Staal (productie van staal)

Staal is ijzer waarbij de meeste onzuiverheden zijn verwijderd. Staal heeft ook een vaste concentratie van koolstof(0.5 percent tot 1.5 percent). Onzuiverheden zoals fosfor, zwavel en silica verzwakken staal enorm, dus deze moeten geëlimineerd worden. Het voordeel van staal ten opzichte van ijzer is dat het vele malen sterker is.

Open hart smeltmethode

De “open hart smeltoven” is een manier om staal te maken uit “ruw ijzer”( een soort vloeibaar ijzer dat 4 tot 5% koolstof bevat en zeer hard maar toch broos is). Kalksteen wordt samen met dit ruw ijzer en ijzererts in de smeltoven gestoken. Deze wordt dan verhit tot 871°C. De kalksteen en het erts vormen een “slag” die aan de oppervlakte blijft drijven. Onzuiverheden zoals koolstof worden geoxideerd en verdwijnen uit het ijzer en komen in de slag terecht. Wanneer de hoeveelheid koolstof juist is, is er nu koolstofstaal gevormd.

Bessemerproces

Een andere manier om staal te maken uit ruw ijzer is het Bessemer proces. Bessemerproces [door de Heer Henry Bessemer], industrieel proces voor de vervaardiging van staal van gesmolten ruwijzer. Het principe in kwestie is dat van oxidatie van de onzuiverheden in het ijzer door de zuurstof van lucht die door het gesmolten ijzer wordt geblazen; de hitte van oxidatie heft de temperatuur van de massa op en houdt het tijdens verrichting gesmolten. Het proces wordt gedragen in een grote container genoemd de convertor van Bessemer, die van staal wordt gemaakt en een voering van kiezelzuur en klei of van dolomiet heeft.

De capaciteit is van 8 tot 30 ton gesmolten ijzer; de gebruikelijke last is 15 of 18 ton. De convertor wordt ei-gevormd. Op zijn smal hoger eind heeft het het openen waardoor het te behandelen ijzer wordt geïntroduceerd en het afgewerkte product wordt uitgegoten. Het brede eind, of de bodem, hebben een aantal perforaties (tuyères) waardoor de lucht omhoog wordt gedwongen in de convertor tijdens verrichting. De container wordt geplaatst op spillen (tappen) zodat het bij een hoek kan worden overgeheld om de last te ontvangen, rechtop tijdens de "slag," draaide en voor het gieten van het gesmolten staal neigde nadat de verrichting volledig is. Aangezien de lucht omhoog door het gesmolten ruwijzer overgaat, verenigen de onzuiverheden zich zoals silicium, mangaan, en koolstof met de zuurstof in de lucht om oxyden te vormen; de koolmonoxide brand weg met een blauwe vlam en de andere onzuiverheden vormen slakken.

Het dolomiet wordt gebruikt als convertorvoering wanneer de fosforinhoud hoog is; het proces wordt dan basisbessemer genoemd. De kiezelzuur en kleivoering wordt gebruikt in de zure Bessemer, waarin het fosfor niet wordt verwijderd. Om de noodzakelijke elementen te verschaffen om het staal de gewenste eigenschappen te geven, wordt een andere substantie (vaak spiegelijzer, een ijzer-koolstof-mangaan legering) gewoonlijk toegevoegd aan het gesmolten metaal nadat de oxidatie wordt voltooid. De convertor wordt dan leeggemaakt in gietlepels waarvan het staal in vormen wordt gegoten; de slakken worden achter gelaten. Het gehele proces wordt voltooid binnen 15 tot 20 min. Het Bessemerproces werd vervangen door het open-hart proces.

Basic oxygen furnace

De meeste moderne staalfabrieken gebruiken nu een techniek die “Basic oxygen furnace”(BOF) wordt genoemd. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een peervormige oven, die met vuurvaste bakstenen wordt gevoerd, die gesmolten ijzer van de hoogoven en schroot in staal raffineert.

Tot 30% van de last in BOF kan schroot zijn, de rest is heet metaal. BOFs, die een hitte van staal in minder dan 45 minuten kunnen raffineren, verving open-hart ovens in de jaren '50; de laatstgenoemden vereisten vijf tot zes uren om het metaal te verwerken. De verrichting, de lagere kosten, en het gebruiksgemak hebben ervoor gezorgd dat de BOF de voorkeur kreeg op vorige methodes. Het schroot wordt gedumpt in het ovenschip, gevolgd door het hete metaal van de hoogoven. Een lans wordt van bovenaf toegevoegd, door welke een hoge drukstroom van zuurstof stroomt om chemische reacties te veroorzaken die onzuiverheden als dampen en slakken scheiden. Zodra geraffineerd, worden het vloeibare staal en de slakken in afzonderlijke containers gegoten.

Een verscheidenheid van metalen zou met het staal op dit punt kunnen worden gelegeerd om verschillende eigenschappen tot stand te brengen. Bijvoorbeeld, de toevoeging van 10 tot 30 percent chroom creëert roestvrij staal, dat tegen roest zeer bestand is. De toevoeging van chroom en molybdeen leidt tot chroom-moly staal, dat sterk en licht is.

Electric arc steelmaking

De laatste techniek is electric arc steelmaking.
De productie cyclus van de electric arc wordt tap-to-tap cyclus genoemd en bestaat uit volgende onderdelen:

• Het vullen van de oven
• Het smelten
• Het raffineren
• Het ont-slaggen
• Het onttrekken
• De smeltoven turn-around

Moderne industrieën richten op een tap-to-tap tijd van minder dan 60 minuten. Sommige ovens halen een tap-to-tap tijd van 30 à 45 minuten. © 2007 - 2009 Steff148, gepubliceerd in Techniek (Wetenschap) op 17-10-2007, laatst gewijzigd op 17-10-2007. Het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van Steff148 is vermenigvuldiging van dit artikel verboden. Meer...

Verwante artikelen

• De evolutie van ijzer en staal: Ijzer en staal zijn twee van de oudste metalen die de mens kent. In de moderne wereld zijn deze metalen onmisbaar geworden. Bijna 200 jaar lang vormen ze de ruggengraat van de…
• Kostprijsberekening: Altijd al eens willen weten hoe de kostprijs van een product berekend wordt, of de kostprijs van een product zelf willen berekenen? Het antwoord op deze vragen vindt u in dit artikel.
• Metabolisme en voeding: ijzer: Ijzer speelt een belangrijke rol bij organismen, zo heeft het eiwit hemoglobine ijzer nodig en zijn er verschillende enzymen die hun werking ontlenen aan ijzermoleculen. Mensen…
• Tosti met chocolade, peer en amandelen: Weer eens wat anders: een tosti. De kinderen zullen het heerlijk vinden, en deze tosti is een stuk gezonder dan de standaard tosti met volvette kaas.
• Bloedziekten: Anemie door ijzertekort: Anemie door ijzertekort is de meest voorkomende vorm van anemie (een tekort aan het zuurstoftransporterende pigment hemoglobine in rode bloedlichaampjes). Ijzer is een…