Welkom bij VNMI.nl

Staal

Staal is een legering van het metaal ijzer en het niet-metaal koolstof. Staal wijkt dus in die zin af van de andere in Nederland geproduceerde metalen, dat het geen zuiver element is. Met 'staal' bedoelen we met name ijzerlegeringen met een beperkt koolstofgehalte, minder dan 1,9%, en ook beperkte toevoegingen zoals chroom, zodat ze gemakkelijk vervormd kunnen worden. Er is dus niet één soort staal, integendeel: er zijn tegenwoordig duizenden soorten staal. Dat zijn allemaal legeringen van ijzer en koolstof (in diverse verhoudingen) en vaak met toevoeging van andere bestanddelen.

Omdat staal prima bewerkbaar is, wordt het veel gebruikt in constructies. Het koolstof in de legering zorgt voor een hoge treksterkte en hardheid. Door echter te veel koolstof toe te voegen (bijvoorbeeld enkele procenten) wordt staal juist minder sterk (bros). Grofweg zijn er drie soorten staal te onderscheiden.

Ongelegeerd staal wordt wereldwijd het meest gebruikt. Afgezien van koolstof bevat het hoogstens anderhalf procent legeringselementen, waarbij het meestal gaat om mangaan of silicium.

Laaggelegeerd staal bevat afgezien van koolstof tussen anderhalf en vijf procent legeringselementen. Mangaan en silicium zijn nog steeds het belangrijkst, maar in deze groep komen ook de legeringselementen chroom, vanadium, nikkel en molybdeen voor. Door deze toevoegingen krijgt het staal bepaalde extra eigenschappen, zoals corrosiebestendigheid (chroom) of taaiheid (vanadium).

Hooggelegeerd staal, ten slotte, bevat meer dan vijf procent legeringselementen. Roestvast staal (rvs) en gereedschapsstaal horen in deze groep thuis. Chroom en nikkel zijn de hoofdlegeringselementen in roestvast staal, waardoor het materiaal tegen oxidatie en corrosie bestand is. Er zijn echter omstandigheden, waarin deze roestvaste legeringen niet voldoen. In een zwembad, bijvoorbeeld, tast het chloor de oxidelaag aan. Molybdeen wordt dan toegevoegd aan de legering, zodat deze chloorbestendig wordt. Echter, aan iedere toevoeging kleeft weer een nieuw nadeel, zodat steeds naar de beste samenstelling moet worden gezocht.

Staal in het verleden
Het eerste staal werd gemaakt in Oost-Afrika, rond 1400 voor Christus, in een laagoven met koolstof. Al veel eeuwen eerder nog konden mensen al ijzer maken, maar de technieken daarvoor waren primitief en niet efficiënt. Ook staal kon nog lang niet gemakkelijk en goedkoop worden geproduceerd. Het probleem van de techniek met laagovens was het volgende. In deze oven lagen om en om houtskool en ijzererts gestapeld. Met blaasbalgen werd daar voorverwarmde lucht doorheen geblazen, waarbij de houtskool ging branden en er onder meer koolmonoxide werd gevormd. De temperaturen die bereikt werden, lagen toch lager dan het smeltpunt van ijzer. Het gevolg was, dat het ijzer niet gescheiden werd van de resten van het erts ('slak') en dat het maar weinig van de koolstof opnam. Het product was uiteindelijk een buigzaam maar zacht, koolstofloos ijzer met veel stukjes slak erin.

Door het ijzer uit te smeden tot dunne lagen, die dubbel te vouwen en weer uit te smeden - enzovoorts, enzovoorts - werd er wél een vorm van superieur ijzer verkregen dat zeer geschikt was voor wapens (Damascus-zwaarden).

In China omstreeks het begin van onze jaartelling, en in Europa in de vijftiende eeuw, werd de hoogoven in gebruik genomen. Deze oven was een paar meter hoog en functioneerde eigenlijk zoals een laagoven, maar er kon wel de juiste temperatuur in worden bereikt om het ijzer te laten smelten. Omdat het gesmolten ijzer aan de voet van de oven kon worden afgetapt, was het ijzer nu vrij van resten erts en slak. Echter, nu bevatte het ijzer te véél koolstof - ongeveer vier procent - zodat een zeer hard, maar ook bros materiaal ontstond: gietijzer.
Pas de laatste tweehonderd jaar is men er met de uitvinding van het Bessemerprocédé en het oxy-staal proces in geslaagd het ijzer gemakkelijker te zuiveren. Er kon nu een lager koolstofgehalte - minder dan twee procent - worden bereikt, zodat het product nu ook bewerkt en gewalst kon worden.

Waar komt staal vandaan?
In hoogovens wordt uit ijzererts ruwijzer geproduceerd, dat vier tot vijf procent koolstof bevat en enkele andere verontreinigingen.

Het ruwijzer wordt pas bruikbaar na reiniging. Dat gebeurt in een convertor, waar met hoge snelheid bijna pure zuurstof door het vloeibare ruwijzer geblazen wordt. Doordat zuurstof en koolstof makkelijk binden, worden koolstofmonoxide (CO) en koolstofdioxide (CO2) gevormd. Deze gassen verwijderen zich als vanzelf van het vloeibare ruwijzer.

Er komt nu wel wat zuurstof in het staal te zitten. Later kan dan bijvoorbeeld mangaan, aluminium of silicium worden toegevoegd, waar het zuurstof zich dan aan bindt. Deze oxides vormen een drijvende laag die gescheiden moet worden, voordat het staal verder bewerkt kan worden. Als het staal zuiver genoeg is, moet het in een vaste vorm gegoten worden.Uit de converter waar het ruwijzer is omgezet in staal. Onder twee procent koolstofgehalte wordt het 'staal genoemd'.

Een andere belangrijke bron van staal, is gerecycled staal. Schroot kan worden hersmolten naar staal. Hier speelt het soort schroot een zeer belangrijke rol. Sterk verontreinigd schroot (speciaal met koper) zal problemen opleveren bij het hersmelten. Het uitselecteren van schroot in verschillende categorieën verdient daarom prioriteit. Ongeveer een derde van de wereldstaalproductie is nu afkomstig van gerecycleerd schroot.

Voor wie maakt Nederland staal?
De ruwe staalproductie is in Nederland over de gehele jaren 1990 heen licht toegenomen. De stijging in productiviteit (gemeten in ton per werknemer) was daarentegen wel spectaculair: van 0,35 ton in 1990 naar bijna 0,62, bijna tien jaar later.

De staalindustrie
De concurrentiepositie van Tata is goed, maar voortdurende aandacht voor efficiency is nodig, ook na de eerder uitgevoerde herstructurering. De ligging van Tata en NedStaal - allebei aan open water - is een comparatief voordeel. De bedreiging van het dichtslibben van de Nederlandse infrastructuur wordt dan minder sterk gevoeld, er is immers altijd een alternatief voorhanden.

De sector van de staalproducenten is erin geslaagd om een omslag te maken van 'bulkproductie' van staalsoorten naar 'specifiek op de toepassing gerichte' staalsoorten. Om dit waar te kunnen maken, is het een belangrijke voorwaarde dat er een structuur wordt opgebouwd, waarin gezamenlijk met klanten productontwikkeling kan plaatsvinden. Vanwege de aanwezige kennisinfrastructuur op het gebied van metalen in Nederland, is de sector bereid en in staat om op zeer hoog niveau een rol te kunnen spelen.