Staal

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.

Staalbereiding

IJzer wordt al meer dan 4000 jaar gebruikt voor diverse doeleinden. Het werd alleen gegoten, want het was vrijwel onbewerkbaar door het hoge gehalte aan koolstof. Pas de laatste 150 jaar gebruikt men de term "staal" als dusdanig. Door de productieprocessen steeds te verbeteren, raakte men in staat om het ijzer zodanig uit te zuiveren tot een lager koolstofgehalte (C < 2%) dat het ductiel genoeg was om te kunnen bewerken (bijvoorbeeld: walsen).

Het hoofdbestanddeel van staal, ijzer, wordt gewonnen uit ijzererts. IJzererts is een natuurlijke verbinding tussen ijzer en zuurstof. Om de zuurstof te onttrekken uit het ijzererts wordt het ijzererts gesmolten en worden er stoffen toegevoegd die zich makkelijk aan de zuurstof binden, hier wordt meestal koolstof voor gebruikt. Dit gebeurt in zogenaamde hoogovens.

Processtappen

Zie ook: geintegreerd staalbedrijf voor meer details.

Hoogovens

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

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 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.

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.

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.

Continu-gietproces

Hierbij wordt het staal rechtstreeks vanuit de oven in een gekoelde gietvorm 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 en zakt het door het gewicht vanzelf uit de gietvorm. Onder de gietvorm wordt het staal door een walsinstallatie geleid om de gewenste afmetingen te krijgen. Als het staal volledig is afgekoeld, wordt het op maat gebrand of geknipt.

Het continu-gietproces slaat dus de stap met de ingots over en is hierdoor economisch veel aantrekkelijker.

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.

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

Soorten staal

Phase diag Fe C.PNG ijzer-koolstof]] 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.

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 strekte 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.

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 gebruik gemaakt 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.

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.

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.

"Ledikantenijzer" is de alternatieve term om gooi-en-smijtkwaliteit in staal aan te duiden.

Externe link

CIMsteel Integration Standards (CIS/2)

Legering | Bouwmateriaal

Gourt Home::Gourt :: Staal