header bouwen

 


 maak van deze website uw startpagina !

WorldwideBase
Alle wwbase pagina's

 

Staal

 
   
 







 

Staal, verzamelnaam voor technische ijzer-koolstoflegeringen die goed smeedbaar zijn en geen vrije koolstof bevatten. Staal bevat naast ijzer en koolstof altijd een aantal andere elementen, als verontreiniging of opzettelijk toegevoegd, en pas wanneer deze een arbitrair vastgesteld percentage overschrijden spreekt men van gelegeerd staal.

Ongelegeerd staal, ook wel koolstofstaal genoemd, is goed smeedbaar tot ca. 1,5% C. Daarboven neemt de smeedbaarheid snel af, maar de gietbaarheid neemt toe, zodat boven ca. 2% C van gietijzer wordt gesproken. Bij gelegeerd staal ligt de smeedbaarheidsgrens veel hoger.

1. Staalsoorten

Het aantal staalsoorten is bijzonder groot door de vele combinaties van elementen, de verschillende bereidingsmethoden, de vele toepassingen en de gevarieerde eigenschappen. Volgens de fabricage onderscheidt men: martin-, elektro- en oxystaal (zie ß 3); naar toepassing: constructie-, machine- en gereedschapsstaal; naar eigenschappen: roestvaste, hittevaste, slijtvaste staalsoorten, enz. In de totale staalproductie neemt het constructiestaal verreweg de grootste plaats in, het is niet- of zwak gelegeerd; daarop volgt het machinestaal, doorgaans gelegeerd en altijd in veredelde toestand gebruikt; het resterende deel omvat gereedschapsstaal, roestvast staal en staal voor bijzondere doeleinden; deze soorten zijn vrijwel altijd gelegeerd en dienen een passende warmtebehandeling te ondergaan.

De redenen om staal te legeren zijn:

a. legeringselementen verlagen de kritische afkoelsnelheid, zodat ook grote stukken gehard kunnen worden;

b. er wordt een combinatie van hoge sterkte en grote taaiheid bereikt;

c. slechts door legeren kan corrosievast, hittevast of warmsterk staal worden gemaakt. Drager van de corrosievastheid is vooral het element chroom; hittevastheid of weerstand tegen oxidatie bij hoge temperatuur wordt bereikt met Cr, Al en Si, eventueel gecombineerd met Ni of Co; warme sterkte wordt door vele elementen verbeterd, waarbij Cr, W, Mo, Ni en V op de eerste plaats staan;

d. bijzondere fysische eigenschappen, zoals magnetisch gedrag, uitzettingscoŽfficiŽnt, elektrische weerstand e.d. kunnen door legeren worden gewijzigd.

Ook door warmtebehandeling kan men de eigenschappen van staal verregaand wijzigen. Naast zachtgloeien, harden, ontlaten en veredelen zijn de isotherme behandelingen en de precipitatieharding van belang geworden. Ook zijn vele extra sterke roestvaste staalsoorten ontwikkeld, die wel worden aangeduid als supersteels. Zij hebben een hoge sterkte, door precipitatieharding verkregen, gecombineerd met bestandheid tegen chemicaliŽn en tegen oxidatie bij hoge temperatuur, en bezitten voorts grote taaiheid en sterkte bij hoge temperatuur.

2. De staalbereiding

De staalbereiding is pas in de laatste helft van de 19de eeuw op grote schaal begonnen, uitgaande van gesmolten ruwijzer en schroot. Voordien vond sedert prehistorische tijden de bereiding plaats door reductie van ijzererts met houtskool zonder smelting; uit dit sinterproduct werd door smeden en opkolen staal verkregen. Pas in de middeleeuwen gelukte het in Europa om uit erts vloeibaar ruwijzer te maken dat voor een gedeelte als gietijzer in zandvormen werd gegoten en voor het overige deel in vaste toestand werd gefrist (in een oxiderend houtskoolvuur ontdaan van koolstof) tot staal.

Toen de bossen door houtskoolwinning uitgeput raakten en men op steenkool moest overgaan, ontstond het probleem van de opname van zwavel, waardoor het staal onsmeedbaar (roodbros) wordt. Het puddelproces van Henry Cort (1784) onderving dit nadeel; het ijzer kwam niet met de brandstof, maar slechts met de verbrandingsgassen in aanraking, doordat het als een klomp ruwijzer in een kleine oven in een oxiderende vlam werd gewenteld, zodat de in het ijzer aanwezige koolstof verbrandde. De deegachtige metaalklomp werd daarna door gegroefde walsen tot staven uitgerold; het verkregen zachte staal werd puddelstaal of welstaal genoemd.

Een zuiverder soort staal bereidde de Engelse horloge- en instrumentmaker Huntsman te Sheffield in 1740. Hij smolt stukjes ijzer met houtskool in kleine kleikroezen; kernpunten van zijn vinding zijn een oven met natuurlijke trek waarin een voldoend hoge temperatuur ontstaat, en het langdurig gesmolten houden van het staal. In Europa betekende het kroezenstaal van Huntsman (dat trouwens in de verre oudheid in India en PerziŽ al werd vervaardigd) een belangrijke vinding, want het muntte uit door zijn zeer goede kwaliteit, die alles overtrof wat tot dat ogenblik bekend was; het bezorgde aan Sheffield een wereldfaam. Het proces leende zich echter uitsluitend voor soorten met een hoog koolstofgehalte of voor gelegeerd staal en niet voor massafabricage. Tot aan 1900 is al het gelegeerde staal als kroezenstaal gemaakt en in Sheffield is nog een complete kroezensmelterij als museum behouden gebleven.

Het klassieke convertorproces is eigenlijk een vinding van de Amerikaan William Kelly (1851), die zag dat blaaslucht voldoende was om de koolstof uit het ruwijzer te verwijderen en dat de koolstof zelf als brandstof optrad. Hij ging echter failliet en het patent werd overgedragen aan de Engelsman Sir Henry Bessemer in 1853. Het peervormig vat waarin het convertorproces plaatsvindt, kreeg de naam convertor of bessemerpeer. Het was niet mogelijk de verontreinigingen van fosfor en zwavel te verwijderen, zodat zeer zuiver vloeibaar ruwijzer nodig was, daar anders een inferieure kwaliteit staal ontstond. In 1878 wist de Engelsman Sidney Gilchrist Thomas aan dit bezwaar tegemoet te komen door een ovenbekleding te gebruiken met vuurvaste stenen die kalksteen bevatten, dat de fosfor bond en daarmee een basische slak vormde. Thomasstaal is een begrip gebleven (Eng.: basic convertor steel); tot aan de Tweede Wereldoorlog is het in grote hoeveelheden gemaakt, in Duitsland 50% van de totale staalproductie; in BelgiŽ en Luxemburg 90%. Tegenover het voordeel van de snelle en goedkope werkwijze stonden als nadeel enkele minder goede eigenschappen van dit staal door de opname van stikstof tijdens het blazen. Er is veel thomasstaal verwerkt in constructies die nog steeds bestaan en het meest markante voorbeeld is wellicht de toren die Eiffel in 1890 te Parijs geheel uit dit toen nieuwe materiaal bouwde. Thans is het thomasstaal volledig verdrongen door betere processen.

Het martinproces. In 1864 slaagde de Fransman Pierre Emile Martin erin vloeibaar staal te maken door schroot (eventueel met ruwijzer) te smelten in een vlamoven. De ovenconstructie met voorgewarmde lucht en gas als brandstof was ontleend aan een octrooi dat de gebroeders Siemens in 1856 hadden gekregen voor een glasoven. De naam siemens-martinoven (Eng.: open hearth oven) en SM-staal zijn nog steeds in gebruik. Het martinstaal is van zeer goede kwaliteit, het bevat een laag stikstofgehalte en kan zowel uit schroot als uit ruwijzer worden gemaakt, maar de bereidingstijd is vrij lang. Tot 1950 werd 90% van de wereldstaalproductie in de SM-oven gefabriceerd. Door de opkomst van de oxystaalprocessen is het martinproces in onbruik geraakt.

Elektrostaalprocessen. Omstreeks 1900 werd door Hťroult de eerste elektrovlamboogoven gebouwd waarbij de verwarming plaatsvond door de vlamboog tussen de twee elektroden en het bad; als voeding diende gelijkstroom. Na ontwikkeling van de draaistroommachines werd overgegaan op drie elektroden, gevoed met een driefasige wisselstroom; deze constructie wordt nog steeds toegepast. De basische vlamboogoven heeft tot heden grote betekenis behouden, allereerst voor de fabricage van gelegeerd staal, maar ook voor die van ongelegeerd staal. De grootte varieert van 10 tot 300 ton. De fabricage van ongelegeerd staal vindt vooral in de grote ovens plaats, die eventueel 90% schroot kunnen verwerken. Een andere elektrische methode is het inductief smelten. Inductieovens bestaan uit een kroes binnen een spoel waardoor een wisselstroom loopt. De hierdoor opgewekte inductiestromen doen het metaal in de kroes smelten. Inductieovens variŽren van 1 tot 100 ton en dienen vnl. voor kleinere hoeveelheden speciaal staal. Het inductieve smelten kan ook in vacuŁm geschieden, waarbij de invloed van de atmosfeer is uitgeschakeld en het gesmolten staal kan worden ontgast.

Voor staalsoorten waaraan zeer hoge eisen worden gesteld, past men de volgende processen toe: a. elektronenstraalovens, waarbij door elektronenbombardement een elektrode van het eerder gesmolten staal wordt hersmolten; b. elektrovlamboogsmelten in vacuŁm met eveneens een afsmeltende elektrode; c. het elektroslaksmeltproces, waarbij een elektrode onder een slaklaag wordt afgesmolten. In deze drie processen gaat het in feite om het hersmelten van een tevoren volgens het gewone elektroproces gesmolten blok staal dat als elektrode dient.

Oxystaalprocessen of zuurstofblaasprocessen. De wens om snel staal te maken van hoge kwaliteit hield velen bezig en hing samen met de toenemende vraag. Kort voor 1940 werden pogingen ondernomen om met zuivere zuurstof in een convertor ruwijzer tot staal te blazen. De gedachte was niet nieuw, reeds Bessemer had in zijn geschriften op deze mogelijkheid gewezen, maar het wachten was op voldoende goedkope zuurstof. Toch waren er meer moeilijkheden te overwinnen. De zeer hoge temperatuur die ontstaat maakt het blazen door de bodem, zoals dit bij de klassieke convertor gebeurt, onmogelijk. Er werd getracht door een watergekoelde buis (de lans) niet in, maar op het bad te blazen. Een van de eersten die slaagden met proeven op semitechnische schaal was R. Durrer. In Zwitserland bij de Rollsche Eisenwerke in Gerlafingen maakte hij in 1948 met succes staal in een 3-tonsproefconvertor. Bij de ÷sterreichische Stahlwerke te Linz kon op zijn advies in 1949 het eerste staal worden geproduceerd in een 2-tonsconvertor; in 1952 begon productie op grotere schaal in een 5-tons- en in een 10-tonsconvertor. De werkwijze is bekend onder de naam LD-proces (Linz-Donavitz). De eerste installatie buiten Oostenrijk kwam in 1954 gereed en daarna volgde een snelle ontwikkeling over de gehele wereld. In 1958 werd bij Hoogovens de eerste LD-convertor in Nederland in bedrijf gesteld en vond de naam oxystaal ingang. In BelgiŽ werden de eerste LD-convertoren in productie gesteld in 1965 (bij Cockerill). Daarnaast ontstonden enige verwante processen: in Zweden het kaldoproces van Bo Kalling (in samenwerking met Domnarvet Steel), waarbij de convertor snel draait, terwijl de zuurstoflans schuin op het bad gericht staat met het voordeel van een goede fosforraffinage en een grotere vrijheid van staalsamenstelling. Het kaldoproces kan ook worden gecombineerd met het LD-proces, zodat beide processen in dezelfde convertor uitvoerbaar zijn. In Duitsland ontstond het nu vrijwel in onbruik geraakte rotorproces met een horizontaal draaiende oven en een dubbele zuurstoflans die zowel op als in het bad blaast. Van alle zuurstofblaasprocessen zijn de verbeterde LD-processen verre in de meerderheid. Zij hebben een grote ommekeer gebracht in de bestaande situatie, zodat in 1980 reeds meer dan de helft van de wereldstaalproductie als oxystaal werd gemaakt. De reden van deze snelle ontwikkeling is de korte bereidingstijd en de uitstekende kwaliteit van het staal. In de LD-convertor kan 100 ton staal in minder dan ťťn uur worden gemaakt. Convertoren van 300 ton zijn geen uitzondering. Dit is vele malen sneller dan in een SM-oven, die voor de fabricage van 100 ton staal 8 tot 10 uur vergt. De zuurstofblaasprocessen zijn daardoor de belangrijkste productiewijze om zeer snel uit ruwijzer staal te maken, waarbij tot ca. 20% schroot kan worden verwerkt. Voor de rest van het schroot in de wereld wordt nog in enkele gevallen de SM-oven gebruikt, maar veel meer de grote elektrovlamboogovens. Zie voorts hoogoven.

Nieuwe methoden. Intussen zijn nieuwe methoden in ontwikkeling om continu uit ruwijzer staal te maken, bijv. het sproeiproces, waarbij een fijn verstoven ruwijzerstroom wordt gemengd met zuurstof. Deze methode is echter nog in een aanvangsstadium. Daarnaast wordt al vele jaren gewerkt aan de continue reductie van ijzererts, waardoor de hoogoven zou kunnen worden vervangen. Voorlopig is dit nog slechts van geringe betekenis voor de totale productie.

 
   

Nieuwe pagina 1

© copyright WorldwideBase 2005-2009