รายงานวิจัย

วิศวกรรมศาสตร์ การผลิต และการก่อสร้าง
ทุนสนับสนุนงานพื้นฐาน (Fundamental Fund)
2569
การผลิตถ่านจากเศษไม้ไผ่ซางหม่นเหลือทิ้งด้วยกระบวนการใช้แก๊สไพโรไลซิสหมุนวนแบบช้า สำหรับใช้เป็นเชื้อเพลิงในการถลุงสินแร่เหล็กน้ำพี้แบบเผาตรง
Production of charcoal from waste bamboo waste by using a slow cycle pyrolysis gas process. For use as fuel in the smelting of Nam Phi iron ore by direct burning.
ไพโรจน์ นะเที่ยง
สินแร่เหล็กจากบ่อพระแสงและบ่อพระขรรค์ ในพื้นที่ของตำบลน้ำพี้ อำเภอทองแสนขัน จังหวัดอุตรดิตถ์ ถือว่าเป็นแหล่งแร่เหล็กที่มีคุณภาพสูงของประเทศไทย เหมาะกับการนำมาใช้ทำดาบ และอาวุธที่มีความแข็งแรง คงทน จากการทดสอบของ (อดุลย์ พุกอินทร์,2560) พบว่าเหล็กน้ำพี้จากแหล่งขุดแร่ปัจจุบันเมื่อนำมาทำการถลุงแล้วมค่าเฉลี่ยปริมาณเหล็กที่ 59.06% จัดอยู่ในกลุ่มของแร่ชนิดฮีมาไทต์ (Hematite) มีสูตรทางเคมี Fe2O3 ในการถลุงแร่ของชาวบ้านจะใช้วิธีการขุดด้วยจอบ เสียมและขวานขุดเจาะ เมื่อได้แร่มาแล้วชาวบ้านจะนำไปถลุงโดยใช้ ภูมิปัญญาท้องถิ่นที่เป็นองค์ความรู้ของชุมชนเพื่อให้ได้เนื้อเหล็กบริสุทธิ์โดยการนำแร่เหล็กมาทุบให้ได้เนื้อเหล็กบริสุทธิ์โดยการนำแร่เหล็กมาทุบให้ได้ขนาดพอเหมาะใส่ในเตาถลุงที่ปั้นจากดินเหนียวผสมแกลบใช้ถ่านไม้ประเภทไม้เนื้อแข็ง เช่น ถ่านไม้มะขาม เป็นเชื้อเพลิงแล้วเป่าลมด้วยเครื่องเป่าลมให้ให้ร้อนจนสิ่งเจือปน หรือสารมลิทนละลายออกจากแร่เหล็ก จากนั้นจึงแยกเอาเหล็กบริสุทธ์ออกจากสิ่งเจอปน เมื่อเนื้อเหล็กเย็นตัวแล้วจะนำไปหลอมยุบรวมกันเพื่อให้เป็นก้อนขนาดพอเหมาะเพื่อนำไปใช้สำหรับสร้างผลิตภัณฑ์ต่อไป (ไพโรจน์ นะเที่ยง,2557) โดยภูมิปัญญาการถลุงแร่เหล็กของชาวบ้านตำบลน้ำพี้นั้นตามหลักการทางวิทยาศาสตร์ถือว่าเป็นกรรมวิธีการถลุงสินแร่ด้วยกรรมวิธีการทางตรง (Direct Iron Smelting Process) โดยการถลุงเริ่มจาการการบดย่อยสินแร่ และทำความสะอาดสินแร่แล้วนำไปบดผสมกับถ่านเชื้อเพลิงตามสัดส่วนที่เหมาะสมในเตาถลุง คือ สินแร่เหล็กจำนวน 1 ส่วน ถ่านไม้จำนวน 3 ส่วน จากนั้นจึงทำการใส่เชื้อเพลิงและสูบลมเพื่อเร่งอุณหภูมิภายในเตาถลุงให้สูงประมาณ 1,100 -1,200 องศาเซลเซียส โดยในณะทำการถลุงต้องเติมถ่านไม้เพื่อช่วยให้การเผาไหม้ภายในเตาเกิดก๊าซคาร์บอนมอนนอกไซด์ในปริมาณที่มากพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยากับแร่เหล็กอย่างสมบูรณ์ เพื่อก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีของเหล็ก ซึ่งเป็นส่วนผสมระหว่างเหล็กกับคาร์บอน และธาตุอื่นๆ ที่อยู่ในลักษณะของธาตุ เจือปน เช่น ซิลิกอน แมงกานีส และฟอสฟอรัส เป็นต้น (สิงหเดช แตงจวง.2550) ปัจจุบันชาวบ้านยังคงใช้ความรู้ที่เกี่ยวกับการถลุงเหล็กเหล็กน้ำพี้ด้วยวิธีการโบราณที่สืบทอดกันมา จึงทำให้ทั้งปริมาณเนื้อและคุณภาพของเหล็กน้ำพี้ที่ถลุงได้มีปริมาณน้อยไม่เพียงพอต่อกี่นำไปใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับผลิตสินค้าของกลุ่มวิสาหกิจชุมชน และที่สำคัญการถลุงด้วยวิธีการโบราณนั้นยังใช้เวลาในการถลุงที่นานและได้เหล็กที่ยังคงมีตะกรันปะปนอยู่มาก จึงทำให้ต้องมีการนำสินแร่มาถลุงซ้ำๆหลายครั้งเพื่อกำจัดตะกรันออกจากเพื่อให้ได้เนื้อเหล็กที่มีความบริสุทธิ์มากที่สุด จากปัญหาดังกล่าวข้างต้นจึงได้มีการพัฒนาวิธีการถลุงสินแร่เหล็กน้ำพี้ขึ้นโดย (พิทักษ์ คล้ายชม และคณะ, 2561) โดยเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพเตาถลุงสินแร่เหล็กน้ำพี้แบบเผาตรงโดยใช้เตาถลุงแบบคิวโบล่าที่มีการควบคุมด้วยระบบอัตโนมัติ ผลจาการวิจัยพบว่าในการถลุงแต่ละครั้งใช้เวลาเฉลี่ยเท่ากับ 110.67 นาที ใช้ปริมาณเชื้อเพลิงถ่านไม้เนื้อแข็งเฉลี่ย 53.67 กิโลกรัม สามารถถลุงได้ปริมาณเหล็กเฉลี่ยเท่ากับ 1.62 กิโลกรัม คิดเป็น 32.33% สามารถคำนวณอัตราการผลิตเหล็กน้ำพี้ได้ท่ากับ 0.88 กิโลกรัม/ชั่วโมง อัตราการใช้เชื้อเพลิงถ่านไม้ต่อการผลิตเหล็กน้ำพี้ 1 กิโลกรัมได้เท่ากับ 33.13 และเมื่อทำการเปรียบเทียบธาตุผสมของเหล็กที่ได้จากการถลุงเหล็กน้ำพี้ด้วยวิธีการที่พัฒนาขึ้น พบว่า มีค่าเปอร์เซ็นต์ธาตุเหล็ก (Fe) คิดเป็น 79.83% และคาร์บอน (C) คิดเป็น 7.74% เมื่อเปรียบเทียบความคุ้มค่าทางเศรษศาสตร์โดยการคิดค่าใช้จ่ายต่อรอบการผลิตที่การถลุงแร่เหล็กน้ำพี้ปริมาณ 5 กิโลกรัม จะมีค่าใช้จ่ายต่อรอบการผลิตค่าถ่านไม้มะขามที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำรับการถลุงคิดเป็น 1,019 บาท จากงานวิจัยของพิทักษ์ คล้ายชม และคณะ,ที่กล่าวมาแล้วในขั้นต้นจะเห็นว่าการพัฒนาวิธีการถลุงสินแร่เหล็กน้ำพี้แบบเผาตรงโดยใช้เตาถลุงแบบคิวโบล่าที่มีการควบคุมด้วยระบบอัตโนมัติ สามารถช่วยเพิ่มปริมาณเนื้อเหล็กได้เพิ่มมากขึ้นโดยมีค่าเปอร์เซ็นต์ธาตุเหล็ก (Fe) ที่ถลุงได้คิดเป็น 79.83% เมื่อเปรียบเทียบกับการถลุงแร่เหล็กของชาวบ้านตำบลน้ำพี้ที่มีค่าเปอร์เซ็นต์ธาตุเหล็ก (Fe) ที่ถลุงได้คิดเป็น 19% เท่านั้น แต่การถลุงแร่เหล็กน้ำพี้ด้วยกรรมวิธีการที่พัฒนาขึ้นมาใหม่นั้นยังมีจุดที่ควรพิจารณาในประเด็นหลักๆ ด้วยกันสองประเด็น คือ ต้นทุนค่าวัสดุเชื้อเพลิงที่นำมาใช้สำหรับเตาถลุง ซึ่งใช้เชื้อเพลิงประเภทถ่านไม้เนื้อแข็งซึ่งเป็นต้นทุนหลักของการผลิต เนื่องจากการถลุงแร่เหล็กแบบผาตรงจำเป็นต้นใช้เชื้อเพลิงที่ให้ค่าความร้อนที่สูง1,100 -1,200 องศาเซลเซียส เพื่อกำจัดสารมลทินที่ปะปนมากับเนื้อเหล็ก อีกทั้งยังเป็นตัวทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนมอนนอกไซด์เพื่อทำปฏิกิริยากับแร่เหล็กอย่างสมบูรณ์ภายในเตาถลุง ซึ่งจากการใช้ถ่านไม้เนื้อแข็งมาเป็นวัสดุเชื้อเพลิงสำหรับถลุงแร่เหล็กน้ำพี้จึงมีผลทำให้สัดส่วนของธาตุคาร์บอน (C) ที่อยู่ในเนื้อเหล็กที่ได้จากการถลุงมีค่าที่สูงคิดเป็น 7.74% โดยปริมาณของธาตุคาร์บอนจะมีผลกับค่าความแข็งของเหล็ก ซึ่งเหล็กที่ถลุงได้จากกรรมวิธีการนี้จัดว่ามีค่าความแข็งที่สูงจึงทำให้การนำไปขึ้นรูปทำได้ยากมากขึ้น ดังนั้นเพื่อเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของการผลิตเหล็กน้ำพี้แบบเผาตรงโดยใช้เตาถลุงแบบคิวโบล่าที่มีการควบคุมด้วยระบบอัตโนมัติ ในด้านของการลดต้นทุนการผลิตและลดสัดส่วนของธาตุคาร์บอน (C) ที่อยู่ในเนื้อเหล็กที่ได้หลังจากการถลุง จึงทำให้ผู้วิจัยมีแนวคิดที่จะพัฒนากรรมวิธีการผลิตเชื้อเพลิงที่เหมาะสมทั้งในด้านต้นทุนและสมบัติในด้านการใช้งานเพื่อนำไปใช้ร่วมกันการถลุงสินแร่เหล็กน้ำพี้แบบเผาตรง โดยเลือกที่ศึกษากับไม้ไผ่ซางหมนซึ่งเป็นพืชเชื้อเพลิงที่มีอยู่โดยทั่วไปในพื้นที่ เนื่องจากในพื้นที่ของอำเภอทองแสนขัน จังหวัดอุตรดิตถ์ เป็นแหล่งปลูกและแปรรูปผลิตภัณฑ์จากไม้ไผ่ซางหมนที่สำคัญแหล่งหนึ่งในภาคเหนือของประเทศไทย ซึ่งโดยทั่วไปไผ่ซางหม่นมีลักษณะที่โดดเด่นที่ลำต้นที่มีเนื้อหนาจึงเหมาะสมที่จะนำมาผลิตเป็นเชื้อเพลิงเป็นอย่างยิ่ง ไผ่ซางหม่นสามารถให้ ชีวมวลต่อไร่ในระยะเวลาที่เท่ากันและสูงกว่าพืชพลังงานชนิดอื่น เจริญเติบโตอย่างรวดเร็วจึงสามารถปลูกหมุนเวียนเพื่อการตัดไปใช้ประโยชน์ได้อย่างต่อเนื่อง จากการวิเคราะห์ค่าความร้อนของถ่านไม้ไผ่ซางหมนพบว่ามีค่าความร้อนอยู่ในระดับที่สูง (6,100-7,000 cal/g) (นุวัติ พิมพะบุตร และคณะ,2563) โดยมีปริมาณเถ้าสูงสุดคือ 4.21 % ซึ่งเป็นปริมาตรเถ้าที่ได้อยู่ในช่วงมาตรฐานไม่เกิน 8 % (สำนักงาน มาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม, 2547) จึงทำให้ไผ่ซางหมนมีความเหมาะสมสำหรับนำไปผลิตเป็นวัสดุเชื้อเพลิงเป็นอย่างยิ่ง ซึ่งประโชยชน์จากงานวิจัยนี้จะส่งผลต่อการลดต้นทุนการถลุงสินแร่เหล็กน้ำพี้โดยตรงเนื่องจากเป็นการใช้วัสดุเชื้อเพลิงจากไม้ไผ่ซางหมนซึ่งสามารถผลิตใช้ได้เองในพื้นที่ ทดแทนการใช้วัสดุเชื้อเพลิงจากถ่านเนื้อแข็งที่มีราคาแพงและหาได้ยากขึ้นทุกวัน อีกทั้งยังเป็นการพึ่งพาตนเองทางด้านพลังงานที่ใช้ในการผลิตโดยการใช้พลังงานจากพืชที่สามารถปลูกหมุนเวียนได้เพื่อก่อให้เกิดความยั่งยืนของกลุ่มวิสาหกิจชุมชนในพื้นที่ต่อไป
สินแร่เหล็ก , เหล็กน้ำพี้ , ถ่านไม้ไผ่