Ruwijzer en staal
41
k u t fds
o o h oef
Pr
G. Siemens Redactie H. Hebels 2013
14412_BW_TransferE H04.indd 1
27-05-13 16:17
2
Materialenleer
4.1 Inleiding Staal is een flexibel, sterk en herbruikbaar metaal. Je komt het in de meest kunstzinnige toepassingen tegen. De constructie Arcelor Mittal Orbit is bijvoorbeeld gemaakt van 2000 ton staal, waarvan 63 % gerecycleerd staal. Zie figuur 4.1. Maar wat is staal eigenlijk? Hoe wordt het geproduceerd? Wat kun je allemaal met staal? In dit hoofdstuk vind je het antwoord op deze vragen.
Figuur 4.1 Arcelor Mittal Orbit
4.2 Hoogovens Staal is geen natuurlijke grondstof. Het is een legering van koolstof en ijzer. Het ijzer wordt gewonnen uit ijzererts, dat in mijnen wordt gewonnen. Daarna wordt het ijzererts naar een hoogoven getransporteerd. Daarin wordt van het ijzererts eerst ruwijzer gemaakt. Om van ijzererts ruwijzer te maken moet het verschillende stappen doorlopen. IJzererts is een ijzer-zuurstofverbinding. In de hoogoven wordt de zuurstof van het ijzer gescheiden. Zie figuur 4.2.
14412_BW_TransferE H04.indd 2
27-05-13 16:17
4
Ruwijzer en staal
3
Figuur 4.2 Hoogoven
De basisingrediënten voor het maken van ruwijzer zijn ijzererts, kalk en cokes. De cokes dient als brandstof en de kalk wordt toegevoegd om het smeltpunt van het erts te verlagen. Voordat het ijzererts in de hoogoven gaat, wordt het deels verwerkt tot sinters en pellets. Sinters zijn aan elkaar gebakken poreuze ertsdeeltjes van 5 - 40 mm. Pellets zijn knikkers van 10 - 30 mm, die gemaakt zijn in een trommeloven. Ze worden gebakken uit fijngemalen ertspoeder met klei, kalksteen en koolpoeder. De pellets en sinters gaan samen met kalk en cokes in een 80 meter hoge hoogoven. Een doseerinstallatie plaatst ze laag voor laag in de oven. Van onderuit wordt voorverwarmde lucht in de oven geblazen. De cokes verbrandt, waardoor er midden in de oven een temperatuur van 2300 °C ontstaat. Het ijzererts smelt en het ruwijzer komt vrij en zakt naar beneden. De hete verbrandingsgassen stijgen op in de oven. Deze verbrandingsgassen (o.a. CO) zijn onverzadigd en nemen tijdens het opstijgen zuurstof uit het ijzererts op (reduceren). Er blijft dus zuiver ruwijzer over. Als er voldoende ruwijzer in de oven aanwezig is, wordt het om de twee á drie uur afgetapt. Het wordt opgevangen in een zogeheten rijdende menger. Daarin heeft het ruwijzer nog steeds een temperatuur van 1500 °C. De menger transporteert het vloeibare ruwijzer naar de naastgelegen staalfabriek, waar het een verdere bewerking ondergaat. Zie figuur 4.3.
14412_BW_TransferE H04.indd 3
27-05-13 16:17
4
Materialenleer
hoogovengas
pellets ijzererts sinter
kalksteen
steenkool cokesoven
naar de staalfabriek naar ijzergieterij
rijdende menger
cokes
ruw ijzer slak
gietelingen
Figuur 4.3 Van erts tot ruwijzer
In deze industrie worden steeds nieuwe technieken toegepast. Voornamelijk om goedkoper te produceren en het milieu minder te belasten. Zo is er een project waarbij het ijzererts en de kolen zonder voorbewerking rechtstreeks in een nieuw type oven gaan: de zogenaamde Hisarma-technologie. Als dit project slaagt, kan het staalproductieproces tot 20 % minder CO2-uitstoot geven.
4.3 Staalfabricage De eigenschappen van staal zijn sterk afhankelijk van het percentage koolstof. Naarmate het koolstofgehalte toeneemt, zal het staal harder en sterker worden. Staal heeft een koolstofgehalte tot maximaal 1,5 % C. Als het koolstofgehalte hoger is (meestal tussen 2 en 4 %), noem je het gietijzer. 4.3.1 Oxystaalproces
Het oxystaalproces wordt gebruikt om ruwijzer om te zetten in staal. Het ruwijzer wordt vanuit de rijdende menger in een convertor gegoten. In deze convertor wordt het ruwijzer omgezet in staal. Zie figuur 4.4.
14412_BW_TransferE H04.indd 4
27-05-13 16:17
4
Ruwijzer en staal
5
Figuur 4.4 Oxystaalproces
Een lans wordt neergelaten in de convector en blaast met grote kracht zuivere zuurstof in het bad. Door de zuurstof verbranden het overschot aan koolstof en verontreinigingen uit het ruwijzer. Het vloeibare ijzer krijgt een lager koolstofgehalte en wordt staal. Om te voorkomen dat de temperatuur te hoog oploopt, wordt er maximaal 25 % schroot aan het ruwijzer toegevoegd. Deze toevoeging van schroot maakt staal tot een kringloopproduct bij uitstek. Toeslagstoffen zoals aluminium, mangaan, fosfor en titaan bepalen de legering en de kwaliteit van de uiteindelijke staalsoort. Zie figuur 4.5.
De lading van een convertor bestaat voor ten hoogste 25% uit schroot en verder uit vloeibaar ruwijzer
Zuivere zuurstof wordt op het bad geblazen, waarbij het uiteinde van de zuurstoflans op ongeveer 0,75 m boven de oppervlakte van het bad blijft
Het staal wordt na het raffinageproces in een gietpan gegoten; afhankelijk van de gewenste staalsoort worden toeslagstoffen bijgevoegd zoals silicium en aluminium; de slak wordt in een slakkenpan opgevangen
Figuur 4.5 Schema staalfabricage met de oxystaalproces
14412_BW_TransferE H04.indd 5
27-05-13 16:17
6
Materialenleer
4.3.2 Elektrostaalproces
In het elektrostaalproces wordt 100 % geselecteerd schroot omgesmolten tot verschillende hoogwaardige staalsoorten. Dit gebeurt in een zogenaamde vlamboogoven. Het proces is zeer nauwkeurig te regelen en het levert een zeer hoge kwaliteit staal op. Zie figuur 4.6. Bij deze methode van staalbereiding wordt de warmte van buiten ingebracht. Dat gebeurt door een vlamboog te trekken tussen koolstaven en de oveninhoud. De hitte van deze vlamboog smelt en reduceert de oveninhoud.
Schroot laden
Slak aftap
Smelten
Legeren
Uitgieten
Figuur 4.6 Het elektrostaalproces
4.4 Staalverwerking De oxyconvertor of de vlamboogoven worden geleegd in een vuurvaste pan voor verdere verwerking. In de pan ondergaat het staal een aantal nabewerkingen. Daardoor verbetert de kwaliteit van het staal en wordt het aangepast aan de wensen van de klant. Het staal wordt daarna op twee manieren verder bewerkt: door het traditionele continugieten of door een nieuwe techniek in de Direct Sheet Plant. 4.4.1 Continugieten
Bij continugieten wordt de pan met vloeibaar staal geleegd in de verdeelbak van de continugietinstallatie. De verdeelbak zorgt ervoor dat er steeds voldoende staal aanwezig is, waardoor er een eindeloze streng staal kan worden gegoten.
14412_BW_TransferE H04.indd 6
27-05-13 16:17
4
7
Ruwijzer en staal
Het vloeibare staal stroomt in een gietvorm, waardoor er een streng ontstaat van 225 mm dikte en 1.5 m breedte. Na de stolling wordt de streng door automatische snijbranders in stukken van ongeveer 12 meter lengte verdeeld. Zie figuur 4.7. Vervolgens gaan deze plakken staal naar de walserij. opvangbak
gesmolten staal
gasdichte buizen waterkoeling
steunrollen snijbrander
rollen om uit te richten gebogen koelruimte
Figuur 4.7 Continugietmachine
4.4.2
Direct Sheet Plant
Een deel van het vloeibare staal gaat naar een moderne gietwalsinstallatie: de Direct Sheet Plant. In deze fabriek zijn de processen van gieten en walsen samengevoegd tot ĂŠĂŠn procesgang. Dat levert tijdsbesparing en energiebesparing op. Zie figuur 4.8. eindkoeling (10 m) tussenkoeling continugietmachine
vliegende schaar haspelcarousel fijnwalsstraat tunneloven (310 m)
voorwalsen
Figuur 4.8 Direct Sheet Plant
Het vloeibare staal wordt geleegd in de verdeelbak en stroomt in een gietvorm met een dikte van 70 mm. Vanuit de gietvorm wordt de eindeloze streng door watergekoelde rollen geleid. Vervolgens gaat de gestolde streng door een lange oven en wordt het op walstemperatuur gebracht. Direct na de oven staat de walssectie met twee voorwalsen en vijf eindwalsen. Deze walsen het materiaal uit tot een dikte van 1 mm. Vervolgens wordt de band op een haspel gerold en knipt een vliegende schaar de band af terwijl het walsproces doorgaat. Dat gebeurt elke 90 seconden.
14412_BW_TransferE H04.indd 7
27-05-13 16:17
8
Materialenleer
4.5 Walserij In de walserij worden verschillende processen toegepast om plakken staal uit de continugietinstallatie tot eindproducten te verwerken: –– dikke plaat walsen; –– warmbandwalsen; –– koudbandwalsen; –– geprofileerd walsen. 4.5.1 Dikkeplaatwalserij
In de dikkeplaatwalserij worden de plakken staal uitgewalst tot platen van 5 tot 200 mm dikte. Zie figuur 4.9.
Figuur 4.9 Dikke plaat
De platen kunnen daarna nog speciale bewerkingen ondergaan, zoals warmtebehandelingen, oppervlaktebehandelingen (staalstralen en verven) en het aanbrengen van oppervlaktestructuren (tranenplaten, ruitenplaten). 4.5.2 Warmbandwalserij
In de warmbandwalserij wordt een dikke stalen plaat twee tot vier uur in een oven verwarmd tot ongeveer 1250 °C. Daarna wordt de stalen plaat met een dikte van 225 mm door vijf voorwalsen vervormd tot een dikte van 35 mm. Vervolgens gaat de plaat door zeven eindwalsen die de dikte terug kunnen brengen tot 1,5 mm.
14412_BW_TransferE H04.indd 8
27-05-13 16:17
4
Ruwijzer en staal
9
Een aantal walsrollen achter elkaar wordt een frame genoemd. Met een frame wordt in ĂŠĂŠn beweging een plak staal van dik naar dun en op een bepaalde breedte gewalst. Een aantal frames na elkaar noem je een walsstraat. Aan het einde van de walsstraat wordt het staal opgerold met een snelheid van 72 km/uur. Zie figuur 4.10.
Figuur 4.10 Walsstraat
4.5.3 Koudbandwalserij
In de koudbandwalserij wordt het warmgewalste staal verder uitgewalst. Bijvoorbeeld tot platen of rollen flinterdun verpakkingsstaal met een dikte van 0,12 tot 0,49 millimeter. Door het koudwalsen ontstaan er veranderingen in de structuur, de hardheid en de oppervlakte van het staal. Het staal kan ook voorzien worden van een beschermende laag van tin (blik), chroom, lak of zink. Zie figuur 4.11.
Figuur 4.11 Koudgewalste bandstaal
14412_BW_TransferE H04.indd 9
27-05-13 16:17
10
Materialenleer
4.5.4
Geprofileerde walserijproductie
In de techniek worden veel verschillende soorten staalprofielen gebruikt. We maken onderscheid tussen warmgevormde- en koudgevormde profielen. Warmgevormde profielen
De plakken staal uit de continugietmachine kunnen worden uitgewalst tot profielstaal. Zie figuur 4.12.
a profielstaal
b walswerktuig
Figuur 4.12 Walsen van plakken staal tot profielstaal
De profielwalsen kunnen I-, U- of H-balken en rond, vierkant of zeskantig staal maken. Ook hoekstaal en T-staal worden op deze manier gemaakt. Koudgevormde profielen
Door dunne plaat met profielwalsen in het gewenste model te buigen, ontstaan koudgevormde profielen. Het uiteindelijke profiel komt na een aantal buigbewerkingen tot stand. Zie figuur 4.13. 1
1
2
3
4
2
3
4
5
6
56
Figuur 4.13 Profielwalsen van een koudgewalst profiel
14412_BW_TransferE H04.indd 10
27-05-13 16:17
4
Ruwijzer en staal
11
Bij deze productiemethode is de maatnauwkeurigheid groot en blijft de oppervlakte glad. Het is mogelijk om gecompliceerde profielen te maken. Bovendien kunnen geverfde plaat of band en met kunststof behandelde materialen ook koudgevormd worden. Daardoor krijgen gesloten profielen een beschermlaag aan de binnenzijde. Dit bespaart productiekosten. In figuur 4.14 zie je welke producten of halffabricaten bij de hoogovens in IJmuiden gemaakt worden. dikke plaat walserij
dikke en middeldikke plaat
staalplakken
door staalstralen gereinigde plaat, geverfde plaat, ruitjes-, tranen- en nopjesplaat en gelaste buis
bandstaal
bandstaal koudband walserij
dunne plaat
schepen opslagtanks bruggen gasflessen etc. .. carrosserieen vaten bussen
dunne plaat warmband walserij
toepassingen
gelaste buizen geprofileerde pijpen koudgevormde profielen
bouwnijverheid machines meubilair vangrails etc.
gegolfde en geprofileerde plaat
bouwnijverheid meubilair etc.
verzinkte, voorgeverfde en geplastificeerde plaat
meubilair huishoudelijke apparaten bouwnijverheid
vertinde staalplaat
blikjes busjes kroonkurken speelgoed etc.
Figuur 4.14 De verwerking van staalplakken
4.6 Kernpunten Staal is een legering van koolstof en ijzer, met een koolstofgehalte tot 1,5 % C. IJzer is het basismateriaal. Het wordt gewonnen uit ijzererts. De basisingrediënten voor het maken van ruwijzer zijn: –– ijzererts; –– kalk; –– cokes. Voor het omzetten van ruwijzer in staal gebruiken we: –– het oxystaalproces; –– het elektrostaalproces.
14412_BW_TransferE H04.indd 11
27-05-13 16:17
12
Materialenleer
Er zijn twee mogelijkheden om staal daarna verder te verwerken: –– continugieten; –– gieten en walsen in de Direct Sheet Plant. Bij het continugieten wordt de streng na de stolling door automatische snijbranders in stukken van ongeveer 12 meter lengte verdeeld. Deze stukken gaan vervolgens naar de walserij. In de Direct Sheet Plant gaat de gestolde streng door een lange oven en door een walsstraat. Vervolgens wordt de band op een haspel gerold en knipt een vliegende schaar de band af. In de walserij wordt het staal door verschillende processen verwerkt tot eindproducten: –– dikke plaat walsen; –– warmbandwalsen; –– koudbandwalsen; –– geprofileerd walsen.
Verantwoording Wij danken de volgende bedrijven, instanties en personen voor het beschikbaar stellen van illustraties: Cmglee figuur 4.1 Istockphoto figuur 4.12 Dhr. J. Schoen figuur 4.2 Shutterstock figuur 4.9; 4.10; 4.11 Stichting Industrieel Erfgoed Hoogoven, IJmuiden figuur 4.4
14412_BW_TransferE H04.indd 12
27-05-13 16:17