ตะกรันเป็นผลพลอยได้หรือผลพลอยได้จากการถลุงแร่ ( กระบวนการ ถลุงด้วยความร้อน ) และโลหะรีไซเคิล ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุที่ผลิต^{[ 1 ]}ตะกรันส่วนใหญ่เป็นส่วนผสมของออกไซด์ ของโลหะ และซิลิคอนไดออกไซด์ โดยทั่วไป สามารถจำแนกได้เป็นตะกรันเหล็ก (ผลพลอยได้จากการแปรรูปเหล็กและเหล็กกล้า) เฟอร์โรอัลลอย (ผลพลอยได้จากการผลิตเฟอร์โรอัลลอย) หรือ โลหะ ที่ไม่ใช่เหล็ก / โลหะพื้นฐาน (ผลพลอยได้จากการกู้คืนวัสดุที่ไม่ใช่เหล็ก เช่นทองแดงนิกเกลสังกะสีและฟอสฟอรัส) [ ^{2 ] ภายใน}หมวดหมู่ทั่วไปเหล่านี้ ตะกรันสามารถจำแนกเพิ่มเติมได้ตามสารตั้งต้นและสภาวะการแปรรูป ตัวอย่างเช่น ตะกรัน เตาหลอมเหล็ก ตะกรันเตาหลอมเหล็กระบายความร้อนด้วยอากาศ ตะกรันเตาหลอมเหล็กแบบเม็ด ตะกรันเตาหลอมออกซิเจนพื้นฐานและตะกรันเตาหลอมไฟฟ้า (EAF) ตะกรันที่เกิดจากกระบวนการ EAF อาจมีโลหะที่เป็นพิษ ซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์และสิ่งแวดล้อม^{[ 3 ]}

เนื่องจากความต้องการวัสดุเหล็ก เฟอร์ราลลอย และวัสดุที่ไม่ใช่เหล็กมีมาก การผลิตตะกรันจึงเพิ่มขึ้นตลอดหลายปีที่ผ่านมา แม้ว่าจะมีการรีไซเคิล (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมการผลิตเหล็กและเหล็กกล้า ) และความพยายามในการนำกลับมาใช้ใหม่ก็ตาม สมาคมเหล็กโลก (WSA) ประมาณการว่ามีวัสดุร่วม (ผลิตภัณฑ์ร่วมและผลิตภัณฑ์พลอยได้ ประมาณ 90 %โดยน้ำหนักเป็นตะกรัน) เกิดขึ้น600 กิโลกรัม ต่อ เหล็กที่ผลิตได้ 1 ตัน^{[ 5 ]}

โดยทั่วไปแล้ว ตะกรันจะเป็นส่วนผสมของออกไซด์ ของโลหะ และซิลิคอนไดออกไซด์อย่างไรก็ตาม ตะกรันอาจมีซัลไฟด์ ของโลหะ และโลหะธาตุปนอยู่ด้วยได้ รูปแบบของออกไซด์อาจมีอยู่หรือไม่ก็ได้เมื่อตะกรันหลอมเหลวแข็งตัวและเกิดเป็นส่วนประกอบทั้งแบบอสัณฐานและแบบผลึก

ส่วนประกอบหลักของตะกรันเหล่านี้ได้แก่ ออกไซด์ของแคลเซียมแมกนีเซียมซิลิคอนเหล็กและอะลูมิเนียม โดยมีแมงกานีสฟอสฟอรัส และธาตุอื่นๆ ในปริมาณที่น้อยกว่า ขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะของวัตถุดิบที่ใช้ นอกจากนี้ ตะกรัน ยังสามารถจำแนกตามปริมาณของเหล็กในบรรดาส่วนประกอบหลักอื่นๆ ได้อีกด้วย^{[ 1 ]}

ตะกรันเกิดขึ้นระหว่างการผลิตโลหะในสถานะของเหลว ความหนาแน่นต่ำ (2.4) ทำให้ตะกรันลอยอยู่เหนือโลหะหลอมเหลว (ความหนาแน่นของเหล็กที่ 20 °C: 7.85) โลหะจะแยกออกจากตะกรันได้ง่ายเนื่องจากตะกรันเป็นสารประกอบไอออนิกซึ่งไม่สามารถผสมกับโลหะหลอมเหลว ได้ ^{[ 6 ]}

เป็นผลพลอยได้จากการผลิตเหล็กดิบในเตาหลอมเหล็กซึ่งเป็นกากแร่ เหล็กที่ไม่มีธาตุ เหล็กผสมกับเถ้าถ่านโค้ก^{[ 7 ]}ปริมาณตะกรันที่เกิดขึ้นมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความอุดมสมบูรณ์ของแร่เหล็กที่ใช้[ ^{8 ] สำหรับ}เตาหลอมเหล็กสมัยใหม่ที่ใช้แร่เหล็กที่มีธาตุเหล็กสูง อัตราส่วนของตะกรันต่อเหล็กดิบ 1 ตัน (1.1 ตัน) มักอยู่ที่ 180 ถึง 350 กิโลกรัม (400 ถึง 770 ปอนด์) ค่าสุดขั้วก็เป็นไปได้เช่นกัน เช่น 100 กิโลกรัมต่อตัน (220 ปอนด์/ตันยาว) สำหรับเตาหลอมเหล็กที่ใช้ถ่านไม้หรือ 1,300 กิโลกรัมต่อตัน (2,900 ปอนด์/ตันยาว) สำหรับแร่เหล็กคุณภาพต่ำและเชื้อเพลิงราคาถูก^{[ 7 ]}

สำหรับผู้ผลิตเหล็ก ตะกรันเตาหลอมช่วยให้สามารถควบคุมองค์ประกอบของเหล็กดิบได้ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งการกำจัดกำมะถันซึ่งเป็นธาตุที่ไม่พึงประสงค์ รวมถึงด่างซึ่งขัดขวางการทำงานของเตาหลอม) ^{[ 9 ]}

ผู้ผลิตเหล็กที่มีประสบการณ์สามารถประเมินองค์ประกอบและคุณสมบัติโดยประมาณของตะกรันหลอมเหลวได้ บ่อยครั้งที่การทดสอบแบบง่ายๆ เช่น "การทดสอบด้วยตะขอ" ก็เพียงพอแล้ว โดยการนำตะขอเหล็กจุ่มลงในตะกรันหลอมเหลว หากตะกรันเกาะติดกับตะขอเป็นหยดเล็กๆ (ตะกรันสั้น) แสดงว่าตะกรันนั้นเป็นของเหลวและมีฤทธิ์เป็นด่าง โดยมีดัชนีความเป็นด่างiซึ่งกำหนดโดยอัตราส่วนน้ำหนักของ CaO / SiO₂มากกว่า 1. หากตะกรันไหลออกจากตะขอเป็นเส้นยาว (ตะกรันยาว): จะมีความหนืดและเป็นกรด โดยมีอัตราส่วนi = CaO / SiO₂< 1 . ^{[ 10 ]}

อย่างไรก็ตาม ในขณะที่ตะกรันพื้นฐานสามารถกำจัดกำมะถันที่เป็นกรด ( SO₄) ได้₂หรือH₂(ขึ้นอยู่กับสภาวะรีดอกซ์ของระบบ) ด่างจะถูกกำจัดออกจากเตาหลอมเหล็กด้วยตะกรันที่เป็นกรดเท่านั้น ดังนั้นองค์ประกอบของตะกรันจึงต้องเผชิญกับข้อจำกัดเพิ่มเติม: ปัญหาที่ผู้ควบคุมเตาหลอมเหล็กต้องเผชิญบางครั้งได้รับการแก้ไขโดยการยอมรับปริมาณกำมะถันที่ค่อนข้างสูงในเหล็กดิบ [...] หรือโดยการแทนที่ปูนขาว (CaO) ในตะกรันด้วยแมกนีเซีย (MgO) ที่ความเป็นเบสคงที่ ซึ่งเป็นสภาวะที่เอื้อต่อการกำจัดด่างและการควบคุมการสึกหรอของวัสดุทนไฟมากกว่า^{[ 7 ]}

อย่างไรก็ตาม จากมุมมองทางความร้อน ตะกรันเป็นวัสดุที่ไม่สามารถหลอมละลายได้ แม้ว่าเอนทาลปีของการหลอมเหลวของตะกรันจะอยู่ที่ประมาณ 1,800 เมกะจูลต่อตัน (510 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อตันยาว) ซึ่งคิดเป็นเพียง 3.5% ของสมดุลพลังงานของเตาหลอมเหล็ก แต่ค่าของมันแม้จะไม่น้อยไปกว่าเหล็กดิบ แร่เหล็กคุณภาพต่ำ เช่นแร่มินเน็ตต์ซึ่งทำให้การใช้โค้กในเตาหลอมเหล็กเพิ่มขึ้น ได้ถูกยกเลิกไปแล้ว เนื่องจากปริมาณวัสดุที่ต้องให้ความร้อนมีมากขึ้น อันที่จริง แม้แต่สำหรับเตาหลอมเหล็กที่ใช้แร่เหล็กคุณภาพสูง ปริมาตรของตะกรันก็เท่ากับปริมาตรของเหล็กดิบที่ผลิตได้ (เนื่องจากความแตกต่างของความหนาแน่น) ^{[ 11 ]}ราคาขายของตะกรันเม็ดมีส่วนน้อยกว่า 5% ของต้นทุนการผลิตเหล็กดิบ^{[ 12 ]}

• 
  ตะกรันหลอมเหลวไหลเข้าสู่โรงงานผลิตเม็ดแร่
• 
  ตะกรันเตาหลอมเหล็กแบบเม็ด (หรือแบบเคลือบแก้ว)
• 
  ตัวอย่างตะกรันเม็ด
• 
  ก้อนตะกรันตกผลึกใช้เป็นวัสดุถม

ในโรงงานเหล็กตะกรันจะมาจากเตาแปลงสภาพซึ่งมีออกซิเดชันสูง จากกระบวนการหลอมโลหะในทัพพี หรือจากเตาหลอมไฟฟ้าสำหรับเหล็กที่ผลิตได้ 1 ตัน จะเกิดตะกรันจากการผลิตเหล็กประมาณ 150 ถึง 200 กิโลกรัม (330 ถึง 440 ปอนด์) โดยไม่คำนึงถึงกระบวนการ (เตาหลอมเหล็กแบบเป่าลม-เตาแปลงสภาพ หรือการหลอมเศษเหล็ก) ^{[ 15 ]}

ตะกรันจากเตาแปลงสภาพ (หรือตะกรันดำ) เกิดจากการออกซิเดชันของธาตุที่ไม่พึงประสงค์ (เช่นซิลิคอนกำมะถันและฟอสฟอรัส ) อย่างไรก็ตาม การออกซิเดชันของโลหะบางชนิด (เช่นเหล็กและแมงกานีส ) เป็นสิ่ง ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เนื่องจากลักษณะของกระบวนการ (การฉีดออกซิเจน)₂เพื่อออกซิไดซ์คาร์ไบด์ในเหล็กหล่อ) ^{[ 16 ]}

• 
  ตะกรันหลอมเหลวไหลลงสู่ช่องทางออกจากเตาหลอมเหล็กของมาร์ติน-ซีเมนส์ในปี 1941
• 
  ตะกรันหลอมเหลวไหลลงสู่หม้อตะกรัน รวบรวมตะกรันที่ล้นออกมาจากกระบวยโลหะด้านหลัง ก่อนจะไหลออกจากเครื่องแปลงสภาพของมาร์ติน-ซีเมนส์

บทบาทของตะกรันโลหะวิทยาขั้นที่สอง (หรือตะกรันขาว^{[ 16 ]} ) มีความหลากหลายและซับซ้อน มันรวบรวมสิ่งเจือปนและธาตุเคมีที่ไม่พึงประสงค์โดยการดูดซับ สารประกอบ ออกไซด์ ที่ละลาย ในโลหะ ซึ่งโดยทั่วไปมาจากการลดออกซิเจนด้วยเหตุนี้ การจัดการองค์ประกอบเพื่อให้มันมีปฏิกิริยาจึงเป็นสิ่งสำคัญ ตัวอย่างเช่น ปริมาณแคลเซียมและฟลูออไรด์สูงช่วยส่งเสริมการดักจับสารประกอบอะลูมินาที่เป็นกรด อย่างไรก็ตาม ตะกรันนี้ต้องปกป้องอิฐทนไฟ ด้วย ดังนั้น การปรับ ตะกรัน เหล็กจึงเป็นการประนีประนอม^{[ 16 ]}

นอกจากนี้ ออกไซด์ของตะกรันบางชนิด เช่นFeOสามารถออกซิไดซ์สารเติมแต่งโลหะผสม เช่นเฟอร์โรไทเทเนียมอะลูมิเนียมหรือเฟอร์โรโบรอน ... ในกรณีนี้ ธาตุโลหะผสมเหล่านี้จะถูกใช้หมดไปก่อนที่จะถึงโลหะเหลว ดังนั้น การออกซิเดชันของธาตุเหล่านี้จึงสิ้นเปลือง ปริมาณตะกรันที่มากเกินไปหรือการออกซิเดชันของตะกรันที่ควบคุมได้ไม่ดีถือเป็นข้อห้ามในกรณีนี้^{[ 16 ]}

ในโลหะวิทยาเบ้าหลอมหรือโลหะวิทยาขั้นที่สอง เครื่องมือสำหรับการบำบัดตะกรันโดยทั่วไปจะรวมถึง "คราด" เพื่อ "ตัก" ตะกรันที่ลอยอยู่บนเหล็กหลอมเหลวกรวยช่วยให้สามารถเติมผลิตภัณฑ์เพื่อสร้างหรือปรับปรุงตะกรัน ได้ ^{[ 16 ]}

โดยทั่วไปแล้วตะกรันจากการผลิตเหล็กจะเป็นปูนขาว- อะลูมินาสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนที่ใช้สำหรับผลิตภัณฑ์แผ่นเรียบ และปูนขาว- ซิลิกาสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนที่ใช้สำหรับผลิตภัณฑ์ยาว สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม ปริมาณโครเมียมที่สูงทำให้ไม่เหมาะสำหรับการใช้เป็นวัสดุเติม แต่การรีไซเคิลภายในโรงงานเหล็กนั้นคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ^{[ 16 ]}

คำว่าสแลก (slag)ใช้เรียกเปลือกแข็งที่ก่อตัวขึ้นบนบ่อหลอมโลหะเมื่อใช้ฟลักซ์ ( สารเคลือบอิเล็กโทรดผงหรือเม็ด ) มันช่วยปกป้องบ่อหลอมโลหะจากออกซิเจน ในบรรยากาศ และเป็นฉนวนกันความร้อน นอกจากนี้ยังส่งผลต่อองค์ประกอบทางเคมีของบ่อหลอมโลหะโดยการเพิ่มหรือลดธาตุต่างๆ (เช่น การลดกำมะถัน )

ในการเชื่อมโลหะด้วยอาร์คแบบมีฉนวนหุ้มเมื่อสารเคลือบหลอมละลาย จะเกิดเป็นตะกรันขึ้น

อิเล็กโทรดมีลักษณะเฉพาะที่สารเคลือบ: อิเล็กโทรดพื้นฐาน (มีแคลเซียม เป็นองค์ประกอบหลัก ) ซึ่งใช้งานยากแต่ให้ความแข็งแรงเชิงกลที่ดีเยี่ยม หรืออิเล็กโทรดที่เป็นกรด (มีซิลิกา เป็นองค์ประกอบหลัก ) ซึ่งใช้งานง่ายกว่า

เมื่อหลอมเหลว ตะกรันจะเป็นสารละลายของออกไซด์ ออกไซด์ที่พบได้บ่อยที่สุดคือFeOและFe₂โอ₃ซิลิกา​₂อัล₂โอ₃แคลเซียมออกไซด์ ( CaO ) และแมกนีเซียมออกไซด์ (MgO ) อาจมีซั ลไฟด์อยู่บ้าง แต่การมีแคลเซียมออกไซด์และอะลูมินาจะช่วยลดความสามารถในการละลาย^{[ 20 ]}

รูปทรงเรขาคณิตระดับโมเลกุลของตะกรันหลอมเหลวสามารถแบ่งออกเป็น 3 กลุ่มออกไซด์ ได้แก่ กรด เบส และเป็นกลาง ออกไซด์ที่เป็นกรดที่พบได้บ่อยที่สุดคือซิลิกาและอะลูมินา [ ^{a ] เมื่อ}หลอมเหลว ออกไซด์เหล่านี้ จะเกิด พอลิเมอ ไรเซชัน ทำให้เกิดสารประกอบเชิงซ้อนที่มีความยาวมาก ดังนั้นตะกรันที่เป็นกรดจึงมีความหนืด สูง ^{[ b ]}และไม่สามารถดูดซับออกไซด์ที่เป็นกรดที่มีอยู่ในโลหะหลอมเหลวได้ง่าย^{[ 20 ]}

ออกไซด์พื้นฐาน เช่น แคลเซียมออกไซด์ (CaO) หรือแมกนีเซียมออกไซด์ (MgO) จะละลายในตะกรันที่เป็นกรดในรูปของสารประกอบไอออนิกพวกมันจะทำลายโซ่โมเลกุลของออกไซด์ที่เป็นกรดให้เป็นหน่วยที่เล็กลง ทำให้ตะกรันมีความหนืดน้อยลงและช่วยให้การรวมตัวของออกไซด์ที่เป็นกรดอื่นๆ ง่ายขึ้น จนถึงขีดจำกัดหนึ่ง การเติมออกไซด์พื้นฐานลงในตะกรันที่เป็นกรด หรือการเติมออกไซด์ที่เป็นกรดลงในตะกรันพื้นฐาน จะทำให้จุดหลอมเหลวลดลง^{[ 20 ]}

ออกไซด์ที่เป็นกลาง (มีฤทธิ์เป็นกรดเล็กน้อย) เช่นวูสไทต์ (FeO) หรือCu₂Oทำปฏิกิริยากับโซ่ออกไซด์น้อยที่สุด ^{[ 20 ]}

โดยทั่วไปการนำไฟฟ้าจะแปรผันอย่างมากกับอุณหภูมิและจะเพิ่มขึ้นตามความเป็นเบส (เช่น ความลื่นไหลของตะกรัน ซึ่งส่งเสริมการแพร่กระจายของไอออนในตัวกลางหลอมเหลว) และปริมาณของออกไซด์ของทองแดงและเหล็ก อย่างไรก็ตาม แรงตึงผิว ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยและจะเพิ่มขึ้นตามความเป็นกรด กล่าวคือ ตามความหนืด ของตะกรัน ^{[ 20 ]}

ในธรรมชาติ เหล็ก ทองแดง ตะกั่วนิกเกลและโลหะอื่นๆ พบได้ในสภาพที่ไม่บริสุทธิ์ เรียกว่าแร่ซึ่งมักอยู่ในรูปออกซิไดซ์และผสมกับซิลิเกตของโลหะอื่นๆ ในระหว่างการถลุง เมื่อแร่สัมผัสกับอุณหภูมิสูง สิ่งเจือปนเหล่านี้จะแยกออกจากโลหะหลอมเหลวและสามารถกำจัดออกได้ ตะกรันคือกลุ่มของสารประกอบที่ถูกกำจัดออกไป ในกระบวนการถลุงหลายๆ กระบวนการ จะมีการเติมออกไซด์เพื่อควบคุมองค์ประกอบทางเคมีของตะกรัน ช่วยในการกำจัดสิ่งเจือปนและปกป้องวัสดุบุผนังเตาหลอมจากการสึกหรอมากเกินไป ในกรณีนี้ ตะกรันจะเรียกว่าตะกรันสังเคราะห์ตัวอย่างที่ดีคือ ตะกรันสำหรับการผลิตเหล็กกล้า: ปูนขาว (CaO) และแมกนีไซต์ (MgCO₃ ₎ถูกเติมเข้าไปเพื่อป้องกันวัสดุทนไฟ ทำให้เป็นกลางอะลูมินาและซิลิกาที่แยกออกจากโลหะ และช่วยในการกำจัดกำมะถันและฟอสฟอรัสออกจากเหล็กกล้า

โดยทั่วไปแล้ว ตะกรันซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการผลิตเหล็กจะถูกผลิตขึ้นโดย กระบวนการ เตาหลอม เหล็ก – เครื่อง แปลงออกซิเจนหรือ กระบวนการ เตาหลอมไฟฟ้า – เตาหลอมทัพพี^{[ 21 ]}เพื่อช่วยในการหลอมซิลิกาที่เกิดขึ้นระหว่างการผลิตเหล็ก จะมีการเติม หินปูนและ/หรือโดโลไมต์รวมถึงสารปรับสภาพตะกรันประเภทอื่นๆ เช่นแคลเซียมอะลูมิเนตหรือฟลูออร์สปาร์

ตะกรันมีสามประเภท ได้แก่ตะกรันเหล็กตะกรันโลหะผสมเหล็กและ ตะกรัน โลหะที่ไม่ใช่เหล็กซึ่งเกิดจากกระบวนการถลุงโลหะที่แตกต่างกัน

ตะกรันเหล็กเกิดขึ้นในขั้นตอนต่างๆ ของกระบวนการผลิตเหล็กและเหล็กกล้า ส่งผลให้คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีแตกต่างกัน นอกจากนี้ อัตราการเย็นตัวของวัสดุตะกรันยังส่งผลต่อระดับความเป็นผลึกทำให้คุณสมบัติมีความหลากหลายมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ตะกรันเตาหลอมเหล็กที่เย็นตัวอย่างช้าๆ (หรือตะกรันที่เย็นตัวด้วยอากาศ) มักจะมีเฟสผลึกมากกว่าตะกรันเตาหลอมเหล็กที่เย็นตัวอย่างรวดเร็ว ( ตะกรันเตาหลอมเหล็กบดละเอียด ) ทำให้มีความหนาแน่นมากกว่าและเหมาะสมที่จะใช้เป็นวัสดุมวลรวม นอกจากนี้ยังอาจมี ปริมาณ แคลเซียมออกไซด์และแมกนีเซียมออกไซด์อิสระสูงกว่า ซึ่งมักจะถูกแปลงเป็นรูปแบบไฮเดรตหากไม่ต้องการการขยายตัวของปริมาตรมากเกินไป ในทางกลับกัน ตะกรันเตาหลอมเหล็กที่เย็นตัวด้วยน้ำจะมี เฟสอ สัณฐาน มากกว่า ทำให้มีคุณสมบัติทางไฮดรอลิกแฝง (ตามที่ Emil Langen ค้นพบในปี 1862) คล้ายกับปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์^{[ 22 ]}

ในกระบวนการถลุงเหล็ก จะเกิดตะกรันเหล็กขึ้น ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยแคลเซียมและซิลิคอน ตะกรันเหล็กนี้สามารถแตกตัวออกเป็นตะกรันเตาหลอม (เกิดจากออกไซด์ของเหล็กในเหล็กหลอมเหลว) และตะกรันเหล็กกล้า (เกิดจากการรวมตัวของเศษเหล็กและเหล็กหลอมเหลว) ส่วนประกอบหลักของตะกรันเหล็ก ได้แก่ ซิลิเกตกลุ่ม โอลิวีนและซิลิเกตกลุ่ม เมลิไลต์ ที่มีแคลเซียมสูง

ตะกรันจากโรงงานเหล็ก ในการถลุงเหล็ก ได้รับการออกแบบมาเพื่อลดการสูญเสียเหล็กให้น้อยที่สุด ซึ่งจะให้เหล็กในปริมาณมาก ตามด้วยออกไซด์ของแคลเซียมซิลิคอนแมกนีเซียม และ อะลูมิเนียมเมื่อตะกรันเย็นตัวลงด้วยน้ำ ปฏิกิริยาเคมีหลายอย่างที่อุณหภูมิประมาณ 2,600 °F (1,430 °C) (เช่นการออกซิเดชัน ) จะเกิดขึ้นภายในตะกรัน^{[ 1 ]}

จากกรณีศึกษาที่ Hopewell National Historical Site ใน เขต BerksและChesterรัฐ เพน ซิลเวเนียสหรัฐอเมริกา พบว่าตะกรันเหล็กมักมีความเข้มข้นของธาตุติดตาม ประเภทต่างๆ น้อย กว่าตะกรันที่ไม่ใช่เหล็กอย่างไรก็ตาม ธาตุบางชนิด เช่นสารหนู (As) เหล็ก และแมงกานีสสามารถสะสมในน้ำใต้ดินและน้ำผิวดินจนถึงระดับที่อาจเกินแนวทางด้านสิ่งแวดล้อมได้^{[ 1 ]}

ตะกรันที่ไม่ใช่เหล็กเกิดจากโลหะที่ไม่ใช่เหล็กจากแร่ธรรมชาติ ตะกรันที่ไม่ใช่เหล็กสามารถจำแนกได้เป็นตะกรันทองแดง ตะกรันตะกั่ว และ ตะกรัน สังกะสีตามองค์ประกอบของแร่ และมีศักยภาพที่จะส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในทางลบมากกว่าตะกรันเหล็ก ตัวอย่างเช่น การถลุงทองแดง ตะกั่ว และบอกไซต์ในการถลุงโลหะที่ไม่ใช่เหล็กได้รับการออกแบบมาเพื่อกำจัดเหล็กและซิลิกาที่มักเกิดขึ้นกับแร่เหล่านั้น และแยกออกเป็นตะกรันที่มีเหล็กซิลิเกตเป็นองค์ประกอบหลัก^{[ 1 ]}

กากทองแดง ซึ่งเป็นของเสียจากการถลุงแร่ทองแดง ได้รับการศึกษาในเหมืองเพนน์ที่ถูกทิ้งร้างในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา เป็นเวลา 6-8 เดือนต่อปี บริเวณนี้จะถูกน้ำท่วมและกลายเป็นแหล่งเก็บน้ำดื่มและน้ำ เพื่อการชลประทาน ตัวอย่างที่เก็บจากแหล่งเก็บน้ำแสดงให้เห็นความเข้มข้นของแคดเมียม (Cd) และตะกั่ว (Pb) ที่สูงกว่าเกณฑ์มาตรฐาน^{[ 1 ]}

กากโลหะสามารถใช้ประโยชน์อื่นๆ ได้ เช่น ช่วยควบคุมอุณหภูมิในการถลุงโลหะ และลดการเกิดออกซิเดชันซ้ำของผลิตภัณฑ์โลหะเหลวขั้นสุดท้ายก่อนที่โลหะหลอมเหลวจะถูกนำออกจากเตาหลอมและนำไปใช้ในการผลิตโลหะแข็ง ในกระบวนการถลุงโลหะบางอย่าง เช่น การถลุง อิลเมไนต์เพื่อผลิตไทเทเนียมไดออกไซด์กากโลหะอาจเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีค่า^{[ 23 ]}

ในช่วงยุคสำริดของ บริเวณทะเล เมดิเตอร์เรเนียนมีกระบวนการทางโลหะวิทยาที่แตกต่างกันมากมายที่ใช้กันอยู่ ผลพลอยได้จากกระบวนการดังกล่าวคือวัสดุที่มีสีสันคล้ายแก้วซึ่งพบได้บนพื้นผิวของตะกรันจากโรงหล่อทองแดงโบราณ โดยส่วนใหญ่จะเป็นสีน้ำเงินหรือสีเขียว และในอดีตจะถูกสกัดและหลอมเพื่อทำผลิตภัณฑ์แก้วและเครื่องประดับ นอกจากนี้ยังถูกบดเป็นผงเพื่อเติมลงในเคลือบสำหรับใช้ในเครื่องเซรามิก การใช้งานครั้งแรกๆ ของผลพลอยได้จากตะกรันดังกล่าวพบได้ในอียิปต์โบราณ^{[ 24 ]}

ในอดีต การนำกากแร่เหล็กกลับมาถลุงใหม่เป็นเรื่องปกติ เนื่องจากเทคนิคการถลุงที่ดีขึ้นทำให้ได้ผลผลิตเหล็กมากขึ้น ในบางกรณีอาจมากกว่าที่เคยได้ในตอนแรก ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 กากแร่เหล็กยังถูกบดเป็นผงและใช้ทำแก้วอะเกตหรือที่รู้จักกันในชื่อแก้วกากแร่ด้วย

การใช้ตะกรันในอุตสาหกรรมการก่อสร้างมีมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 1800 เมื่อ มีการใช้ ตะกรันจากเตาหลอมเหล็กเพื่อสร้างถนนและรางรถไฟ ในช่วงเวลานั้น ตะกรันยังถูกนำมาใช้เป็นวัสดุรวม และเริ่มมีการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมซีเมนต์ในฐานะโพลิเมอร์ทางธรณีวิทยา^{[ 25 ]}

ปัจจุบันตะกรันเตาหลอมเหล็กบดละเอียดถูกนำมาใช้ร่วมกับปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์เพื่อสร้าง " ปูนซีเมนต์ตะกรัน " ตะกรันเตาหลอมเหล็กบดละเอียดจะทำปฏิกิริยากับพอร์ตแลนไดต์ ( Ca(OH) ₂ ) ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการไฮเดรชั่นของซีเมนต์ ผ่านปฏิกิริยาพอซโซลานิกเพื่อสร้างคุณสมบัติซีเมนต์ซึ่งมีส่วนสำคัญต่อการเพิ่มความแข็งแรงของคอนกรีตในภายหลัง ส่งผลให้คอนกรีตมีการซึมผ่านลดลงและมีความทนทานดีขึ้น จำเป็นต้องพิจารณาประเภทของตะกรันที่ใช้อย่างรอบคอบ เนื่องจากปริมาณแคลเซียมออกไซด์และแมกนีเซียมออกไซด์สูงอาจทำให้เกิดการขยายตัวของปริมาตรมากเกินไปและเกิดรอยแตกในคอนกรีตได้^{[ 26 ]}

คุณสมบัติทางไฮดรอลิกเหล่านี้ยังถูกนำมาใช้เพื่อการรักษาเสถียรภาพของดินในการก่อสร้างถนนและทางรถไฟ อีก ด้วย^{[ 27 ]}

ตะกรันเตาหลอมแบบเม็ดใช้ในการผลิตคอนกรีตประสิทธิภาพสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ใช้ในการก่อสร้างสะพานและสิ่งก่อสร้างชายฝั่ง ซึ่งการซึมผ่านต่ำและความต้านทานต่อคลอไรด์และซัลเฟตที่มากขึ้นสามารถช่วยลดการกัดกร่อนและการเสื่อมสภาพของโครงสร้างได้^{[ 28 ]}

นอกจากนี้ ตะกรันยังสามารถนำไปใช้ในการผลิตเส้นใยที่ใช้เป็นวัสดุฉนวนกันความร้อน ซึ่งเรียกว่าใยตะกรัน (slag wool )

ตะกรันยังใช้เป็นวัสดุผสมในคอนกรีตแอสฟัลต์สำหรับปูถนน อีก ด้วย การศึกษาในปี 2022 ในฟินแลนด์พบว่าพื้นผิวถนนที่มีตะกรันเฟอร์โรโครมปล่อยฝุ่นที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงซึ่งทำให้ชิ้นส่วนรถยนต์สึกหรอในอัตราที่สูงกว่าปกติอย่างมาก^{[ 29 ]}

การละลายของตะกรันก่อให้เกิดความเป็นด่างซึ่งสามารถใช้ในการตกตะกอนโลหะ ซัลเฟต และสารอาหารส่วนเกิน (ไนโตรเจนและฟอสฟอรัส) ในการบำบัดน้ำเสีย ในทำนองเดียวกัน ตะกรันเหล็กถูกนำมาใช้เป็นสารปรับปรุงดินเพื่อปรับสมดุลค่า pH ของดินและ เป็น ปุ๋ยที่เป็นแหล่งของแคลเซียมและแมกนีเซียม^{[ 30 ]}

เนื่องจากปริมาณฟอสเฟตที่ค่อยๆ ปล่อยออกมาใน ตะกรันที่มี ฟอสฟอรัสและเนื่องจากผลของปูนขาวจึงถูกนำไปใช้เป็นปุ๋ยในสวนและฟาร์มในพื้นที่ผลิตเหล็ก อย่างไรก็ตาม การใช้งานที่สำคัญที่สุดคือการก่อสร้าง^{[ 31 ]}

กากตะกอนมีศักยภาพในการเกิดคาร์บอเนตสูงที่สุดในบรรดาของเสียอัลคาไลน์จากอุตสาหกรรม เนื่องจากมีปริมาณแคลเซียมออกไซด์และแมกนีเซียมออกไซด์สูง ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจให้มีการศึกษาเพิ่มเติมเพื่อทดสอบความเป็นไปได้ในการดักจับและกักเก็บ_CO2 ( CCS) (เช่น การกักเก็บในน้ำโดยตรง การเกิดคาร์บอเนตแบบก๊าซแห้ง-ของแข็ง เป็นต้น) ^{[ 32 ] [ 33 ]}ในวิธีการ CCS เหล่านี้ กากตะกอนสามารถเปลี่ยนเป็นแคลเซียมคาร์บอเนตที่ตกตะกอนเพื่อใช้ในอุตสาหกรรมพลาสติกและคอนกรีต และชะล้างโลหะเพื่อใช้ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์^{[ 34 ]}

อย่างไรก็ตาม ความแปรปรวนทางกายภาพและเคมีที่สูงในตะกรันประเภทต่างๆ ส่งผลให้ประสิทธิภาพและผลผลิตไม่สอดคล้องกัน^{[ 35 ]}ยิ่งไปกว่านั้นการคำนวณศักยภาพการเกิดคาร์บอเนตตามสัดส่วนทางเคมี อาจนำไปสู่การประเมินค่าสูงเกินไป ซึ่งอาจทำให้ศักยภาพที่แท้จริงของวัสดุนั้นคลุมเครือยิ่งขึ้น ^{[ 36 ]}ด้วยเหตุนี้ บางคนจึงเสนอให้ทำการทดลองหลายชุดเพื่อทดสอบปฏิกิริยาของวัสดุตะกรันเฉพาะ (เช่นการละลาย ) หรือใช้ทฤษฎีข้อจำกัดเชิงโทโพโลยี (TCT) เพื่ออธิบายเครือข่ายทางเคมีที่ซับซ้อน^{[ 37 ]}

กากแร่จะถูกขนส่งไปพร้อมกับกากแร่ที่เหลือจากการผลิตไปยัง "กองกากแร่" ซึ่งจะสัมผัสกับการผุกร่อน ทำให้มีโอกาสที่ ธาตุพิษ จะถูกชะล้างออกไป และเกิดการไหลบ่าของสารอัลคาไลน์สูงลงสู่ดินและน้ำ ซึ่งเป็นอันตรายต่อระบบนิเวศในท้องถิ่น โดยทั่วไปแล้ว ความกังวลเกี่ยวกับการชะล้างมักเกิดขึ้นกับกากแร่ที่ไม่ใช่เหล็กหรือโลหะพื้นฐาน ซึ่งมักมีความเข้มข้นของธาตุพิษสูงกว่า อย่างไรก็ตาม กากแร่เหล็กและโลหะผสมเหล็กก็อาจมีธาตุพิษอยู่ด้วยเช่นกัน ซึ่งก่อให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับกองกากแร่ที่ผุกร่อนสูงและวัสดุที่นำกลับมาใช้ใหม่^{[ 38 ] [ 39 ]}

การละลายของตะกรันสามารถทำให้เกิดน้ำบาดาลที่มีความเป็นด่าง สูง โดยมี ค่า pHสูงกว่า 12 ^{[ 40 ]}แคลเซียมซิลิเกต (CaSiO ₄ ) ในตะกรันจะทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้าง ไอออน แคลเซียมไฮดรอกไซด์ ซึ่งนำไปสู่ความเข้มข้นของไฮดรอกไซด์ (OH-) ในน้ำบาดาล ที่สูงขึ้น ความเป็นด่างนี้ส่งเสริมการแร่ธาตุของ CO ₂ ที่ละลาย (จากบรรยากาศ) เพื่อผลิตแคลไซต์ (CaCO ₃ ) ซึ่งสามารถสะสมได้หนาถึง 20 ซม. นอกจากนี้ยังอาจนำไปสู่การละลายของโลหะอื่นๆ ในตะกรัน เช่น เหล็ก (Fe) แมงกานีส (Mn) นิกเกล (Ni) และโมลิบเดนัม (Mo) ซึ่งกลายเป็นสารที่ไม่ละลายในน้ำและเคลื่อนที่ได้ในรูปของอนุภาควิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการกำจัดพิษของน้ำบาดาลที่เป็นด่างคือการอัดอากาศ^{[ 40 ]}

กากละเอียดและฝุ่นกากที่เกิดจากการบดกากเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ในกระบวนการถลุงหรือนำกลับมาใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมอื่น (เช่น การก่อสร้าง) สามารถถูกพัดพาไปตามลม ส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศขนาดใหญ่ และสามารถถูกกลืนกินหรือสูดดมเข้าไป ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพ โดยตรง ต่อชุมชนที่อยู่ใกล้โรงงานเหมือง สถานที่กำจัดกาก ฯลฯ^{[ 38 ] [ 39 ]}

• วงจรแคลเซียม
• เศรษฐกิจหมุนเวียน
• กากปูนเม็ด (ของเสีย)
• กากขยาก
• เถ้าลอย
• ตะกรันเตาหลอมเหล็กบดละเอียด
• โลหะหนัก
• ตะกรันโรงงาน
• ปอซโซลาน
• ตะกรัน (จากการเชื่อม)
• เศษดิน
• กากแร่

• Dimitrova, SV (1996). "การดูดซับโลหะบนตะกรันเตาหลอมเหล็ก". การวิจัยน้ำ30 (1): 228– 232. Bibcode : 1996WatRe..30..228D . doi : 10.1016/0043-1354(95)00104-S .
• Roy, DM (1982). "การให้ความชุ่มชื้น โครงสร้าง และคุณสมบัติของซีเมนต์ ปูน และคอนกรีตตะกรันเตาหลอมเหล็ก" ACI Journal Proceedings . 79 (6).
• Fredericci, C.; Zanotto, ED; Ziemath, EC (2000). "กลไกการตกผลึกและคุณสมบัติของแก้วตะกรันเตาหลอมเหล็ก". Journal of Non-Crystalline Solids . 273 ( 1– 3): 64– 75. Bibcode : 2000JNCS..273...64F . doi : 10.1016/S0022-3093(00)00145-9 .

วิกิมีเดียคอมมอน ส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับSlag

• ประเภทของตะกรัน
• ตะกรันจากเตาหลอมไฟฟ้าแบบอาร์ค (EAF) , US EPA
• usgs.gov : ตะกรันเหล็กและเหล็กกล้า (สรุปข้อมูลสินค้าโภคภัณฑ์แร่ ปี 2025)