Go to top

Wat is Staal

Staal is een legering van ijzer en koolstof, waarin het koolstofgehalte kan oplopen tot 2%. Als het koolstofpercentage hoger is dan 2% dan is er sprake van gietijzer. Staal is 's werelds meest gebruikte materiaal voor gebouwen, infrastructuur en industrieën. Het wordt gebruikt voor de fabricage van vrijwel alles van naainaalden tot olietankers. Bovendien zijn de machines die nodig zijn voor het bouwen en maken van al deze zaken ook gemaakt van staal. De wereld ruw-staalproductie bedraagt ongeveer 1,6 miljard ton, terwijl de productie van het direct daarop volgende belangrijke technische metaal, aluminium, ongeveer 47 miljoen ton bedraagt.

De voornaamste redenen voor de populariteit van staal zijn de relatief lage kosten van maken, vormen en verwerken, de overvloed aan zowel erts als schroot en zijn gunstige mechanische eigenschappen.
Volgens de World Steel Association worden er meer dan 3500 verschillende staaltypen gefabriceerd. De staaltypen die gedurende de afgelopen twintig jaar zijn ontwikkeld maken 75% uit van al het moderne staal. Staal kan worden beschouwd als een duurzaam materiaal, omdat het zijn eigenschappen behoudt ongeacht het aantal malen dat het wordt gerecycleerd. Staal is een van de meest gerecycleerde materialen ter wereld.


ONGEKALMEERD EN GEKALMEERD STAAL

Bij de bereiding van staal uit ruwijzer wordt door het blazen van zuurstof de in het ruwijzer aanwezige koolstof (circa 3,5 %) grotendeels verwijderd. Aan het einde van dit proces bevat het vloeibare staal een koolstofgehalte van ongeveer 0,1 % en een overmaat aan opgeloste zuurstof. Voordat het staal verder verwerkt kan worden, moet eerst de opgeloste zuurstof worden verwijderd. Als de temperatuur van het staal daalt, neemt de oplosbaarheid van de zuurstof in het staal af. Hierdoor reageert de vrijgekomen zuurstof met de koolstof die aanwezig is in het staal tot CO dat als gas ontwijkt. Bij stolling ontstaan er gasbellen, met de kans op gasinsluitsels. De zuurstof wordt verwijderd door ferromangaan toe te voegen. Dit is een legering van ijzer, mangaan en koolstof. De zuurstof bindt zich voor een groot deel aan mangaan tot MnO en wordt opgenomen in de slaklaag die bovenop het vloeibare staal drijft. Het mangaan bindt tevens de laatste resten zwavel tot MnS. De koolstof uit het ferromangaan heeft tot doel het koolstofgehalte van het staal op het gewenste niveau te brengen.

Niet alle zuurstof kan door het ferromangaan worden gebonden. Daarvoor zijn sterkere oxidatiemiddelen nodig, zoals silicium en aluminium, die ervoor zorgen dat er bij de stolling geen CO meer kan ontstaan. Er is dan sprake van gedesoxideerd of gekalmeerd staal, ook wel rustig staal genoemd, omdat er bij stolling geen gasontwikkeling plaatsvindt waardoor het stollen rustig verloopt. De overmaat aan silicium (altijd nodig is om de desoxidatie snel en zo volledig mogelijk te laten verlopen) lost in staal op. Gekalmeerd staal zal dus vrijwel altijd silicium bevatten en omgekeerd, als staal silicium bevat (meer dan 0,1 procent), is het gekalmeerd. Het desoxidatieproces wordt gewoonlijk afgerond door toevoeging van een kleine hoeveelheid aluminium aan het staal. Aluminium heeft een nog grotere affiniteit met zuurstof dan silicium. Het nadeel is dat het gevormde aluminiumoxide (Al₂O₃) hard en bros is en moeilijk door het staal omhoog stijgt naar de slak. Daarom wordt er met een combinatie van silicium en aluminium gedesoxideerd.

HET BASISMETAAL

Het hoofdbestanddeel van staal is ijzer, een metaal dat in zuivere toestand niet veel harder is dan koper. IJzer is in vaste toestand net als alle andere metalen polykristallijn, dat wil zeggen het bestaat uit veel elkaar rakende kristallen. Een kristal is een goed geordend aantal atomen die het best kunnen worden gedacht als bollen die elkaar raken. Ze zijn geordend in vlakken, roosters genaamd, die elkaar op specifieke manieren raken. Voor ijzer kan de rooster opstelling het best worden voorgesteld als een eenheidskubus met acht ijzeratomen op de hoeken. Wat staal uniek maakt is de allotropie van ijzer, dat wil zeggen dat er twee kristallijne toestanden bestaan. De ene is de kubisch ruimtelijk gecentreerde (krg) vorm met op de hoekpunten atomen en in het centrum van de kubus een atoom. De andere is de kubisch vlakken gecentreerde (kvg) vorm met op de hoekpunten weer een atoom maar nu in het centrum van de zes kubusvlakken een atoom. Het is van groot technisch belang dat de zijden van de kvg eenheidskubus, en dus de afstanden tussen de naburige kvg roosters, ongeveer 25% groter zijn dan in de krg vorm. Dit betekent dat er meer ruimte is in de kvg structuur dan in de krg structuur om vreemde atomen (legeringselementen) in vaste oplossing te houden.
 

INVLOED VAN KOOLSTOF

In zijn pure vorm is ijzer zacht en gewoonlijk onbruikbaar als technisch materiaal. De belangrijkste methode om het te versterken en er staal van te maken is toevoeging van kleine hoeveelheden koolstof. In staal wordt koolstof doorgaans in twee vormen aangetroffen. Het is of in vaste oplossing aanwezig in austeniet en ferriet of in de vorm van een carbide. Dit carbide kan ijzercarbide zijn (Fe₃C, oftewel cementiet) of het is een carbide van een legeringselement zoals titanium.