ENGINEERING METALLURGY Industrial engineering (Ptwit) 2064317 โลหะวิทยาวิศวกรรม ENGINEERING METALLURGY อาจารย์สุเนตร มูลทา Industrial engineering (Ptwit) www.sunetr.iepathumwan.com

เกณฑ์การให้คะแนน

Introduction to Engineering Metallurgy Engineering Metallurgy บทที่ 1 Introduction to Engineering Metallurgy 2064317 Engineering Metallurgy Lecturer: M_Sunetr

1. กระบวนการผลิต 2. คุณสมบัติของวัสดุ 3. การใช้งาน What’s cause this ship to fracture ? 1. กระบวนการผลิต 2. คุณสมบัติของวัสดุ 3. การใช้งาน

Introduction to Engineering Metallurgy วิชาโลหะวิทยา เป็นวิชาที่ว่าด้วย กระบวนการผลิต โลหะ ตั้งแต่การถลุง กระบวนการอบชุบ ตลอดจนความเสียหาย ที่เกิดขึ้นกับโลหะหลังจากใช้งานแล้ว โดยมีวัตถุประสงค์ เพื่อให้เราทราบสาเหตุของความ เสียหายและทราบข้อมูลที่จำเป็นต่อการปรับปรุงระบวนการผลิต ให้ดียิ่งขึ้น

กระบวนการผลิตแร่โลหะ - แร่โลหะเหล็ก - แร่โลหะนอกกลุ่มเหล็ก เช่น - ดีบุก (Tin) - ตะกั่ว (Lead) - ทองแดง (Copper) - อลูมิเนียม (Aluminium) - แมกนีเซียม (Magnesium)

แร่โลหะเหล็ก 1. การแต่งแร่ คือ การแปรสภาพสินแร่ให้ได้ขนาดและคุณสมบัติที่เหมาะสมต่อการถลุง เริ่มด้วย การบดแร่ให้ละเอียดเพื่อแยกเหล็กจากมลทิน จากนั้น จะทำการแยกแร่ด้วยวิธีต่างๆ ดังนี้ - แยกโดยอาศัยความถ่วงเฉพาะที่ต่างกัน (Float) - แยกด้วยแม่เหล็ก (Magnetic separation) ซึ่งแร่ที่ได้จะละเอียดเกินไป ต้องทำให้เป็นก้อน (Agglomeration) ดังรูปที่ 1 ก่อนป้อนเข้าเตาถลุง เพื่อความสะดวกในการลำเลียง

- Magnetite (Fe3O4) จะมีเหล็กอยู่ประมาณ 70% แร่ที่เป็นวัตถุดิบในการผลิตเหล็กมักจะอยู่ในรูปของ ออกไซด์, คาร์บอเนต, ซิลิเกต และ ซัลไฟด์ มีคุณสมบัติแม่เหล็ก ได้แก่ - Magnetite (Fe3O4) จะมีเหล็กอยู่ประมาณ 70% - Hematite (Fe3O3) จะมีเหล็กอยู่ประมาณ 70% - Siderite (FeCO3) จะมีเหล็กอยู่ประมาณ 60% - Pyrite (FeS2) จะมีเหล็กอยู่ประมาณ 45% - Limonite (HFeO2) จะมีเหล็กอยู่ประมาณ 35% Magnetite Hematite Pyrite Siderite Limonite

2. การถลุงเหล็ก คือ การแปรสภาพแร่เหล็กให้มีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้น (%เหล็กเพิ่มขึ้น) โดยการขจัดสิ่งเจือปนต่างๆออกจากแร่เหล็ก - จะทำในเตาถลุงที่มีอุณหภูมิสูง เรียกว่า “Blast furnace” ที่ทำขึ้นจากเหล็กกล้า และหุ้มด้วยอิฐทนความร้อนสูง โดยบริเวณด้านล่างจะมีช่องให้อากาศไหลเข้า - เชื้อเพลิงที่ใช้ในกระบวนการนี้คือ ถ่านหิน - จะมีการใช้ flux คือ หินปูน CaO หรือ CaCO3 ในการคลุมผิวหน้าน้ำเหล็ก และเพื่อไล่แกส

เหล็กดิบเหลวที่ได้จะมีปริมาณธาตุ เจือปนดังนี้ •คาร์บอน∼3.5% •ซิลิกอน ∼2%, •แมงกานีส ∼1.5%, •ซัลเฟอร์∼1% •ฟอสฟอรัส ∼1%

3. การหลอมและการปรุงส่วนผสม และ การหลอมเหล็ก คือ การให้ความร้อนแก่ เหล็กถลุง (Pig iron) เหล็กพรุน หรือเศษเหล็ก ทำให้เหล็กหลอมเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 1600°C ในเตาหลอมที่มีหลายแบบ - มีการใส่ ปูนขาว ที่ช่องด้านบนของเตา เพื่อปรับปรุงส่วนผสม เพื่อให้เกิดกระบวนการ “Oxidation” จะทำให้เหล็กมีความบริสุทธิ์เพิ่มมากยิ่งขึ้น คือประมาณ 90%Fe - สำหรับเหล็กหล่อ จะทำในเตาที่เรียกว่า “Cupola”

เตาหลอม:Furnace 1. The basic open-hearth furnace เป็นเตาที่นิยมใช้ในการผลิตเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา •เตาจะมีลักษณะอ่างตื้น หลังคาต่ำ เวลาเผาจะวางเศษเหล็กที่ก้นอ่างแล้วเผาโดยใช้เปลวไฟเผาจากด้านบนให้หลอมที่ละข้าง

2. The Basic oxygen furnace เป็นเตาที่มีประสิทธิภาพสูง

3. The electric arc furnace • เป็นเตาที่ใช้ไฟฟ้าโดยมีอิเลคโตรดเหนี่ยวนำให้โลหะหลอมเหลวโดย “Radiation” •นิยมใช้ในการผลิตเหล็กกล้าผสมสูง เหล็กกล้าเครื่องมือ เหล็กกล้าไร้สนิม เป็นต้น •เตามีลักษณะเป็นเหล็กกล้าทรงกลมหุ้มด้านในด้วยอิฐทนไฟ สามารถเอียงเพื่อที่จะเทน้ำโลหะได้

แร่โลหะนอกกลุ่มเหล็ก 1. ดีบุก (Tin) Cassiterite แร่ที่ใช้ผลิตดีบุก คือ Cassiterite, SnO3 พบมากในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ เราเพียงล้างแร่ SnO3 ที่มีลักษณะเป็นผงด้วยน้ำ ก็จะได้แร่ SnO3 ที่สะอาด และสามารถนำไปถลุงที่อุณหภูมิประมาณ 1200°C เพื่อกำจัดคาร์บอน จากนั้นจึงทำการแยกดีบุกออกจากสิ่งสกปรกอื่นๆ อีกด้วยการหลอมที่อุณหภูมิต่ำ ในอ่างที่มีความชัน เพื่อแยกดีบุกที่มีจุดหลอมเหลวต่ำออกจากสารที่มีจุดลอมเหลว สูงกว่าได้ - จากนั้นจึงทำการหลอมอีกครั้งที่อุณหภูมิสูงและกวนเพื่อให้สารที่มีความไวต่ออกซิ เจนทำปฏิกิริยาและลอยขึ้นมา (ดีบุกมีค่า affinity ต่ำจึงรวมกับออกซิเจนได้ยาก) หลังจากกระบวนการนี้ เราจะได้ดีบุกที่มีความบริสุทธิ์ถึง 99%

2. ตะกั่ว (Lead) - แร่ที่นำมาถลุง คือ Galena, (PbS) พบมากในอเมริกา, ออสเตรเลีย, สเปน, เมกซิโก และเยอรมันนี - กระบวนการผลิตโดยการเพิ่มความเข้มข้นของตะกั่วในแร่ และนำมาเผาเพื่อให้เกิดออกไซด์ (เพื่อแยก Pb ออกจาก PbS) และจะมีสารมลทิน เช่น FeS2 อยู่ด้วย - จากนั้นทำการลดคาร์บอน และเผาใน blast furnace ที่อุณหภูมิ900°C - จากนั้นทำให้มีความบริสุทธิ์สูงขึ้นด้วยการเผาในอากาศที่ 400°C และกวนเพื่อให้ออกไซด์ต่างๆ ลอยขึ้นมาที่ผิวด้านบน และทำการแยกแร่เงินออก

3. ทองแดง (Copper) - แร่ที่นิยมนำมาถลุง คือ copper sulphide, Cu2S ซึ่งมักจะมีสารมลทินคือ FeS2 บนอยู่อนข้างมาก - เราจึงต้องแยกเหล็กออกด้วยการเผา (Roasting), กระบวนการ oxidation ตามด้วยการใช้ flux - ทองแดงเหลวจะถูกทำให้บริสุทธิ์เพิ่มขึ้นด้วยการเติมไม้เนื้อแข็งลงไป เพื่อกำจัดกาซออกซิเจน มิเช่นนั้นแล้วโลหะทองแดงจะเปราะเนื่องจากการเกิด Cu2O ทองแดงที่ได้จะเรียกว่า “Tough-pitch copper” - ส่วนโลหะทองแดงที่ต้องการความบริสุทธิ์สูง เช่นงานด้านไฟฟ้าและอิเลคทรอนิกส์ จะใช้อีกวิธีการหนึ่งคือการใช้วิธีทางเคมีไฟฟ้า ดังรูปที่ 5

4. อลูมิเนียม (Aluminium) - แร่ที่นิยมนำมาถลุง เรียกว่า Bauxite (Hydrated aluminiumoxide, Al2O3) ที่พบมากใน อเมริกาเหนือ, จาไมก้า, ยุโรปและ รัสเซีย - กระบวนการทางเคมีในการแยกอลูมิเนียอออกไซด์เรียกว่า “Bayer process” โดยการละลายออกไซด์ใน กรดคอสติก ภายใต้ความดัน และอุณหภูมิ จะได้ Pure aluminiumoxide มีความบริสุทธิ์ประมาณ 99.4% - จากนั้นจะทำการหลอม และผ่านกระบวนการไฟฟ้าเคมีเพื่อดึง อะตอมของธาตุอลูมิเนียมมารวมกัน เรียกว่า “Hall Process” ดังรูปที่ 6 อลูมิเนียมที่ได้จากกระบวนการนี้จะมีความบริสุทธิ์ 99.5-99.9percent aluminium

5. แมกนีเซียม (Magnesium) - แร่ที่นิยมนำมาเป็นวัตถุดิบ คือ magnesite(MgCO3), dolomite (MgCO3), brucite(MgO.H2O), carnallite(MgCl2.KCl.6H2O) และน้ำทะเล - นิยมใช้กระบวนการ Dow chemical electrolytic process โดยใช้ คลอไรด์ เป็นอิเลคโตรไลท์ และใช้คลอรีนเป็นขั้วบวก จะได้แมกนีเซียมบริสุทธิ์ 99.9% - วิธี Elektronprocess เริ่มด้วยการบดผง คือ magnesite(MgCO3) หรือ dolomite (MgCO3) ให้เป็นผง และทำให้อยู่ในรูป magnesia บดละเอียดอีกครั้ง และทำให้เป็น anhydrous magnesium chloride แล้วจึงเผาแยกได้แมกนีเซียม และคลอรีน

Summary กรรมวิธีในการผลิตแร่โลหะ - แต่งแร่ โดยใช้หลักการความถ่วงจำเพาะ , แม่เหล็ก - บดละเอียด - ทำให้บริสุทธิ์โดยการหลอม เติม Flux - ไฟฟ้าเคมี เตาหลอมที่ใช้ในการหลอม - The open-hearth furnace - The basic oxygen furnace - The electric arc furnace