Dit hoofdstuk is onderdeel van onze opleiding, klik hier voor meer informatie

We krijgen veel vragen over hoe staal gemaakt wordt. Hieronder wordt stap voor stap het proces uiteengezet  waarbij wordt begonnen met het delven van ijzererts.

Delven van ijzererts

IJzer (het hoofdbestanddeel van staal) vinden we als ijzererts in de grond. Het is op drie na het meest voorkomende element in de aardkorst. Zo’n 5% bestaat uit ijzer. Voor de goede orde; zuurstof (46,1%), silicium (25,7%) en aluminium (8,2%) komen het meest voor in onze aardkorst.

IJzererts komt in verschillende vormen voor. De meest toegepaste soort heet Hematiet en bestaat uit het ijzeroxide: Fe₂O₃.

We kennen allemaal ‘roest’, die bruin/rode kleur wanneer staal onbeschermd in de regen ligt. Dit roesten komt omdat ijzer zich graag bindt (koppelt) met zuurstof. Wanneer het ijzer gebonden is met zuurstof noemen we het ijzeroxide en heeft die bruin/rode kleur.

De grootste wingebieden van ijzererts liggen in China, Brazilië, Australië, Rusland en India, samen goed voor ongeveer 70% van de wereldproductie.

De gedolven brokken ijzererts worden ter plekke gewassen, gecontroleerd op zuiverheid, gesorteerd en gebroken tot standaard groottes. Daarna wordt het vervoerd naar de (hoogoven)fabrieken waar uiteindelijk staal wordt gemaakt.

Fabricage van ruwijzer

Het proces waarbij van ijzererts het ruwijzer wordt gemaakt heet het hoogovenproces. Van dit ruwijzer wordt het uiteindelijke staal gemaakt. Het hoogovenproces is een continu-proces, oftewel non-stop. Slechts eens in de paar jaar wordt de hoogoven uitgeschakeld voor onderhoud en modernisering. De benodigde grondstoffen voor het hoogovenproces zijn:

-IJzererts
-Kooks
-Kalksteen
-Zuurstof

IJzererts
De belangrijkste grondstof voor het maken van staal is ijzererts. Van het ijzererts worden pellets (‘knikkers’) en sintererts (poreuze brokken) gemaakt. Pellets lijken op knikkers van ca. 11 – 12 mm groot. Ze worden gemaakt van samengeperst ijzerertspoeder en een beetje kalksteen. Sintererts lijkt op poreuze brokken. Het wordt gemaakt van kleine brokjes ijzererts, vermengd met kooks en kalksteen. Door dit mengsel te bakken ‘koekt’ het aan elkaar. Nadien wordt het sinter gebroken in kleine bruikbare stukken. Door het ijzererts te verwerken tot pellets en sinter wordt het hoogovenproces versneld en de capaciteit van de oven vergroot.

Kooks
De tweede grondstof voor het bereiden van staal is steenkool. De steenkool wordt eerst gebroken tot gelijkmatige brokken. Daarna wordt het verhit in grote ovens zodat alle gassen en vloeistoffen (zoals water en olie) verdampen. Deze verwerkte steenkool noemen we kooks.

Kalksteen
De derde grondstof voor het bereiden van staal is kalksteen (kalk). De kalksteen wordt vermalen tot poeder en dient om onzuiverheden in het ruwijzer te binden tot slak.

Zuurstof
De vierde grondstof is zuurstof. In veel literatuur wordt deze niet genoemd, maar hij is wel van essentieel belang. De lucht (met daarin de benodigde zuurstof) wordt verhit tot ongeveer 2.200 °C.

Hoogovenproces
Het ijzererts, kooks en kalksteen wordt in laagjes boven in de hoogoven gestort. Onder in de hoogoven wordt lucht geblazen met een temperatuur van ongeveer 2.200 – 2.300 °C. Het ijzer smelt en sijpelt langs de rand van de oven naar beneden. Omdat de kooks en erts poreus zijn kan de hete lucht (met de benodigde zuurstof) door de laagjes naar boven dringen. De zuurstof (die gebonden is aan het ijzer) laat het ijzer los en bindt zich aan de kooks en vormt de gassen koolmonoxide (CO) en kooldioxide (CO₂).

Het vloeibare ijzer zakt naar de bodem van de haard. De aanwezige verontreinigingen (zoals zwavel en fosfor) smelten ook en sijpelen naar beneden. In het vloeibare ijzer zit veel koolstof opgelost (ongeveer 4 – 5 %). Dit vloeibare ijzer noemen we ‘ruwijzer’.

De verontreinigingen zijn lichter dan het ruwijzer en drijven boven op het ruwijzer. Ze binden zich aan het aanwezige kalk en vormen een vloeibare slak dat boven op het ruwijzer drijft. Aangezien de slak uit een hoogoven komt, wordt ze ‘hoogovenslak’ genoemd.

Als de haard vol is wordt het vloeibare slak afgetapt. Afhankelijk van de hoogoven duurt het vollopen van de haard ongeveer 7 – 8 uur. Het slak dient o.a. als grondstof voor de cementindustrie. Het vloeibare ruwijzer wordt afgetapt in een torpedo-vormige wagon. We noemen deze wagon een ‘menger’. De menger vervoert het vloeibare ruwijzer naar het volgende station, de oxystaalfabriek.

Oxystaalproces

Vanuit de hoogoven is het ruwijzer vervoerd naar de oxystaalfabriek. Omdat het ruwijzer zeer veel koolstof bevat is het niet bruikbaar. Het is namelijk zeer bros (breekt gemakkelijk). Om kwaliteitsstaal te maken moet er een groot deel van de koolstof uit gehaald worden. Dit gebeurt tijdens het oxystaalproces.

Het ruwijzer wordt in een peer-vormig vat gegoten. We noemen dit vat de ‘oxystaal converter’ of kortweg ‘converter’. Van bovenaf wordt zuurstof op het vloeibare ruwijzer geblazen. Zuurstof en koolstof binden zich graag aan elkaar en vormen gemakkelijk koolmonoxide (CO) en kooldioxide (CO₂). Deze gassen vormen zich ook in het staal. Dit gas stijgt op en wordt afgevoerd. Door de vorming van deze gassen wordt het koolstofgehalte van het ruwijzer verlaagd. Dit proces wordt nauwkeurig gestuurd door te meten hoeveel koolstof er nog in zit. Langer blazen met zuurstof levert een lager koolstofgehalte op. Vanuit de bodem van de converter stijgen belletjes argon op. We noemen dit ‘bodemborrelen’. Door het stijgen van de gasbelletjes wordt de pan als het ware ‘geroerd’ zodat ook het onderste uit de pan naar het oppervlak komt.

Tijdens het blazen met zuurstof op het hete ijzer ontstaat veel extra warmte. Denk maar eens aan een houtvuur. Als je er op blaast, stijgt de temperatuur ook. Vandaar dat er aan het ruwijzer een beetje schroot wordt toegevoegd. Dit schroot smelt en verlaagt de temperatuur. We noemen het geen ruwijzer meer, maar we noemen het staal. Het vloeibare staal wordt overgegoten in een staalpan en wordt vervoerd naar het volgende station; de vacuümpanbehandeling.

Vacuümpanbehandeling

Het vloeibare staal is nog vrij ‘onrustig’ omdat er nog veel kleine gasbelletjes zijn achtergebleven na het oxystaalproces. Deze gasbelletjes veroorzaken poreus materiaal en zijn dus ongewenst. De gasbelletjes worden verwijderd door middel van de vacuümpanbehandeling. In de meeste gevallen wordt een beetje aluminium toegevoegd om zuurstof te binden. Het staal wordt op deze manier volledig ‘rustig’ gemaakt.

Boven de staalpan wordt een vat geplaatst met onderaan twee ‘snorkels’. Deze snorkels worden in het vloeibare staal ondergedompeld. In het vat heerst een onderdruk. Via de linker snorkel stroomt argon-gas naar boven. Hierdoor wordt het vloeibare staal naar boven geduwd. Aan de andere zijde stroomt het staal weer naar beneden. Er ontstaat een circulatie in de staalpan. De aanwezige gasbelletjes krijgen hierdoor de gelegenheid om uit het staal te komen.

Ook kunnen legeringselementen (poedervorm), zoals chroom en nikkel, worden toegevoegd aan het staal. Afhankelijk van de fabriek duurt zo’n behandeling gemiddeld 25 minuten. Het vloeibare staal is nu gereed voor verdere verwerking.

Electrostaalproces

Staal wordt op grote schaal gerecycled en we noemen dit gebruikte staal schroot. Dit schroot wordt deels gebruikt voor het koelen van het vloeibare staal in het oxystaalproces. Het merendeel van het schroot wordt echter gebruikt om nieuw staal van te maken. Dit gebeurt veelal met het elektro-staal-proces.

Als eerste wordt het schroot op samenstelling gesorteerd. Daarna wordt het schroot in een grote elektrostaal-oven gestort . Vervolgens worden grafiet-elektroden boven het schroot geplaatst. Grafiet-elektroden zijn ronde staven, gemaakt van grafiet (koolstof). Op de elektroden wordt een elektrische spanning geschakeld waardoor een enorme elektrische stroom gaat lopen. Er ontstaat een kortsluiting tussen de elektroden en het schroot. Er komt bijzonder veel warmte vrij, ruim voldoende om het schroot te smelten. Je kan dit vergelijken met bliksem die neerslaat op de aarde tijdens een onweersbui. Zo’n bliksemschicht noemen we bij processen een ‘kortsluitboog’.

Nadat het schroot is gesmolten wordt het afgetapt in een staalpan en vervoerd naar het volgende station. We spreken nu niet meer over schroot, maar over staal.

Afhankelijk van de samenstelling (zuiverheid) ondergaat het vloeibare staal een oxystaalproces of een vacuümpanproces. Veel gelegeerd staal komt voort uit het elektrostaalproces. Het vloeibare staal is nu gereed voor gebruik en wordt vervoerd naar het volgende station.

Auteur: Wonnie van Beek

Dit hoofdstuk is onderdeel van onze opleiding, klik hier voor meer informatie

Wil u meer weten over de MCB Campus? download dan hier onze brochure