Puddle staal, het staal van de Eiffeltoren

De Eiffeltoren, gebouwd in 1888-1889, is meer dan een staalconstructie, het staat voor het staaltijdperk, het begin van grote veranderingen, de overgang van ambachtelijke bedrijven naar fabrieken, van laagbouw naar hoogbouw. Een team van 25 schilders is in dienst voor het onderhoud van de toren om het roesten tegen te gaan. Het schilderen van de toren duurt circa 7 jaar en daarna begint men opnieuw. Met een hoogte van 325 meter was de toren 's werelds hoogste bouwwerk tot 1930.

Aanduiding van ijzer- en staalkwaliteit in de periode 1860 en 1914

In de periode 1860-1914 waren er geen normen waarin eigenschappen en namen van ijzer en staal voor staalconstructies eenduidig vastgelegd waren. Het was het experimentele tijdperk van de alsmaar grotere staalconstructies zoals bruggen en gebouwen, met de Eiffeltoren als pronkstuk. In die periode is er onduidelijkheid over de gebruikte ijzer- en staalkwaliteiten, wat niet zelden leidde tot mislukkingen.

Wie kent het verschil tussen de laat in de 19de en vroeg in de 20ste eeuw toegepaste constructiestalen als bijvoorbeeld: puddelijzer, puddelstaal, frisijzer, smeedijzer, vloeiijzer, vloeistaal, welijzer, welstaal, smeedstaal, walsstaal, Kruppstaal, gietijzer, gietstaal, smeedbaar gietijzer, wit gietijzer, grijs gietijzer, weekijzer, Loydsstaal, Thomasstaal, Bessemerstaal en Martinstaal.

De ontwikkeling van het produceren van ijzer en staal

• 1709 Uitvinding hoogoven met cokes toeslag in plaats van houtskool (A Darby).
• 1782 Uitvinding halfautomatische smeedhamer met stoomaandrijving.
• 1783 Uitvinding puddeloven met droog puddelproces (H Cort).
• 1839 Uitvinding nat puddelproces (J Hall).
• 1855 Uitvinding Bessemerproces met zure bekleding (H Bessemer).
• 1857 Uitvinding Danksoven.
• 1863 Uitvinding Siemens-Martin proces met zure bekleding.
• 1877 Uitvinding Thomas procedé met basische bekleding.
• 1879 Uitvinding Siemens Martin proces met basische bekleding.
• 1881 Uitvinding electrische booglas
• 1891 Patent Thomas-convertor vervallen, waardoor snelle verspreiding van Thomasstaal.
• 1900 Uitvinding elektrische-oven-procedé (P.L.T. Heroult).
• Circa 1900 productie-einde van puddelstaal.

De jaartallen waarin de uitvindingen geregistreerd zijn, zijn niet de overgangsjaren van het oude naar het nieuwe staalbereidingsproces, het duurt jaren voordat het nieuwe proces zich in de praktijk als een verbetering heeft bewezen, de patentzaken zijn afgerond en alle fabrikanten op de nieuwe bereidingswijze zijn overgegaan. Bovendien vraagt het grote investeringen.

Puddelijzer

In 1784 werd de puddeloven uitgevonden door Henry Cort. Het is een vlamoven. De vlam strijkt over het ruwijzer uit de hoogovens, dat daardoor ontkoold wordt en de verontreinigingen worden verbrand door een luchtstroom. Er ontstaat een hete deeg, een sponsachtige vaste massa, die voor circa 90% uit ijzer bestaat; de rest zijn verontreinigingen. Het "gezuiverde" ijzer wordt verzameld in bollen die zolang gesmeed worden, dat de achtergebleven verontreinigingen en slak insluitsels zoveel mogelijk worden uitgedreven. Resultaat is ijzer met laag koolstofgehalte en een kleine restant aan slak, waardoor dit z.g.n. smeedijzer zeer goed smeedbaar is, beter dan het huidige (wals)staal. Oorspronkelijk werd houtskool gebruikt, cokes blijkt een goed alternatief voor het schaars wordende houtskool. Het puddelproces is tot circa 1900 toegepast. Een opvallende eigenschap van de puddle oven is dat de cokes niet in contact komt met het staal/ijzer, er wordt dus geen koolstof direct overgenomen van de cokes. Bovendien smelt het puddle ijzer niet en neemt daardoor ook moelijker koolstof op van de langsstromende verhittingsgas CO.

Productie puddeloven

Door de puddeloven is het dus mogelijk ruwijzer om te zetten in smeedijzer, zonder het ruwijzer in vloeibare toestand te brengen. Door ruwijzer in de puddeloven geheel te ontkolen ontstaat puddelijzer, ook welijzer genoemd omdat twee stukken puddelijzer goed door wellen samen te smeden zijn. Goed te smeden en goed samen te wellen, het ideale staal voor de vroegere dorpsmid

Bij minder vergaande ontkoling kreeg men door het hogere koolstofgehalte hardbare soorten die puddelstaal of welstaal werden genoemd. Het puddelijzer is gebruikt voor de bouw van de Eiffeltoren in Parijs en voor het Vrijheidsbeeld in de VS. Er zijn in puddle ijzer/staal door Ir Eiffel meerdere bruggen gebouwdPuddelijzer is het ouderwetse smeedijzer.

Dat het puddelijzer betreft wordt duidelijk bij de roestvorming. Bij modern staal vreet het roest in het oppervlak, bij puddelijzer en puddelstaal laat de roest los, het ijzer gaat als het ware delamineren.

Schema van een puddeloven

Een puddeloven is een vlamoven waarmee smeedijzer of smeedstaal uit ruwijzer uit de hoogoven wordt bereid. Het proces heet: puddelen en het product heet puddelijzer, of puddle staal afhankelijk van het koolstof gehalte in het metaal. In deze oven wordt het ruwijzer door een op het oppervlak gerichte vlam zodanig verhit dat het ijzer, zonder te smelten, een deeg-achtige massa wordt. Het inr de oven deegachtige massa wordt van verontreinigingen ontdaan door smeden. Later werd schroot toegevoegd en nog later "ijzersnippers". Waardoor het procedé intensiever en sneller verloopt. De bereiding van puddelstaal, dat een lager koolstofgehalte heeft dan ijzer, vindt sinds 1850 op industriële schaal plaats tot circa 1900 en is daarna vervangen door een ander procedé zoals de Siemen Martinoven, die in 1879 werd gepatenteerd. De Titanic (circa 1912) is vervaardigd van Siemens-Martin staal. De Eiffeltoren circa 25 jaar eerder is nog puddle staal.

Puddle staal, het staal van de Eiffeltoren

Gepuddeld ijzer, een negentiende-eeuws smeedijzer, een betrekkelijk zuivere vorm van ijzer met zeer laag koolstofgehalte dat gemakkelijk gesmeed kan worden en niet snel hard wordt. Smeedijzer is ijzer met laag koolstof gehalte (week) en een restant slakinsluitsels, waardoor het beter smeedbaar is dan het moderne (wals)staal.

Vergelijking oorspronkelijke smeedstaal met moderne walsstaal

Oorspronkelijke smeedijzer en moderne ijzer/staal onderscheiden zich door de productiemethode. Staal en ijzer worden in vloeibare toestand gevormd, maar smeedijzer in deeg-achtige vorm bereid door smeden. De herkomst van het woord smeden in smeedijzer/staal wijst niet op het smeden door de smid, ofschoon dat ook prima gaat, maar op staal dat door middel van smeden vervaardigd is.

Originele smeedijzer heeft een “gelaagde vezelige” structuur door slak insluitingen (ijzersilicaten). Het negentiende-eeuwse smeedijzer had een koolstofpercentage tussen de 0,02% en 0,07%. Staal met minder dan 0,1% koolstof noemt men zachtstaal en met minder dan 0,02% weekijzer. Verschil wordt zichtbaar wanneer deze materialen roesten. Bij het echte smeedijzer wordt een onregelmatig, gelaagde delaminerende roeststructuur zichtbaar (veroorzaakt door de slakinsluitsels), bij het hedendaagse gewast staal is de roeststructuur gladder (compacter) en regelmatiger.

Het echte smeedijzer wordt niet meer gemaakt. Producten die nog wel als smeedijzer worden verkocht, bijvoorbeeld z.g.n. smeedijzeren hekken, is in werkelijkheid laaggekoold walsstaal. De smid werkt heden met gewalst staal dat minder makkelijk te smeden is dan het oude smeedijzer. Door het hogere koolstofgehalte is het harder en laat het zich moeilijker wellen. Staal met laag koolstofgehalte (weekijzer) komt qua verwerkbaarheid dicht bij het oude smeedijzer (ofwel het puddle staal).

Lees verder

• Het staal van de onzinkbare Titanic
• Staal in de operatiekamer
• Damast, het staal van de Indische kris