Hoe wordt staal gemaakt?

Een inleiding tot de productie en eigenschappen van staallegeringen

Volgens de World Steel Association werd in 2019 1869,9 miljoen ton staal geproduceerd. Dit vertegenwoordigt een productiestijging van 3,4% ten opzichte van 2018 en meer dan het dubbele van de productie in 1999. De wereld heeft een steeds grotere behoefte aan staal. Het wordt gebruikt in de bouw, industrie en productie. Omdat het zowel sterk als goedkoop is, is het ideaal voor alle soorten fabricage.

Waar is staal van gemaakt?

IJzer, het belangrijkste elementaire bestanddeel van staal, is een van de meest voorkomende elementen in de aardkorst. Alle staallegeringen zijn voornamelijk ijzer en 0,002-2,1 gew.% koolstof. In dit bereik bindt koolstof zich met ijzer om een ​​sterke moleculaire structuur te creëren. De resulterende microstructuur van het rooster helpt bij het bereiken van bepaalde materiaaleigenschappen, zoals treksterkte en hardheid, waarop we vertrouwen in staal.

Hoewel al het staal is gemaakt van ijzer en koolstof, bevatten verschillende soorten staal verschillende percentages van elk element. Staal kan ook andere elementen bevatten, zoals nikkel, molybdeen, mangaan, titanium, boor, kobalt of vanadium. Het toevoegen van verschillende elementen aan het "recept" voor een staallegering heeft invloed op de materiaaleigenschappen. De methode van vervaardiging en behandeling van het staal verbetert deze mogelijkheden verder.

Een opmerkelijke groep staallegeringen bevat chroom. Al dergelijke legeringen zijn algemeen bekend als roestvrij staal.

Hoe staal te maken

Op de meest basale manier wordt staal gemaakt door koolstof en ijzer te mengen bij zeer hoge temperaturen (boven 2600 ° F).

Primaire staalproductie maakt staal van een product dat "ruwijzer" wordt genoemd. Ruwijzer is gesmolten ijzer, uit erts, dat meer koolstof bevat dan voor staal correct is.

De staalmaker gebruikt een systeem dat zuurstof door smeltend ruwijzer blaast. Dit proces zorgt voor een gelijkmatige oxidatie door het gesmolten metaal. Oxidatie verwijdert overtollige koolstof. Het verdampt of bindt ook onzuiverheden gemaakt van elementen zoals silicium, fosfor en mangaan.

Secundaire staalproductie wordt gedaan "in de pollepel". Het is een proces waarbij staal wordt geraffineerd en gelegeerd. Secundaire staalproductie kan beginnen met het smelten van schroot of een primair proces voortzetten. Elementen kunnen worden toegevoegd om een ​​specifieke legering te krijgen. De staalbewerker kan ook oppervlakteverontreinigingen verwijderen (ontslakken). De pollepel wordt verwarmd en gekoeld tot de temperaturen die nodig zijn voor de noodzakelijke chemische processen.

Afwerkingsstaal

In een gieterij wordt staal zand of gegoten in patroonvormen. In een staalfabriek wordt staal door een continugieter gegoten tot ruwe bouwmaterialen. Doorlopende zwenkwielen creëren gestandaardiseerde onbewerkte stalen vormen in plaats van bijna afgewerkte onderdelen. Ruw staal wordt machinaal bewerkt of verwerkt tot eindproducten. Staalfabrieken gieten en vormen gewoonlijk platen, knuppels, staven, bloemen, pijpen, ingots en draden.

Een molen kan ook staal warmwalsen of koudwalsen tijdens de productie. Deze processen creëren verschillende vormen en afwerkingen. Vóór verzending kan het staal worden gesneden, op een spoel of gebundeld voordat het de fabriek verlaat.

In een gieterij of molen kan staal een warmtebehandeling ondergaan. Laatste stappen zoals afschrikken, temperen, normaliseren en uitgloeien kunnen het gedrag van de legering in een toepassing bepalen.

Uitvinding van staal

Archeologen hebben het vroegste staal gevonden op een site die dateert van 4.000 jaar geleden, in Turkije. Smeltkroesstaal, zoals het beroemde Zuid-Indiase Wootz-staal, werd al in de 4 ^e consequent gemaakt eeuw voor Christus. Tot het midden van de 19e eeuw was het maken van staal echter ongelooflijk uitdagend.

Staal smelt rond 2700°F. Het handhaven van deze hoge temperatuur was een uitdaging voor oude ovens die smeltkroesstaal maakten. Verder worden onzuiverheden aangetroffen in staallegeringen, gemaakt van elementen zoals silicium en mangaan. Het beheren hiervan vormt nog steeds een uitdaging. In de oude staalproductie maakten ze een lang, meerstapsproces. Oprichters zouden een lange dag doorbrengen met het verwarmen, roeren, ontslakken en opwarmen van hun legeringen. Nadat het staal was gegoten, werd het door smeden bewerkt. Door op het aambeeld te worden geslagen, ontstonden definitieve vormen. Het hielp ook bij het verspreiden en verminderen van koolstofvariantie, poriën of insluitsels.

In 1856 vroeg Henry Bessemer een patent aan voor een proces om staal op een nieuwe manier te maken. Door een Bessemer-converter te gebruiken in plaats van traditionele smeltvaten, kon de staalmaker lucht door het gesmolten metaal laten borrelen. Als reactie op de lucht zouden onzuiverheden oxideren en gas afgeven. Oxidatie hielp ook bij het creëren en behouden van de hoge hitte die nodig is voor het maken van staal.

Een proces dat één keer per dag in de gieterij en meer tijd in de smederij werd vervangen door een proces van 20 minuten waarmee 5 ton staal kon worden gemaakt. Het staal van Bessemer was ook sterker en van hogere kwaliteit dan de meeste staalproducenten konden hopen. Deze innovatie ondersteunde de industriële revolutie.

Is staal magnetisch?

Het meeste staal is magnetisch, maar niet alles. Staal wordt meestal gemaakt van ijzer en ijzer is magnetisch. Ferromagnetisme werd voor het eerst in de natuur ontdekt in 'lodestones' - stenen gemaakt van magnetiet, een oxide van ijzer. Andere elementen zijn ook ferromagnetisch, zoals kobalt en nikkel. Deze elementen komen ook wel eens voor in staal.

Roestvrij staal is beroemd niet-magnetisch, hoewel alle roestvrij staal ijzer bevat en veel nikkel. Eerlijk gezegd zijn slechts enkele roestvrijstalen legeringen niet-magnetisch. Austenitisch roestvrij staal, dat nikkel bevat, is in de meeste gevallen niet-magnetisch (hoewel het bij bewerking zeer licht magnetisch kan worden). Andere typen, zoals ferritische of martensitische legeringen, zijn roestvrij en magnetisch.

Eigenschappen van staal

Staal wordt zo vaak gebruikt vanwege de specifieke materiaaleigenschappen in combinatie met de relatief lage kosten. In vergelijking met vele andere bouw- en gereedschapsmaterialen (zoals hout, steen, beton of gietijzer), bieden staallegeringen:

• Hardheid :weerstand tegen indeuken wanneer ingedrukt met geleidelijk toenemende druk
• Taaiheid :wanneer het materiaal vervormt, beschrijft taaiheid hoe ver het gaat voordat het breekt
• Opbrengststerkte :weerstand tegen vormverandering tijdens het trekken met geleidelijk toenemende druk
• Treksterkte :het vermogen van een materiaal om eraan te trekken voordat het breekt
• Kneedbaarheid :het vermogen om gevormd te worden door te hameren of te drukken zonder te breken
• Ductiliteit :het vermogen om te worden gevormd zonder verlies van taaiheid - werkend metaal maakt het vaak brozer, maar ductiele materialen worden niet zo snel bros door het werk.

Het geteste bereik van deze eigenschappen varieert tussen legeringen, maar als geheel is staal zowel harder als taaier (minder bros) dan veel andere materialen.

Staalsoorten

Er zijn vier hoofdgroepen van staallegeringen:koolstof, gereedschap, gelegeerd en roestvrij staal.

• Koolstofstaal -Milde, medium en high carbon staalsoorten variëren meestal door hardheid en taaiheid. Zacht staal of staal met een laag koolstofgehalte is doorgaans ductieler dan andere staalsoorten, maar biedt ook een lagere hardheid. Aan de andere kant van het assortiment zijn koolstofstaalsoorten harder. Koolstofstaal heeft echter meestal een lagere ductiliteit.
• Gereedschapsstaal —Hoge koolstofstaal met toegevoegde elementen zoals wolfraam, vanadium of molybdeen, warmtebehandeld en afgeschrikt tot superieure hardheid, wordt gebruikt voor gereedschapsstaal.
• Gelegeerd staal —Deze staalfamilie verwijst in het algemeen naar staalsoorten gemengd met specifieke elementen voor buitengewone materiaaleigenschappen, buiten die welke gewoonlijk in andere families vallen. Alle staalsoorten zijn legeringen en vele hebben extra elementen. Gelegeerde staalsoorten zijn echter ongebruikelijke staalsoorten die voor een specifieke toepassing zijn gebouwd en kunnen variëren van waardevolle formuleringen tot exotische legeringen die worden gebruikt voor straalmotoren.
• Roestvrij staal —Deze staalsoorten zijn gelegeerd met chroom om ze roestbestendig te maken door passivering.

Staalproductie:een verhaal over recycling

Een van de beste eigenschappen van staal (en andere metalen) is dat schroot volledig nieuw, hoogwaardig metaal kan worden. Het proces van secundaire staalproductie creëert legeringen die net zo goed zijn als die van ruwijzer. Metalen voorwerpen kunnen door gebruik verslechteren, maar door de elementaire chemie van metaal ontstaat door smelten en legeren een compleet nieuw product.

Groei in staalproductie vereist daarom geen gelijke groei in het smelten van nieuw erts (hoewel de productie van ruwijzer een essentieel onderdeel van de staaltoeleveringsketen blijft). Door het terugwinnen en verwerken van schrootstaal kan het autopaneel van gisteren de I-balk van morgen zijn.

Met 98% van het terug te winnen staal is het metaal een van 's werelds meest recyclebare producten. Toch is het niet zonder milieu-uitdaging. Cokes, een vorm van steenkool, wordt meestal gebruikt als koolstofinput voor de staalproductie. Bovendien creëren de hoge energie die nodig is om te smelten of te smelten en oxidatie en andere productieprocessen chemicaliën en koolstofdioxide. Gelukkig wordt er veel onderzoek gedaan in de staalsector om problemen met de productie te verminderen. Sommige omvatten het recyclen van koolstofdioxide terug in het staal zelf, als de bron van koolstof, waardoor er minder behoefte is aan andere bronnen zoals cokes.

Met deze technologieën verfijnd en geïmplementeerd, zal de staalproductie een van de belangrijkste industrieën van de toekomst blijven. Het ondersteunt, drijft en bouwt onze economie op.