Het staalproductieproces uitgelegd: Van ijzererts tot legering

Een introductie tot de productie en eigenschappen van staallegeringen

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

Waaruit bestaat staal?

IJzer, het belangrijkste elementaire component van staal, is een van de meest voorkomende elementen in de aardkorst. Alle staallegeringen zijn primair ijzer en 0,002–2,1% koolstof per gewicht. In dit bereik bindt koolstof met ijzer om een sterke moleculaire structuur te creëren. Het resulterende roostermicrostructuur helpt bepaalde materiaaleigenschappen te bereiken, zoals trekkracht en hardheid, waar we op vertrouwen in staal.

Hoewel alle staal gemaakt is van ijzer en koolstof, bevatten verschillende typen 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 beïnvloedt de materiaaleigenschappen. De productiemethode en behandeling van het staal verbeteren die capaciteiten verder.

Een opvallende groep staallegeringen bevat chroom. Alle dergelijke legeringen zijn algemeen bekend als roestvrij staal.

Hoe staal te maken

Op het meest basisniveau, wordt staal gemaakt door koolstof en ijzer te mengen bij zeer hoge temperaturen (boven 2600°F).

Primaire staalproductie creëert staal uit een product genaamd 'varkensijzer'. Varkensijzer is gesmolten ijzer, uit erts, dat meer koolstof bevat dan correct is voor staal.

De staalmaker gebruikt een systeem dat zuurstof door smeltend varkensijzer bubbelt. Dit proces creëert gelijke oxidatie door het vloeibare metaal. Oxidatie verwijdert overtollig koolstof. Het verdampt of bindt ook onzuiverheden van elementen zoals silicium, fosfor en mangaan.

Secundaire staalproductie wordt 'in de lepel' gedaan. Het is een proces van verfijnen en legeren van staal. Secundaire staalproductie kan beginnen door schroot te smelten, of een primair proces voortzetten. Elementen kunnen toegevoegd worden om een specifieke legering te krijgen. De staalwerker kan ook oppervlakte-onzuiverheden verwijderen (de-slagging). De lepel wordt verhit en afgekoeld tot de temperaturen die nodig zijn voor de benodigde chemische processen.

Afwerken van staal

In een gieterij wordt staal in zand of investeringsgieten in gepatroonerde vormen gegoten. In een staalfabriek wordt staal gegoten door een continue gietmachine in ruwe bouwmaterialen. Continue gietmachines creëren gestandaardiseerde ruwe staalvormen in plaats van near-net-onderdelen. Ruw staal zal bewerkt of bewerkt worden in eindproducten. Staalmolens gieten en vormen doorgaans bladen, billetten, staven, bloemen, buizen, ingots en draden.

Een molen kan staal ook warm- of koudwalzen tijdens productie. Deze processen creëren verschillende vormen en afwerkingen. Voor verzending kan het staal gesneden, opgerold of gebundeld worden voordat het de molen verlaat.

In gieterij of molen, kan staal warmtebehandeld worden. Eindstappen zoals quenchen, aanlaten, normaliseren en anlaten kunnen de manier vormgeven waarop de legering zich gedraagt in een toepassing.

Uitvinding van staal

Archeologen hebben de vroegste staal gevonden op een site daterend van 4.000 jaar geleden, in Turkije. Kruikstalen, zoals de beroemde Zuid-Indiase Wootz staal, werden consistent gemaakt vanaf de 4e eeuw v.Chr. Echter, tot de mid-1800s was staalmaken ongelooflijk uitdagend.

Staal smelt rond 2700°F. Het handhaven van deze hoge hitte was een uitdaging voor oude ovens die kruikstaal maakten. Verder, onzuiverheden worden gevonden in staallegeringen, gemaakt van elementen zoals silicium en mangaan. Het beheren van deze blijft een uitdaging. In oude staalproductie, maakten ze voor lange, meervoudige processen. Gieters zouden een lange dag besteden aan verhit, roeren, de-slaggen, en herverhitten van hun legeringen. Nadat de staal gegoten was, ging het vervolgens naar smeden om bewerkt te worden. Op de anvil geslagen creëerde eindvormen. Het hielp ook de koolstofvariantie, poriën of insluitsels te distribueren en te mitigeren.

In 1856 nam Henry Bessemer een octrooi voor een proces om staal op een nieuwe manier te creëren. Het gebruik van een Bessemer converter, in plaats van traditionele smeltvaten, liet de staalmaker toe lucht door het vloeibare metaal te bubbelen. In reactie op de lucht, zouden onzuiverheden oxideren en uittrekken. Oxidatie hielp ook de hoge hitte noodzakelijk voor staalproductie te creëren en te handhaven.

Een proces dat ooit een volle dag in de gieterij en meer tijd in de smederij nam, werd vervangen door een 20-minuten proces dat 5 ton staal kon creëren. Bessemers staal was ook sterker en van hogere kwaliteit dan de meeste staalmakers konden hopen. Deze innovatie ondersteunde de Industriële Revolutie.

Is staal magnetisch?

Meeste staal is magnetisch, maar niet alle. Staal is grotendeels gemaakt van ijzer, en ijzer is magnetisch. Ferromagnetisme werd voor het eerst in de natuur ontdekt in 'loadstenen' – stenen gemaakt van magnetiet, een oxide van ijzer. Andere elementen zijn ook ferromagnetisch, zoals kobalt en nikkel. Deze elementen worden ook soms in staal gevonden.

Roestvrije stalen zijn beroemd om niet-magnetisch te zijn, hoewel alle roestvrije stalen ijzer bevatten en veel nikkel bevatten. Waarachtig, alleen sommige roestvrije legeringen zijn niet-magnetisch. Austenitisch roestvrij staal – dat nikkel bevat – is in de meeste gevallen niet-magnetisch (hoewel het zeer licht magnetisch kan worden wanneer bewerkt.) Andere typen, zoals ferritische of martensitische legeringen, zijn roestvrij en magnetisch.

Eigenschappen van staal

Staal wordt zo algemeen gebruikt vanwege de specifieke materiaaleigenschappen gecombineerd met de relatief lage kosten. Vergeleken met veel andere bouw- en gereedschapsmaterialen (zoals hout, steen, beton of gietijzer), bieden staallegeringen:

• Hardheid: weerstand tegen indrukken wanneer gedrukt met geleidelijk toenemende druk
• Zachtheid: wanneer het materiaal vervormt, beschrijft zachtheid hoe ver het gaat voordat het breekt
• Reksterkte: weerstand tegen vormverandering terwijl getrokken met geleidelijk toenemende druk
• Trekkracht: een materiaals vermogen om getrokken te worden voordat het breekt
• Smeedbaarheid: het vermogen om gevormd te worden door hameren of persen zonder te breken
• Duktiliteit: het vermogen om gevormd te worden zonder zachtheid te verliezen – bewerken van metaal maakt het vaak brosser, maar duktiele materialen verbrozzelen niet zo snel door werk.

Het geteste bereik van deze eigenschappen varieert tussen legeringen, maar als geheel, slaagt staal erin om zowel harder als zachter (minder bros) te zijn dan veel andere materialen.

Types staal

Er zijn vier grote groeperingen van staallegeringen: koolstof, gereedschap, legering en roestvrije stalen.

• Koolstofstaal—Zacht, medium en hoog koolstofstalen variëren meestal door hardheid en duktiliteit. Zachte of lage koolstofstalen neigen ertoe meer duktil te zijn vergeleken met andere stalen, maar bieden ook lagere hardheid. Aan het andere uiteinde van het bereik, zijn hoge koolstofstalen harder. Echter, hoog koolstofstaal heeft meestal lagere duktiliteit.
• Gereedschapstaal—Hoog koolstofstaal met toegevoegde elementen zoals wolfram, vanadium of molybdeen, warmtebehandeld en gequenchd tot superieure hardheid, worden gebruikt voor gereedschapstalen.
• Legeringsstaal—Deze familie stalen verwijst doorgaans naar stalen gemengd met specifieke elementen voor buitengewone materiaaleigenschappen, buiten die die gewoonlijk in andere families vallen. Alle stalen zijn legeringen en veel hebben extra elementen. Echter, legeringsstalen zijn ongewone stalen gebouwd voor een specifieke toepassing, en kunnen variëren van waardeformuleringen tot exotische legeringen gebruikt voor straalmotoren.
• Roestvrij Staal—Deze stalen zijn gelegeerd met chroom om ze roestbestendig te maken door passivatie.

Staalproductie: een verhaal van recycling

Een van de beste kenmerken van staal (en andere metalen) is dat schroot volledig nieuw, hoogwaardig metaal kan worden. Het proces van secundaire staalproductie creëert legeringen net zo goed als die die van varkensijzer komen. Metaalitems kunnen degraderen door gebruik, maar de elementaire chemie van metaal betekent dat smelten en legeren een volledig nieuw product creëert.

Groei in staalproductieoutput vereist dus geen matching groei in smelten van nieuwe erts (hoewel varkensijzerproductie een vitaal deel blijft van de staaltoevoerketen.) Het herwinnen en verwerken van schrootstaal betekent dat gisteren's autoplank morgen's I-profiel kan zijn.

Met 98% van staal herwinnenbaar, is het metaal een van de meest recycleerbare producten ter wereld. Toch is het niet zonder milieuitdaging. Cokes, een vorm van steenkool, wordt meestal gebruikt als de koolstofinput voor staalproductie. Bovendien creëren de hoge energie vereist om te smelten of smelten en oxidatie en andere productieprocessen chemicaliën en koolstofdioxide. Gelukkig wordt er veel onderzoek gedaan in de staalproductiesector om productieproblemen te mitigeren. Sommige omvatten het recyclen van koolstofdioxide terug in het staal zelf, als de bron van koolstof, wat de behoefte aan andere bronnen zoals cokes verlaagt.

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