Van ijzererts tot staal
Van alle metalen wordt ijzer het meest gebruikt, vooral in de vorm van staal. Deze legering van ijzer en koolstof is ’s werelds belangrijkste constructiemateriaal. Onze leefwereld lijkt eruit opgebouwd. Van windturbines en auto’s tot kookpotten en scheermesjes. De productie van staal verloopt in verschillende stappen. Ontdek ze in dit verhaal!
Foto bovenaan: Smelters op de gietvloer van de hoogoven bij Sidmar in Gent. Foto L. Moris, 1974. Collectie ArcelorMittal Belgium
Voorbereiding van de grondstoffen
Staal wordt gemaakt van vloeibaar ruwijzer. Om dat ruwijzer te maken in de hoogoven is steenkool nodig. Steenkool is echter niet geschikt om rechtstreeks in de hoogovens te worden ingezet. Daarom gaat het eerst langs de cokesfabriek. Door de kolen zonder zuurstof te verhitten tot 1.250 °C verbranden ze niet. Ze worden omgezet in cokes, een zuiverdere brandstof. Dit verhittingsproces levert heel wat bijproducten op zoals cokesgas, teer, ammoniak, naftaleen en benzol. De industrie zet zoveel mogelijk in op hergebruik van deze bijproducten.
IJzererts is het tweede belangrijke ingrediënt voor de hoogoven. Het is een veelvoorkomend metaalerts in de aardkorst, dat wereldwijd uit mijnen gewonnen wordt. Maar net als steenkool kan ook ijzererts niet rechtstreeks de hoogoven in. Eerst worden in de sinterfabriek fijne ertsen gemend met smeltmiddelen zoals kalksteen. Daarna wordt dat mengsel tot net onder het smeltpunt gebakken. Daardoor ontstaat sinter, een materiaal met een optimale stukgrootte en scheikundige samenstelling dat beter reageert in de hoogoven.
Een smelterspak van ArcelorMittal Belgium. (c) Martin Corlazzoli
Hoogoven
De hoogoven transformeert de sinter tot vloeibaar ruwijzer. Cokes en sinter gaan in de vultrechter bovenaan de hoogoven. Onderaan wordt hete lucht ingeblazen met een temperatuur tot 1.200 °C. De hete lucht reageert met de cokes en vormt een reductiegas dat zuurstof uit de ijzerertsen onttrekt. Tegelijk ontstaat de warmte die nodig is om de gereduceerde ijzerertsen te smelten tot vloeibaar ruwijzer. Het ruwijzer verzamelt zich onderaan in de oven. Het wordt regelmatig afgetapt en getransporteerd naar de staalfabriek.
Tijdens het smeltproces worden ook slakken of vloeibare metaaloxiden gevormd. Deze slakken worden hergebruikt in de cement- en betonindustrie. Daarnaast komt er veel CO-gas (koolstofmonoxide) vrij. Vandaag wordt dat gas hergebruikt in elektriciteitscentrales of als biogas.
Een arbeider op de gietvloer van de hoogoven bij ArcelorMittal Belgium in Gent neemt een monster van het ruwijzer uit de gietgoot. Foto T. Westerlinck, jaren 1980. Collectie ArcelorMittal Belgium
Staalfabriek
Gestold ruwijzer is broos en moeilijk buigbaar omdat het nog veel koolstof bevat. Om er staal van te maken, wordt het koolstofgehalte in de staalconvertor verlaagd. Het omzetten kan met verschillende procedés zoals Thomas, Siemens-Martin of Linz-Donawitz. Die procedures dragen de naam van de uitvinder of van de plaats waar ze ontwikkeld zijn.
Vloeibaar ruwijzer gaat in de convertor, samen met staalschroot. Boven op het ruwijzerbad wordt zuivere zuurstof geblazen waardoor koolstof verbrandt. Het zo verkregen staal wordt uitgegoten in een staalpan waar het nog een extra behandeling kan ondergaan. In deze fase worden - legeringselementen toegevoegd om specifieke eigenschappen te bekomen.
Gieten
Het vloeibare staal wordt in een gietvorm gegoten en stolt. Na het stollen wordt de gietvorm verwijderd. Er blijven dan enkel nog stalen blokken of (l)ingots over. Die stalen blokken plaatst men op koelroosters om af te koelen. Dit zogenaamde blokgieten is geen continu proces. Omdat de blokken staal niet gelijkmatig afkoelen, moeten ze opnieuw en gelijkmatig verwarmd worden. Dan gaan ze een eerste keer door een walstuig. Daar worden de blokken gewalst tot dikke plakken met de ideale afmetingen voor de warmwalserij. In de schoonbranderij worden giet- en/of walsfouten weggebrand.
Dit discontinue proces kost extra energie waardoor blokgieten vandaag bijna nergens meer wordt toegepast. In de jaren 1950 wordt een nieuwe technologie ontwikkeld: het continugieten. Het vloeibare staal vloeit daarbij ononderbroken door een watergekoelde gietvorm. Zo ontstaat een plak die op een reeks rollen wordt voortgestuwd en op gewenste lengte wordt afgesneden. De plak heeft meteen de juiste afmetingen voor de warmwalserij.
Blokgieten en continugieten bij ArcelorMittal Belgium in Gent. Foto T. Westerlinck, jaren 1980 en J. Van den Berghe, 2003. Collectie ArcelorMittal Belgium
Walsen
Om de dikke plakken staal in hun definitieve vorm te kunnen walsen, worden ze opnieuw verwarmt op tot ca. 1.200 °C. Dat gebeurt in een doorschuif- of doorstootoven. Door het opwarmen krijgen de gewalste plakken een oxide-laag. Die wordt verwijderd met waterstralen onder hoge druk. Dan gaan de plakken naar het omkeervoorwalstuig. Dit walstuig heeft als doel de dikte van het staal terug te brengen van 23 tot ongeveer 3 cm.
Daarna komen de plakken binnen in de warmwalserij. Hier wordt de oxide-laag eerst weer verwijderd. Verschillende walstuigen brengen de plakken tot in de gewenste vorm. In het geval van plaatmateriaal reduceren de walstuigen de dikte van de plakken tot een aantal milimeter. De volgende stap is waterkoeling onder lage druk. Het staal is nu klaar om op de door de klant gevraagde maat afgeleverd te worden. Mogelijke eindproducten zijn scheepsrompen, buizen, bruggen, bouten en moeren.
De warmwalserij bij ArcelorMittal Belgium in Gent. Foto J. Van den Berghe, eind jaren 1980. Collectie ArcelorMittal Belgium
Bij plaatstaal kan bijkomende afwerking gebeuren in de koudwalserij. De warmgewalste rollen staal worden dan na afkoeling afgewikkeld op een rolband en aan elkaar gelast. Op die manier ontstaat een eindeloze stalen plaat. Door het warmwalsen in de vorige stap hebben de plakken opnieuw een oxide-laag gekregen. Een rolband voert de plaat door een zoutzuuroplossing die de oxide-laag volledig wegvreet. Dit proces heet beitsen. Vervolgens snijdt een schaar de pakken op lengte en breedte. Een in-oliemachine brengt olie aan die het staal tegen roest beschermt en als smeermiddel dient bij het tandemwalsen. Het tandemwalsen gebeurt in aaneengeschakelde walstuigen, die de gebeitste staalplaten steeds verder verdunnen. Het beitsen heeft echter tot gevolg dat de platen te hard zijn geworden om ze verder te bewerken met bijvoorbeeld tin of zink, ze te lamineren of ze te lakken. Om de platen terug bewerkbaar te maken, worden ze eerst thermisch behandeld in gloeiovens. Hier warmt het staal gedurende ongeveer dertig uur op tot ongeveer 700 °C. Na afkoeling gaat het staal door een hardingswalstuig. Dit walstuig geeft aan de plaat de nodige verlenging, ruwheid en vlakheid. Tenslotte worden de platen op de juiste afmetingen geknipt en opnieuw opgerold. Ze zijn nu klaar voor bewerking tot afgewerkte producten zoals onderdelen van autocarrosseries of voor huishoudtoestellen.