แผนภาพที่ 1 กระบวนการผลิตเหล็กขั้นต้นที่อาจได้จากการถลุงเหล็กในสภาพของแข็งและของเหลวจากเทคโนโลยีต่าง ๆ

การถลุงแร่เหล็กในสภาพของเหลว

เป็นกระบวนการกำจัดออกซิเจนออกจากแร่เหล็กพร้อมทั้งเปลี่ยนสภาพจากของแข็งเป็น ของเหลว เหล็กขั้นต้นที่ได้อยู่ในสภาพหลอมเหลวซึ่งสามารถนำไปใช้ต่อเนื่องในกระบวนการผลิตเหล็กกล้า (steel making) เช่น Blast Furnace-Basic Oxygen Furnace (BF-BOF), Corex – Electric Arc Furnace (Corex -EAF) ได้ทันที ปัจจุบันการถลุงเหล็กในสภาพของเหลวที่พัฒนาในเชิงพาณิชย์ ได้แก่ การถลุงแร่เหล็กด้วย Blast Furnace และการถลุงแร่เหล็กด้วยวิธี Direct smelting

กระบวนการถลุงแร่เหล็กด้วย Blast Furnacee

การถลุงแร่เหล็กด้วยวิธี Direct Smelting Reduction ปัญหาจากการถลุงแร่เหล็กด้วย Blast Furnace เช่น ปัญหาสิ่งแวดล้อมจากการผลิตถ่านโค๊ก และกระบวนการเตรียมแร่ก้อน ปัญหาการขาดแคลนวัตถุดิบคุณภาพสูง อีกทั้งปัญหาเรื่องเงินลงทุนที่สูงมาก ดังนั้นมีการพัฒนาเทคโนโลยีการถลุงแร่เหล็กด้วยวิธี Direct Smelting Reduction เพื่อสามารถลดปัญหาเหล่านี้ เทคโนโลยีที่ได้รับการพัฒนา ได้แก่ Corex และ HIsmelt

กระบวนการถลุงแร่เหล็กด้วย กระบวนการ Corex-3000

กระบวนการถลุงแร่เหล็กด้วย HIsmelt

การถลุงแร่เหล็กในสภาพของแข็ง (Direct Reduction)

เป็นเทคโนโลยีการถลุง ซึ่งผลผลิตที่ได้อยู่ในรูปของของแข็งหรือเรียกว่าเหล็กพรุน กากแร่ที่ติดปนมาไม่สามารถแยกออกได้ในกระบวนการถลุง และไม่สามารถเปลี่ยนเหล็กทั้งหมดให้เป็นโลหะได้ ทำให้ต้องสิ้นเปลืองพลังงานในขั้นตอนการผลิตเหล็กกล้ามากกว่าการใช้เศษเหล็ก การถลุงแร่เหล็กในสภาพของแข็งแบ่งเป็น 2 กระบวนการ คือ

1. การถลุงแร่เหล็กด้วยแก๊สถลุงที่ได้มาจากแก๊สธรรมชาติ
2. การถลุงแร่เหล็กด้วยแก๊สถลุงที่ได้มาจากถ่านหิน

การถลุงแร่เหล็กด้วยแก๊สถลุงที่ได้มาจากแก๊สธรรมชาติเป็นกระบวนการถลุงซึ่งผลิตแก๊สถลุงจากแก๊สธรรมชาติ เช่น แก๊สมีเทน (CH4) ถูกแปรสภาพด้วยเครื่องแปรสภาพแก๊ส (reformer) ให้เป็นแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และแก๊สไฮโดรเจน (H2) ซึ่งกระบวนการที่ใช้ในเชิงพาณิชย์มี 3 กระบวนการ คือ

1. การถลุงแร่เหล็กด้วยเทคโนโลยี Midrex
2. การถลุงแร่เหล็กด้วยเทคโนโลยี HyL III
3. การถลุงแร่เหล็กด้วยเทคโนโลยี Finmet

กระบวนการ Midrex และ HyL เป็นกระบวนการที่คล้ายคลึงกัน คือ แร่เหล็กที่ใช้เป็นวัตถุดิบอยู่ในรูปของแร่ก้อนหรือแร่เหล็กอัดก้อน ในขณะที่ Finmet ใช้แร่ละเอียด โดย reactor ที่ใช้ในกระบวนการ Midrex และ HyL เป็นแบบ moving bed ส่วน Finmet เป็นแบบ fluidized bed

ภาพการไหลขององค์ประกอบทางเคมีที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการ Midrex

การถลุงแร่เหล็กด้วยแก๊สถลุงที่ได้มาจากถ่านหินเป็นกระบวนการทางเลือกที่พัฒนาเพื่อแก้ปัญหาในประเทศที่แก๊สธรรมชาติมีราคาแพง โดยใช้ถ่านหินในการลดออกซิเจนในแร่เหล็ก ปัจจุบันสามารถแยกเป็นกระบวนการหลักได้ 2 กระบวนการดังนี้ คือ

1. การถลุงแร่เหล็กด้วยเทคโนโลยี SL/RN เป็นกระบวนการที่ใช้หลักการเผาถ่านหินรวมกับแร่เหล็กในเตาเผาแบบนอนจนถ่านหินกลายเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งทำหน้าที่ลดออกซิเจนในแร่เหล็ก ปฎิกิริยาเป็นแบบ Diffusion Control อุณหภูมิของปฎิกิริยาประมาณ 900 - 1,100 องศาเซลเซียส เป็นกระบวนที่ไม่ยุ่งยาก การควบคุมปฎิกิริยาทำได้ยากเนื่องจากการแตกของตัวแร่เหล็กและถ่านหินทำให้การลดออกซิเจนไม่สม่ำเสมอ ผลิตภัณฑ์มีเปอร์เซ็นต์ metallization ต่ำแต่มีปริมาณ ซัลเฟอร์สูงซึ่งมาจากถ่านหิน
2. การถลุงแร่เหล็กด้วยเทคโน RHF ปัจจุบันมีการพัฒนาในเชิงพาณิชย์อยู่หลายเทคโนโลยีที่มีศักยภาพ เช่น Fastmet Inmetco Redsmelt และ Iron Dynamicใช้หลักการในการอัดรวม แร่เหล็กละเอียดถ่านรวมกับแร่เหล็กละเอียดขนาดละเอียดกว่า 300 เมช ในรูปของ Green Pellet ทำการเผาที่อุณหภูมิสูงประมาณ 1,200 - 1,350 องศาเซลเซียส ทำให้เกิดปฎิกิริยาแบบ Chemical Control จากการสัมผัสของแร่เหล็กและถ่านหิน กระบวนการที่เริ่มผลิตในเชิงพาณิชย์ในปี พ.ศ. 2543 กระบวนการ Iron Dynamic ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีซัลเฟอร์สูงและมีน้ำหนักเบา ถ่านหินต้องพิจารณาที่มีปริมาณซัลเฟอร์ต่ำ ปัญหาน้ำหนักเบาสามารถแก้ได้สองวิธี คือ นำผลิตภัณฑ์ไปอัดให้มีความหนาแน่นเพิ่มขึ้น (Hot Briquetting Press) หรือ การนำไปหลอมด้วย Submerg Arc Furnace ผลผลิตที่ได้เป็นเหล็กหลอมเหลว