1302 310 โลหะวิทยาวิศวกรรม Engineering Metallurgy

1. 1302 310 โลหะวิทยาวิศวกรรมEngineering Metallurgy ดร.สุขอังคณา ลี Industrial engineering

2. เกณฑ์การให้คะแนน มี 3 ส่วน • ส่วน อ.สุขอังคณา (Midterm) 35% (Midterm Exam 25%, งาน 7%, เข้าเรียน, 3%) • ส่วน อ.กิตติมา (Final) 35% • ปฏิบัติการ 30%

3. การประเมินผล • A 80 up • B+ 79.9-75 • B 74.9-70 • C+ 69.9-65 • C 64.9-60 • D+ 59.9-55 • D 54.9-50 • F 50-0

4. Part 1: Content Week 1: Introduction to Engineering Metallurgy Week 2-4: Introduction to Failure of metals Week 5: Heat treatment of non-ferrous alloys Week 6: Nonferrous light alloys Week 6: Nonferrous heavy alloys Week 7: Powder metallurgy

5. บทที่ 1Introduction to Engineering Metallurgy 1302 310 Engineering Metallurgy Lecturer: Dr.Sukangkana Lee

6. What’s cause this ship to fracture ? • กระบวนการผลิต • คุณสมบัติของวัสดุ • การใช้งาน

7. Introduction to Engineering Metallurgy • วิชาโลหะวิทยา เป็นวิชาที่ว่าด้วย กระบวนการผลิตโลหะ ตั้งแต่การถลุง กระบวนการอบชุบ ตลอดจนความเสียหายที่เกิดขึ้นกับโลหะหลังจากใช้งานแล้ว • โดยมีวัตถุประสงค์ เพื่อให้เราทราบสาเหตุของความเสียหายและทราบข้อมูลที่จำเป็นต่อการปรับปรุงกระบวนการผลิตให้ดียิ่งขึ้น

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

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

10. Agglomeration of iron ore

11. แร่โลหะเหล็ก (ต่อ) 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%

12. http://www.soes.soton.ac.uk/resources/collection/minerals/minerals/http://www.soes.soton.ac.uk/resources/collection/minerals/minerals/ Magnetite Hematite Pyrite

13. http://www.musee.ensmp.fr/mineral//11087x.jpg http://www.gc.maricopa.edu/earthsci/imagearchive/limonite.htm Limonite Siderite

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

15. เหล็กดิบเหลวที่ได้จะมีเหล็กดิบเหลวที่ได้จะมี • ปริมาณธาตุเจือปนดังนี้ • คาร์บอน 3.5% • ซิลิกอน  2%, • แมงกานีส 1.5%, • ซัลเฟอร์ 1% • ฟอสฟอรัส 1% รูปที่ 2

16. 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”

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

18. www.key-to-steel .com

19. 2. The Basic oxygen furnace • กระบวนการนี้จะจะรวมน้ำเหล็กจากเศษเหล็กและ เหล็กถลุงเหลวในเตาทรงสูง แล้วทำการเป่า oxygen เข้าไปในเตาด้วยความเร็วสูง เพื่อให้เกิดการเผาไหม้และปฏิกิริยาในการกำจัดธาตุเจือปน • เป็นเตาที่มีประสิทธิภาพสูง http://www.bluescopesteel.com/corp/navajo/display.cfm Student information

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

25. แร่โลหะนอกกลุ่มเหล็ก 1. ดีบุก (Tin) • แร่ที่ใช้ผลิตดีบุก คือ Cassiterite, SnO3พบมากในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ • เราเพียงล้างแร่ SnO3ที่มีลักษณะเป็นผงด้วยน้ำ ก็จะได้แร่ SnO3 ที่สะอาด และสามารถนำไปถลุงที่อุณหภูมิประมาณ 1200 °C เพื่อกำจัดคาร์บอน • จากนั้นจึงทำการแยกดีบุกออกจากสิ่งสกปรกอื่นๆ อีกด้วยการหลอมที่อุณหภูมิต่ำในอ่างที่มีความชัน เพื่อแยกดีบุกที่มีจุดหลอมเหลวต่ำออกจากสารที่มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าได้ • จากนั้นจึงทำการหลอมอีกครั้งที่อุณหภูมิสูงและกวนเพื่อให้สารที่มีความไวต่อออกซิเจนทำปฏิกิริยาและลอยขึ้นมา (ดีบุกมีค่า affinity ต่ำจึงรวมกับออกซิเจนได้ยาก) หลังจากกระบวนการนี้ เราจะได้ดีบุกที่มีความบริสุทธิ์ถึง 99%

26. Cassiterite

27. 2. ตะกั่ว (Lead) • แร่ที่นำมาถลุง คือ Galena, (PbS) พบมากในอเมริกา, ออสเตรเลีย, สเปน, เมกซิโก และเยอรมันนี • กระบวนการผลิตโดยการเพิ่มความเข้มข้นของตะกั่วในแร่ และนำมาเผาเพื่อให้เกิดออกไซด์ (เพื่อแยก Pb ออกจาก PbS) และจะมีสารมลทิน เช่น FeS2อยู่ด้วย • จากนั้นทำการลดคาร์บอน และเผาใน blast furnace ที่อุณหภูมิ 900 °C • จากนั้นทำให้มีความบริสุทธิ์สูงขึ้นด้วยการเผาในอากาศที่ 400 °C และกวนเพื่อให้ออกไซด์ต่างๆ ลอยขึ้นมาที่ผิวด้านบน และทำการแยกแร่เงินออก

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

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

32. 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 Elektron process เริ่มด้วยการบดผง คือ magnesite (MgCO3) หรือ dolomite (MgCO3) ให้เป็นผง และทำให้อยู่ในรูป magnesia บดละเอียดอีกครั้ง และทำให้เป็น anhydrous magnesium chloride แล้วจึงเผาแยกได้แมกนีเซียม และคลอรีน

33. Dolomite

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