite (HFeO2) จะมเีหล็กอยูป่ระมาณ35%Magnetite Hematite Pyrite Siderite Limonite

2. การถลงุเหล็ก คือ การแปรสภาพแรเ่หล็กให้มี ความบรสิทุธิเ์พิม่ขึน้ (%เหล็กเพิม่ขึน้) โดยการขจดัสิง่

เจอืปนต่างๆออกจากแรเ่หล็ก

- “จะทำาในเตาถลงุท่ีมอุีณหภมูสิงู เรยีกวา่ Blast furnace” ท่ีทำาขึน้จากเหล็กกล้า และหุ้มด้วยอิฐทนความรอ้น

สงู โดยบรเิวณด้านล่างจะมชีอ่งให้อากาศไหลเขา้- เชื้อเพลิงท่ีใชใ้นกระบวนการน้ีคือ ถ่านหิน- จะมกีารใช้ flux คือ หินปูน CaO หรอื CaCO3 ในการ

คลมุผิวหน้านำ้าเหล็ก และเพื่อไล่แกส

เหล็กดิบเหลวท่ีได้จะมปีรมิาณธาตุเจอืปนดังน้ี•คารบ์อน∼3.5%• ∼∼ 2%,• ∼∼ 1.5%,•ซลัเฟอร∼์1%• ฟอสฟอรสั ∼1%

3. การหลอมและการปรุงสว่นผสม และ การหลอมเหล็ก คือ การให้ความรอ้นแก่ เหล็กถลงุ (Pig iron) เหล็กพรุน

หรอืเศษเหล็ก ทำาให้เหล็กหลอมเหลวท่ีอุณหภมูปิระมาณ1600°C ในเตาหลอมท่ีมหีลายแบบ

- มกีารใส่ ปูนขาว ท่ีชอ่งด้านบนของเตา เพื่อ “ปรบัปรุงสว่นผสม เพื่อให้เกิดกระบวนการ Oxidation”

จะทำาให้เหล็กมคีวามบรสิทุธิเ์พิม่มากยิง่ขึน้ คือประมาณ90%Fe

- สำาหรบัเหล็กหล่อ จะทำาในเตาท่ีเรยีกวา่“Cupola”

เตาหลอม:FURNACE1. The basic open-hearth furnace

เป็นเตาท่ีนิยมใชใ้นการผลิตเหล็กกล้าคารบ์อนธรรมดา• เตาจะมลีักษณะอ่างต้ืน หลังคาตำ่า เวลาเผาจะวางเศษเหล็กท่ีก้นอ่างแล้วเผาโดยใชเ้ปลวไฟเผาจากด้านบนให้หลอมท่ีละขา้ง

2. The Basic oxygen furnace

กระบวนการน้ีจะจะรวมนำ้าเหล็กจากเศษเหล็กและ เหล็กถลงุเหลวในเตาทรงสงู แล้วทำาการเป่า oxygen เขา้ไปในเตาด้วยความเรว็สงู เพื่อให้เกิดการเผาไหม้

และปฏิกิรยิาในการกำาจดัธาตเุจอืปน เป็นเตาท่ีมปีระสทิธภิาพสงู

3. The electric arc furnace

• เป็นเตาท่ีใชไ้ฟฟา้โดยมอิีเลคโตรดเหน่ียวนำาใหโ้ลหะหลอมเหลว “โดย Radiation”

• นิยมใชใ้นการผลิตเหล็กกล้าผสมสงู เหล็กกล้าเครื่องมอื เหล็กกล้าไรส้นิม เป็นต้น

• เตามลัีกษณะเป็นเหล็กกล้าทรงกลมหุม้ด้านในด้วยอิฐทนไฟสามารถเอียงเพื่อท่ีจะเทนำ้าโลหะได้

แรโ่ลหะนอกกลุ่มเหล็ก1. ดีบุก (TIN)

- แรท่ี่ใชผ้ลิตดีบุก คือ Cassiterite, SnO3 พบมากในเอเชยีตะวนัออกเฉียงใต้

- เราเพยีงล้างแร่ SnO3 ท่ีมลีักษณะเป็นผงด้วยนำ้า ก็จะได้แร่SnO3 ท่ีสะอาด และสามารถนำาไปถลงุท่ีอุณหภมูปิระมาณ1200°C เพื่อกำาจดัคารบ์อน

- จากนัน้จงึทำาการแยกดีบุกออกจากสิง่สกปรกอ่ืนๆ อีกด้วย การหลอมท่ีอุณหภมูติำ่า

ในอ่างท่ีมคีวามชนั เพื่อแยกดีบุกท่ีมจุีดหลอมเหลวตำ่าออกจากสารท่ีมจุีดลอมเหลว สงูกวา่ได้- จากนัน้จงึทำาการหลอมอีกครัง้ท่ีอุณหภมูสิงูและกวนเพื่อให้สารท่ีมคีวามไวต่ออกซิ เจนทำาปฏิกิรยิาและลอยขึน้มา ( ดีบุกมค่ีา affinity ตำ่าจงึรวมกับออกซเิจนได้ยาก) หลังจากกระบวนการนี้ เราจะได้ดีบุกท่ีมคีวามบรสิทุธิถึ์ง99%

Cassiterite

2. ตะกัว่ (Lead)

- แรท่ี่นำามาถลงุ คือ Galena, (PbS) พบมากในอเมรกิา, ออสเตรเลีย, สเปน, เมก ซโิก และเยอรมนันี

- กระบวนการผลิตโดยการเพิม่ความเขม้ขน้ของตะกัว่ในแร่ และนำามาเผาเพื่อให้ เกิดออกไซด์ ( เพื่อแยก Pb ออกจาก PbS) และจะมสีารมลทิน เชน่ FeS2 อยูด้่วย

- จากนัน้ทำาการลดคารบ์อน และเผาใน blast furnace ท่ีอุณหภมู9ิ00°C- จากนัน้ทำาใหม้คีวามบรสิทุธิส์งูขึ้นด้วยการเผาในอากาศท่ี 400°C และกวนเพื่อ

ใหอ้อกไซด์ต่างๆ ลอยขึ้นมาท่ีผิวด้านบน และทำาการแยกแรเ่งินออก

3. ทองแดง (Copper)

- แรท่ี่นิยมนำามาถลงุ คือ copper sulphide, Cu2S ซึง่มกัจะมสีารมลทินคือ FeS2 บนอยูอ่นขา้งมาก- เราจงึต้องแยกเหล็กออกด้วยการเผา (Roasting), กระบวนการ oxidation ตาม

ด้วยการใช้ flux- ทองแดงเหลวจะถกูทำาให้บรสิทุธิเ์พิม่ขึน้ด้วยการเติมไมเ้นื้อแขง็ลงไป เพื่อ

กำาจดักาซออกซเิจน มเิชน่นัน้แล้วโลหะทองแดงจะเปราะเนื่องจากการเกิด Cu2O “ทองแดงท่ีได้จะเรยีกวา่ Tough-pitch copper”

- สว่นโลหะทองแดงท่ีต้องการความบรสิทุธิส์งู เชน่งานด้านไฟฟา้และอิเลคทรอ นิกส์ จะใชอี้กวธิกีารหน่ึงคือการใชว้ธิทีางเคมไีฟฟา้ ดังรูปท่ี 5

4. อลมูเินียม (Aluminium)

- แรท่ี่นิยมนำามาถลงุ เรยีกวา่ Bauxite (Hydrated aluminiumoxide, Al2O3) ท่ีพบมากใน อเมรกิาเหนือ, จาไมก้า, ยุโรปและ รสัเซยี- กระบวนการทางเคมใีนการแยกอลมูเินียอออกไซด์เรยีกวา่ “Bayer process” โดยการละลายออกไซด์ใน กรดคอสติก

ภายใต้ความดัน และอุณหภมูิ จะได้ Pure aluminiumoxide มี ความบรสิทุธิป์ระมาณ 99.4%

- จากนัน้จะทำาการหลอม และผ่านกระบวนการไฟฟา้เคมเีพื่อดึง

“อะตอมของธาตอุลมูเินียมมารวมกัน เรยีกวา่ Hall Process” ดังรูปท่ี 6 อลมูเินียมท่ีได้จากกระบวนการนี้จะมคีวามบรสิทุธิ์

99.5-99.9percent aluminium

5. แมกนีเซยีม (Magnesium)

- แรท่ี่นิยมนำามาเป็นวตัถดิุบ คือ magnesite(MgCO3), dolomite (MgCO3), brucite(MgO.H2O), carnallite(MgCl2.KCl.6H2O) และนำ้าทะเล- นิยมใชก้ระบวนการ Dow chemical electrolytic process โดยใช้ คลอไรด์ เป็น

อิเลคโตรไลท์ และใชค้ลอรนีเป็นขัว้บวก จะได้แมกนีเซยีมบรสิทุธิ์ 99.9%- วธิี Elektronprocess เริม่ด้วยการบดผง คือ magnesite(MgCO3) หรอื dolomite (MgCO3) ให้เป็นผง และทำาให้อยูใ่นรูป magnesia บดละเอียดอีกครัง้ และทำาให้

เป็น anhydrous magnesium chloride แล้วจงึเผาแยกได้แมกนีเซยีม และคลอรนี

SUMMARYกรรมวธิใีนการผลิตแรโ่ลหะ

- แต่งแร่ โดยใชห้ลักการความถ่วงจำาเพาะ , แม่เหล็ก

- บดละเอียด- ทำาให้บรสิทุธิโ์ดยการหลอม เติม Flux- ไฟฟา้เคมี

เตาหลอมท่ีใชใ้นการหลอม- The open-hearth furnace- The basic oxygen furnace- The electric arc furnace