Auteur: Ing. G. van Wijngaarden (MCB)

Metaal door de millenia heen

Het gebruik van metalen door de mensheid gaat terug tot in de verre oudheid. Aanvankelijk werd met name brons toegepast gedurende het zogenaamde Bronzen Tijdperk. Door uitputting van de beschikbare voorraden brons was men gedwongen over te schakelen op ijzer. Het gebruik van ijzer was, zoals onder andere bleek uit de vondsten in het graf van Toetanchamon, al rond 1350 v. Chr. bij de Egyptenaren bekend. De techniek voor het vervaardigen van ijzeren gebruiksvoorwerpen werd in Europa geïmporteerd vanuit het Midden Oosten. In Centraal en West Europa kwam rond 800 v. Chr. het gebruik van ijzer op gang. Vanaf het tijdperk van kleinschalige, ambachtelijke productie tot de tegenwoordige vorm van massaproductie heeft het gebruik en de productie van ijzer en staal een gecompliceerde ontwikkeling doorgemaakt. Deze ontwikkeling wordt gekenmerkt door de ontwikkeling van nieuwe staalkwaliteiten en diverse innovaties in het productieproces.

In de beginperiode van het IJzeren Tijdperk werd ijzer geproduceerd door het ijzererts in open ovens te verhitten. Hierdoor ontstond een sponsachtige vaste massa, die voor circa 90% uit ijzer bestond; de rest waren verontreinigingen (slak). Het materiaal kreeg de gewenste eigenschappen door het te verhitten en in deze warme toestand met hamers te bewerken, een bewerking die we nu smeden noemen. Door de hoge temperatuur en het hameren werd de bij die hoge temperatuur vloeibare slak uitgedreven, waardoor een relatief zuiver ijzer ontstond. Rond het jaar 0 had de ijzerproductie al een grote vlucht genomen. Zo werd door de Romeinen in Zuid-Engeland per jaar zo'n 750 ton ijzer geproduceerd dat onder andere door de Romeinse Marine voor nagels en gereedschappen werd gebruikt. Toch konden wapens en werktuigen vervaardigd uit ijzer qua sterkte en behoud van snijkant niet tippen aan dezelfde producten uit brons. De ontdekking dat de eigenschappen van ijzer verbeteren door het te verhitten in een koolstofafgevend milieu (bijvoorbeeld een houtskoolvuur) en het voortdurend te smeden, betekende een grote doorbraak voor de toepassing van ijzer. Tijdens het verhitten wordt door het ijzer koolstof opgenomen (carboneren); door het daarop volgende smeden wordt de koolstof in het ijzer verdeeld. De legering van ijzer en koolstof die dan is ontstaan wordt staal genoemd. Het zal geen verwondering wekken dat al snel werd ontdekt dat staal gehard kan worden door het te verhitten en vervolgens snel af te koelen (afschrikken). Dat het principe van harden echter niet geheel begrepen werd, blijkt onder andere uit een oud hardingsvoorschrift. In dit voorschrift wordt aanbevolen zwaarden af te schrikken in het bloed van jonge knapen!

Hulpmiddelen
Uiteraard stond de ontwikkeling niet stil. Waterkracht werd ingezet voor het aandrijven van zowel smeedhamers als blaasbalgen die voor het toevoeren van verbrandingslucht zorgden. Rond 1300 hadden de smeedhamers al een gewicht van 600 tot 1200 kilo! Schaalvergroting en de toepassing van geforceerde luchttoevoer leidden tot een hogere temperatuur in de ovens, waardoor het eindproduct geen sponsachtig vast ijzer mee was, maar vloeibaar ruwijzer. Recente opgravingen hebben uitgewezen dat vloeibaar ijzer voor het eerst werd geproduceerd in Zweden ergens tussen 1150 en 1350. In deze periode stokte helaas de ontwikkeling. Enerzijds werd dit veroorzaakt door eenepidemie van de zwarte pest die rond het jaar 1350 aan circa 25 miljoen Europeanen het leven kostte, anderzijds door de 100-jarige oorlog. De mensheid kwam deze slagen echter te boven en vanaf de eerste helft van de 15e eeuw werd op een groot aantal plaatsen in West-Europa ruwijzer in met houtskool gestookte ovens geproduceert. Deze ovens kunnen als voorlopers van onze hoogovens beschouwd worden. Net als tegenwoordig bevatte het ruwijzer uit de middeleeuwse hoogoven zo'n 2 tot 3% koolstof. Omdat het materiaal in vloeibare vorm beschibaar was, kreeg het de naam "gietijzer". Kanonskogels vormden, voor zover bekend, de eerste toepassing van gietijzer. Gietijzer is weliswaar sterk, maar bros. Gaandeweg leerden de gietmeesters om het gietijzer in te zetten voor eenvoudige huishoudelijke voorwerpen, en slaagden smeden erin het koolstofgehalte te verlagen (ontkolen) door het materiaal meerdere malen te verhitten en te smeden. Door dit ontkolen ontstaat smeedijzer (staal), dat uitermate geschikt is voor het vervaardigen van wapens en gereedschappen.

18e eeuw
Tot ongeveer 1750 was alle ijzerproductie gebaseerd op het gebruik van houtskool als brandstof voor de smeltovens. Het houtskool werd verkregen door hout te verhitten in afwezigheid van lucht. Ontbossing, veroorzaakt door de toenemende productie van ijzer, werd in Europa echter een serieus probleem. Vanuit milieu-overwegingen is er in deze periode gezocht naar een alternatieve brandstof. Steenkool voldeed niet, omdat bij het gebruik van steenkool het ijzer onder andere zwavel opneemt, waardoor eigenschappen nadelig beïnvloed worden. Door steenkool echter onder uitsluiting van lucht te verhitten ontstaat er "cokes", dat evenals houtskool, uit nagenoeg zuiver koolstof bestaat. Cokes bleek daardoor een goed alternatief voor de steeds schaarser wordende houtskool en wordt tegenwoordig nog steeds gebruikt in hoogovens. In 1784 werd door Henry Cort een proces geïntroduceerd waarmee het mogelijk werd grotere hoeveelheden ruwijzer in één keer te ontkolen, het zogenaamde puddel-proces. In de puddeloven wordt het ruwijzer via een overstrijkende vlam omgezet in smeedijzer. In het puddelproces komt het ijzer niet tot smelten, maar ontstaat er een gloeiende deegachtige massa. Door het puddelijzer vervolgens te smeden wordt de slak uitgedreven en ontstaan lange staven "puddelijzer".

Een bewijs voor de goede kwaliteit staal die middels het puddelproces en de daaropvolgende smeedbehandelingen verkregen kon worden, vormt de Eiffeltoren. In deze in 1889 gebouwde toren is circa 7300 ton puddelijzer verwerkt. Puddelijzer werd tot cica 1900 toegepast.

Nieuwe processen
In het midden van de 19e eeuw vonden een aantal ontwikkelingen plaats waardoor de ijzer- en staalindustrie een geweldige stap vooruit maakten. De belangrijkste ontwikkelingen waren:

Introductie van het Bessemer-proces (1855) Henry Bessemer was een technoloog en uitvinder. Zijn bekendste werk is een uitgewerkt proces voor de staalbereiding waarbij het te raffineren ruwijzer vloeibaar is. In het Bessemer-proces wordt het vloeibare ijzer in een stalen vat (de convertor) gebracht, dat aan de binnenkant met een vuurvaste massa is bekleed. De bodem van de convertor is voorzien van openingen waardoor lucht door het ruwijzer wordt geblazen. De zuurstof uit de lucht zorgt voor verbranding van ondere andere de koolstof. Een nadeel van het Bessemer-proces is onder andere dat door het blazen met lucht veel stikstof in het staal wordt opgenomen. Hierdoor wordt het materiaal verouderingsgevoelig en heeft het weinig weerstand tegen brosse breuk bij dalende temperatuur. Verder vereist het Bessemer-proces uit chemisch-technologische redenen een ruwijzer met een laag fosfor- en zwavelgehalte. Het is in het Bessemer proces namelijk niet mogelijk deze elementen te binden. Dit impliceert dat het Bessemer-proces alleen geschikt is voor ruwijzer, afkomstig van fosforarme ijzerertsen. Het ontzwavelen vond in de hoogoven plaats. Fosforarme ertsen waren in Europa echter niet of nauwelijks voorhanden, waardoor het Bessemer-proces nooit tot grote bloei is gekomen. Toch heeft het Bessemer-proces voor een ware revolutie gezorgd in de staalindustrie van die tijd.

Ontwikkeling van het Siemens-Martin-proces (1864)
Door het toepassen van het Bessemer-proces nam de staalproductie dermate toe dat er een ophoping van staalschrot ontstond. Deze ophoping was zo groot dat een verwerkingsmethode werd gezocht. Gewone ovens konden de daarvoor vereiste temperatuur niet bereiken. Vader en zoon Martin slaagden erin een oven van Siemens (bedoeld voor het smelten van glas) geschikt te maken voor het smelten staalschrot. De Siemens-Martin-oven bestaat uit een grote, relatief ondiepe bak waarin zich het gesmolten staal bevindt. Het staal is afgedekt door slak. De raffinage vindt plaats door een vlam die over het bad strijkt en door bad/slak reacties. Een voordeel van dit proces is de mogelijkheid om naast schrot tevens ruwijzer te verwerken. Verder bevatte het Siemens-Martin-staal beduidend minder stikstof en konden tijdens de raffinage zowel zwavel als fosfor verwijderd worden. Een mogelijk nadeel was de lange tijdsduur van het proces. Het Siemens-Martin-proces heeft op den duur andere convertorprocessen verdrongen. Tot ver na de Tweede Wereldoorlog is het Siemens-Martin-proces het belangrijkste raffinageproces geweest voor de vervaardiging van zowel vervormingsstaal, als de meeste kwaliteiten constructie- en machinestaal. De laatste Siemens-Martin oven in Europa stond in het voormalige Oost-Duitsland en is pas in 1994 gesloten.

Invoering van het Thomas-proces (1878)
Zoals gezegd was het nadeel van het Bessemer-proces dat alleen zwavel- en fosforarm ruwijzer verwerkt kon worden. Door een andere vuurvaste bekleding toe te passen lukte het Thomas om ook ruwijzer afkomstig van ertsen met een hoog fosforgehalte te verwerken. Het Thomas-proces is evenals het Bessemer-proces een luchtgeblazen convertorproces. Dit betekende dat ook het Thomas-staal een hoog percentage stikstof bevatte. Het Thomas-proces is tot in de jaren 60 van deze eeuw nog toegepast. Thomas-staal is goedkoper dan Bessemer-staal, enerzijds door de inzet van goedkopere ertsen, anderzijds door de verkoop van de fijngemalen slak als kunstmest, het zogenaamde Thomas-slakkenmeel.

Uit metingen uitgevoerd door de NS aan Siemens-Martin staal, afkomstig van bruggen gebouwd tussen 1900 en 1920, blijkt dat de overgangstemperatuur van bros naar taai gedrag van het staal ongeveer tussen 0°C en 30° C lag. Deze metingen geven duidelijk aan dat het Siemens-Martin-staal zoals dat in de jaren 20 werd geproduceerd bij lage temperaturen zeer gevoelig kon zijn voor brosse breuk. Mogelijk heeft de relatief hoge overgangstemperatuur van het toenmalige Siemens-martin staal een rol gespeeld in de ramp met de Titanic in 1912. Uit onderzoek aan resten van de Titanic blijkt dat dit schip is vervaardigd uit scheepsplaat waarvan het staal hoofdzakelijk afkomstig is uit Siemens-Martin-ovens. Het is mogelijk dat door een ongunstige samenstelling (met name een hoog zuurstof- en zwavelpercentage), gecomineerd met een ongunstige, grove kristalstructuur, het gebruikte materiaal uitermate gevoelig was voor brosse breuk bij lagere temperaturen. Ten tijde van de ramp voer de Titanic in zeer koud zeewater. Het is dus zeker niet ondenkbaar dat één van de oorzaken van de ramp te maken had met een te geringe weerstand tegen brosse breuk van het gebruikte staal.

Voor de verdere verwerking werd het geraffineerde vloeibare staal uitgegoten in "coquilles", het zogenaamde "blokgieten". Coquilles stalen of gietijzeren vormen waarin het materiaal stolt. Tot na de Tweede Wereldoorlog is het blokgieten in gebruik gebleven. Het blokgieten wordt tegenwoordig nog toegepast voor de productie van speciale legeringen en/of kleine hoeveelheden, bijvoorbeeld bij de fabricage van gereedschapstaal. Voor de verdere bewerking van de blokken door middel van smeden of walsen is het noodzakelijk het materiaal op de gewenste verwerkingstemperatuur te brengen. Naast de genoemde ontwikkelingen in de staalindustrie werden er in de tijd van de Industriële Revolutie, uiteraard meer uitvindingen gedaan, die een grote impact op de fabricage van stalen halffabrikaten hadden. Zo werd in 1848 de eerste door een stoommachine aangedreven wals in gebruik genomen. Deze met zowel horizontale als verticale walsrollen uitgeruste wals was in staat vlakke producten met kwalitatief goede zijkanten te walsen. Kort hierna zijn geprofileerde walsrollen voor het walsen van hoekprofielen en profielstaal in gebruik genomen. In 1864 verscheen de eerste drie-rollenwals voor de fabricage van scheepsplaat.

Verbeteringen
Na stormachtige ontwikkelingen in de tweede helft van de 19e eeuw vonden er tot net na de Tweede Wereldoorlog met name ontwikkelingen plaats die te maken hebben met procesverbeteringen; verbeteringen in de kwaliteiten en uiteraard schaalvergroting. De procesverbeteringen hadden met name betrekking op een betere beheersing van de processen, waardoor een constantere kwaliteit geproduceerd kon worden. Tevens werd het in deze periode mogelijk om het warmgewalste staal bij lagere walstemperaturen naar dunnere diktes uit te walsen, het zogenaamde koudwalsen. Ook wordt in deze tijd de elektrische oven geïntroduceerd (Paul Heroult, 1900). Elektrische ovens zijn uitermate geschikt voor de fabricage van kleinere hoeveelheden staal en/of voor speciale legeringen. Gaandeweg nam ook de kennis omtrent de metallurgie toe. Over de invloed van diverse elementen op de eigenschappen van het staal werd meer en meer bekend. De toepassing van deze kennis verbeterde de eigenschappen van de bestaande staalkwaliteiten, bijvoorbeeld de lasbaarheid en weerstand tegen brosse breuk. Bovendien ontstond de mogelijkheid nieuwe kwaliteiten te ontwikkelen, bijvoorbeeld met hogere sterktes of een betere vervormbaarheid. In 1917 werd, overigens bij toeval, zowel in Engeland als in Duitsland het roestvast staal ontdekt. In Engeland werd geëxperimenteerd met een ijzer-chroom legering om de kwaliteit van geweerlopen te verbeteren. Bij toeval werd ontdekt dat een legering met meer dan 11% chroom onder atmosferische omstandigheden niet roest. Tegelijkertijd werd in Duitsland bij Krupp ontdekt dat een legering van ijzer, chroom en nikkel zelfs bestand is tegen zure dampen. Dit materiaal kreeg de naam V2A mee.

Na WO II
Na de Tweede Wereldoorlog deed zich in Oostenrijk de situatie voor dat men slechts beschikte over fosfor-arm ijzererts dat dus niet geschikt was voor het Thomas-proces terwijl men ook niet de beschikking had over voldoende schrot voor het economisch bedrijven van het Siemens-Martin-proces. In 1952 slaagde men er toch in fosfor-arm ruwijzer in een convertor om te zetten tot een goede kwaliteit staal. Dit werd bereikt door met behulp van een watergekoelde lans zuivere zuurstof op het smeltbad te blazen. Dit proces, het zogenaamde oxystaalproces (ook wel het Linz-Donawitz-proces genoemd) wordt, zij het in aangepaste vorm, tegenwoordig op grote schaal toegepast en heeft de andere convertorprocessen en het Siemens-martin proces verdrongen. Een mogelijk nadeel van het oxystaalproces is dat er slechts een geringe hoeveelheid schrot in verwerkt kan worden. Voor de schrotverwerking worden vanaf de invoering van het oxystaalproces elektrische ovens steeds belangrijker. Aan het einde van de jaren zestig wordt het continu-gieten als alternatief voor het tot dan toe gebruikelijke blokgieten geïntroduceerd. Door het continu-gieten neemt de productiviteit van de staalfabriek toe, terwijl de homogeniteit van het eindproduct verbeterd. Het blokgieten wordt nu nog gebruikt voor de productie van kleine hoeveelheden en/of speciale legeringen. De moderne staalindustrie produceert tegenwoordig een enorm scala aan staalkwaliteiten; staalkwaliteiten die voldoen aan de hedendaagse hoge kwaliteitseisen, bijvoorbeeld staalkwaliteiten met uitzonderlijk goede dieptrekeigenschappen, de IF-kwaliteiten, of de constructiestalen die sterkte combineren met een goede lasbaarheid en taaiheid, zoals de veredelde kwaliteiten (bijvoorbeeld N-A-XTRA of XABO) en de thermomechanisch gewalste kwaliteiten (bijvoorbeeld RAEX 420 HSF, S700MC). Verder wordt een keur aan onder andere roestvaste stalen, waarvan momenteel zo'n 200 kwaliteiten bekend zijn, gereedschapstalen, veredelstalen, voorbedekte band en plaat, etc geproduceerd.

De Toekomst
Uiteraard zullen in de toekomst de ontwikkelingen doorgaan. Zowel op het gebied van de staalfabricage als op het gebied van staalkwaliteiten is een aantal in het oogspringende ontwikkelingen gaande. De ontwikkelingen binnen de staalfabricage zullen zich met name richten op het verbeteren van de productiviteit en de verbetering van bestaande producten. Zeker in Europa zullen nieuwe ontwikkelingen er tevens op gericht zijn het milieu steeds meer te ontzien en het verbruik van grondstoffen tot een minimum te beperken. Belangrijke nieuwe ontwikkelingen in de staalfabricage zijn onder andere:

Directe smeltreductie
De directe smeltreductie is een alternatief voor het huidige hoogovenproces. Bij directe smeltreductie wordt uitgegaan van ijzererts en steenkool. De fabricage van pellets uit ijzererst en cokes uit steenkolen komen te vervallen.

Introductie van gietwalsinstallaties
Door een continue gietinstallatie worden plakken staal gegoten met een dikte van circa 70 mm, die direct aansluitend warmgewalst worden tot de gewenste einddikte. De winst zit in de dunnere plakken ten opzichte van het conventionele continugieten (plakdikte circa 250 mm). Een verdere winst wordt geboekt doordat de plakken niet opnieuw verwarmd hoeven te worden. Rond de eeuwwisseling wordt bij Corus een dergelijke installatie in bedrijf genomen. Verwacht wordt dat rond dit tijdstip wereldwijd circa 40 miljoen ton staal op deze wijze gefabriceerd zal worden.

Bandgieten en dunne bandgieten
Zoals de namen al doen vermoeden, wordt bij deze processen bandstaal direct vanuit de vloeibare fase geproduceerd. Bij het bandgieten bedraagt de dikte zo'n 15 tot 20 mm. Deze band kan door een geïntegreerde wals direct tot de gewenste dikte worden uitgewalst. Bij het dunne bandgieten bedraagt de banddikte nog maar zo'n 2 tot 6 mm. Deze band wordt direct opgehaspeld of nog verder uitgewalst. Aardig is het om te vermelden dat reeds in 1891 Henry Bessemer het proces van de fabricage van dunne band door vloeibaar metaal te gieten tussen twee rollen beschreven heeft.

Minimills
Met minimills worden in het algemeen staalfabrieken bedoeld, die gebaseerd zijn op staalproductie met behulp van elektrische ovens (vlamboogovens) en verder de beschikking hebben over zowel een continu-gietinstallatie als een walswerk. De output ligt in de ordegrootte van 0,5 tot 1 miljoen ton staal per jaar. Als grondstof wordt in het algemeen schrot gebruikt, maar ook ruwijzer kan in een vlamboogoven behandeld worden. Door de relatieve kleinschaligheid zijn minimills zeer flexibel in vergelijking met staalfabrieken gebaseerd op hoogovens. Minimills zijn door procesverbeteringen in toenemende mate in staat kwalitatief hoogwaardige producten te leveren. Door de flexibiliteit zullen minimills beter dan de grote staalfabrieken in kunnen spelen op de veranderende vraag vanuit de markt. Verwacht mag dan ook worden dat minimills steeds belangrijker zullen worden bij de materiaalvoorziening.

De ontwikkelingen op het gebied van staalkwaliteiten zullen onder andere bepaald worden door het streven van de automobielindustrie om te komen tot een verdere gewichtsreductie van auto's. De toepassing van staalkwaliteiten met een hoge sterkte, gecombineerd met een goede vervormbaarheid, maakt de gewenste gewichtsbesparing mogelijk. De nieuwste ontwikkelingen op dit gebied zijn de zogenaamde meerfasen-stalen. Bij deze kwaliteiten worden in een zachte ferritische matrix één of meer hardere structuurbestanddelen verdeeld. Op deze wijze worden staalkwaliteiten verkregen die een gunstiger combinatie van sterkte en vervormbaarheid opleveren dan de meer conventionele hoge sterkte staalkwaliteiten. Dit komt bij een hoge sterkte onder andere tot uiting in een hoge verstevigingsexponent (n-waarde). Afhankelijk van het legeringsconcept en de daarbij behorende structuur onderscheidt men:

Dual phase
Een reeds bestaande kwaliteit, die op beperkte schaal geproduceerd wordt. De structuur bestaat uit ferriet met daarin eilandjes martensiet. Het aandeel martensiet bedraagt maximaal 20%. Een toenemend aandeel martensiet betekent een toenemende sterkte en een afnemende vervormbaarheid.

TRIP
Deze afkorting staat voor Transformation Induced Plasticity. De structuur van deze kwaliteiten bestaat uit ferriet, martensiet en meta-stabiele austeniet. Tijdens een vervorming transformeert de metastabiele austeniet naar martensiet, waardoor het begin van insnoeren uitgesteld wordt. Dit resulteert in een verhoging van met name de gelijkmatige rek. De ontwikkeling van dit soort kwaliteiten bevindt zich nog in het beginstadium. Momenteel wordt met deze kwaliteiten een rekgrens van >600 N/mm² bereikt bij een rek >25% en een n-waarde van rond de 0,25.

CP
De structuur van de Complex Phase-stalen bestaat uit een mengsel van zachte en harde bestanddelen met daarin zeer kleine uitscheidingen. Met dit concept kunnen rekgrenzen van boven de 800 N/mm² bereikt worden. Een andere ontwikkeling in hetzelfde sterktebereik zijn de PM-stalen (Partial Martensitic). Deze ferritische stalen bevatten meer dan 20% martensiet in de structuur.

In hoeverre deze ontwikkelingen kunnen voorkomen dat wij ons in de toekomst voortbewegen in bijvoorbeeld aluminium of kunststof auto's laat zich uiteraard niet voorspellen. Toch mag verwacht worden dat de gemeenschappelijke inspanningen van de staalindustrie, zoals reeds verwezenlijkt in het ULSAB project, zal leiden tot een groot scala aan nieuwe, op vele gebieden toepasbare staalkwaliteiten.

Bronnen
1.Höherfeste Stähle - heute und morgen DR.-Ing. E. J. Drewes, Dr.-Ing. B. Engel, DR.-Ing J. Kruse Stahl und Eisen 119 (1999)
2. Eigenschaften und Anwendungenvon höherfesten Mehrphasenstählen DR.-Ing. E. J. Drewes, Dr.-Ing. B. Engel, Dipl.-Ing. G. Stick Stahl und Eisen 117 (1997)
3. Entwicklung, Stand der technik und Zukunftsaspekte der Stahlerzeugung Stahl und Eisen 113 (1993) Ing. H.A. Faure
4. Stahl 200 Dr.-Ing. A. Altgeld, Dr.-Ing. Chr. Schneider Thyssen Technische berichte 1992
5. Stand des Bandgiesens von Stahl Dr.-Ing. R. Steffen, Dr.-Ing. K.H. Tacke Stahl und Eisen 199 (1999)
6. Die Rolle des Kohlenstoffs in der prähistorische Metallurgie Dr. rer. nat. T. Rehren Stahl und Eisen 117 (1997)
7. Das rätsel um die Titanic: Ein Fall von Sprödbruch? Dr. S. Hill Stahl und Eisen 116 91996)
8. Stahl, ein Werkstoff mit Zukunft Dr.-Ing. E. Schulzt Thyssen technische Berichte 1990
9. Slaan, trekken en vloeien ing. H. M. C. M. van Maarschalkerwaart Bouwen met staal 128, 1996
10. Steelmaking history
11. Direct reduction and Smelting Processes J. Feinman Association of Iron and Steel Engineers