บทความชิ้นนี้ผมขอนำเสนอความสำคัญและจะพาไปรู้จักสารฝังและอิทธิพลต่อเหล็กของเตาหลอม IF (Induction Furnace) กันครับ
เริ่มที่ความสำคัญ (Essential) ของเตาหลอม IF (Induction Furnace)
วัสดุเหล็กมีการใช้งานอย่างกว้างขวางมีหลากชนิดหลายประเภท ซึ่งมีมาตรฐานบังคับควบคุมมากมาย ผู้ใช้ต้องเลือกวัสดุเหล่านี้ให้สอดคล้องและเหมาะสมตามสภาพการใช้งาน ผู้ผลิตเหล็กจำเป็นต้องผลิตสินค้าให้ได้ตามมาตรฐานที่กำหนด ปัจจุบันโลกเกิดภัยพิบัติบ่อยขึ้นและมีความรุนแรงเพิ่มขึ้นผู้บริโภคมีความต้องการใช้งานเหล็กสะอาดมากขึ้น
รวมถึงการใช้เหล็กเส้นเสริมคอนกรีตเพื่อรับภาระแรงดึงในคอนกรีตและคอนกรีตรับแรงอัด โดยมีเงื่อนไขที่บังคับและการเผื่อความปลอดภัยสอดคล้องตามกฎหมายระบุไว้อย่างเคร่งครัด
ทั้งนี้ เพื่อการใช้งานที่ทนทานและปลอดภัย การก่อสร้างอาคาร สะพานที่ใช้เหล็กเสริมคอนกรีตต้องได้มาตรฐาน มีสมบัติทางกลที่ดีที่เหมาะสมกับเงื่อนไขแต่ละงานและมีความน่าเชื่อถืออีกด้วย
เหล็กถือว่าเป็นวัสดุมหัศจรรย์สามารถเปลี่ยนสมบัติที่แตกต่างกันหลายประการอย่างสิ้นเชิงหากถูกปรับสภาพตามเงื่อนไขกรรมวิธีทางความร้อนและความเย็น มีหลายปัจจัยในเนื้อเหล็กที่ส่งผลกระทบโดยตรงต่อสมบัติทางกลทั้งความแข็งแรง ความแข็ง อัตราการยืดตัว ความเหนียว ความล้า ความสามารถในการขึ้นรูป ความสามารถในการเชื่อมต่อ และการทนต่อการกัดกร่อนเป็นต้น กล่าวคือ
1.ค่าเคมี เป็นธาตุชนิดต่างๆ ทั้งหลายที่เป็นส่วนประสมในเหล็กจึงเป็นองค์ประกอบที่สำคัญทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคและโครงสร้างมหภาคนำไปสู่โครงสร้างโครงข่ายพื้นฐาน (Textures) ที่แตกต่างกัน จึงส่งผลให้มีสมบัติทางกลแตกต่างกันด้วย ยกตัวอย่างธาตุผสมที่สำคัญช่วยเพิ่มความแข็งแรงของเหล็กได้แก่ C, Mn, W, V, Mo ส่วนค่าธาตุ P และ S ลดความแข็งแรงของเหล็กเป็นต้น ความสัมพันธ์และตัวแปร รายละเอียดต่างๆ ปรากฏชัดเจนดังรูปที่ 1
2.กระบวนการผลิตเหล็กที่ผ่านกรรมวิธีทางความร้อน อุณหภูมิสูงต่ำต่างกัน ข้อมูลประกอบดังรูปที่ 1
3.กระบวนการผลิตเหล็กที่ผ่านการขึ้นรูปเย็น (Cold forming)
4.กระบวนการขึ้นรูปต่างชนิดส่งผลให้ได้รูปร่างและขนาดเกรนหยาบหรือละเอียด
5.สารฝังหรือสิ่งเจือปนเจือปนและรูพรุนที่ตกค้างอยู่ภายในเนื้อเหล็ก จะนำไปสู่การเสียหายต่างๆ
เรามารู้จักสารฝังและอิทธิพลต่อเหล็ก (Effects of Inclusions)
สารฝัง (Inclusions) คือสารหรือสิ่งเจือปนไม่ใช่เนื้อเหล็ก (Non-metallic inclusions) ที่ตกค้างอยู่ในเนื้อเหล็กกล้า
สารฝังทั้งหลายจะเกิดขึ้นระหว่างการหลอม การปรุงแต่งเคมี การกำจัดออกซิเจน (Deoxidation) การปนเปื้อนจากวัสดุทนไฟและช่วงการแข็งตัวของน้ำเหล็ก ในทางปฏิบัติไม่มีเหล็กกล้าชนิดใดที่ปราศจากสารฝังได้อย่างสมบูรณ์แบบ ไม่สามารถกำจัดได้ทั้งหมด การควบคุมในกระบวนการเกิดทั้งปริมาณ ขนาด รูปร่าง การกระจายตัว
และองค์ประกอบทางเคมีของสารฝังจะลดผลกระทบโดยตรงต่อคุณสมบัติทางกลของเหล็ก เช่น ความล้า (Fatigue life) ความเหนียวต้านทานการแตกหัก (Fracture toughness) ความสามารถในการขึ้นรูป (Formability) เกิดแตกร้าวภายใน ผิวมีตำหนิ เกิดรูพรุนและรอยแตกจากก๊าซ และเพิ่มความทนทานต่อการใช้งานระยะยาว ตามมาตรฐาน ASTM E-45 หรือ ASTM E-7 [1,11] กำหนดสารฝังที่สำคัญไว้ 4 ชนิดดังนี้
1.Type A: Sulfides ได้แก่ แมงกานีสซัลไฟด์ (MnS)
2.Type B: Aluminates คืออนุภาคอะลูมิเนต
3.Type C: Silicates เป็นสารประกอบซิลิเกต
4.Type D: Globular oxides คือออกไซด์ทรงกลมขนาดเล็ก ได้แก่ แคลเซียม หรือซิลิคอนออกไซด์
สารฝังหรือสิ่งเจือปนในเหล็กสามารถพบได้หลายลักษณะ รูปร่างของสิ่งเจือปน มีลักษณะรูปร่างสัณฐาน (Morphology of inclusions) ดังรูปที่ 2 ได้แก่ ทรงกลม (Globular) แผ่นบาง (Platelet) กิ่งก้านหรือเดนไดรต์ (Dendritic) และหลายเหลี่ยม (Polyhedral) ซึ่งแต่ละลักษณะมีผลต่อสมบัติเชิงกลของเหล็กแตกต่างกัน
1.รูปร่างทรงกลม (Globular inclusions) สิ่งเจือปนที่มีลักษณะทรงกลมถือเป็นรูปร่างที่พึงประสงค์มากที่สุด เนื่องจากมีผลกระทบต่อสมบัติเชิงกลของเหล็กในระดับต่ำ สิ่งเจือปนประเภทนี้ ได้แก่ แมงกานีสซัลไฟด์ (MnS) ออกซีซัลไฟด์ (Oxy-sulphides) ที่เกิดขึ้นระหว่างการแข็งตัวของโลหะในบริเวณระหว่างแขนเดนไดรต์ (Interdendritic region)
รวมถึงเหล็กอะลูมิเนต (Iron aluminates) และซิลิเกต (Silicates) ลักษณะทรงกลมเกิดจากการที่สิ่งเจือปนก่อตัวในสถานะของเหลว โดยเฉพาะเมื่อปริมาณอะลูมิเนียมในเหล็กอยู่ในระดับต่ำส่งผลให้สิ่งเจือปนมีรูปร่างใกล้เคียงทรงกลมและลดการเกิดความเข้มข้นของความเค้นภายใน (Stress concentration)
2.รูปร่างแผ่นบาง (Platelet Inclusions) สิ่งเจือปนลักษณะแผ่นบางพบได้บ่อยในเหล็กที่ผ่านการกำจัดออกซิเจนด้วยอะลูมิเนียม (Aluminum Deoxidized Steel) โดยประกอบด้วยแมงกานีสซัลไฟด์ (MnS) และออกซีซัลไฟด์ที่ตกผลึกเป็นแผ่นบางตามแนวขอบเกรน (Grain boundaries) สิ่งเจือปนชนิดนี้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงแบบยูเทคติก (Eutectic transformation) ระหว่างการแข็งตัวของเหล็ก
ถือเป็นสิ่งเจือปนที่ไม่พึงประสงค์ เนื่องจากทำให้ขอบเกรนอ่อนแอลงอย่างมาก ส่งผลให้สมบัติเชิงกล โดยเฉพาะความเหนียว (Ductility) และความต้านทานต่อการแตกร้าวที่อุณหภูมิสูง (Hot shortness) ลดลงอย่างชัดเจน
3.รูปร่างกิ่งก้าน (Dendritic inclusions) สิ่งเจือปนรูปร่างเดนไดรต์เกิดจากการเติมสารกำจัดออกซิเจนชนิดรุนแรง เช่น อะลูมิเนียมในปริมาณมากเกินไป ทำให้เกิดออกไซด์และซัลไฟด์ที่มีลักษณะเป็นกิ่งก้าน ทั้งในรูปแบบแยกตัวและรวมกลุ่มสิ่งเจือปนชนิดนี้มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าเหล็ก และมีมุมแหลมจำนวนมาก
เป็นตำแหน่งที่ทำให้เกิดการกระจุกตัวของความเค้น (Stress Concentration) ส่งผลให้ความเหนียว (Ductility) ความเหนียวต้านทานการแตกหัก (Toughness) และความแข็งแรงต่อความล้า (Fatigue Strength) ของเหล็กลดลงอย่างมาก
4.รูปร่างหลายเหลี่ยม (Polyhedral Inclusions) สิ่งเจือปนรูปร่างหลายเหลี่ยมเกิดขึ้นเมื่อมีการเติมธาตุหายาก (Rare Earth Elements) เช่น ซีเรียม (Ce) และแลนทานัม (La) หรือธาตุอัลคาไลน์เอิร์ธ เช่น แคลเซียม (Ca) และแมกนีเซียม (Mg)
ภายหลังการกำจัดออกซิเจนอย่างสมบูรณ์ด้วยอะลูมิเนียมธาตุเหล่านี้ช่วยปรับเปลี่ยนรูปร่างของสิ่งเจือปนจากแบบเดนไดรต์ให้มีลักษณะใกล้เคียงทรงกลมมากขึ้น (Inclusion Modification) ทำให้ผลกระทบต่อสมบัติของเหล็กลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับสิ่งเจือปนแบบเดนไดรต์
สำหรับผลกระทบของสิ่งเจือปนต่อสมบัติเชิงกลของเหล็ก (Mechanical consequences of conclusions) นั้น
สมบัติเชิงกลของเหล็กขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมี ปริมาณเชิงปริมาตร (Volume fraction) การกระจายตัว (Dispersion) ขนาด และรูปร่างของสิ่งเจือปน โดยทั่วไป สิ่งเจือปนที่มีขนาดใหญ่ มีจุดหลอมเหลวสูง และไม่สามารถแตกตัวได้ จะเป็นสิ่งเจือปนที่ไม่พึงประสงค์มากที่สุด
ในทางตรงกันข้าม สิ่งเจือปนที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ หรือสามารถแตกย่อยได้ง่าย จะได้รับความนิยมมากกว่า เนื่องจากสามารถถูกเปลี่ยนรูป บดแตกเป็นอนุภาคขนาดเล็ก หรือถูกกำจัดออกบางส่วนในระหว่างกระบวนการขึ้นรูปร้อน (Hot forming) การขึ้นรูปเย็น (Cold forming) หรือกระบวนการอบชุบความร้อน (Heat treatment) ภายหลังการหล่อ ทั้งนี้ ประสิทธิภาพในการลดผลกระทบของสิ่งเจือปนขึ้นอยู่กับระดับการลดหน้าตัด (Reduction ratio) และลักษณะของกระบวนการขึ้นรูป
ดังนั้น ตามที่กล่าวมา การควบคุมสารฝัง สิ่งเจือปน และก๊าซละลายในน้ำเหล็กจึงเป็นหัวใจสำคัญของการผลิตเหล็กสะอาด ปัจจุบันโรงงานแห่งนี้ได้ผลิตเหล็กแท่งบิลเลทเนื้อสะอาดหลายเกรดด้วยเทคโนโลยีและวิธีการควบคุมปัจจัยที่เกี่ยวข้องเหล่านี้มาปีกว่า ผลจากการนำแท่งบิลเลทเกรดคาร์บอนปานกลาง (0.22%C) ไปรีดเป็นเหล็กเส้นข้ออ้อยขนาด DB16 SD40T ได้ผลเป็นที่พอใจ เหล็กเส้นมีคุณภาพสูงดีเยี่ยม มีผลเคมีและสมบัติทางกลใกล้เคียงกันมากไม่แกว่งตัวมาก
มีผลการทดสอบตามเอกสารในหัวข้อเหล็กแท่งบิลเลทและเหล็กข้ออ้อยที่ผ่านการปรุงแต่งด้วยกระบวนการ AOD เมื่อวันที่ 20 กุมภาพันธ์ 2569 จึงขอนำเสนอกระบวนการควบคุมการผลิตและปัจจัยของตัวแปรตามที่กล่าวมาและตามลำดับเนื้อหาต่อไป
