สารมลทินชนิดไม่ใช่โลหะในเหล็กกล้าและความสำคัญต่อเทคโนโลยีเหล็กกล้าสะอาด (Non-metallic Inclusions in Steel and Their Importance in Clean Steel Technology)

สารมลทินชนิดไม่ใช่โลหะ (Non-metallic Inclusions; NMIs) หมายถึงเฟสที่ไม่ใช่โลหะซึ่งเกิดขึ้นและคงอยู่ภายในเนื้อเหล็กกล้าระหว่างกระบวนการผลิต การมีอยู่ของสารมลทินดังกล่าวส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ทั้งในด้านสมบัติเชิงกล ความทนทานต่อความล้า ความเหนียว ความสามารถในการขึ้นรูป ตลอดจนคุณภาพผิวและความน่าเชื่อถือในการใช้งานของชิ้นส่วนวิศวกรรม ดังนั้น การควบคุมลักษณะของสารมลทิน ได้แก่ ขนาด จำนวน การกระจายตัว องค์ประกอบทางเคมี และสัณฐานวิทยา จึงถือเป็นประเด็นสำคัญอย่างยิ่งใน เทคโนโลยีการผลิตเหล็กกล้าสะอาด (Clean Steel Technology)

ในเชิงโลหะวิทยา สารมลทินชนิดไม่ใช่โลหะสามารถจำแนกออกได้เป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่ สารมลทินกำเนิดภายใน (endogenous inclusions) และ สารมลทินกำเนิดภายนอก (exogenous inclusions) โดยสารมลทินทั้งสองประเภทมีความแตกต่างกันทั้งในด้านแหล่งกำเนิด กลไกการเกิด ขนาด องค์ประกอบ และผลกระทบต่อสมบัติของเหล็กกล้า การทำความเข้าใจธรรมชาติของสารมลทินเหล่านี้จึงเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับการออกแบบและควบคุมกระบวนการผลิตเหล็กกล้าคุณภาพสูง

---

1. สารมลทินกำเนิดภายใน

สารมลทินกำเนิดภายใน หมายถึงสารมลทินที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาทางเคมีหรือการเปลี่ยนแปลงสมดุลภายในระบบน้ำเหล็กเอง โดยเกิดจากการตกตะกอนของสารประกอบเมื่อความเข้มข้นของธาตุที่ละลายอยู่ในน้ำเหล็กเกินค่าการละลายได้ภายใต้สภาวะอุณหภูมิและองค์ประกอบที่กำหนด สารมลทินประเภทนี้อาจเกิดขึ้นระหว่างการผลิตเหล็ก การปรับปรุงน้ำเหล็กในทัพพี การเย็นตัวของน้ำเหล็ก และระหว่างการแข็งตัว

1.1 สารมลทินจากปฏิกิริยาการขจัดออกซิเจน

ในกระบวนการผลิตเหล็กกล้า โดยเฉพาะในขั้นตอนการปรับปรุงน้ำเหล็กในทัพพี จะมีการเติมธาตุที่มีความสามารถในการขจัดออกซิเจนสูง เช่น อะลูมิเนียม ซิลิคอน แมงกานีส หรือไทเทเนียม เพื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำเหล็ก ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาการเกิดอะลูมินาแสดงได้ดังสมการ

$$2[\mathrm{Al}] + 3[\mathrm{O}] \rightleftharpoons \mathrm{Al_2O_3}(s)$$

ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นทันทีหลังการเติมสารขจัดออกซิเจนเรียกว่า สารมลทินจากการขจัดออกซิเจนขั้นต้น (primary deoxidation products) ซึ่งโดยทั่วไปมักอยู่ในรูปของอนุภาคออกไซด์ละเอียด เช่น $\mathrm{Al_2O_3}$ อนุภาคเหล่านี้มักมีสถานะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิการผลิตเหล็ก และมีแนวโน้มเกิดการรวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อน เนื่องจากพลังงานระหว่างผิวสัมผัสของอนุภาคกับน้ำเหล็กมีค่าสูง จึงส่งผลให้อนุภาคชนและยึดเกาะกันได้ง่าย เกิดเป็นกลุ่มก้อนลักษณะคลัสเตอร์ ซึ่งมีผลเสียต่อทั้งคุณภาพของเหล็กและเสถียรภาพของกระบวนการหล่อต่อเนื่อง

ปัญหาที่สำคัญประการหนึ่งของสารมลทินอลูมินาคือ การอุดตันของหัวฉีดจุ่ม (submerged entry nozzle; SEN) เนื่องจากอนุภาค $\mathrm{Al_2O_3}$ ที่เป็นของแข็งและมีรูปร่างไม่กลมมีแนวโน้มยึดเกาะกับผิววัสดุทนไฟภายในหัวฉีดได้ง่าย การสะสมตัวดังกล่าวทำให้หน้าตัดการไหลของน้ำเหล็กลดลง ส่งผลให้การไหลในแม่พิมพ์ไม่สม่ำเสมอ และอาจนำไปสู่ข้อบกพร่องของผลิตภัณฑ์หล่อ

เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าว นิยมใช้ การปรับสภาพสารมลทินด้วยแคลเซียม (calcium treatment) โดยการฉีดลวด CaSi ลงในน้ำเหล็ก เพื่อเปลี่ยนอนุภาคอะลูมินาที่มีจุดหลอมเหลวสูงให้เป็นแคลเซียมอะลูมิเนตที่มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าและสามารถอยู่ในสภาวะของเหลวหรือกึ่งของเหลวที่อุณหภูมิการหล่อเหล็ก การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวช่วยให้สารมลทินมีลักษณะใกล้เคียงทรงกลมมากขึ้น ลดแนวโน้มการเกาะติดผนังหัวฉีด และเพิ่มโอกาสในการรวมตัวและลอยขึ้นสู่ผิวเพื่อถูกกำจัดออกจากน้ำเหล็ก

1.2 สารมลทินจากการเย็นตัวของน้ำเหล็ก

เมื่ออุณหภูมิของน้ำเหล็กลดลงระหว่างการเคลื่อนย้ายจากทัพพีไปยังอ่างรับน้ำเหล็กและแม่พิมพ์ ค่าการละลายได้ของธาตุบางชนิดในน้ำเหล็กจะลดลงตามอุณหภูมิ ส่งผลให้เกิดการตกตะกอนของสารประกอบที่มีความเสถียรสูง ตัวอย่างสำคัญคือการเกิดไทเทเนียมไนไตรด์ (TiN) ซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยผลคูณการละลาย ดังนี้

$$K_{\mathrm{TiN}} = [\%\mathrm{Ti}] \times [\%\mathrm{N}]$$

เมื่อความเข้มข้นของ Ti และ N ในสารละลายเกินค่าที่ระบบสามารถละลายได้ภายใต้อุณหภูมินั้น จะเกิดการตกตะกอนของ $\mathrm{TiN}$ ขึ้น อนุภาค $\mathrm{TiN}$ มักมีลักษณะเป็นผลึกเหลี่ยม มีความแข็งสูงและจุดหลอมเหลวสูงมาก จึงไม่เกิดการเปลี่ยนรูปได้ง่ายในกระบวนการรีดหรือการขึ้นรูปภายหลัง ด้วยเหตุนี้ $\mathrm{TiN}$ จึงทำหน้าที่เป็นตำแหน่งรวมความเค้นและส่งผลเสียต่อความทนทานต่อความล้าของเหล็กกล้ากำลังสูง เหล็กกล้าลูกปืน และเหล็กกล้าเฟือง

นอกจากนี้ ในระหว่างการเย็นตัวของน้ำเหล็กยังอาจเกิด ออกไซด์ทุติยภูมิ (secondary oxides) ซึ่งตกตะกอนจากเฟสของเหลวก่อนเริ่มการแข็งตัว อนุภาคกลุ่มนี้แม้จะมีขนาดเล็ก แต่หากมีปริมาณมากหรือเกิดในช่วงเวลาที่ไม่สามารถกำจัดออกได้ ก็จะส่งผลต่อระดับความสะอาดของเหล็กกล้าเช่นกัน

1.3 สารมลทินจากการแยกตัวระหว่างการแข็งตัว

ระหว่างการแข็งตัวของน้ำเหล็กในลักษณะเดนไดรต์ ธาตุบางชนิดที่มีสัมประสิทธิ์การแบ่งส่วนระหว่างของแข็งและของเหลวต่ำกว่า 1 เช่น กำมะถัน ฟอสฟอรัส คาร์บอน และแมงกานีส จะถูกผลักออกจากบริเวณที่กำลังแข็งตัวและไปสะสมอยู่ในของเหลวระหว่างแขนเดนไดรต์ ทำให้เกิดการแยกตัวเชิงจุลภาค (microsegregation) และเพิ่มความเข้มข้นเฉพาะที่ของธาตุเหล่านี้ในช่วงปลายของการแข็งตัว

กรณีสำคัญคือการเกิด แมงกานีสซัลไฟด์ ($\mathrm{MnS}$) เมื่อความเข้มข้นเฉพาะที่ของ Mn และ S สูงเกินขีดจำกัดการละลาย $\mathrm{MnS}$ จะตกตะกอนออกมา โดยสัณฐานวิทยาของ $\mathrm{MnS}$ สามารถจำแนกตามการจัดประเภทของ Sims ได้เป็น 3 รูปแบบ ได้แก่

1. Type I เป็นอนุภาคลักษณะค่อนข้างกลมหรือกระจายตัวแบบสุ่ม มักพบในเหล็กกล้ากึ่งสงบที่มีปริมาณออกซิเจนค่อนข้างสูง
2. Type II เป็นฟิล์มหรือโครงข่ายต่อเนื่องตามขอบเกรน ซึ่งพบในเหล็กกล้าที่มีออกซิเจนต่ำแต่กำมะถันสูง ลักษณะนี้ส่งผลเสียอย่างมากต่อความเหนียวของขอบเกรนและเพิ่มแนวโน้มการเกิดการฉีกขาดตามแนวชั้น
3. Type III เป็นอนุภาคที่แยกตัวจากกันอย่างชัดเจน มักมีลักษณะค่อนข้างเป็นเหลี่ยม และสัมพันธ์กับสภาวะการขจัดออกซิเจนด้วยอะลูมิเนียมที่เพียงพอ

ในทางปฏิบัติ มีการเติมแคลเซียมหรือธาตุหายาก (rare earth metals; REM) เพื่อปรับสภาพซัลไฟด์ให้เกิดในรูปของออกซิซัลไฟด์หรือซัลไฟด์ที่มีเสถียรภาพสูงขึ้น เช่น $(\mathrm{Ca,Mn})\mathrm{S}$ หรือ $\mathrm{RE_2O_2S}$ ซึ่งช่วยลดการเกิด $\mathrm{MnS}$ แบบ Type II และลดแนวโน้มการยืดตัวของซัลไฟด์ระหว่างการรีดร้อน อันเป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงสมบัติเชิงกลโดยเฉพาะในทิศทางความหนาของผลิตภัณฑ์แผ่น

---

2. สารมลทินกำเนิดภายนอก

สารมลทินกำเนิดภายนอก หมายถึงสารมลทินที่เกิดจากการปนเปื้อนจากแหล่งภายนอกระบบสมดุลของน้ำเหล็ก เช่น การหลุดล่อนของวัสดุทนไฟ การดักจับตะกรัน หรือการเกิดรีออกซิเดชันจากการสัมผัสอากาศ สารมลทินประเภทนี้มักมีขนาดใหญ่กว่าสารมลทินกำเนิดภายในอย่างมีนัยสำคัญ และมักพบในลักษณะของสารมลทินขนาดใหญ่ (macro-inclusions) ซึ่งเป็นอันตรายต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์อย่างมาก แม้ว่าจะมีจำนวนไม่มากก็ตาม

2.1 สารมลทินจากการกัดกร่อนและการสึกกร่อนของวัสดุทนไฟ

วัสดุทนไฟที่บุทัพพี อ่างรับน้ำเหล็ก และหัวฉีดต้องสัมผัสกับน้ำเหล็กและตะกรันที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน จึงมีโอกาสเกิดการกัดกร่อนทางเคมีและการสึกกร่อนทางกล หากชิ้นส่วนของวัสดุทนไฟหลุดล่อนและปะปนลงสู่น้ำเหล็ก จะกลายเป็นสารมลทินกำเนิดภายนอกโดยตรง

ในเชิงกลไก ตะกรันที่มีปริมาณ FeO, MnO หรือ SiO$_2$ สูง มักมีความสามารถในการกัดกร่อนวัสดุทนไฟได้มาก โดยเฉพาะอิฐชนิด MgO-C หรือ Al_2\)O\(_3-C ซึ่งการเสื่อมสภาพของวัสดุทนไฟไม่เพียงแต่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของอุปกรณ์ แต่ยังเป็นแหล่งกำเนิดสารมลทินขนาดใหญ่ที่เป็นอันตรายต่อคุณภาพของเหล็กกล้า

สารมลทินจากวัสดุทนไฟมักสามารถระบุแหล่งกำเนิดได้จากองค์ประกอบเชิงแร่ เช่น $\mathrm{MgAl_2O_4}$ สปิเนล $\mathrm{ZrO_2}$ หรือ $\mathrm{MgO}$ ขนาดใหญ่ ซึ่งไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นได้โดยง่ายจากปฏิกิริยาสมดุลภายในน้ำเหล็กเพียงอย่างเดียว

2.2 สารมลทินจากการดักจับตะกรัน

การดักจับตะกรัน (slag entrapment) เป็นอีกกลไกหนึ่งที่สำคัญของการเกิดสารมลทินกำเนิดภายนอก โดยหยดตะกรันอาจถูกพาเข้าสู่น้ำเหล็กระหว่างการเทหรือระหว่างการหล่อต่อเนื่อง และไม่สามารถลอยตัวขึ้นสู่ผิวได้ทันก่อนที่น้ำเหล็กจะแข็งตัว

ระหว่างการปล่อยน้ำเหล็กจากทัพพีสู่อ่างรับน้ำเหล็ก หากเกิดกระแสน้ำวนบริเวณผิวบน อาจมีการดูดพาตะกรันลงไปในกระแสน้ำเหล็กได้ นอกจากนี้ ในแม่พิมพ์หล่อต่อเนื่อง หากอัตราการเป่าอาร์กอนผ่านหัวฉีดจุ่มสูงเกินไป หรือระดับน้ำเหล็กในแม่พิมพ์เกิดความผันผวนมาก ตะกรันแม่พิมพ์หรือผงหล่ออาจถูกแรงเฉือนดึงเข้าสู่น้ำเหล็กและกลายเป็นสารมลทิน

สารมลทินที่มีแหล่งกำเนิดจากตะกรันมักมีลักษณะเป็นหลายเฟส มีรูปร่างค่อนข้างกลม และมีขนาดใหญ่ โดยองค์ประกอบมักอยู่ในระบบ CaO–SiO(_2)–Al(_2)O(_3)–MgO และอาจตรวจพบ F, Na(_2)O หรือ K(_2)O ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้แหล่งกำเนิดจากผงหล่อแม่พิมพ์

2.3 สารมลทินจากการรีออกซิเดชัน

การรีออกซิเดชันเกิดขึ้นเมื่อน้ำเหล็กที่ผ่านการขจัดออกซิเจนแล้วสัมผัสกับออกซิเจนจากบรรยากาศ หรือสัมผัสกับออกไซด์ที่มีความเสถียรต่ำในตะกรันหรือวัสดุที่เกี่ยวข้อง ปฏิกิริยาดังกล่าวทำให้ธาตุขจัดออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำเหล็ก เช่น Al หรือ Si กลับทำปฏิกิริยาและสร้างสารมลทินออกไซด์ขึ้นใหม่ ตัวอย่างเช่น

$$4[\mathrm{Al}] + 3\mathrm{O_2}(g) \rightarrow 2\mathrm{Al_2O_3}(s)$$

นอกจากนั้น Al ที่ละลายอยู่ในน้ำเหล็กยังสามารถรีดิวซ์ FeO หรือ MnO ในตะกรันได้ ดังสมการ

$$3(\mathrm{FeO})_{\mathrm{slag}} + 2[\mathrm{Al}] \rightarrow (\mathrm{Al_2O_3})_{\mathrm{inclusion}} + 3[\mathrm{Fe}]$$

ผลของการรีออกซิเดชันมักทำให้เกิดคลัสเตอร์ของออกไซด์ขนาดใหญ่ซึ่งมีลักษณะไม่หนาแน่นและอาจเกี่ยวข้องกับการดักจับฟองก๊าซ สารมลทินลักษณะนี้เป็นสาเหตุของตำหนิผิว รอยร้าวภายใน และความไม่เสถียรของกระบวนการหล่อต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ระบบป้องกันอากาศระหว่างทัพพี อ่างรับน้ำเหล็ก และหัวฉีดจุ่มมีประสิทธิภาพไม่เพียงพอ

---

3. การเปรียบเทียบสารมลทินกำเนิดภายในและกำเนิดภายนอก

โดยสรุป สารมลทินกำเนิดภายในและกำเนิดภายนอกมีลักษณะจำแนกที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน สารมลทินกำเนิดภายในโดยทั่วไปเกิดจากปฏิกิริยาเคมีภายในน้ำเหล็ก มีขนาดเล็กและพบในจำนวนมาก ขณะที่สารมลทินกำเนิดภายนอกมักเกิดจากการปนเปื้อนจากตะกรัน วัสดุทนไฟ หรืออากาศ มีขนาดใหญ่กว่าและแม้มีจำนวนไม่มาก แต่สามารถก่อให้เกิดความเสียหายรุนแรงต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ได้

ในด้านองค์ประกอบ สารมลทินกำเนิดภายในมักเป็นสารประกอบเฉพาะ เช่น $\mathrm{Al_2O_3}$, $\mathrm{MnS}$, หรือ $\mathrm{TiN}$ ในขณะที่สารมลทินกำเนิดภายนอกมักเป็นสารประกอบหลายเฟสที่มีองค์ประกอบซับซ้อน เช่น ระบบ CaO–SiO(_2)–Al(_2)O(_3)–MgO อันสะท้อนถึงแหล่งกำเนิดจากตะกรันหรือวัสดุทนไฟ

---

4. แนวทางการควบคุมสารมลทินในกระบวนการผลิตเหล็กกล้า

การควบคุมสารมลทินชนิดไม่ใช่โลหะจำเป็นต้องอาศัยการบูรณาการองค์ความรู้ด้านเทอร์โมไดนามิกส์ จลนพลศาสตร์ของอนุภาค การไหลของของไหล และวิศวกรรมกระบวนการ โดยแนวทางสำคัญสามารถสรุปได้ดังนี้

1. การควบคุมองค์ประกอบและสภาวะสมดุลของน้ำเหล็ก
   เพื่อลดการเกิดสารมลทินจากการขจัดออกซิเจนและการตกตะกอนทุติยภูมิ

2. การปรับสภาพสารมลทินด้วยแคลเซียม
   เพื่อเปลี่ยนอนุภาคแข็งที่มีแนวโน้มอุดตันหัวฉีดให้กลายเป็นสารมลทินที่มีสภาพเป็นของเหลวหรือมีรูปร่างกลมมากขึ้น

3. การส่งเสริมการรวมตัวและการลอยตัวของสารมลทิน
   เช่น การกวนด้วยอาร์กอนอย่างเหมาะสม เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกำจัดสารมลทินออกจากน้ำเหล็ก

4. การป้องกันการพาตะกรันและการรีออกซิเดชัน
   โดยการใช้ระบบปกคลุมด้วยก๊าซเฉื่อย การควบคุมการไหลระหว่างทัพพี อ่างรับน้ำเหล็ก และแม่พิมพ์ รวมถึงการลดความปั่นป่วนบริเวณผิวหน้า

5. การเลือกและดูแลวัสดุทนไฟอย่างเหมาะสม
   เพื่อป้องกันการกัดกร่อนและการหลุดล่อนของชิ้นส่วนวัสดุทนไฟเข้าสู่น้ำเหล็ก

6. การออกแบบการไหลในอ่างรับน้ำเหล็กและแม่พิมพ์
   เช่น การใช้เขื่อน ฉากกั้น และการควบคุมรูปแบบการฉีดน้ำเหล็กผ่าน SEN เพื่อลดโอกาสการดักจับตะกรันและเพิ่มเวลาให้สารมลทินลอยตัว

---

5. บทสรุป

สารมลทินชนิดไม่ใช่โลหะเป็นองค์ประกอบสำคัญที่กำหนดระดับความสะอาดของเหล็กกล้า และมีบทบาทโดยตรงต่อสมบัติของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป รวมถึงเสถียรภาพของกระบวนการหล่อต่อเนื่อง สารมลทินกำเนิดภายในเกิดจากปฏิกิริยาและการตกตะกอนภายในน้ำเหล็ก ขณะที่สารมลทินกำเนิดภายนอกเกิดจากการปนเปื้อนจากตะกรัน วัสดุทนไฟ และการรีออกซิเดชัน แม้ทั้งสองประเภทจะมีลักษณะแตกต่างกัน แต่ล้วนต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด

ในบริบทของเทคโนโลยีเหล็กกล้าสะอาด เป้าหมายไม่ได้อยู่ที่การกำจัดสารมลทินให้หมดไปโดยสิ้นเชิง ซึ่งแทบเป็นไปไม่ได้ในทางอุตสาหกรรม หากแต่อยู่ที่การควบคุมให้สารมลทินที่หลงเหลืออยู่มีปริมาณต่ำ มีขนาดเล็ก มีสัณฐานวิทยาที่ไม่เป็นอันตราย และสามารถยอมรับได้ต่อข้อกำหนดการใช้งานของเหล็กกล้าแต่ละประเภท การบรรลุเป้าหมายดังกล่าวจำเป็นต้องอาศัยความเข้าใจเชิงลึกทั้งในด้านเทอร์โมไดนามิกส์ จลนพลศาสตร์ และวิศวกรรมกระบวนการผลิตเหล็กอย่างครบถ้วน