อุตสาหกรรมผลิตเหล็กและผลิตภัณฑ์เกี่ยวกับเหล็ก จัดเป็นอุตสาหกรรมหนัก ใช้พลังงานมาก มีสัดส่วนต้นทุนพลังงาน 20% ของต้นทุนการผลิต มีค่าพลังงานเดือนละ 10-20 ล้านบาท หรือปีละ 100-200 ล้านบาท ส่วนบางแห่งใช้พลังงานเกือบ 100 ล้านบาทต่อเดือน หรือ ปีละ 1,000 กว่าล้านบาทเลยทีเดียว ถ้าลดต้นทุนพลังงานเพียงแค่ 1% ก็ได้ 10 ล้านบาทต่อปีแล้ว การจัดการพลังงานในอุตสาหกรรมเหล็กจึงน่าสนใจ

กระบวนการผลิต

โรงงานผลิตเหล็กในประเทศไทยจัดเป็นโรงงานขนาดเล็ก (Mini Mill) เนื่องจากไม่ได้ถลุงแร่เหล็ก แต่ผลิตเหล็กจากการหลอมเศษเหล็ก (Scrap) ในเตาหลอมไฟฟ้า ส่วนผลิตภัณฑ์เกี่ยวกับเหล็ก ก็ได้จากการอบเหล็กแท่งให้ร้อนตามต้องการแล้วผ่านกรรมวิธีขึ้นรูปเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ตามต้องการ รูปที่ 1 แสดงขั้นตอนการผลิตเหล็กอย่างง่าย

รูปที่ 1 กระบวนการผลิตเหล็ก

1.การเตรียมวัตถุดิบ

2.การหลอม

3.การหล่อ

4.การขึ้นรูป

เนื่องจากวัตถุดิบเป็นเศษเหล็กได้มาจากหลายแหล่ง ทำให้ขนาดและคุณภาพแตกต่างกัน ดังนั้นจึงต้องมีการเตรียม ก่อนป้อนเข้าเตาหลอม เพราะถ้าหากเตรียมไม่ดีก็จะสิ้นเปลืองเศษเหล็กในการหลอมแต่ละรอบ และยังทำให้ต้องใช้เวลาในการหลอมแต่ละรอบนานขึ้น ผลิตภาพลดลง 

เศษเหล็กจะถูกผสมกับอัลลอยด์ และอัดให้แน่นและใช้โอเวอร์เฮดเครนชนิดแม่เหล็ก ดูดเศษเหล็กไปป้อนใส่เตาหลอมอาร์กไฟฟ้า (Electric Arc Furnace หรือ EAF) หรือถ้าการจัดการการผลิตเหมาะสม อาจจะนำเศษเหล็กไปเข้าถังอุ่นเศษเหล็กด้วยไอร้อนจากเตาหลอม (Scrap Preheater) ก่อนจะนำไปเข้าเตาหลอม

รูปที่ 2 การอุ่นเศษเหล็กด้วยไอร้อนจากเตาหลอม

เศษเหล็กจะถูกหลอมในเตาหลอมอาร์กไฟฟ้า ดังรูปที่ 3 จนได้คุณสมบัติตามที่ต้องการ เตาหลอมอาร์กไฟฟ้าได้รับไฟฟ้ากระแสสลับกำลังสูงผ่านทางสายไฟฟ้าที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ มายังแท่งคาร์บอนอิเล็กโทรด ทำให้เกิดอาร์กไฟฟ้าที่อุณหภูมิสูง 3,600-10,500 ^°C เศษเหล็กถูกหลอมอย่างรวดเร็ว

รูปที่ 3 เตาหลอมอาร์กไฟฟ้า

ในช่วงการหลอม หัวเผา Oxy Fuel ที่ใช้น้ำมันกีโรซีน (Kerosene) เป็นเชื้อเพลิงจะให้ความร้อนเพิ่มเติมเพื่อช่วยหลอมเศษเหล็กในบริเวณที่อาร์กไฟฟ้าหลอมไม่ทั่วถึง (Cold Spot) ดังรูปที่ 4 อาจจะป้อนเศษเหล็กครั้งที่ 2, 3 หลังจากหลอมแล้วหัวเผา Oxy Fuel หยุดทำงาน ทำการตรวจสอบเปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนโดยการสุ่มตัวอย่างเหล็กหลอม ถ้าเปอร์เซ็นต์คาร์บอนต่ำ ก็จะเติมคาร์บอนโดยเครื่องฉีดคาร์บอน แต่ถ้าเปอร์เซ็นต์คาร์บอนสูง ก็จะเติมออกซิเจนโดยเครื่องพ่นออกซิเจน การเติมออกซิเจนลงในเตาหลอมโดยใช้เครื่องพ่นออกซิเจน (Oxy Lancer) ช่วยเพิ่มปฏิกิริยาการออกซิเดชั่น ออกซิเจน 14 Nm³/ตันเหล็กแท่ง และเชื้อเพลิง 2-4 ลิตร/ตันเหล็กแท่ง จะช่วยประหยัดพลังงานไฟฟ้าที่ใช้หลอม 50 kWh/ตันเหล็กแท่ง และลดเวลาการหลอมได้ 10-15 นาที

ตาหลอม ๆ เศษเหล็กจนอุณหภูมิเหล็กหลอมสูงถึง 1,560 ^°C ทำการสุ่มตัวอย่างเหล็กหลอมเพื่อตรวจสอบองค์ประกอบทางเคมีโดยสเปกโตโฟโต้มิเตอร์และเติมสารประกอบอัลลอยด์ เช่น FeMn CaO เพื่อแยกซัลเฟอร์ ต่อจากนั้นรอจนอาร์กไฟฟ้าเพิ่มอุณหภูมิเหล็กหลอมจนถึง1,620 ^°C แผ่นฟิล์มออกซิเดชั่น หรือสแลก (Slag) จะลอยขึ้นที่ผิวของเหล็กหลอมจึงทำการถูกถ่ายทิ้ง จากนั้นหลอมต่อจนได้อุณหภูมิ 1,670^°C ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ต้องการแล้ว จึงเอียงเตาหลอมเพื่อเทเหล็กหลอมไปยังถังถ่ายเหล็กหลอม Ladle เรียกระยะเวลาตั้งแต่เตรียมเตาหลอมจนถึงเทเหล็กหลอมว่า เวลา Tap-to-Tap ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้เวลา 45-75 นาที ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพเตาและวิธีการควบคุมอุณหภูมิเศษเหล็กที่เข้าเตาหลอม

รูปที่ 4 หัวเผา Oxy Fuel ให้ความร้อนเสริม

ถังถ่ายเหล็กหลอม Ladle ใช้สำหรับเป็นภาชนะเพื่อใช้ปรุงแต่งคุณสมบัติเหล็กหลอม ถังถ่ายเหล็กหลอมจะถูกอุ่นให้ร้อนด้วยหัวเผาใช้เชื้อเพลิงก่อนที่จะไปรับเหล็กหลอมจากเตาหลอม เพื่อลดความร้อนสูญเสียของเหล็กหลอมและลดเวลาในการหลอม ช่วยเพิ่มผลิตภาพ เมื่อถังเหล็กหลอมรับเหล็กหลอมจากเตาหลอมแล้วจากนั้นก็เคลื่อนย้ายถังถ่ายเหล็กหลอมไปตำแหน่งเพื่อเตรียมหล่อเหล็กในขั้นตอนก่อนการหล่อเหล็กมีการเติม N₂ และคนให้เนื้อเหล็กหลอมเข้ากันเป็นเนื้อเดียว อุณหภูมิเดียวกัน ดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 การถ่ายเหล็กหลอม

เหล็กหลอมจะถูกปล่อยเข้าเครื่องหล่อทีละน้อยอย่างต่อเนื่องโดยมีถาด Tundish ที่ผ่านการอุ่นให้ร้อนแล้ว คอยควบคุมความเร็วในการหล่อให้คงที่ จะได้เหล็กแท่ง โดยอุณหภูมิเหล็กแท่งที่ออกจากเครื่องหล่อประมาณ 900^°C ปล่อยให้เย็นจนมีอุณหภูมิ 600^°C นำไปขึ้นรูปทันทีหรือเก็บไว้ในสต็อกเพื่อไว้ใช้ต่อไป

เหล็กแท่งจากการหล่อจะถูกนำไปอบให้ร้อนในเตาอบเหล็กแท่ง (Reheat Furnace) ที่อุณหภูมิ 1,050-1,150  ^°C  เมื่อได้เหล็กแท่งร้อนแล้วจึงนำไปรีด จากนั้นขึ้นรูปโดยแยกกรรมวิธีตามชนิดของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ เช่นเหล็กเส้น เหล็กแท่ง เหล็กแผ่น เป็นต้น

ซึ่งจากกระบวนการผลิตข้างต้น คล้ายกับการปรุงซุปนั่นเอง ซุปจะอร่อยหรือไม่อร่อย จะเปลืองเชื้อเพลิงหรือไม่ ขึ้นอยู่กับการเตรียมอาหาร เครื่องปรุง ปริมาณการใส่เครื่องปรุง กรรมวิธีการปรุง ระยะเวลา มีการชิมในขณะปรุง ปรุงเสร็จนำไปตกแต่งเพื่อเป็นเมนูอาหารตามต้องการหรือเอาไปเก็บไว้ก่อนแล้วนำมาอุ่นให้ร้อนเมื่อต้องการใช้ เหมือนกับการผลิตเหล็กที่ต้องมีการเตรียมเศษเหล็กให้เหมาะสม การใส่เศษเหล็กลงไปในเตา การเพิ่มเชื้อเพลิง ระยะเวลาการหลอม มีการสุ่มตรวจสอบในขณะหลอม หลอมเสร็จเอาไปขึ้นรูปเพื่อเป็นผลิตภัณฑ์ตามต้องการหรือเก็บไว้ก่อนแล้วนำมาอุ่นในเตาอบเหล็กให้ร้อนเมื่อต้องการใช้

การใช้พลังงาน

ต้นทุนพลังงานมีสัดส่วนประมาณ 20% ของต้นทุนการผลิต ส่วนต้นทุนอื่น ๆ ประกอบด้วยค่าวัตถุดิบหรือเศษเหล็ก 67% ค่าอิเล็กโทรด 8% ค่าฉนวนเตา 2% ค่าแรง 3% การใช้พลังงานแบ่งออกเป็นพลังงานไฟฟ้า 60% สำหรับเตาหลอม การหล่อ และกระบวนการขึ้นรูป พลังงานความร้อน 40% จากการใช้เชื้อเพลิง น้ำมันเตา น้ำมันกีโซลีน หรือก๊าซธรรมชาติ สำหรับเตาอบเหล็ก และสำหรับหัวเผาให้ความร้อนเสริมในเตาหลอมและหัวเผาอุ่นถังถ่ายเหล็กหลอม Ladle และหัวเผาถาด Tundish ถ้าแบ่งตามเครื่องจักรแล้ว เตาหลอมอาร์กไฟฟ้าเป็นเครื่องจักรที่ใช้พลังงานมากที่สุด รองลงมาคือเตาอบเหล็ก โรงขึ้นรูป ถังถ่ายเหล็กหลอม ถาด Tundish และเครื่องหล่อ ตามลำดับ ดังแสดงใน รูปที่ 6

รูปที่ 6 การไหลของพลังงาน

นอกจากมาตรการจัดการพลังงาน เช่น อุ่นเศษเหล็ก ใช้หัวเผา 3 หัวในเตาหลอม อุ่นถังถ่ายเหล็กหลอม ถาด Tundish หัวเผาชนิดนำความร้อนจากไอเสียมาอุ่นอากาศ (Self Recuperative Burner) ซึ่งมีการปฏิบัติอยู่แล้วก็ยังมีศักยภาพในการจัดการพลังงาน ดังนี้

เศษเหล็กมีผลต่อการใช้พลังงานของเตาหลอม เช่น ถ้าเศษเหล็กที่ป้อนเข้าเตาหลอมมีส่วนผสมอโลหะเพียง 1% มีผลทำให้ต้องใช้ไฟฟ้าในการหลอมมากขึ้น 15 kWh/ตันเหล็กแท่ง และสิ้นเปลืองอิเล็กโทรด 0.2 kg/ตันเหล็กแท่ง ถ้าผลิตเหล็กแท่ง 200,000 ตันต่อปี จะประหยัดได้ 7-8 ล้านบาท/ปี ดังนั้นการสุ่มตรวจสอบ คัดแยก และผสมเศษเหล็กจึงมีความสำคัญ นอกจากนี้ถ้าความหนาแน่นของการป้อนเศษเหล็กไม่แน่นอนจะทำให้ต้องป้อนมากกว่า 2 ครั้งต่อรอบการหลอมในขณะที่ผลผลิตไม่เพิ่ม ทำให้ความร้อนสูญเสียจากการเปิดฝาเตาเพื่อป้อนเศษเหล็กครั้งที่ 3 และ 4 กล่าวคือการป้อนเศษเหล็ก 3 ครั้ง ใช้พลังงานมากกว่าการป้อน 2 ครั้งถึง 17 kWh/ตัน ถ้าผลิตเหล็กปีละ 200,000 ตัน จะสิ้นเปลืองพลังงานจากการเปิดฝาเตา 3,400,000 kWh/ปี หรือคิดเป็นเงินกว่า 8 ล้านบาท/ปี ดังนั้นจึงควรอัดให้มีความหนาแน่นเหมาะสม (0.5-0.6 kg/m³)

โดยทั่วไปโรงงานเหล็กที่มีการอุ่นเศษเหล็กให้ร้อนก่อนป้อนเข้าเตาหลอมจะอุ่นได้ไม่เต็มที่ เนื่องจากการควบคุมคุณภาพเศษเหล็กไม่ดี เวลาในการหลอมกับการเตรียมเศษเหล็กไม่สอดคล้องกัน ทำให้เวลาในการอุ่นเศษเหล็กไม่เพียงพอ ดังนั้นเพื่อหลีกเลี่ยงข้อจำกัดดังกล่าว การอุ่นเศษเหล็กสามารถทำได้โดยให้ความร้อนแก่เศษเหล็กโดยตรงนอกเตาหลอมโดยใช้เชื้อเพลิง การให้ความร้อนเศษเหล็กก่อนเข้าเตาหลอมช่วยลดเวลาการหลอม 5-10 นาทีต่อรอบ อุณหภูมิสูงสุดของการอุ่นเศษเหล็กไม่ควรต่ำกว่า 600 ^°C เพื่อป้องกันกลิ่นและไอพิษ และลดพลังงานไฟฟ้าลงได้ 30 kWh/ตันเหล็กแท่ง หากพิจารณาเชื้อเพลิงที่ต้องใช้อุ่นเศษเหล็กเทียบเท่าไฟฟ้า 10 kWh/ตัน ดังนั้นประหยัดสุทธิ 20 kWh/ตัน คิดเป็นเงินได้กว่า 10 ล้านบาท/ปี

โดยทั่วไปการหลอมเหล็กจะใช้เตาหลอมอาร์กไฟฟ้า ที่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC EAF) เพราะง่ายกว่า ไม่ต้องมีอุปกรณ์แปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรง แต่ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยี ทำให้การแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรงขนาดใหญ่จึงไม่ใช่ปัญหา การใช้ DC EAF ทำให้ระบบมีเสถียรภาพเนื่องจากการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า ใช้พลังงานน้อยกว่า AC EAF 3-5% ใช้แท่งอิเล็กโทรด ลดลง 50% หลอมเหล็กได้ทั่วถึง ไม่ใช่เพียงเฉพาะรอบ ๆ อิเล็กโทรด และลดระดับเสียงลงด้วย

ในขณะที่เหล็กหลอมถูกปล่อยจากถังถ่ายเหล็กหลอม Ladle ไปยังถาด Tundish ควรมีฝาครอบเพื่อรักษาอุณหภูมิเหล็กหลอมไม่ให้ตกลงมากเพราะหากไม่มี จะทำให้อุณหภูมิเหล็กหลอมลดลง 60-70 ^°C  ทำให้สูญเสียพลังงานในการหลอม 1-2 kWh/ตัน หรือ กว่า 1 ล้านบาท/ปี

ที่พบบ่อยคือ การขาดการตรวจสอบออกซิเจนเซ็นเซอร์ที่ติดตั้งวัดที่ปล่องไอเสีย ทำให้การควบคุมอากาศส่วนเกินที่ใช้ในการเผาไหม้ผิดพลาด โดยอากาศส่วนเกินสูงถึง 50-100% การลดอากาศส่วนเกินจาก 50% เป็น 20% ช่วยลดการใช้พลังงาน 250 MJ/ตันเหล็กแท่ง หรือ น้ำมันเตา 6 ลิตร/ตัน คิดเป็นเงิน 10 ล้านบาท/ปี

เหล็กแท่งร้อนจากเครื่องหล่อเหล็กส่วนใหญ่จะถูกเก็บไว้ก่อนนำไปรีด ครั้นจะไม่เก็บ โดยนำไปรีดเลยซึ่งจะช่วยประหยัดพลังงานแต่เนื่องจากกำลังการหล่อและกำลังการผลิตของโรงรีดจะแตกต่างกัน ดังนั้นเพื่อแก้ปัญหาในจุดนี้ควรติดตั้งตู้เหล็กหุ้มฉนวนกันความร้อนสูญเสียเพื่อเตรียมไปรีด โดยที่อุณหภูมิของเหล็กแท่งเพิ่มขึ้น ทุก ๆ 100 ^°C จะประหยัดพลังงานได้ 4 ลิตร/ตันเหล็กแท่ง ถ้าเหล็กแท่ง 50% ของกำลังผลิตสามารถใช้วิธี Hot Charge ได้จากเดิมเหล็กแท่ง 100 ^°C เป็น 600 ^°C จะช่วยประหยัดเชื้อเพลิงได้ 20 ลิตร/ตันเหล็กแท่ง หรือเกือบ 20 ล้านบาท/ปี

โดยทั่วไปมีการนำความร้อนทิ้งจากไอเสียมาอุ่นอากาศที่เผาไหม้อบเหล็กอยู่แล้วโดยใช้หัวเผา Self Recuperative กลับมาประมาณ 10% อุณหภูมิไอเสียจาก 495 ^°C เป็น 280 ^°C อากาศจาก 40 ^°C เป็น 180 ^°C ซึ่งอุณหภูมิไอเสียหลังแลกเปลี่ยน 280 ^°C ยังมีศักยภาพในการนำกลับมาอีก 3-4% โดยการติดตั้งอุปกรณ์อุ่นอากาศจาก 180 ^°C  เป็น 230 ^°C โดย อุณหภูมิไอเสียจาก 280 ^°C เป็น 200 ^°C ช่วยประหยัดพลังงานในการอบเหล็ก 37 MJ/ตันเหล็กแท่ง (เทียบเท่า 10 kWh/ตัน) หรือประหยัดน้ำมันเตา 170,000 ลิตร/ปี คิดเป็นเงิน กว่า 1.5 ล้านบาท/ปี

ในโรงรีดและขึ้นรูปประกอบด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อใช้รีดเหล็กและปั๊มน้ำเพื่อหล่อเย็นและเคลือบผิวเหล็ก (Lamina Cooling) ส่วนใหญ่จะมีการติดตั้งปั๊มน้ำหลายตัวและถูกออกแบบให้ใหญ่เกินจริง ถึงแม้ว่าจะทำงานที่โหลดเต็มพิกัด นอกจากนี้ น้ำจะถูกควบคุมด้วยการหรี่วาล์ว เพื่อรักษาระดับแรงดันผ่านทางอุปกรณ์ตรวจวัดความดัน (Pressure Sensor) เช่นควบคุมให้ความดันคงที่ ที่ 2.5 บาร์ ดังนั้นเพื่อเป็นการประหยัดพลังงาน สามารถติดตั้ง VFD ร่วมกับชุดควบคุมความดันจะลดพลังงานลงได้กว่า 50% เมื่อเทียบกับก่อนปรับปรุง  

เนื่องจากในวันหนึ่ง ๆ อัตราค่าไฟฟ้าไม่เท่ากัน ถ้าใช้อัตรา TOD ช่วงค่าไฟฟ้าแพง (18:30-21:30 ทุกวัน) ก็ควรหลีกเลี่ยงการใช้เตาหลอม หรือ ถ้าสามารถหยุดเตาหลอมในช่วงกลางวัน 9:00-22:00 ของวันจันทร์-ศุกร์ และไปเพิ่มการผลิตในช่วงกลางคืนและวันเสาร์-อาทิตย์ ก็ให้ใช้อัตรา TOU จะช่วยลดค่าไฟฟ้าจาก 2-2.2บาท/kWh เป็น 1.5-1.7 บาท/kWh ขึ้นอยู่กับระดับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ (ถ้าแรงดันไฟฟ้ายิ่งสูง ยิ่งค่าไฟฟ้าถูก) และค่า FT หรือ ประหยัดได้ 10-15% อย่างไม่ยากเย็นนัก

สรุปแล้วการจัดการพลังงานในโรงงานเหล็กสามารถช่วยเพิ่มกำไรให้อย่างมากมาย  จากที่กล่าวมาข้างต้นสามารถประหยัดได้รวมกันกว่า 60-100 ล้านบาท/ปี คิดเป็นสัดส่วนประมาณ 10% ของต้นทุนพลังงานก่อนปรับปรุง มีระยะเวลาคืนทุนไม่เกิน 3 ปี ผลตอบแทนการลงทุน 20-30% ขึ้นไป แต่ถ้าไม่อยากลงทุนมากในช่วงเริ่มต้นก็สามารถเลือกบางมาตรการที่ง่าย ๆ ซึ่งประหยัดได้ 1-5% ซึ่งฟังดูไม่มากแต่ถ้าคิดเป็นเงินแล้วก็หลายสิบล้านบาท การจัดแบ่งมาตรการสามารถสรุปไดั ดังรูปที่ 7

รูปที่ 7 การจัดแบ่งมาตรการจัดการพลังงาน