Staal

Staalfabriek in Bremen, Duitsland

Staal verliest zijn sterkte op hoge temperatuur, om het tegen vuur te beschermen wordt het in gebouwen door een keramische laag beschermd

Staal is een legering bestaand uit ijzer en koolstof. Er zijn ongelofelijk veel verschillende legeringen met deze twee elementen, meestal ook met andere bestanddelen. De wereld kent vandaag de dag ongeveer 2500 verschillende soorten staal. Mede hierdoor en door de uitstekende bewerkbaarheid is staal een veel gebruikt constructiemateriaal. Het koolstof wordt gebruikt om een hoge treksterkte en hardheid te verkrijgen.

Wereldwijd wordt er jaarlijks ongeveer 900 miljoen ton staal geproduceerd, Corus Nederland (Hoogovens IJmuiden) neemt hiervan ongeveer 5 miljoen voor haar rekening.

[bewerk] Geschiedenis van de staalbereiding

IJzer wordt al meer dan 4000 jaar gebruikt voor diverse doeleinden. Het eerste ijzer was afkomstig van meteorieten. Dit zeldzame materiaal was ongeveer zo kostbaar als goud. Het bereiden van kwalitatief hoogwaardig staal is eeuwenlang erg moeilijk geweest.

Het eerste door mensen vervaardigde ijzer werd omstreeks 1500 v. Chr. in Klein-Azië in laagovens gemaakt. Een tijdlang was deze techniek een zorgvuldig gekoesterd geheim van het Hettitische Rijk, maar na de val van dit rijk verspreidde deze metallurgische kennis zich betrekkelijk snel over grote delen van de Oude Wereld (IJzertijd).

Laagovens waren lage ovens, waarin om beurten lagen houtskool en ijzererts werden gestapeld. Met blaasbalgen werd daar voorverwarmde lucht doorheen geblazen, waarbij de houtskool ging branden en er onder meer koolmonoxide werd gevormd, dat het ijzer uit zijn oxiden vrijmaakte. Daarbij werden slechts temperaturen bereikt lager dan het smeltpunt van ijzer. Dat had tot gevolg dat het ijzer niet gescheiden werd van de resten van het erts, de zogenaamde slak, en dat het ook weinig van de koolstof opnam. Het product was een buigzaam maar zacht, vrijwel koolstofloos ijzer met veel stukjes slak erin.

Om van dit zachte smeedijzer een harder kwaliteitsstaal te maken, moesten eerst met veel geduld de stukjes erts en slak uit het ijzer worden gehamerd. Vervolgens moest het hete ijzer dan gedurende lange tijd met houtskool in contact worden gebracht, zodat het voldoende koolstof kon absorberen. Het was moeilijk dit proces goed te beheersen, zodat staal vele eeuwen lang een zeer kostbaar product bleef.

Pas veel later, in China omstreeks het begin van onze jaartelling, in Europa pas in de 15e eeuw, werd de hoogoven uitgevonden. Dit was een diverse meters hoge oven, die in principe op ongeveer dezelfde manier functioneerde als de laagoven, maar waarin wel een hogere temperatuur kon worden bereikt. Het ijzer kwam hierin wel tot smelten, zodat het gesmolten ijzer aan de voet van de oven kon worden afgetapt. Het ijzer was nu vrij van resten erts en slak, maar er was nu te veel koolstof in opgelost, nl. ongeveer 4 %, terwijl goed staal 0,5 tot 2 % koolstof bevat. Het aldus verkregen gietijzer was wel zeer hard, maar ook bros. Dit was voor sommige toepassingen een geschikt materiaal, maar onbruikbaar voor bij voorbeeld zwaarden en snel bewegende machineonderdelen.

Om hiervan goed staal te maken, moest het product lange tijd in hete toestand worden gehamerd, zodat het grootste deel van de koolstof aan de lucht kon verbranden. Dat was een zo omslachtig proces dat men vaak verkoos staal te bereiden uit smeedijzer dat in laagovens was geproduceerd. Kwalitatief hoogwaardig staal bleef dus een kostbaar product. Het ijzerverbruik steeg daarom niet ver boven het traditionele pre-industriële niveau van ongeveer 1 kilo per hoofd per jaar.

Pas de laatste 200 jaar is men door verbetering van het productieproces (bij voorbeeld het Bessemerprocédé) erin geslaagd het ijzer betrekkelijk gemakkelijk te zuiveren tot een zodanig lager koolstofgehalte (minder dan 2%) dat het ductiel genoeg was om te kunnen bewerken (bijvoorbeeld: walsen).

Andere verbeteringen van de afgelopen twee eeuwen:

men ging cokes gebruiken in plaats van houtskool, zodat grootschalige ijzerproductie geen aanslag meer deed op de bossen.
door toegenomen kennis van de chemie leerde men welke stoffen men aan het erts moest toevoegen om ongewenste bestanddelen (bij voorbeeld te veel zwavel of teveel fosfor) om te zetten in stoffen die zich met de slak vermengen, zodat het veel gemakkelijk werd om een kwalitatief hoogwaardig ijzer te vervaardigen.

De mogelijkheid om op goedkope wijze kwalitatief hoogwaardig staal te produceren, heeft het ijzerverbruik enorm doen stijgen (in veel ontwikkelde landen ongeveer 500 kilo per hoofd per jaar).

[bewerk] Processtappen

Zie ook geïntegreerd staalbedrijf voor meer details.

[bewerk] Hoogovens

Hoogovens produceren ruwijzer, dit bevat ongeveer 4-5% koolstof en ook een aantal andere verontreinigingen (onder andere fosfor en zwavel).

[bewerk] Convertor

Door de aanwezigheid van bovengenoemde verontreinigingen is het ruwijzer nog onbruikbaar. Daarom wordt het nog verder gereinigd. Dit wordt gedaan in een convertor, waar met hoge snelheid bijna 100 procent zuurstof door het vloeibare ruwijzer geblazen wordt. Doordat zuurstof en koolstof zich erg makkelijk met elkaar verbinden wordt er koolstofmonoxide (CO) en koolstofdioxide (CO₂) gevormd, welke als gasvormige fase ontstaan en zich dus makkelijk laten verwijderen van het vloeibare ruwijzer. Bij dit proces komen zeer hoge temperaturen voor, waarbij 1650 graden Celsius een gemiddelde waarde is van de lading.

Door deze behandeling komt er echter wel wat zuurstof in het staal te zitten dit kan later weer verwijderd worden door mangaan, aluminium of silicium toe te voegen. Het zuurstof zal zich aan deze stoffen binden. De gevormde oxides drijven op het vloeibare staal, omdat hun dichtheid lager is dan die van staal. Deze drijvende laag oxides op het staal noemt men de slak en moet gescheiden worden van het staal alvorens het staal verder bewerkt kan worden. Er zal altijd een kleine hoeveelheid aan verontreiniging in het staal achterblijven. Deze hoeveelheid is door de ver ontwikkelde staalbereidingsprocessen echter zo klein geworden dat het niet hinderlijk is.

[bewerk] Discontinu-gietproces

Als het staal zuiver genoeg is, moet het in een vaste vorm gegoten worden. Vroeger gebeurde dit in zogenaamde ingots of blokvormen, grote cilindrische gietvormen. Als het staal in de ingot geheel afgekoeld was, werd het verder bewerkt tot platen of profielen. Dit had echter een groot nadeel, de verontreinigingen die nog in het staal zaten, concentreerden zich veelal in het midden van de ingot, waardoor er daar een hoge concentratie verontreinigingen ontstaat, wat, indien niet voldoende gecontroleerd, voor problemen kan zorgen.

[bewerk] Continu-gietproces

Uit de converter waar het ruwijzer is omgezet in Staal (boven 2% koolstofgehalte wordt het ijzer genoemd, onder de 2% koolstofgehalte heet het staal) gaat het staal naar een panbehandelings installatie alwaar het staal gehomogeniseerd wordt. Door toeslagstoffen als b.v. Niobium, Mangaan, Silicium, Aluminium en schroot wordt het staal op 'smaak'gebracht voor verdere verwerking. In een gekoelde gietvorm wordt het staal gegoten waar het al gedeeltelijk wordt afgekoeld. Zodra er een huid om het vloebare staal is gevormd wordt het door middel van startkettingen uit de gietvorm getrokken door aangedreven rollen uit de gietvorm getrokken en door rollen ondersteund als een streng staal uit de machine geleid, hierna worden er door zuurstofbranders plakken van gesneden. De gemiddelde dikte is ongeveer 225 mm. Een andere manier van continue gieten is het gietwals-proces, de dikte van de plak is hier ongeveer 70mm en na het gieten wordt d eplak door een oven geleid en direct gewalst wat een grote besparing oplevert t.o.v. de dikke plak (die moet eerst opgewarmd worden alvorens die gewalst kan worden)

[bewerk] Recycleren van staal

Schroot kan worden hersmolten naar staal. Hier speelt het soort schroot een zeer belangrijke rol. Sterk verontreinigd schroot zal problemen opleveren bij het hersmelten. Vooral sporen van Cu (koper) kunnen roet in het eten gooien. Daarom is het zorgvuldig uitselecteren van schroot in verschillende categorieën belangrijk.

De aanwezigheid van roest in het schroot is echter juist een voordeel. De in het roest gebonden zuurstof helpt in de convertor bij het verwijderen van de overtollige koolstof in het ruwijzer.

Het hersmelten van schroot gebeurt veelal in elektrische ovens. Hiervan bestaan verschillende types: ovens die het staal indirect verwarmen (door stralingswarmte) of rechtstreeks.

Ongeveer een derde van de wereldstaalproductie is thans afkomstig van gerecycleerd schroot.

[bewerk] Soorten staal

fasendiagram ijzer-koolstof

Stabiele kristalstructuren in staal

ferriet ; perliet ; cementiet (Fe₃C) ; austeniet ; ledeburiet; eutecticum ; smelt

Staal valt in drie groepen in te delen aan de hand van de hoeveelheid toegevoegde elementen (legeringselementen):

ongelegeerd staal,
laaggelegeerd staal
hooggelegeerd staal.

Bij ongelegeerd staal praten we over ijzer met maximaal 1,5% aan legeringselementen. Laaggelegeerd staal bevat tussen 1,5% en 5% legeringselementen en hooggelegeerd staal is alles wat meer dan 5% aan legeringselementen bevat.

Koolstof is bij staal geen legeringselement. Als er meer dan 2% koolstof in ijzer zit spreken we over gietijzer.

[bewerk] Ongelegeerd staal

Onder ongelegerd staal valt het staal dat maximaal 1,5% aan legeringselementen (exclusief koolstof (C)) bevat. Veel gebruikte legeringselementen zijn onder andere mangaan (Mn) en silicium (Si). Net als koolstof worden mangaan en silicium gebruikt om de sterkte en hardheid te verhogen. Silicium is tevens een bijproduct van het staal bereidingsproces, het wordt gebruikt om zuurstof aan het staal te onttrekken.

Ongelegeerd staal is het meest gebruikte staal ter wereld. Dit komt omdat het relatief goedkoop is en erg goed bewerkbaar.

[bewerk] Laaggelegeerd staal

Deze groep bevat tussen de 1,5 en 5% legeringselementen (exclusief koolstof). Net als bij ongelegeerd staal zijn mangaan en silicium veel voorkomende legeringselementen. Maar ook chroom (Cr), vanadium (V), nikkel (Ni) en molybdeen (Mo) zijn in deze groep veel voorkomende legeringselementen.

De invloeden van deze elementen zijn bij gebruik van verschillende elementen in één soort staal niet zo makkelijk te bepalen daar sommige van deze elementen elkaar tegenwerken en andere elkaar juist weer versterken.

Chroom wordt vaak gebruikt om staal oxidatie- en corrosiebestendig te maken. Ook van de harde en slijtvaste eigenschappen van chroom wordt veel gebruikgemaakt in de staalindustrie. Chroom wordt veel gebruikt in combinatie met nikkel of molybdeen. Chroom in combinatie met molybdeen (het zogenaamde chromonen staal) maakt het staal uitstekend bestand tegen hoge temperaturen en ook erg sterk. Vanadium wordt ook veel gebruikt in combinatie met chroom en molybdeen daar het ongeveer dezelfde eigenschappen geeft aan staal. Ook in gereedschapsstaal wordt veel vanadium gebruikt, het maakt het staal ook een stuk taaier wat erg gunstig is voor gereedschap. Nikkel heeft gunstige invloed op staal bij heel hoge en heel lage temperaturen. En het wordt ook veel gebruikt om een aantal ongunstige eigenschappen van chroom tegen te gaan.

[bewerk] Hooggelegeerd staal

Hooggelegeerd staal bevat meer dan 5% aan legeringselementen bevat. De bekenste die hieronder valt is roestvast staal (rvs). Een ander hooggelegeerd staal is gereedschapsstaal.

Hoofdlegeringselementen in rvs zijn chroom (Cr) en nikkel (Ni). Chroom kan alleen gebruikt worden om staal roestvast te maken maar meestal wordt er een combinatie van chroom en nikkel gebruikt (bijvoorbeeld 18% Cr en 8% Ni).

Zoals de naam al doet vermoeden is rvs bestand tegen oxidatie en corrosie. Deze eigenschap is te danken aan de chemische verbinding die chroom en nikkel aan gaan met zuurstof. Door deze chemische verbinding vormt er zich een oxydehuid op het staal. De oxydehuid is heel dun en daardoor doorzichtig. Hij bestaat uit een netwerk van chroom (III)oxyde dat wel elektronen kan geleiden maar geen ionen. Daardoor is het metaal tegen corrosie bestand mits de oxydehuid in takt blijft. Maar dat is helaas niet het geval in een chloride oplossing, zoals zeewater of in gechloreerd zwemwater. Het resultaat is dan gelokaliseerde putvormige corrosie die heel moeilijk te stoppen is omdat het chlorideion zich vooral in de corrosieputten verzamelt.

[bewerk] Trivia

De term "pisbakkenstaal" wordt soms gebruikt om een staalsoort van slechte kwaliteit aan te duiden (net als waaibomenhout gebruikt wordt om slecht hout aan te duiden). Soms wordt pisbakkenstaal afgekort tot PBS, vergelijkbaar met de afkorting RVS voor roestvast staal. In werkelijkheid moet echter voor een stalen urinoir juist een goede staalsoort gekozen worden vanwege de zuren in de urine.