การผลิตเหล็กกล้าคือกระบวนการผลิตเหล็กจากแร่เหล็กและ/หรือเศษเหล็ก เหล็กกล้าถูกผลิตมานานหลายพันปีแล้ว และถูกนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลายในช่วงปี 1850 และ 1860 โดยใช้ กระบวนการ BessemerและSiemens-Martinปัจจุบันมีการใช้กระบวนการเชิงพาณิชย์หลักสองกระบวนการ ได้แก่การผลิตเหล็กกล้าด้วยออกซิเจนพื้นฐาน (BOS) ซึ่งใช้เหล็กดิบ เหลว จากเตาหลอมและเศษเหล็กเป็นวัตถุดิบหลัก และ การผลิตเหล็กกล้า ด้วยเตาหลอมไฟฟ้า (EAF) ซึ่งใช้เศษเหล็กหรือเหล็กที่ลดลงโดยตรง (DRI) การผลิตเหล็กกล้าด้วยออกซิเจนได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ^{[ 1 ]}

การผลิตเหล็กเป็นหนึ่งในอุตสาหกรรมที่ปล่อยก๊าซคาร์บอนมากที่สุด ในปี 2020 มีรายงานว่าอุตสาหกรรมการผลิตเหล็กเป็นต้นเหตุของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในภาคพลังงานถึง 7% [ 2 ^{]อุตสาหกรรมนี้}กำลังพยายามลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกอย่างมีนัยสำคัญ^{[ 3 ]}

เหล็กกล้าทำจากเหล็กและคาร์บอนเหล็กหล่อเป็นวัสดุที่แข็งและเปราะ ยากต่อการขึ้นรูป ในขณะที่เหล็กกล้ามีความอ่อนตัว ขึ้นรูปได้ค่อนข้างง่าย และใช้งานได้หลากหลาย เหล็กเพียงอย่างเดียวไม่แข็งแรง แต่คาร์บอนในปริมาณน้อย – น้อยกว่า 1 เปอร์เซ็นต์ ขึ้นอยู่กับชนิดของเหล็กกล้า – ทำให้เหล็กกล้ามีความแข็งแรงและคุณสมบัติสำคัญอื่นๆสารเจือปน เช่น ไนโตรเจน ซิลิคอน ฟอสฟอรัสกำมะถันและคาร์บอนส่วนเกิน ( สารเจือปนที่สำคัญที่สุด) จะถูกกำจัดออกไป และ มีการเติมธาตุ ผสมเช่นแมงกานีสนิกเกลโครเมียมคาร์บอนและวานาเดียมเพื่อ ผลิตเหล็กกล้าเกรด ต่างๆ

กระบวนการในยุคแรกเริ่มพัฒนาขึ้นในช่วงยุคคลาสสิกในประเทศจีนอินเดียโรม และในหมู่นัก ล่าและผู้หาของป่าในสวีเดนตอนเหนือ วิธีการผลิตเหล็กที่เก่าแก่ที่สุดคือการใช้เตาหลอมเหล็ก ในช่วงเวลาส่วนใหญ่ของประวัติศาสตร์มนุษย์ เหล็กถูกผลิตขึ้นในปริมาณน้อยเท่านั้น วิธีการผลิตเหล็กในยุคสมัยใหม่ตอนต้นมักใช้แรงงานมากและเป็นศิลปะที่มีทักษะสูงกระบวนการเบสเซเมอร์และการพัฒนาต่อมาทำให้เหล็กกลายเป็นส่วนสำคัญของเศรษฐกิจโลก^{[ 4 ]}

ระบบที่คล้ายกับกระบวนการเบสเซเมอร์มีต้นกำเนิดในศตวรรษที่ 11 ในเอเชียตะวันออก^{[ 5 ] [ 6 ]}ฮาร์ตเวลล์เขียนว่าราชวงศ์ซ่ง (ค.ศ. 960–1279) ได้คิดค้นวิธีการ "ลดคาร์บอนบางส่วน" โดยการตีขึ้นรูปเหล็กหล่อซ้ำๆ ภายใต้ลมเย็น^{[ 7 ]}นีดแฮมและเวอร์ไทม์อธิบายวิธีการนี้ว่าเป็นต้นแบบของกระบวนการเบสเซเมอร์^{[ 5 ] [ 8 ] [ 9 ]}กระบวนการนี้ได้รับการอธิบายครั้งแรกโดยเจ้าหน้าที่รัฐบาลเชิน กัวในปี ค.ศ. 1075 เมื่อเขาไปเยือนเมืองฉือโจว^{[ 7 ]}ฮาร์ตเวลล์ระบุว่าศูนย์กลางที่เก่าแก่ที่สุดที่มีการปฏิบัติเช่นนี้อาจเป็นเขตผลิตเหล็กขนาดใหญ่ตาม แนวชายแดน เหอหนาน - เหอเป่ยในช่วงศตวรรษที่ 11 ^{[ 7 ]}

ในศตวรรษที่ 15 กระบวนการผลิตเหล็กละเอียด (finery process ) ซึ่งใช้หลักการเป่าลมร่วมกับกระบวนการเบสเซเมอร์ (Bessemer process) ได้รับการพัฒนาขึ้นในยุโรป เหล็กคุณภาพสูงยังผลิตขึ้นโดยกระบวนการย้อนกลับของการเติมคาร์บอนลงในเหล็กดัดที่ ปราศจากคาร์บอน ซึ่งโดยปกติจะนำเข้าจากสวีเดน กระบวนการผลิตนี้เรียกว่ากระบวนการซีเมนต์เนชั่น (cementation process ) ประกอบด้วยการให้ความร้อนแก่แท่งเหล็กดัดพร้อมกับถ่านเป็นเวลานานถึงหนึ่งสัปดาห์ในกล่องหินยาว ซึ่งทำให้ได้เหล็กแบบมีฟอง (blister steel) เหล็กแบบมีฟองนี้จะถูกใส่ลงในเบ้าหลอมพร้อมกับเหล็กดัดและหลอมละลาย ทำให้ได้เหล็กแบบเบ้าหลอม (crucible steel ) มีการเผา ถ่านโค้ก (ซึ่งในสมัยนั้นมีราคาแพง) มากถึง 3 ตันต่อเหล็ก 1 ตัน เมื่อรีดเป็นแท่ง เหล็กดังกล่าวจะขายในราคา 50 ถึง 60 ปอนด์ (ประมาณ 3,390 ถึง 4,070 ปอนด์ในปี 2008) ^{[ 11 ]}ต่อตันส่วนที่ยากและต้องใช้แรงงานมากที่สุดของกระบวนการคือการผลิตเหล็กดัดในโรงตีเหล็กละเอียดในสวีเดน

ในปี ค.ศ. 1740 เบนจามิน ฮันท์สแมนได้พัฒนากระบวนการผลิตเหล็กด้วยเบ้าหลอมที่โรงงานของเขาในเมืองแฮนด์สเวิร์ธประเทศอังกฤษ กระบวนการนี้ช่วยเพิ่มปริมาณและคุณภาพของการผลิตเหล็กได้อย่างมาก แต่กระบวนการนี้เพิ่มเวลาในการเผาอีกสามชั่วโมงและต้องใช้ถ่านโค้กในปริมาณมาก ในการผลิตเหล็กด้วยเบ้าหลอมนั้น แท่งเหล็กที่ขึ้นรูปด้วยความร้อนจะถูกหักเป็นชิ้นเล็กๆ แล้วนำไปหลอมในเบ้าหลอมขนาดเล็กแต่ละอัน ซึ่งบรรจุเหล็กประมาณ 20 กิโลกรัม วิธีนี้ทำให้ได้โลหะที่มีคุณภาพสูงขึ้น แต่ก็ทำให้ต้นทุนสูงขึ้นด้วย

กระบวนการเบสเซเมอร์ช่วยลดเวลาที่ใช้ในการผลิตเหล็กเกรดต่ำเหลือเพียงประมาณครึ่งชั่วโมง โดยใช้ถ่านโค้กเพียงพอสำหรับการหลอมเหล็กดิบ เท่านั้น เตาหลอมเบสเซเมอร์รุ่นแรกๆ ผลิตเหล็กได้ในราคา 7 ปอนด์ต่อตัน แต่ในตอนแรกขายได้ในราคาประมาณ 40 ปอนด์ต่อตัน

ชาวญี่ปุ่นอาจใช้กระบวนการแบบเบสเซเมอร์ ดังที่นักเดินทางชาวยุโรปในศตวรรษที่ 17 สังเกตเห็น^{[ 10 ]}นักผจญภัยโยฮัน อัลเบรชต์ เดอ มันเดลสโลอธิบายกระบวนการนี้ในหนังสือที่ตีพิมพ์เป็นภาษาอังกฤษในปี 1669 เขาเขียนว่า "พวกเขามีสิ่งประดิษฐ์พิเศษสำหรับการหลอมเหล็กโดยไม่ต้องใช้ไฟ โดยการหล่อลงในถังที่ปิดสนิทจากด้านในโดยไม่มีดินปกคลุมประมาณครึ่งฟุต ซึ่งพวกเขาจะเก็บไว้โดยมีการเป่าลมอย่างต่อเนื่อง นำออกมาด้วยทัพพีเพื่อขึ้นรูปตามที่ต้องการ" วากเนอร์ระบุว่ามันเดลสโลไม่ได้ไปเยือนญี่ปุ่น ดังนั้นคำอธิบายกระบวนการของเขาน่าจะมาจากบันทึกอื่นๆ วากเนอร์ระบุว่ากระบวนการของญี่ปุ่นอาจคล้ายกับกระบวนการเบสเซเมอร์ แต่เตือนว่าคำอธิบายทางเลือกอื่นๆ ก็เป็นไปได้เช่นกัน^{[ 10 ]}

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 กระบวนการผลิตเหล็กด้วยความร้อนสูง (puddling process) แพร่หลายไปทั่ว ในเวลานั้น ความร้อนที่ใช้ในกระบวนการต่ำเกินไปที่จะกำจัด สิ่งเจือปน ในตะกรัน ออกไปได้ทั้งหมด แต่เตาหลอมแบบสะท้อนความร้อนทำให้สามารถให้ความร้อนแก่เหล็กได้โดยไม่ต้องวางเหล็กไว้ในกองไฟโดยตรง ซึ่งช่วยป้องกันสิ่งเจือปนในเชื้อเพลิงได้บ้าง จากนั้น ถ่านหินจึงเริ่มเข้ามาแทนที่ถ่านไม้เป็นเชื้อเพลิง

ในช่วงทศวรรษ 1850 กระบวนการเบสเซเมอร์ทำให้สามารถผลิตเหล็กได้โดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิง โดยใช้สิ่งเจือปนในเหล็กเพื่อสร้างความร้อนที่จำเป็น ซึ่งช่วยลดต้นทุนลงอย่างมาก แต่ การหา วัตถุดิบที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายเสมอไป^{[ 12 ]}

การผลิตเหล็กกล้าสมัยใหม่ประกอบด้วยสามขั้นตอน ได้แก่ ขั้นตอนหลัก ขั้นตอนรอง และขั้นตอนที่สาม การผลิตเหล็กกล้าขั้นต้นเกี่ยวข้องกับการหลอมเหล็กให้เป็นเหล็กกล้า การผลิตเหล็กกล้าขั้นรองเกี่ยวข้องกับการเพิ่มหรือลดองค์ประกอบอื่นๆ เช่น สารผสมโลหะและก๊าซที่ละลาย การผลิตเหล็กกล้าขั้นที่สามเป็นการหล่อโลหะหลอมเหลวให้เป็นแผ่น ม้วน หรือรูปทรงอื่นๆ มีเทคนิคหลายอย่างสำหรับแต่ละขั้นตอน^{[ 13 ]}

การผลิตเหล็กกล้าด้วยออกซิเจนพื้นฐาน (BOS) เกี่ยวข้องกับการหลอมเหล็กดิบที่มีคาร์บอนสูง ซึ่งได้มาจากการถลุงแร่เหล็กในเตาหลอมและเปลี่ยนให้เป็นเหล็กกล้า การเป่าออกซิเจนผ่านเหล็กดิบหลอมเหลวจะออกซิไดซ์คาร์บอนบางส่วนให้กลายเป็นCO2⁻และCO₂โดยการเปลี่ยนเหล็กให้เป็นเหล็กกล้าวัสดุทนไฟ (วัสดุที่ทนต่อการสลายตัวภายใต้อุณหภูมิสูง) เช่นแคลเซียมออกไซด์และแมกนีเซียมออกไซด์จะถูกนำมาบุภายในภาชนะหลอมเพื่อทนต่อความร้อน โลหะหลอมเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน และตะกรัน มีการควบคุมองค์ประกอบทางเคมีเพื่อกำจัดสิ่งเจือปน เช่น ซิลิคอนและฟอสฟอรัส

BOS ได้รับการพัฒนาในปี พ.ศ. 2491 โดยRobert Durrerซึ่งเป็นการปรับปรุงเครื่องแปลง Bessemer ที่แทนที่อากาศด้วยออกซิเจน บริสุทธิ์ (ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่า) ช่วยลดต้นทุนการลงทุนของโรงงานและเวลาในการถลุงเหล็ก รวมถึงเพิ่มผลิตภาพแรงงาน ในปี พ.ศ. 2556 ผลผลิตเหล็กทั่วโลก 70% มาจากเตาหลอมออกซิเจนพื้นฐาน^{[ 14 ]}เตาหลอมสามารถเปลี่ยนเหล็กได้มากถึง 350 ตันให้เป็นเหล็กกล้าได้ในเวลาไม่ถึง 40 นาที เมื่อเทียบกับ 10-12 ชั่วโมงในเตาหลอมแบบเปิด^{[ 15 ]}

เตาหลอมไฟฟ้าแบบอาร์ค (EAS) ผลิตเหล็กจากเศษเหล็กหรือเหล็กที่ลดลงโดยตรง เหล็ก "ชุด" (batch) จะถูกใส่เข้าไปในเตาหลอม บางครั้งอาจมี "เหล็กหลอมเหลวจากชุดก่อนหน้า" อยู่ด้วย อาจใช้หัวเผาแก๊สช่วยในการหลอม เช่นเดียวกับ BOS จะมีการเติมฟลักซ์เพื่อป้องกันพื้นผิวของภาชนะและช่วยกำจัดสิ่งเจือปน โดยทั่วไปเตาหลอมจะมีขนาดความจุ 100 ตัน และผลิตเหล็กได้ทุกๆ 40 ถึง 50 นาที^{[ 15 ]}กระบวนการนี้ช่วยให้สามารถเติมโลหะผสมได้มากกว่า BOS ^{[ 16 ]}

ในกระบวนการผลิตเหล็กของฮิซาร์นา แร่เหล็กจะถูกแปรรูปเกือบจะโดยตรงเป็นเหล็กเหลวหรือเหล็กดิบ กระบวนการนี้ใช้เตาหลอมแบบไซโคลนคอนเวอร์เตอร์ซึ่งทำให้สามารถข้ามขั้นตอนการผลิตเม็ดเหล็กดิบที่จำเป็นสำหรับกระบวนการ BOS ได้ การข้ามขั้นตอนการเตรียมการนี้ทำให้กระบวนการของฮิซาร์นาประหยัดพลังงานมากขึ้นและลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์₂ลดการปล่อยมลพิษลงประมาณ 20% ^{[ 17 ]}

เหล็กที่ลดลงโดยตรงสามารถผลิตได้จากแร่เหล็กโดยการทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนอะตอม ไฮโดรเจนหมุนเวียนช่วยให้การผลิตเหล็กไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลการลดโดยตรงเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 1,500 °F (820 °C) เหล็กจะถูกเติมด้วยคาร์บอน (จากถ่านหิน) ในเตาหลอมไฟฟ้าแบบอาร์ค การแยกด้วยไฟฟ้า ของไฮโดรเจน ต้องใช้พลังงานประมาณ 2,600 kWhต่อเหล็กหนึ่งตัน การผลิตไฮโดรเจนทำให้ต้นทุนสูงขึ้นประมาณ 20–30% เมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

ขั้นตอนต่อไปมักใช้ทัพพีหลอมการดำเนินการในทัพพีหลอมประกอบด้วยการกำจัดออกซิเจน (หรือ "การกำจัด"), การกำจัดก๊าซด้วยสุญญากาศ, การเติมโลหะผสม, การกำจัดสิ่งเจือปน, การปรับเปลี่ยนเคมีของสิ่งเจือปน, การกำจัดกำมะถัน และการทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน โดยทั่วไปจะดำเนินการในทัพพีหลอมที่มีการกวนด้วยก๊าซโดยใช้ความร้อนจากอาร์คไฟฟ้าในฝาเตา การควบคุมโลหะวิทยาของทัพพีหลอมอย่างเข้มงวดจะทำให้ได้เหล็กเกรดสูงที่มีค่าความคลาดเคลื่อนแคบ^{[ 13 ]}

การผลิตเหล็กขั้นที่สาม หมายถึงขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการผลิต ซึ่งเหล็กหลอมเหลวจะถูกทำให้แข็งตัวและขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปหรือสำเร็จรูป ขั้นตอนนี้แตกต่างจากการกลั่นทางเคมีในขั้นตอนขั้นต้นและขั้นที่สอง โดยเน้นที่รูปทรงทางกายภาพและคุณสมบัติของพื้นผิวแทน

ก่อนที่จะสามารถรีดเหล็กได้ ต้องทำให้เหล็กแข็งตัวก่อน

• การหล่อแบบต่อเนื่อง :นี่เป็นวิธีการหลักที่ใช้ในการผลิตทั่วโลกกว่า 95% ^{[ 21 ]}เหล็กหลอมเหลวไหลจากทัพพีลงสู่รางเทแล้วผ่าน แม่พิมพ์ ทองแดง ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ เหล็กจะออกมาเป็นเส้นร้อนแดงต่อเนื่อง ซึ่งจะถูกยืดและตัดทำให้ได้รูปทรงมาตรฐานเช่นแผ่น (สำหรับผลิตภัณฑ์แบนราบ)แท่งเหล็ก (สำหรับโครงสร้าง) และแท่งเหล็ก (สำหรับผลิตภัณฑ์ยาว เช่น ลวด)
• การ หล่อแท่ง:ในกระบวนการแบบเก่านี้ เหล็กจะถูกเทลงในแม่พิมพ์แบบอยู่กับที่ ปัจจุบันยังคงใช้สำหรับเหล็กอัลลอยสูงบางชนิดหรือสำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่มาก (เช่น เพลาเครื่องกำเนิดไฟฟ้า) ที่เกินขีดความสามารถทางกายภาพของเครื่องหล่อแบบต่อเนื่อง ^{[ 22 ]}

เหล็กที่แข็งตัวแล้วจะถูกนำไปผ่านกระบวนการทางกลเพื่อปรับให้ได้ขนาดและคุณสมบัติทางกลตามที่ต้องการ

• การรีดร้อน :เหล็กจะถูกให้ความร้อนสูงกว่า อุณหภูมิ การตกผลึกใหม่และผ่านลูกกลิ้งขนาดใหญ่ กระบวนการนี้จะลดความหนาของโลหะและปรับโครงสร้างเกรนภายในให้ละเอียดขึ้น ทำให้มีความเหนียว มาก ขึ้น
• การรีดเย็น :กระบวนการนี้ดำเนินการที่อุณหภูมิห้อง ช่วยลดความหนา ปรับปรุงผิวสำเร็จ และเพิ่มความแข็งแรงดึงผ่านการแข็งตัวจากการยืดตัว
• การเคลือบผิว:เพื่อป้องกันการกัดกร่อนเหล็กสำเร็จรูปมักถูกเคลือบผิว วิธีที่นิยมใช้ ได้แก่การชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน (การเคลือบด้วยสังกะสี ) สำหรับวัสดุก่อสร้าง และการเคลือบ ดีบุกด้วยไฟฟ้า สำหรับบรรจุภัณฑ์

ในปี 2021 มีการประเมินว่าอุตสาหกรรมการผลิตเหล็กเป็นสาเหตุของการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ประมาณ 11% ของปริมาณทั้งหมดทั่วโลก₂การ ปล่อยก๊าซเรือนกระจกประมาณ 7% ^{[ 23 ] [ 24 ]}การผลิตเหล็ก 1 ตัน ปล่อยก๊าซ CO ประมาณ 1.8 ตัน₂[ ^{25 ]}การปล่อยมลพิษส่วนใหญ่เหล่านี้มาจาก^{กระบวนการ}ทางอุตสาหกรรมซึ่งถ่านหินเป็นแหล่งคาร์บอนที่จับกับออกซิเจนจากแร่เหล็กในเตาหลอม^{[ 26 ]}

COเพิ่มเติม₂การปล่อยก๊าซเรือนกระจกเกิดจากการทำเหมือง การกลั่น และการขนส่งแร่ กระบวนการ BOS การเผาและลมร้อนเทคนิคที่เสนอเพื่อลดCO2₂การปล่อยมลพิษในอุตสาหกรรมเหล็กรวมถึงการลดแร่เหล็กโดยใช้ไฮโดรเจนสีเขียวแทนคาร์บอน และการดักจับและกักเก็บคาร์บอน^{[ 27 ]}

การทำเหมืองถ่านหินและเหมืองแร่เหล็กใช้พลังงานสูงและทำลายสิ่งแวดล้อม ก่อให้เกิดมลพิษ การสูญเสียความหลากหลายทางชีวภาพ การตัดไม้ทำลายป่า และการปล่อยก๊าซเรือนกระจก

เตาหลอมเหล็กแบบระเบิดจะกำจัดออกซิเจนและธาตุต่างๆ ออกจากเหล็ก และเติมคาร์บอนในปริมาณเล็กน้อยโดยการหลอมแร่เหล็กที่อุณหภูมิ 1,700 องศาเซลเซียส (3,090 องศาฟาเรนไฮต์) ในสภาวะที่มีออกซิเจนและถ่านโค้ก ออกซิเจนจากแร่จะถูกพาออกไปโดยคาร์บอนจากถ่านโค้กในรูปของCO₂₂ปฏิกิริยา:

เฟ₂โอ₃(s) + 3 CO(ก.) → 2 Fe(s) + 3 CO₂(ก)

ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นเนื่องจากCO₂มี สถานะพลังงานที่ต่ำกว่า (เหมาะสมกว่า) เมื่อเทียบกับเหล็กออกไซด์และต้องใช้อุณหภูมิสูงเพื่อให้ได้พลังงานกระตุ้น ของปฏิกิริยา คาร์บอนจำนวนเล็กน้อยจะจับกับเหล็ก ทำให้เกิดเหล็กดิบ ซึ่งเป็นตัวกลางก่อนเหล็กกล้า เนื่องจากมีปริมาณคาร์บอนสูงเกินไป ประมาณ 4% ^{[ 28 ]}

เพื่อลดปริมาณคาร์บอนในเหล็กหล่อและเพื่อให้ได้ปริมาณคาร์บอนที่ต้องการในเหล็กกล้า จึงต้องนำเหล็กหล่อกลับมาหลอมใหม่และเป่าออกซิเจนผ่านเข้าไปในระบบ BOS ในขั้นตอนนี้ ออกซิเจนจะจับกับคาร์บอนที่ไม่ต้องการและพาคาร์บอนนั้นออกไปในรูปของCO₂ก๊าซ ซึ่งเป็นแหล่งปล่อยมลพิษเพิ่มเติม หลังจากขั้นตอนนี้ ปริมาณคาร์บอนในเหล็กหล่อจะลดลงเพียงพอที่จะได้เหล็กกล้า

ต่อไปCO₂การปล่อยมลพิษเกิดจากการใช้หินปูนซึ่งถูกหลอมที่อุณหภูมิสูงในปฏิกิริยาที่เรียกว่าการเผาตามข้อมูลดังนี้:

CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(ก)

ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้น₂เป็นแหล่งปล่อยมลพิษเพิ่มเติมแคลเซียมออกไซด์ (CaO, ปูนขาว ) สามารถใช้เป็นสารทดแทนเพื่อลดการปล่อยมลพิษได้^{[ 29 ]}โดยทำหน้าที่เป็นฟลักซ์ทางเคมี กำจัดสิ่งเจือปน (เช่น กำมะถันหรือฟอสฟอรัส (เช่นอะพาไทต์หรือฟลูออราพาไทต์ ) ^{[ 30 ]} ) ในรูปของตะกรันและลดCO₂การปล่อยมลพิษตามปฏิกิริยาต่างๆ เช่น:

SiO ₂ + CaO → CaSiO ₃

การใช้หินปูนเพื่อเป็นสารช่วยหลอมละลายนี้เกิดขึ้นทั้งในเตาหลอมเหล็ก (เพื่อผลิตเหล็กดิบ) และในระบบการผลิตเหล็กด้วยกระบวนการ BOS (เพื่อผลิตเหล็กกล้า)

คอมโพสิชั่น₂การปล่อยมลพิษเกิดจากลมร้อนที่พัดเข้าไปในเตาหลอม ลมร้อนจะสูบอากาศร้อนเข้าไปในเตาหลอม อุณหภูมิของลมร้อนจะอยู่ระหว่าง 900 ถึง 1,300 °C (1,650 ถึง 2,370 °F) ขึ้นอยู่กับการออกแบบและสภาพ สามารถฉีดน้ำมัน น้ำมันดิน ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหินผง และออกซิเจนเข้าไปผสมกับโค้กเพื่อปลดปล่อยพลังงานเพิ่มเติมและเพิ่มเปอร์เซ็นต์ของก๊าซรีดิวซ์ที่มีอยู่ซึ่งจะเพิ่มผลผลิต โดยทั่วไปแล้วลมร้อนจะถูกทำให้ร้อนโดยการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งเป็นแหล่งปล่อยมลพิษเพิ่มเติม^{[ 31 ]}

อุตสาหกรรมเหล็กก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ที่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์ถึง 7-8%₂การปล่อยมลพิษและเป็นหนึ่งในอุตสาหกรรมที่ใช้พลังงานมากที่สุด^{[ 32 ] [ 33 ]}กลยุทธ์การลดการปล่อยมลพิษและการลดคาร์บอนแตกต่างกันไปตามกระบวนการผลิต ตัวเลือกต่างๆ แบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก ได้แก่ การใช้แหล่งพลังงานที่ไม่ใช่เชื้อเพลิงฟอสซิล การเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผล และการพัฒนากระบวนการผลิต ซึ่งอาจใช้แยกกันหรือใช้ร่วมกันก็ได้

"เหล็กสีเขียว" หมายถึงการผลิตเหล็กโดยไม่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล^{[ 34 ]}บางบริษัทที่อ้างว่าผลิตเหล็กสีเขียวสามารถลดการปล่อยมลพิษได้ แต่ไม่ได้กำจัดออกไปทั้งหมด^{[ 35 ]}

ออสเตรเลียผลิตแร่เหล็กเกือบ 40% ของโลกหน่วยงานพลังงานหมุนเวียนของออสเตรเลียกำลังให้ทุนสนับสนุนโครงการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการผลิตเหล็กโดยตรง (DRI) เพื่อลดการปล่อยมลพิษ บริษัทต่างๆ เช่นRio Tinto , BHPและBlueScopeกำลังพัฒนาโครงการเหล็กสีเขียว^{[ 36 ]}

โครงการไฮโดรเจนไวอัลลาซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการความเจริญรุ่งเรืองของรัฐเซาท์ออสเตรเลียของนายกรัฐมนตรีมาลินาอุสคัสมีเป้าหมายที่จะผลิตเหล็กสีเขียว อย่างไรก็ตาม โครงการนี้ถูกระงับไว้เนื่องจากปัญหาทางการเงินและการดำเนินงานของGFG Allianceทั้งรัฐบาลกลางและรัฐบาลของรัฐได้เข้ามาแทรกแซงเพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้กับโรงงานเหล็ก^{[ 37 ]}

โครงการของยุโรปจาก HYBRIT, LKAB , VoestalpineและThyssenKruppกำลังดำเนินกลยุทธ์เพื่อลดการปล่อยมลพิษ^{[ 38 ]} HYBRIT อ้างว่าผลิตเหล็กที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม^{[ 35 ]}

ก๊าซที่ออกมาจากเตาหลอมเหล็กด้านบนโดยปกติจะถูกปล่อยออกสู่บรรยากาศ ก๊าซนี้มีส่วนประกอบของCO₂, H ₂และ CO ก๊าซด้านบนสามารถดักจับได้ คือCO₂นำออก และฉีดสารลดออกซิเจนกลับเข้าไปในเตาหลอม^{[ 39 ]}การศึกษาในปี 2012 ชี้ให้เห็นว่ากระบวนการนี้สามารถลดCO ในเตาหลอมได้₂การปล่อยมลพิษลดลง 75% ^{[ 40 ]}ในขณะที่การศึกษาในปี 2017 แสดงให้เห็นว่าการปล่อยมลพิษลดลง 56.5% ด้วยการดักจับและกักเก็บคาร์บอน และลดลง 26.2% หากใช้เพียงการรีไซเคิลสารลดมลพิษ^{[ 41 ]}เพื่อป้องกันไม่ให้คาร์บอนที่ถูกดักจับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ จะต้องหาวิธีการจัดเก็บหรือใช้ประโยชน์จากมัน

อีกวิธีหนึ่งในการใช้ก๊าซด้านบนคือในกังหันกู้คืนด้านบนซึ่งผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งจะช่วยลดความต้องการพลังงานภายนอกหากใช้การหลอมด้วยไฟฟ้าอาร์ค^{[ 38 ]}คาร์บอนยังสามารถดักจับได้จากก๊าซเตาโค้ก ณ ปี 2022 การแยก CO2 ออก_จากก๊าซและส่วนประกอบอื่นๆ ในระบบ และต้นทุนที่สูงของอุปกรณ์และการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นฐานที่จำเป็น ทำให้การนำไปใช้เป็นไปได้ยาก แต่ศักยภาพในการลดการปล่อยมลพิษนั้นคาดว่าจะสูงถึง 65% ถึง 80% ^{[ 42 ] [ 38 ]}

การลดไฮโดรเจนโดยตรง (HDR) โดยใช้ไฮโดรเจนที่ผลิตจากพลังงานปลอดมลพิษ ( ไฮโดรเจนสีเขียว ) ช่วยให้การผลิตเหล็กปราศจากมลพิษ เนื่องจากน้ำเป็นผลพลอยได้เพียงอย่างเดียวจากปฏิกิริยาระหว่างเหล็กออกไซด์กับไฮโดรเจน^{[ 43 ]}ณ ปี 2021 บริษัท ArcelorMittal , VoestalpineและTATAได้ให้คำมั่นที่จะใช้ไฮโดรเจนสีเขียวในการถลุงเหล็ก^{[ 44 ]}ในปี 2024 โครงการ HYBRIT ในสวีเดนได้ใช้ HDR ^{[ 45 ]}สำหรับสหภาพยุโรป คาดว่าความต้องการไฮโดรเจนสำหรับ HDR จะต้องใช้กำลังการผลิตพลังงานหมุนเวียน 180 GW ^{[ 46 ]}

การอิเล็กโทรไลซิสแร่เหล็กใช้อิเล็กตรอนเป็นตัวรีดิวซ์^{[ 38 ]}วิธีหนึ่งคือการอิเล็กโทรไลซิสออกไซด์หลอมเหลว เซลล์ประกอบด้วยแอโนดเฉื่อย อิเล็กโทรไลต์ออกไซด์เหลว (CaO, MgO เป็นต้น) และแร่หลอมเหลว เมื่อให้ความร้อนถึงประมาณ 1,600 °C แร่จะถูกรีดิวซ์เป็นเหล็กและออกซิเจน ณ ปี 2022 Boston Metalอยู่ในขั้นตอนกึ่งอุตสาหกรรมสำหรับกระบวนการนี้ โดยมีแผนที่จะทำการค้าภายในปี 2026 ^{[ 47 ] [ 48 ]}โครงการวิจัย Siderwin ที่เกี่ยวข้องกับ Arcelormittal กำลังทดสอบอิเล็กโทรไลซิสประเภทอื่น^{[ 49 ]}ซึ่งทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 110 °C ^{[ 50 ]}

การนำเศษเหล็กกลับมาใช้ใหม่ หมายถึงเหล็กที่หมดอายุการใช้งานแล้ว หรือเป็นโลหะส่วนเกินจากการผลิตชิ้นส่วนเหล็ก เหล็กสามารถแยกและนำกลับมารีไซเคิลได้ง่ายเนื่องจากมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก การใช้เศษเหล็กช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ 1.5 ตัน₂สำหรับทุกตัน^{[ 51 ]}ณ ปี 2023 เหล็กมีอัตราการรีไซเคิลสูงที่สุดในบรรดาวัสดุต่างๆ โดยประมาณ 30% ของเหล็กทั่วโลกมาจากชิ้นส่วนที่รีไซเคิลแล้ว อย่างไรก็ตาม เหล็กไม่สามารถรีไซเคิลได้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด และกระบวนการรีไซเคิลโดยใช้เตาหลอมอาร์คก็ใช้ไฟฟ้า^{[ 32 ]}

ในเตาหลอมเหล็ก ออกไซด์ของเหล็กจะถูกรีดิวซ์ด้วยส่วนผสมของ CO, H₂ _และคาร์บอน มีเพียงประมาณ 10% ของออกไซด์ของเหล็กเท่านั้นที่ถูกรีดิวซ์ด้วย H₂ _การ เพิ่มปริมาณ H₂ จะ _ช่วย เพิ่ม สัดส่วนของออกไซด์ของเหล็กที่ถูกรีดิวซ์ด้วย H₂ _{ทำให้}ใช้คาร์บอนน้อยลงและปล่อยCO น้อยลง₂[ ^{52 ] กระบวนการนี้สามารถลดการ ปล่อย}มลพิษได้ประมาณ 20%

แนวคิดเชิงคาดการณ์อย่างหนึ่งคือโครงการของ SuSteel เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีพลาสมาไฮโดรเจนที่ลดแร่ด้วยไฮโดรเจนที่อุณหภูมิการทำงานสูง^{[ 38 ]}ชีวมวลเช่น ถ่านหรือเม็ดไม้ เป็นเชื้อเพลิงเตาหลอมทางเลือกที่มีศักยภาพ ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับเชื้อเพลิงฟอสซิล แต่ยังคงปล่อยคาร์บอน การปล่อยมลพิษลดลง 5% ถึง 28% ^{[ 38 ]}

บริษัท SMS Group ผู้ผลิตโรงงานจากเยอรมนีอ้างว่า Baosteel Desheng Stainless Steel Co., Ltd. ซึ่งเป็นบริษัทในเครือของ China Baowu Steel Group ได้ติดตั้งระบบการกำจัดคาร์บอนด้วยออกซิเจนสุญญากาศ (VOD) ที่โรงงานฝูโจวซึ่งมีกำลังการผลิตเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ 417,000 เมตริกตันต่อปีเสร็จสมบูรณ์แล้ว ผงแร่เหล็กละเอียดพิเศษจะถูกฉีดเข้าไปในเตาหลอมที่ร้อนจัดโดยใช้ท่อฉีดความเร็วสูงแบบพิเศษ เหล็กหลอมเหลวจะรวมตัวกันที่ด้านล่างของเตาหลอม ทำให้เกิดกระแสเหล็กที่มีความบริสุทธิ์สูง^{[ 53 ]}

• การลดคาร์บอนด้วยออกซิเจนอาร์กอน
• สารเติมแต่งคาร์บอน
• ไฟเน็กซ์
• กระบวนการฟลอดิน
• ประวัติศาสตร์ของอุตสาหกรรมเหล็ก (ค.ศ. 1850–1970)
• ประวัติศาสตร์ของอุตสาหกรรมเหล็ก (ค.ศ. 1970 – ปัจจุบัน)
• ถ่านหินโลหะวิทยา
• โรงงานเหล็ก

• ภาพยนตร์สั้นเรื่องThe Drama of Steel (1946)สามารถรับชมและดาวน์โหลดได้ฟรีที่Internet Archive
• ชุดภาพถ่ายโรงงานเหล็กแกรี่ของสหรัฐอเมริกา ปี 1906–1971
• "เหล็กกล้าสำหรับเครื่องมือแห่งชัยชนะ"นิตยสารวิทยาศาสตร์ยอดนิยม (ธันวาคม 1943) บทความขนาดใหญ่ที่มีรายละเอียดพร้อมภาพประกอบและภาพตัดขวางจำนวนมากเกี่ยวกับพื้นฐานสมัยใหม่ของการผลิตเหล็กกล้า