การใช้ประโยชน์เทคโนโลยีนิวเคลียร์ในเตาถลุงเหล็ก
Application of Nuclear Technology in Blast Furnace

ในอุตสาหกรรมการผลิตเหล็กจากแร่เหล็ก กระบวนการถลุงเหล็กส่วนใหญ่ยังคงใช้เตาถลุงเหล็กทรงสูงที่มีลมร้อนเป่าเข้าทาง ด้านล่างเตา ซึ่งรียกว่า blast furnace นั้น ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเตาเผามีอุณหภูมิสูงถึง 1700 องศาเซลเซียส ประกอบด้วย ส่วนที่เป็นทั้งของแข็ง โลหะเหลว และแก๊สร้อน จำเป็นต้องมีการควบคุมการทำงานเตาเป็นอย่างดี เพื่อให้มีประสิทธิภาพ การทำงานมากที่สุด ซึ่งสามารถนำเทคโนโลยีนิวเคลียร์มาใช้ประโยชน์ในการควบคุมกระบวนการผลิตและตรวจสอบ การสึกกร่อนของผนังเตาได้

ในกระบวนการถลุงเหล็กด้วยวิธีนี้ แร่เหล็กที่ใช้เป็นวัตถุดิบจะอยู่ในรูปสารประกอบออกไซด์ของเหล็กคือ แร่ฮีมาไทต์ (hematite) ซึ่งมีสูตรทางเคมีเป็น Fe₂O₃ หรือแร่ไพไรต์ (pyrite) ซึ่งมีสูตรทางเคมีเป็น Fe₃O₄ โดยใช้ถ่านหินเป็นทั้งเชื้อเพลิง และเป็นตัวดึงออกซิเจนออกจากเหล็กออกไซด์ ปฏิกิริยาหลักที่เกิดขึ้น คือ คาร์บอนในถ่านหินถูกเผาไหม้ แบบไม่สมบูรณ์ กลายเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) พร้อมทั้งให้พลังงานความร้อนออกมาด้วย คาร์บอนมอนอกไซด์ที่ได้จะไปทำปฏิกิริยา ดึงออกซิเจนออกจากออกไซด์ของเหล็ก และความร้อนที่เกิดขึ้นก็จะทำให้เหล็กหลอมเหลวแยกออกมาได้ ตามปฏิกิริยาดังนี้

2 C + O 2 = 2 CO

Fe₂O₃ + 3 CO = 2 Fe + 3 CO₂

Fe₃O₄ + 4 CO = 3 Fe + 4 CO₂

เตาถลุงเหล็กนี้มีลักษณะเป็นปล่องสูง ตรงกลางเตาจะป่องและค่อย ๆ เรียวลงมาตามรูป ผนังภายในเตาบุด้วยอิฐทนไฟ ภายในผนังเตามีท่อน้ำหล่อเย็นฝังอยู่โดยรอบ เพื่อควบคุมอุณหภูมิของเปลือกเตา ขนาดของเตาโดยทั่วไปมีขนาด เส้นผ่าศูนย์กลาง 10-12 เมตร ความสูงโดยประมาณ 30 เมตร ทำงานต่อเนื่อง 24 ชั่วโมง เมื่อใช้งานได้ระยะหนึ่ง ประมาณ 6-10 ปี ก็จะมีการหยุดเพื่อซ่อมแซมพวกอิฐทนไฟและส่วนอื่น ๆ ของเตา วัตถุดิบจะถูกป้อนเข้าทางด้านบนของเตา ซึ่งวัตถุดิบหลักประกอบด้วยแร่เหล็ก ถ่านหินหรือถ่านโคัก และหินปูนหรือปูนขาวสำหรับการกำจัดสิ่งเจือปนที่อยู่ในแร่เหล็ก ลมร้อนจะถูกเป่าเข้าทางรูลม (tuyere) ซึ่งมีอยู่หลายรูรอบ ๆ ค่อนไปทางส่วนล่างของเตา เหล็กที่หลอมเหลวจะถูกดึงออก จากด้านล่างของเตา เช่นเดียวกับขี้ตะกรันเหลว (slag)