De bereiding van staal en gietijzer - Vssd
De bereiding van staal en gietijzer - Vssd
De bereiding van staal en gietijzer - Vssd
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
14<br />
2<br />
<strong>De</strong> <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> <strong>staal</strong> <strong>en</strong> <strong>gietijzer</strong><br />
2.1. <strong>De</strong> <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> ruwijzer<br />
<strong>De</strong> grondstof voor de produktie <strong>van</strong> <strong>staal</strong> <strong>en</strong> <strong>gietijzer</strong> is ruwijzer, het produkt <strong>van</strong> het<br />
hoogov<strong>en</strong>proces. <strong>De</strong> hoogov<strong>en</strong> is e<strong>en</strong> schachtov<strong>en</strong> met e<strong>en</strong> cirkelvormige dwarsdoorsnede.<br />
In figuur 2.1 is hier<strong>van</strong> e<strong>en</strong> langsdoorsnede gegev<strong>en</strong>, terwijl in figuur 2.2<br />
e<strong>en</strong> schema <strong>van</strong> de materiaalstrom<strong>en</strong> bij het hoogov<strong>en</strong>bedrijf wordt getoond.<br />
Figuur 2.1. Verticale doorsnede <strong>van</strong> de hoogov<strong>en</strong>.
<strong>De</strong> <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> <strong>staal</strong> <strong>en</strong> <strong>gietijzer</strong> 15<br />
Figuur 2.2. Materiaalstrom<strong>en</strong> bij het hoogov<strong>en</strong>bedrijf. 1. M<strong>en</strong>ging <strong>van</strong> erts, cokes <strong>en</strong><br />
toeslag; 2. lading <strong>van</strong> de hoogov<strong>en</strong>; 3. hoogov<strong>en</strong>gas voor luchtverhitters; 4. hoogov<strong>en</strong>gas<br />
voor <strong>en</strong>ergie-opwekking; 5, 6. afvoergass<strong>en</strong> <strong>en</strong> schoorste<strong>en</strong>; 7. koude luchttoevoer;<br />
8. warme luchttoevooer; 9, 10. ruwijzer, naar <strong>staal</strong>fabriek; 11, 12. slak, o.a. grondstof<br />
voor cem<strong>en</strong>tfabricage.<br />
In de hoogov<strong>en</strong> word<strong>en</strong> ijzererts<strong>en</strong> bij hoge temperatuur gereduceerd met cokes.<br />
Vroeger werd<strong>en</strong> de erts<strong>en</strong> na mal<strong>en</strong> tot e<strong>en</strong> bepaalde stukgrootte tesam<strong>en</strong> met cokes <strong>en</strong><br />
e<strong>en</strong> toeslag (voornamelijk bestaande uit kalkste<strong>en</strong>) direct in de hoogov<strong>en</strong> gestort.<br />
Teg<strong>en</strong>woordig ondergaan de erts<strong>en</strong> meestal e<strong>en</strong> uitgebreid voor<strong>bereiding</strong>sproces om<br />
fijnkorrelige erts<strong>en</strong> te kunn<strong>en</strong> verwerk<strong>en</strong> <strong>en</strong> om de reductie te versnell<strong>en</strong>, waardoor de<br />
capaciteit <strong>van</strong> de hoogov<strong>en</strong> groter wordt.<br />
<strong>De</strong> ertsvoor<strong>bereiding</strong> gebeurt op twee manier<strong>en</strong> om de voor de hoogov<strong>en</strong> meest<br />
gunstige vorm te verkrijg<strong>en</strong>. Het erts wordt òf gesinterd òf tot ‘pellets’ (knikkers)<br />
verwerkt, afhankelijk <strong>van</strong> de korrelgrootte <strong>van</strong> het uitgangsmateriaal. Indi<strong>en</strong> het erts<br />
niet in poedervorm aanwezig is wordt het gesinterd, hetge<strong>en</strong> als volgt wordt<br />
uitgevoerd. Na het brek<strong>en</strong> tot korrelgroott<strong>en</strong> < 6 mm word<strong>en</strong> de erts<strong>en</strong> gem<strong>en</strong>gd met<br />
brandstof (poederkool of cokes) <strong>en</strong> toeslag (meestal kalkste<strong>en</strong>). Dit m<strong>en</strong>gsel wordt op<br />
de lop<strong>en</strong>de band <strong>van</strong> e<strong>en</strong> doorloopov<strong>en</strong> gebracht <strong>en</strong> aangestok<strong>en</strong>. Door de verbranding<br />
<strong>van</strong> de kool wordt de temperatuur hoog g<strong>en</strong>oeg om de erts<strong>en</strong> aan elkaar te lat<strong>en</strong> bakk<strong>en</strong><br />
(sinter<strong>en</strong>) tot e<strong>en</strong> poreuze koek. <strong>De</strong>ze wordt, na afkoeling, gebrok<strong>en</strong> tot de voor de<br />
hoogov<strong>en</strong> meest geschikte brokgrootte (20 – 40 mm). <strong>De</strong> goede gasdoorlaatbaarheid<br />
<strong>van</strong> het gesinterde erts maakt in de hoogov<strong>en</strong> e<strong>en</strong> snelle reductiereactie mogelijk.<br />
In de pelletfabriek wordt zeer fijn gemal<strong>en</strong> ertspoeder (0,01 – 0,1 mm), dat niet<br />
geschikt is om gesinterd te word<strong>en</strong>, gem<strong>en</strong>gd met water <strong>en</strong> bindmiddel<strong>en</strong>, in de vorm
16 Metaalkunde II<br />
<strong>van</strong> klei <strong>en</strong> kalkste<strong>en</strong>, <strong>en</strong> koolpoeder. Dit poederm<strong>en</strong>gsel wordt in draai<strong>en</strong>de trommels<br />
omgevormd tot knikkers <strong>van</strong> 10 – 30 mm diameter, die vervolg<strong>en</strong>s word<strong>en</strong> gebakk<strong>en</strong><br />
in e<strong>en</strong> doorloopov<strong>en</strong>, waardoor ze e<strong>en</strong> voldo<strong>en</strong>de sterkte <strong>en</strong> poreusheid verkrijg<strong>en</strong> om<br />
in de hoogov<strong>en</strong> te word<strong>en</strong> gelad<strong>en</strong>.<br />
Door deze ertsvoor<strong>bereiding</strong> wordt e<strong>en</strong> gelijkmatige vulling mogelijk met minder kans<br />
op verstopp<strong>en</strong> <strong>van</strong> de hoogov<strong>en</strong>, terwijl de erts<strong>en</strong> zodanig gem<strong>en</strong>gd kunn<strong>en</strong> word<strong>en</strong><br />
dat m<strong>en</strong> steeds met nag<strong>en</strong>oeg dezelfde sam<strong>en</strong>stelling werkt. <strong>De</strong> ov<strong>en</strong> werkt jar<strong>en</strong>lang<br />
continu door. Van bov<strong>en</strong> word<strong>en</strong> er afwissel<strong>en</strong>d lag<strong>en</strong> cokes <strong>en</strong> ertssinter of pellets<br />
ingestort via e<strong>en</strong> gasdichte sluis; <strong>van</strong> onder<strong>en</strong> wordt er hete lucht ingeblaz<strong>en</strong>. <strong>De</strong> cokes<br />
levert de voor het hoogov<strong>en</strong>proces b<strong>en</strong>odigde warmte <strong>en</strong> werkt als reductiemiddel. Het<br />
thermische effect kan word<strong>en</strong> versterkt door olie te injecter<strong>en</strong> in de verbrandingslucht<br />
waarbij cokes wordt bespaard. Aan het erts wordt kalkste<strong>en</strong> toegevoegd om de<br />
silicat<strong>en</strong> uit het ganggeste<strong>en</strong>te te bind<strong>en</strong> tot e<strong>en</strong> dun-vloeibare slak. Onder in de haard<br />
verzamelt zich het neerdruppel<strong>en</strong>de ijzer waarin 3,5 – 4,5% koolstof is opgelost, zodat<br />
het smeltpunt circa 1150 °C bedraagt. Dit ruwijzer wordt met regelmatige tuss<strong>en</strong>poz<strong>en</strong><br />
afgetapt. <strong>De</strong> slak waarin e<strong>en</strong> deel <strong>van</strong> de verontreiniging<strong>en</strong> wordt opg<strong>en</strong>om<strong>en</strong>, wordt<br />
gescheid<strong>en</strong> afgetapt <strong>en</strong> gegranuleerd. <strong>De</strong>ze slak di<strong>en</strong>t onder andere als grondstof voor<br />
de fabricage <strong>van</strong> cem<strong>en</strong>t. <strong>De</strong> ontwijk<strong>en</strong>de hoogov<strong>en</strong>gass<strong>en</strong>, die gedeeltelijk uit brandbaar<br />
CO bestaan, word<strong>en</strong> opge<strong>van</strong>g<strong>en</strong> <strong>en</strong> na reiniging b<strong>en</strong>ut voor het voorwarm<strong>en</strong> <strong>van</strong><br />
de blaaslucht of voor de opwekking <strong>van</strong> elektriciteit.<br />
2.2. Reacties in de hoogov<strong>en</strong><br />
<strong>De</strong> onder in de hoogov<strong>en</strong> toegevoerde, tot ca. 900°C voorgewarmde, lucht verbrandt<br />
de cokes volg<strong>en</strong>s de reactie<br />
2C + O2 → 2 CO<br />
Het gevormde gasm<strong>en</strong>gsel bestaat dan uit 33% CO <strong>en</strong> 67% N2 met e<strong>en</strong> temperatuur<br />
<strong>van</strong> ca. 1800 °C. Dit gasm<strong>en</strong>gsel stijgt in de ov<strong>en</strong> omhoog, verwarmt daarbij de<br />
ov<strong>en</strong>lading <strong>en</strong> reduceert de in de vorm <strong>van</strong> FeO aanwezige vloeibare ijzeroxyd<strong>en</strong><br />
volg<strong>en</strong>s de reactie<br />
FeO + CO → Fe +CO2<br />
<strong>De</strong> nog in overmaat aanwezige koolstof zet de CO2 weer om in CO<br />
CO2 + C → 2 CO (Boudouard reactie)<br />
waardoor de ijzeroxydereductie kan blijv<strong>en</strong> doorgaan. Het gevormde vloeibare ijzer<br />
sijpelt door de cokeslading omlaag <strong>en</strong> wordt daarbij verzadigd met koolstof tot e<strong>en</strong><br />
gehalte <strong>van</strong> 3,5 – 4,5%. T<strong>en</strong>slotte verzamelt het ruwijzer zich onder in de hoogov<strong>en</strong>.<br />
Het verder opstijg<strong>en</strong>de <strong>en</strong> door opwarming <strong>en</strong> smelting <strong>van</strong> de hoogov<strong>en</strong>lading
<strong>De</strong> <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> <strong>staal</strong> <strong>en</strong> <strong>gietijzer</strong> 17<br />
afkoel<strong>en</strong>de m<strong>en</strong>gsel <strong>van</strong> CO <strong>en</strong> N2 bereikt ongeveer midd<strong>en</strong> in de hoogov<strong>en</strong> de<br />
temperatuur <strong>van</strong> 900 °C. B<strong>en</strong>ed<strong>en</strong> deze temperatuur verloopt de Boudouard reactie niet<br />
meer. Door de onder deze omstandighed<strong>en</strong> toch nog optred<strong>en</strong>de ijzeroxydereductie zal<br />
het hoogov<strong>en</strong>gas rijker word<strong>en</strong> aan CO2 <strong>en</strong> langzaam het vermog<strong>en</strong> verliez<strong>en</strong> om FeO<br />
te reducer<strong>en</strong>. Wel kunn<strong>en</strong> dan de ijzererts<strong>en</strong> Fe2O3 <strong>en</strong> Fe3O4 nog word<strong>en</strong> omgezet in<br />
FeO onder verdere vorming <strong>van</strong> CO2. Bov<strong>en</strong> in de hoogov<strong>en</strong> vindt voornamelijk nog<br />
e<strong>en</strong> opwarm<strong>en</strong> <strong>en</strong> drog<strong>en</strong> <strong>van</strong> de hoogov<strong>en</strong>lading plaats door de opstijg<strong>en</strong>de gass<strong>en</strong>,<br />
die t<strong>en</strong> slotte de hoogov<strong>en</strong> verlat<strong>en</strong> met e<strong>en</strong> temperatuur <strong>van</strong> ca. 200 °C <strong>en</strong> e<strong>en</strong> sam<strong>en</strong>stelling<br />
<strong>van</strong> 25 – 30% CO, 10 – 15% CO2, 60% N2 <strong>en</strong> verder kleine hoeveelhed<strong>en</strong><br />
H2O, SO2 <strong>en</strong> vliegas, die in de gasreinigingsinstallatie word<strong>en</strong> verwijderd.<br />
Behalve ijzeroxyd<strong>en</strong> word<strong>en</strong> in de hoogov<strong>en</strong> ook kleine hoeveelhed<strong>en</strong> andere oxyd<strong>en</strong><br />
uit de ijzererts<strong>en</strong> of uit de toeslag gereduceerd. <strong>De</strong>ze word<strong>en</strong> opg<strong>en</strong>om<strong>en</strong> in het vloeibare<br />
ruwijzer, dat daardoor zijn uiteindelijke sam<strong>en</strong>stelling krijgt. E<strong>en</strong> schematische<br />
voorstelling <strong>van</strong> het hoogov<strong>en</strong>proces wordt gegev<strong>en</strong> in figuur 2.3.<br />
Figuur 2.3. Schematische voorstelling <strong>van</strong> de process<strong>en</strong> in de hoogov<strong>en</strong>.<br />
Het hoogov<strong>en</strong>proces is de laatste 150 jaar niet principieel veranderd. Wel is de<br />
produktiecapaciteit <strong>van</strong> de hoogov<strong>en</strong>s voortdur<strong>en</strong>d opgevoerd, onder andere door<br />
vergroting <strong>van</strong> de diameter <strong>van</strong> de hoogov<strong>en</strong>s, door verbetering <strong>van</strong> de ertsvoor<strong>bereiding</strong><br />
<strong>en</strong> door vergroting <strong>van</strong> de gasdruk in de ov<strong>en</strong>s. <strong>De</strong> modernste hoogov<strong>en</strong>s<br />
hebb<strong>en</strong> e<strong>en</strong> inw<strong>en</strong>dige diameter <strong>van</strong> ca 14 m <strong>en</strong> e<strong>en</strong> produktie <strong>van</strong> ca 10.000 ton<br />
ruwijzer per etmaal.<br />
In Nederland wordt ruwijzer via dit proces geproduceerd bij het hoogov<strong>en</strong>- <strong>en</strong><br />
<strong>staal</strong>bedrijf in IJmuid<strong>en</strong>.<br />
Het grootste deel <strong>van</strong> het ruwijzer wordt in vloeibare vorm verwerkt tot <strong>staal</strong>, e<strong>en</strong> klein<br />
deel wordt in metal<strong>en</strong> vorm<strong>en</strong> gegot<strong>en</strong> tot gietbroodjes of gieteling<strong>en</strong> die word<strong>en</strong><br />
verwerkt tot <strong>gietijzer</strong>.<br />
Het ruwijzer bevat naast 3,5 à 4,5% koolstof als voornaamste bijm<strong>en</strong>gsels silicium
18 Metaalkunde II<br />
(t<strong>en</strong> gevolge <strong>van</strong> reductie <strong>van</strong> het ganggeste<strong>en</strong>te), mangaan (in veel erts<strong>en</strong> aanwezig),<br />
fosfor (uit erts<strong>en</strong> <strong>en</strong> ganggeste<strong>en</strong>te) <strong>en</strong> zwavel (uit erts<strong>en</strong> <strong>en</strong> cokes). Afhankelijk <strong>van</strong> de<br />
ladingssam<strong>en</strong>stelling, de toeslagstoff<strong>en</strong> zoals kalk <strong>en</strong> nog <strong>en</strong>kele procesvariabel<strong>en</strong><br />
kunn<strong>en</strong> verschill<strong>en</strong>de soort<strong>en</strong> ruwijzer word<strong>en</strong> geproduceerd.<br />
Voor de <strong>staal</strong>fabricage is de globale sam<strong>en</strong>stelling: 3,5 – 4,5% C, 0,3 – 1% Si, ca.1%<br />
Mn, P < 0,5%, S < 0,06%, <strong>en</strong> de rest Fe.<br />
2.3. <strong>De</strong> <strong>staal</strong><strong>bereiding</strong><br />
Bij de <strong>staal</strong><strong>bereiding</strong> gaat het vooral om de verlaging <strong>van</strong> het koolstofgehalte, dat in<br />
ruwijzer circa 4% bedraagt <strong>en</strong> in <strong>staal</strong>, afhankelijk <strong>van</strong> de soort 0,1 – 1,5%.<br />
Constructie<strong>staal</strong> bevat 0,1 – 0,2% C; machine<strong>staal</strong> ca. 0,4% C <strong>en</strong> gereedschaps<strong>staal</strong> ca.<br />
1% C. <strong>De</strong> verwijdering <strong>van</strong> koolstof geschiedt door oxydatie in het gesmolt<strong>en</strong><br />
ruwijzer; dit is mogelijk doordat koolstof e<strong>en</strong> grotere affiniteit tot zuurstof heeft dan<br />
ijzer. Daarnaast oxyder<strong>en</strong> ook de elem<strong>en</strong>t<strong>en</strong> mangaan, silicium <strong>en</strong> fosfor die in<br />
ruwijzer aanwezig zijn. Zwavel kan niet door e<strong>en</strong> directe oxydatiereactie uit het ijzer<br />
word<strong>en</strong> verwijderd; hiervoor zijn andere chemische reacties nodig.<br />
<strong>De</strong> <strong>staal</strong><strong>bereiding</strong>sprocess<strong>en</strong> word<strong>en</strong> verdeeld in twee groep<strong>en</strong>: de convertorprocess<strong>en</strong><br />
<strong>en</strong> de (haard)ov<strong>en</strong>process<strong>en</strong>.<br />
<strong>De</strong> convertorprocess<strong>en</strong> werk<strong>en</strong> met ruwijzer, dat in vloeibare vorm uit de hoogov<strong>en</strong>s<br />
wordt aangevoerd. <strong>De</strong> raffinage vindt plaats door het doorblaz<strong>en</strong> <strong>van</strong> lucht of zuurstof.<br />
Hierbij verlop<strong>en</strong> de oxydatiereacties zeer snel, waardoor de totale procestijd kort is (ca.<br />
0,5 uur). <strong>De</strong> belangrijkste convertorprocess<strong>en</strong> zijn:<br />
– het thomasproces, waarbij lucht door het vloeibare ruwijzer wordt geblaz<strong>en</strong>;<br />
– het oxy<strong>staal</strong> proces, waarbij zuurstof met grote snelheid op het ruwijzer wordt<br />
geblaz<strong>en</strong>.<br />
Bij de ov<strong>en</strong>process<strong>en</strong> staat het vloeibare metaal niet in direct contact met de lucht (of<br />
zuurstof), maar wordt de b<strong>en</strong>odigde zuurstof via de op het metaalbad drijv<strong>en</strong>de<br />
vloeibare slak toegevoerd. Dit proces verloopt veel langzamer. E<strong>en</strong> voordeel <strong>van</strong> deze<br />
process<strong>en</strong> is dat kan word<strong>en</strong> gewerkt met e<strong>en</strong> vaste ov<strong>en</strong>lading (schroot), die eerst<br />
moet word<strong>en</strong> gesmolt<strong>en</strong> voor de raffinage kan plaats vind<strong>en</strong>. Door het tragere verloop<br />
<strong>van</strong> de ov<strong>en</strong>process<strong>en</strong> is de regelbaarheid beter. Bij de elektro-ov<strong>en</strong> is de totale<br />
procesduur, afhankelijk <strong>van</strong> de ov<strong>en</strong>grootte 3 – 6 uur; deze kan bekort word<strong>en</strong> door het<br />
inblaz<strong>en</strong> <strong>van</strong> zuurstof in de vloeibare lading. <strong>De</strong> belangrijkste ov<strong>en</strong>process<strong>en</strong> zijn:<br />
– het siem<strong>en</strong>s- martin proces;<br />
– het elektro-ov<strong>en</strong> proces.<br />
Tot 1955 was het eerstg<strong>en</strong>oemde proces het belangrijkst. Daarna is het tweede proces<br />
sterk naar vor<strong>en</strong> gekom<strong>en</strong> <strong>en</strong> wel zodanig dat thans het grootste deel <strong>van</strong> de<br />
schrootverwerking in dit type ov<strong>en</strong> plaatsvindt.<br />
<strong>De</strong> ongelegeerde constructie<strong>staal</strong>soort<strong>en</strong> die, in tonn<strong>en</strong> uitgedrukt, het leeuw<strong>en</strong>deel <strong>van</strong><br />
de <strong>staal</strong>produktie vorm<strong>en</strong>, word<strong>en</strong> voornamelijk via de convertorprocess<strong>en</strong> gemaakt.
<strong>De</strong> <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> <strong>staal</strong> <strong>en</strong> <strong>gietijzer</strong> 19<br />
Met het elektro-ov<strong>en</strong>proces kunn<strong>en</strong> zowel ongelegeerde als gelegeerde <strong>staal</strong>soort<strong>en</strong><br />
word<strong>en</strong> gemaakt.<br />
Slechts het oxy<strong>staal</strong> convertorproces <strong>en</strong> het (vlamboog) elektro-ov<strong>en</strong>proces word<strong>en</strong><br />
hier zeer in het kort beschrev<strong>en</strong>.<br />
Bij het oxy<strong>staal</strong>proces wordt uitgegaan <strong>van</strong> vloeibaar ruwijzer waaraan maximaal 25%<br />
vast schroot kan word<strong>en</strong> toegevoegd. Dit wordt gebracht in e<strong>en</strong> zog<strong>en</strong>aamde<br />
convertor, e<strong>en</strong> peervormig stal<strong>en</strong> vat met e<strong>en</strong> binn<strong>en</strong>bemetseling <strong>van</strong> vuurvaste st<strong>en</strong><strong>en</strong><br />
<strong>en</strong> e<strong>en</strong> inhoud die kan variër<strong>en</strong> <strong>van</strong> 10 – 300 ton (zie figuur 2.4). Vervolg<strong>en</strong>s wordt<br />
door e<strong>en</strong> watergekoelde holle lans vrijwel zuivere zuurstof met zeer hoge snelheid (tot<br />
bov<strong>en</strong> de geluidssnelheid) op het bad geblaz<strong>en</strong>. Er vindt oxydatie <strong>van</strong> de koolstof<br />
plaats, die als CO ontwijkt. Door de hoge temperatuur <strong>en</strong> de int<strong>en</strong>sieve aanraking<br />
verloopt het proces zo snel, dat er in circa 20 minut<strong>en</strong> 200 ton ruwijzer tot <strong>staal</strong> kan<br />
word<strong>en</strong> geblaz<strong>en</strong>. <strong>De</strong> ijzerverliez<strong>en</strong> zijn gering, omdat de koolstof bij hoge temperatuur<br />
veel sneller verbrandt dan ijzer. <strong>De</strong> ev<strong>en</strong>e<strong>en</strong>s geoxydeerde begeleid<strong>en</strong>de elem<strong>en</strong>t<strong>en</strong><br />
zoals Si, Mn <strong>en</strong> P word<strong>en</strong> in de slak opg<strong>en</strong>om<strong>en</strong>; bij fosforoxyde is dit alle<strong>en</strong> mogelijk<br />
in e<strong>en</strong> kalkhoud<strong>en</strong>de (basische) slak. In figuur 2.5. is aangegev<strong>en</strong> hoe de daling <strong>van</strong> het<br />
gehalte <strong>van</strong> de verschill<strong>en</strong>de elem<strong>en</strong>t<strong>en</strong> als functie <strong>van</strong> de tijd verloopt tijd<strong>en</strong>s de<br />
oxydatie. Elem<strong>en</strong>t<strong>en</strong> die e<strong>en</strong> kleinere affiniteit hebb<strong>en</strong> tot zuurstof dan ijzer, zoals<br />
koper <strong>en</strong> nikkel, kunn<strong>en</strong> niet uit het <strong>staal</strong>bad word<strong>en</strong> verwijderd door verbranding.<br />
Ook zwavel wordt in het <strong>staal</strong>bad niet verbrand; dit moet word<strong>en</strong> verwijderd door<br />
binding aan e<strong>en</strong> kalkhoud<strong>en</strong>de slak.<br />
Figuur 2.4. Het oxy<strong>staal</strong>proces.<br />
Het verbrandingsproces <strong>van</strong> de begeleidingselem<strong>en</strong>t<strong>en</strong> di<strong>en</strong>t niet alle<strong>en</strong> voor de<br />
zuivering <strong>van</strong> het <strong>staal</strong>. <strong>De</strong> bij de verbranding vrij kom<strong>en</strong>de warmte wordt tev<strong>en</strong>s<br />
gebruikt om e<strong>en</strong> hoeveelheid schroot te smelt<strong>en</strong> <strong>en</strong> om de temperatuur <strong>van</strong> het ruwijzer<br />
(ca.1300 °C) op te voer<strong>en</strong> tot die <strong>van</strong> vloeibaar <strong>staal</strong> (ca.1600 °C).<br />
Na afloop <strong>van</strong> het blaz<strong>en</strong> bevat het vloeibare <strong>staal</strong> e<strong>en</strong> overmaat aan zuurstof. <strong>De</strong>ze<br />
moet verwijderd word<strong>en</strong> door e<strong>en</strong> desoxydatieproces, dat later zal word<strong>en</strong> besprok<strong>en</strong>.<br />
Vervolg<strong>en</strong>s wordt door bepaalde toevoeging<strong>en</strong> het <strong>staal</strong> op de gew<strong>en</strong>ste sam<strong>en</strong>stelling<br />
<strong>en</strong> temperatuur gebracht <strong>en</strong> daarna gescheid<strong>en</strong> <strong>van</strong> de slak afgegot<strong>en</strong> in e<strong>en</strong> gietpan,
20 Metaalkunde II<br />
Figuur 2.5. Daling <strong>van</strong> het gehalte <strong>van</strong> verschill<strong>en</strong>de elem<strong>en</strong>t<strong>en</strong> tijd<strong>en</strong>s het oxy<strong>staal</strong>proces.<br />
waarin het naar de gietinstallatie wordt getransporteerd.<br />
Het oxy<strong>staal</strong>proces is gekoppeld aan e<strong>en</strong> hoogov<strong>en</strong> (geïntegreerd <strong>staal</strong>bedrijf). Dit is<br />
niet het geval met het elektro-ov<strong>en</strong>proces. Van de elektro-smeltov<strong>en</strong>s is de boogov<strong>en</strong><br />
(zie figuur 2.6) de meest gebruikte. <strong>De</strong> ov<strong>en</strong> is komvormig met e<strong>en</strong> verwijderbaar<br />
deksel waardoor drie grafietelektrod<strong>en</strong> stek<strong>en</strong>. Er wordt e<strong>en</strong> elektrische boog<br />
getrokk<strong>en</strong> tuss<strong>en</strong> elektrod<strong>en</strong> <strong>en</strong> bad. <strong>De</strong> lading <strong>van</strong> de ov<strong>en</strong> kan geheel uit schroot<br />
bestaan, uit ruwijzer of uit e<strong>en</strong> m<strong>en</strong>gsel <strong>van</strong> beide, waarbij het ruwijzer vast kan zijn of<br />
vloeibaar. <strong>De</strong>ze ov<strong>en</strong> kan word<strong>en</strong> gebruikt voor het omsmelt<strong>en</strong> <strong>van</strong> schroot, dat als<br />
afvalmateriaal in grote hoeveelhed<strong>en</strong> ter beschikking staat. Hierbij kan e<strong>en</strong> zeer goede<br />
kwaliteit zacht <strong>staal</strong> word<strong>en</strong> gemaakt waarbij de prijs <strong>van</strong> het <strong>staal</strong> voornamelijk door<br />
de prijs <strong>van</strong> het schroot <strong>en</strong> <strong>van</strong> de elektrische stroom wordt bepaald.<br />
Figuur 2.6. Het (boog)elektro-ov<strong>en</strong>proces.<br />
<strong>De</strong> elektro-ov<strong>en</strong> biedt ook de mogelijkheid vrijwel elke andere <strong>staal</strong>kwaliteit, gelegeerd
<strong>De</strong> <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> <strong>staal</strong> <strong>en</strong> <strong>gietijzer</strong> 21<br />
<strong>en</strong> ongelegeerd, te mak<strong>en</strong>. Hierin ligt de grote betek<strong>en</strong>is <strong>van</strong> het elektro-ov<strong>en</strong>proces.<br />
Gelegeerd <strong>staal</strong> wordt (nog) overweg<strong>en</strong>d in de elektro-ov<strong>en</strong> gefabriceerd. Sommige<br />
(hoog)gelegeerde <strong>staal</strong>soort<strong>en</strong>, zoals roestvast<strong>staal</strong> dat in grote hoeveelhed<strong>en</strong> gemaakt<br />
wordt, word<strong>en</strong> echter ook in speciale convertors geproduceerd.<br />
Het vloeibare <strong>staal</strong> wordt in de <strong>staal</strong>fabriek verwerkt tot blokk<strong>en</strong> door giet<strong>en</strong> in<br />
blokvorm<strong>en</strong> of continu gegot<strong>en</strong> tot langgerekte str<strong>en</strong>g<strong>en</strong> of plakk<strong>en</strong>, waarin de stolling<br />
<strong>van</strong> het vloeibare metaal plaatsvindt. Voor de massa<strong>staal</strong>produktie overheerst teg<strong>en</strong>woordig<br />
het continu gietproces, dat later zal word<strong>en</strong> beschrev<strong>en</strong>. Bij het blokgietproces<br />
wordt in <strong>gietijzer</strong><strong>en</strong> blokvorm<strong>en</strong> of kokill<strong>en</strong> gegot<strong>en</strong>, waarbij de blokk<strong>en</strong> of ingots<br />
variër<strong>en</strong> <strong>van</strong> 0,5 – 20 ton voor walsblokk<strong>en</strong>, terwijl grote smeedblokk<strong>en</strong> tot 300 ton<br />
kunn<strong>en</strong> weg<strong>en</strong>. Gereedschaps<strong>staal</strong> wordt meestal in kleinere blokformat<strong>en</strong> gegot<strong>en</strong>, die<br />
soms b<strong>en</strong>ed<strong>en</strong> 1 ton kunn<strong>en</strong> ligg<strong>en</strong>. E<strong>en</strong> klein deel <strong>van</strong> het vloeibare <strong>staal</strong> wordt direct<br />
in zandvorm<strong>en</strong> gegot<strong>en</strong> tot gietstukk<strong>en</strong> (<strong>staal</strong>gietwerk).<br />
2.4. <strong>De</strong> <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> <strong>gietijzer</strong><br />
Oorspronkelijk gebruikte m<strong>en</strong> het direct uit de, to<strong>en</strong> nog kleine <strong>en</strong> met houtskool<br />
gestookte, hoogov<strong>en</strong> kom<strong>en</strong>de ijzer voor de produktie <strong>van</strong> gietstukk<strong>en</strong>. To<strong>en</strong> m<strong>en</strong> de<br />
hoogov<strong>en</strong>s groter ging mak<strong>en</strong> <strong>en</strong> cokes als brandstof ging gebruik<strong>en</strong>, had het ruwijzer<br />
niet meer de gew<strong>en</strong>ste sam<strong>en</strong>stelling <strong>en</strong> moest e<strong>en</strong> tweede smelting uitgevoerd word<strong>en</strong><br />
in e<strong>en</strong> andere ov<strong>en</strong>. Rond 1880 werd hiervoor de nu nog veel gebruikte koepelov<strong>en</strong><br />
ingevoerd. Dit is e<strong>en</strong> cylindrische schachtov<strong>en</strong> die wordt gelad<strong>en</strong> met afwissel<strong>en</strong>de<br />
lag<strong>en</strong> ruwijzer <strong>en</strong> cokes. <strong>De</strong> cokes wordt aangestok<strong>en</strong> <strong>en</strong> verbrand met lucht, die onder<br />
in de ov<strong>en</strong> wordt geblaz<strong>en</strong>. Het ruwijzer smelt <strong>en</strong> verzamelt zich onder in de ov<strong>en</strong>. Na<br />
toevoeging <strong>van</strong> de gew<strong>en</strong>ste legeringselem<strong>en</strong>t<strong>en</strong> is het gereed om in de gietvorm<strong>en</strong> te<br />
word<strong>en</strong> gegot<strong>en</strong>. Teg<strong>en</strong>woordig wordt voor de <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> <strong>gietijzer</strong> ook veel gebruik<br />
gemaakt <strong>van</strong> elektrische smeltov<strong>en</strong>s.<br />
2.5. <strong>De</strong> stollingsreacties <strong>van</strong> <strong>staal</strong><br />
Bij de <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> <strong>staal</strong> uit ruwijzer word<strong>en</strong> door verbranding de in het ruwijzer<br />
voorkom<strong>en</strong>de koolstof <strong>en</strong> andere bijm<strong>en</strong>gsels <strong>en</strong> onzuiverhed<strong>en</strong> grot<strong>en</strong>deels<br />
verwijderd. Aan het eind <strong>van</strong> dit raffinageproces bevat het vloeibare <strong>staal</strong> e<strong>en</strong> overmaat<br />
aan opgeloste zuurstof . Door toevoeging <strong>van</strong> ferromangaan, e<strong>en</strong> legering <strong>van</strong> ijzer,<br />
mangaan <strong>en</strong> koolstof, wordt deze zuurstof voor het grootste gedeelte omgezet in MnO,<br />
dat wordt opg<strong>en</strong>om<strong>en</strong> in de slak. Het mangaan di<strong>en</strong>t tev<strong>en</strong>s om de laatste rest<strong>en</strong><br />
zwavel, aanwezig als FeS, om te zett<strong>en</strong> in MnS, terwijl de koolstof uit het ferromangaan<br />
di<strong>en</strong>t om het koolstofgehalte <strong>van</strong> het <strong>staal</strong> op het gew<strong>en</strong>ste niveau te br<strong>en</strong>g<strong>en</strong>. <strong>De</strong><br />
zuurstof kan door mangaan echter nooit volledig word<strong>en</strong> gebond<strong>en</strong>. Als verder ge<strong>en</strong><br />
desoxydatiemiddel<strong>en</strong> aan het <strong>staal</strong>bad word<strong>en</strong> toegevoegd kan bij temperatuurdaling <strong>en</strong><br />
vooral bij de stolling, waarbij de oplosbaarheid <strong>van</strong> zuurstof sterk vermindert, deze
22 Metaalkunde II<br />
gaan reager<strong>en</strong> met de altijd aanwezige opgeloste koolstof. Dit gebeurt door de reactie<br />
O + C → CO ↑<br />
Het gevormde koolmonoxyde zal tijd<strong>en</strong>s de stolling als gasbell<strong>en</strong> ontwijk<strong>en</strong>.<br />
Bij de stolling <strong>van</strong> giet<strong>staal</strong> is e<strong>en</strong> dergelijke gasontwikkelling beslist ontoelaatbaar.<br />
Ook voor veel wals<strong>staal</strong>soort<strong>en</strong> is deze ongew<strong>en</strong>st. Door toevoeging <strong>van</strong> sterker<br />
werk<strong>en</strong>de desoxydatiemiddel<strong>en</strong>, bijvoorbeeld silicium of aluminium, kan de zuurstof<br />
in het <strong>staal</strong> zo sterk word<strong>en</strong> gebond<strong>en</strong>, dat bij de stolling de CO-vorming niet meer kan<br />
optred<strong>en</strong>. M<strong>en</strong> spreekt dan <strong>van</strong> e<strong>en</strong> volledig gedesoxydeerd of gekalmeerd <strong>staal</strong>.<br />
Doordat bij de stolling ge<strong>en</strong> gasontwikkeling plaatsvindt, verloopt deze rustig, zodat<br />
ook wel gesprok<strong>en</strong> wordt <strong>van</strong> rustig <strong>staal</strong>. Silicium wordt meestal toegevoegd als<br />
ferrosilicium in de gietpan. <strong>De</strong> bij de desoxydatie gevormde siliciumoxyd<strong>en</strong> of<br />
silicat<strong>en</strong> stijg<strong>en</strong> voor het grootste deel op naar de slak. Voor e<strong>en</strong> klein deel word<strong>en</strong> ze<br />
bij de stolling als <strong>en</strong>dog<strong>en</strong>e niet-metallische insluitsels in het <strong>staal</strong> opg<strong>en</strong>om<strong>en</strong>. <strong>De</strong><br />
overmaat silicum, die altijd nodig is om de desoxydatie snel <strong>en</strong> zo volledig mogelijk te<br />
lat<strong>en</strong> verlop<strong>en</strong>, lost in het <strong>staal</strong> op. Gekalmeerd <strong>staal</strong> zal dus vrijwel altijd Si bevatt<strong>en</strong>,<br />
<strong>en</strong> omgekeerd, als <strong>staal</strong> Si bevat (bov<strong>en</strong> 0,1%), is het gekalmeerd.<br />
<strong>De</strong> desoxydatie wordt gewoonlijk afgerond door toevoeging <strong>van</strong> e<strong>en</strong> kleine<br />
hoeveelheid aluminium, dat e<strong>en</strong> nog grotere affiniteit tot zuurstof heeft dan silicium.<br />
Doordat het gevormde aluminiumoxyde moeilijk opstijgt in het vloeibare <strong>staal</strong>,<br />
ontstaan hierdoor harde <strong>en</strong> brosse insluitsels <strong>van</strong> Al2O3. Daarom wordt gewoonlijk<br />
niet met aluminium alle<strong>en</strong> gedesoxydeerd, maar met Si + Al.<br />
E<strong>en</strong> uitzondering op deze regel treedt op bij de produktie <strong>van</strong> <strong>staal</strong> voor koudvervorming,<br />
zoals autoplaat<strong>staal</strong>. Hierbij wordt wel alle<strong>en</strong> met Al gedesoxydeerd<br />
omdat Si de koudvervormbaarheid negatief beinvloedt. In dat geval moet<strong>en</strong> speciale<br />
maatregel<strong>en</strong> g<strong>en</strong>om<strong>en</strong> word<strong>en</strong> om de oxydische insluitsels uit het <strong>staal</strong>bad te<br />
verwijder<strong>en</strong>.<br />
Toevoeging <strong>van</strong> e<strong>en</strong> kleine overmaat aluminium bov<strong>en</strong> de hoeveelheid, die nodig is<br />
voor desoxydatie heeft het voordeel, dat ook de aanwezige stikstof wordt gebond<strong>en</strong> tot<br />
aluminiumnitride. Het <strong>staal</strong> wordt hierdoor minder gevoelig voor veroudering. Tev<strong>en</strong>s<br />
zorgt het aluminiumnitride voor e<strong>en</strong> korrelverfijning <strong>van</strong> het <strong>staal</strong>, waardoor de sterkte<br />
<strong>en</strong> taaiheid to<strong>en</strong>em<strong>en</strong>.<br />
2.6. <strong>De</strong> blokstolling<br />
<strong>De</strong> stolling <strong>van</strong> <strong>staal</strong>blokk<strong>en</strong> <strong>van</strong> gekalmeerd <strong>staal</strong> voldoet geheel aan de in hoofdstuk<br />
11 <strong>van</strong> deel 1 gegev<strong>en</strong> algem<strong>en</strong>e beschrijving. Aan het gestolde blok zijn de drie<br />
stollingszones (de fijnkorrelige randzone, de st<strong>en</strong>gelkristalzone <strong>en</strong> de grofkorrelige<br />
c<strong>en</strong>trale zone) meestal duidelijk te herk<strong>en</strong>n<strong>en</strong>. Doordat bij de stolling <strong>van</strong> gekalmeerd<br />
<strong>staal</strong> ge<strong>en</strong> sterke convectiestroming<strong>en</strong> optred<strong>en</strong> is de bloksegregatie betrekkelijk klein
<strong>De</strong> <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> <strong>staal</strong> <strong>en</strong> <strong>gietijzer</strong> 23<br />
(zie figuur 2.7b). In grote blokk<strong>en</strong> treedt zwaartekrachtsegregatie op, doordat vrij in de<br />
smelt gevormde kristall<strong>en</strong> soortelijk zwaarder zijn dan de vloeistof <strong>en</strong> naar b<strong>en</strong>ed<strong>en</strong><br />
zakk<strong>en</strong>. Dit is relatief zuiver materiaal. <strong>De</strong> laatst stoll<strong>en</strong>de vloeistof in de kop <strong>van</strong> het<br />
blok is het meest verontreinigd met legeringselem<strong>en</strong>t<strong>en</strong>. Op deze plaats treedt ook de<br />
slinkholte (lunker) op (zie figuur 2.7b <strong>en</strong>, in metaalkunde 1, figuur 11.7).<br />
Figuur 2.7. Segregatie <strong>van</strong> C, S <strong>en</strong> P in <strong>staal</strong>blokk<strong>en</strong>, uitgedrukt in proc<strong>en</strong>t<strong>en</strong> <strong>van</strong> de<br />
gemiddelde sam<strong>en</strong>stelling <strong>van</strong> het <strong>staal</strong>. (a) niet-gekalmeerd <strong>staal</strong>; (b) gekalmeerd <strong>staal</strong>.<br />
Bij het giet<strong>en</strong> <strong>van</strong> ongekalmeerd <strong>staal</strong> zal tijd<strong>en</strong>s de stolling e<strong>en</strong> sterke CO-gasontwikkeling<br />
optred<strong>en</strong>. <strong>De</strong> stolling verloopt onrustig. Dit komt tot uiting in e<strong>en</strong> sterke<br />
stroming in het gietblok, die wordt veroorzaakt door de opstijg<strong>en</strong>de gasbell<strong>en</strong>. Bov<strong>en</strong><br />
het <strong>staal</strong>oppervlak ziet m<strong>en</strong> e<strong>en</strong> reg<strong>en</strong> <strong>van</strong> vonk<strong>en</strong>, die wordt veroorzaakt door de<br />
verbranding <strong>van</strong> met de gasbell<strong>en</strong> meegesleurde ijzerdeeltjes. Daar na de vorming <strong>van</strong><br />
de vaste randlaag e<strong>en</strong> gedeelte <strong>van</strong> het CO-gas niet meer kan ontwijk<strong>en</strong>, ontstaan in het<br />
gietblok blaz<strong>en</strong> in e<strong>en</strong> bepaald patroon. In figuur 2.8. wordt e<strong>en</strong> langsdoorsnede door<br />
e<strong>en</strong> onrustig gegot<strong>en</strong> blok getoond. In het onderste deel op <strong>en</strong>kele c<strong>en</strong>timeters <strong>van</strong> de<br />
rand ontstaat de eerste blaz<strong>en</strong>krans. Op e<strong>en</strong> afstand daar<strong>van</strong> volgt de tweede blaz<strong>en</strong>krans,<br />
die zich over de totale hoogte <strong>van</strong> het blok uitstrekt. Ook in de kern kunn<strong>en</strong><br />
plaatselijk nog gasbell<strong>en</strong> word<strong>en</strong> gevormd. Bij e<strong>en</strong> goede regeling <strong>van</strong> de gasontwikkeling<br />
tijd<strong>en</strong>s de stolling kunn<strong>en</strong> de gevormde gasbell<strong>en</strong> juist de slink <strong>van</strong> het <strong>staal</strong><br />
comp<strong>en</strong>ser<strong>en</strong>, zodat ge<strong>en</strong> slinkholte ontstaat <strong>en</strong> het blok e<strong>en</strong> vlakke bov<strong>en</strong>kant vertoont.<br />
<strong>De</strong> gasvorming kan word<strong>en</strong> geregeld door tijd<strong>en</strong>s het giet<strong>en</strong> kleine hoeveelhed<strong>en</strong>
24 Metaalkunde II<br />
Figuur 2.8. Gasholt<strong>en</strong> in e<strong>en</strong> blok <strong>van</strong> ongekalmeerd <strong>staal</strong>.<br />
aluminium toe te voeg<strong>en</strong> aan het <strong>staal</strong>.<br />
Staalsoort<strong>en</strong> met e<strong>en</strong> laag koolstofgehalte, b<strong>en</strong>ed<strong>en</strong> 0,25% doch vooral omstreeks<br />
0,10%, l<strong>en</strong><strong>en</strong> zich bijzonder goed voor onrustig giet<strong>en</strong>; de gasontwikkeling betek<strong>en</strong>t<br />
e<strong>en</strong> nog verdere daling <strong>van</strong> het koolstofgehalte, <strong>en</strong> de heftige woeling heeft het<br />
voordeel, dat het stollingsfront schoongespoeld wordt, zodat e<strong>en</strong> zuivere oppervlaktelaag<br />
of ‘huid’ ontstaat. Daar staat teg<strong>en</strong>over, dat in de vloeibare kern de ophoping <strong>van</strong><br />
koolstof, fosfor <strong>en</strong> zwavel aanzi<strong>en</strong>lijk is, waardoor de eig<strong>en</strong>schapp<strong>en</strong> <strong>van</strong> het <strong>staal</strong><br />
ongunstig beïnvloed word<strong>en</strong>. Figuur 2.7a geeft e<strong>en</strong> beeld <strong>van</strong> de segregaties in e<strong>en</strong><br />
onrustig gegot<strong>en</strong> <strong>staal</strong>blok.<br />
Staalsoort<strong>en</strong> met e<strong>en</strong> koolstofgehalte bov<strong>en</strong> 0,25% kunn<strong>en</strong> niet ongekalmeerd word<strong>en</strong><br />
gegot<strong>en</strong>. Door het hoge koolstofgehalte kan het <strong>staal</strong> niet voldo<strong>en</strong>de zuurstof bevatt<strong>en</strong><br />
om tijd<strong>en</strong>s de stolling nog e<strong>en</strong> duidelijke gasontwikkeling te do<strong>en</strong> ontstaan. Bov<strong>en</strong>di<strong>en</strong><br />
is in dergelijke hoogwaardige <strong>staal</strong>soort<strong>en</strong> de segregatie, die met ongekalmeerd <strong>staal</strong><br />
gepaard gaat, ontoelaatbaar. Om deze red<strong>en</strong> word<strong>en</strong> ook gelegeerde <strong>staal</strong>soort<strong>en</strong> altijd<br />
gekalmeerd gegot<strong>en</strong>. Tuss<strong>en</strong> ongekalmeerd <strong>en</strong> volledig gekalmeerd gegot<strong>en</strong> <strong>staal</strong> zijn<br />
allerlei tuss<strong>en</strong>vorm<strong>en</strong> mogelijk.<br />
<strong>De</strong> voordel<strong>en</strong> <strong>van</strong> ongekalmeerd bov<strong>en</strong> gekalmeerd <strong>staal</strong> zijn:<br />
– Ongekalmeerd <strong>staal</strong> is goedkoper, doordat minder toevoegmaterial<strong>en</strong> nodig zijn bij<br />
de produktie <strong>en</strong> doordat er minder materiaalverliez<strong>en</strong> optred<strong>en</strong> bij het wals<strong>en</strong>.<br />
– Ongekalmeerd <strong>staal</strong> heeft e<strong>en</strong> zuiver oppervlak, wat voor veel toepassing<strong>en</strong> <strong>van</strong><br />
belang is.
<strong>De</strong> <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> <strong>staal</strong> <strong>en</strong> <strong>gietijzer</strong> 25<br />
E<strong>en</strong> nadeel <strong>van</strong> ongekalmeerd <strong>staal</strong> is de sterke segregatie, waardoor het kernmateriaal<br />
<strong>van</strong> mindere kwaliteit is, hetge<strong>en</strong> e<strong>en</strong> nadelig effect heeft op de lasbaarheid <strong>en</strong> op de<br />
taaiheid <strong>van</strong> het <strong>staal</strong>.<br />
2.7. Continu giet<strong>en</strong><br />
Het hierbov<strong>en</strong> beschrev<strong>en</strong> giet<strong>en</strong> <strong>van</strong> <strong>staal</strong> in <strong>gietijzer</strong><strong>en</strong> blokvorm<strong>en</strong> zoals weergegev<strong>en</strong><br />
in figuur 2.9, was vóór 1960 algeme<strong>en</strong> gebruikelijk <strong>en</strong> wordt voor kleinere<br />
produktie-e<strong>en</strong>hed<strong>en</strong> <strong>en</strong> voor speciale <strong>staal</strong>soort<strong>en</strong> nog steeds veel toegepast. Aan deze<br />
produktiemethode klev<strong>en</strong> echter belangrijke nadel<strong>en</strong>. In de voet <strong>en</strong> vooral in de kop<br />
<strong>van</strong> de blokk<strong>en</strong> is het materiaal verontreinigd door oxydatie <strong>en</strong> door segregatie. In de<br />
kopp<strong>en</strong> kunn<strong>en</strong> grote slinkholt<strong>en</strong> word<strong>en</strong> gevormd.T<strong>en</strong>gevolge hier<strong>van</strong> tred<strong>en</strong> er bij<br />
het uitwals<strong>en</strong> <strong>van</strong> de blokk<strong>en</strong> belangrijke materiaalverliez<strong>en</strong> op, waardoor <strong>van</strong> het<br />
gietblok niet meer dan 75 tot 85% nuttig kan word<strong>en</strong> gebruikt.<br />
Om deze verliez<strong>en</strong> te vermijd<strong>en</strong> heeft m<strong>en</strong> het continu giet<strong>en</strong> ontwikkeld waarbij e<strong>en</strong><br />
gehele ov<strong>en</strong>lading tot één lange plak of stang wordt verwerkt. Het principe <strong>van</strong> e<strong>en</strong><br />
dergelijke continu gietinstallatie is weergegev<strong>en</strong> in de figur<strong>en</strong> 2.10 <strong>en</strong> 2.11.<br />
Figuur 2.9. Het giet<strong>en</strong> in blokvorm<strong>en</strong>. (a) Vall<strong>en</strong>d giet<strong>en</strong>. (b) stijg<strong>en</strong>d giet<strong>en</strong>.
26 Metaalkunde II<br />
Figuur 2.10. Principeschets <strong>van</strong> het continu giet<strong>en</strong>.<br />
Figuur 2.11. Schema <strong>van</strong> e<strong>en</strong> continu gietinstallatie.
<strong>De</strong> <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> <strong>staal</strong> <strong>en</strong> <strong>gietijzer</strong> 27<br />
Het <strong>staal</strong> wordt hierbij gegot<strong>en</strong> in e<strong>en</strong> watergekoelde koper<strong>en</strong> blokvorm, die aan de<br />
onderzijde op<strong>en</strong> is (zie figuur 2.10). Bij de start <strong>van</strong> het gietproces wordt deze op<strong>en</strong>ing<br />
afgeslot<strong>en</strong> door e<strong>en</strong> stang, die langzaam omlaag kan word<strong>en</strong> getrokk<strong>en</strong>. Teg<strong>en</strong> de<br />
koper<strong>en</strong> vormwand vindt e<strong>en</strong> zeer snelle stolling plaats. Zodra de gestolde laag dik<br />
g<strong>en</strong>oeg is trekt m<strong>en</strong> de stopstang omlaag, waarbij het gedeeltelijk gestolde blok uit de<br />
blokvorm wordt getrokk<strong>en</strong>. Door bespuit<strong>en</strong> met water wordt e<strong>en</strong> verdere stolling <strong>van</strong><br />
het blok verkreg<strong>en</strong>. Na verwijdering <strong>van</strong> de stopstang kan het gietproces continu<br />
word<strong>en</strong> voortgezet. Door ombuig<strong>en</strong> <strong>van</strong> het gestolde maar nog warme blok naar het<br />
horizontale vlak kunn<strong>en</strong> zeer grote l<strong>en</strong>gt<strong>en</strong> word<strong>en</strong> vervaardigd (figuur 2.11).<br />
Voordel<strong>en</strong> <strong>van</strong> het continu gietproces zijn:<br />
– geringe kop- <strong>en</strong> voetverliez<strong>en</strong> (2 – 4%);<br />
– e<strong>en</strong> homog<strong>en</strong>e gietstructuur met weinig segregatie <strong>en</strong> insluitsels;<br />
– e<strong>en</strong> fijne kristalstructuur door de snelle stolling, waardoor het wals<strong>en</strong> kan word<strong>en</strong><br />
beperkt <strong>en</strong> er minder walstuig<strong>en</strong> nodig zijn;<br />
– automatisering <strong>van</strong> het gietproces is mogelijk.<br />
Als nadel<strong>en</strong> staan daarteg<strong>en</strong>over:<br />
– e<strong>en</strong> zeer dure installatie, die alle<strong>en</strong> bij grote produkties economisch kan word<strong>en</strong><br />
gebruikt;<br />
–met het continu gietproces kan ge<strong>en</strong> ongekalmeerd <strong>staal</strong> word<strong>en</strong> geproduceerd.<br />
2.8. Verontreiniging<strong>en</strong> in <strong>staal</strong><br />
<strong>De</strong> onzuiverhed<strong>en</strong>, die in opgeloste toestand in het vloeibare <strong>staal</strong> voorkom<strong>en</strong> kunn<strong>en</strong><br />
aanleiding gev<strong>en</strong> tot belangrijke segregatieverschijnsel<strong>en</strong>. Hierdoor word<strong>en</strong> de eig<strong>en</strong>schapp<strong>en</strong><br />
zeer ongunstig beïnvloed. Vooral fosfor <strong>en</strong> zwavel zijn in dit opzicht<br />
gevaarlijk, te meer daar homog<strong>en</strong>isatie door gloei<strong>en</strong> praktisch niet mogelijk is.<br />
Fosfor is vrij goed oplosbaar in <strong>staal</strong>. T<strong>en</strong> gevolge <strong>van</strong> e<strong>en</strong> zeer breed ontm<strong>en</strong>ggebied<br />
bij de stolling <strong>van</strong> Fe-P-legering<strong>en</strong> zal echter e<strong>en</strong> sterke kristalsegregatie optred<strong>en</strong>,<br />
waardoor de korrelgr<strong>en</strong>z<strong>en</strong> relatief rijk aan fosfor zijn. <strong>De</strong> kans op brosse breuk neemt<br />
hierdoor toe, hetge<strong>en</strong> tot uiting komt in e<strong>en</strong> hoge overgangstemperatuur bij de<br />
kerfslagproef.<br />
In teg<strong>en</strong>stelling tot fosfor is zwavel praktisch onoplosbaar in ijzer in vaste toestand.<br />
Zelfs kleine zwavelgehalt<strong>en</strong> kunn<strong>en</strong> aanleiding gev<strong>en</strong> tot de vorming <strong>van</strong> het bij 980<br />
°C smelt<strong>en</strong>de Fe-FeS-FeO eutecticum langs de korrelgr<strong>en</strong>z<strong>en</strong>. Hierdoor wordt het<br />
<strong>staal</strong> warmbros (roodbros). Het is dan moeilijk warmvervormbaar, daar het bij de<br />
walstemperatuur smelt<strong>en</strong>de eutecticum scheur<strong>en</strong> veroorzaakt. Gelukkig kan de<br />
zwavelsegregatie word<strong>en</strong> beperkt door toevoeging <strong>van</strong> Mn, dat e<strong>en</strong> grotere affiniteit<br />
heeft tot zwavel dan ijzer. MnS heeft e<strong>en</strong> hoger smeltpunt dan ijzer <strong>en</strong> zal daardoor<br />
primair uitkristalliser<strong>en</strong>. <strong>De</strong> zwavelsegregatie in <strong>staal</strong> zal hierdoor sterk verminder<strong>en</strong>,<br />
waardoor de warmbrosheid niet meer optreedt. <strong>De</strong> gevormde mangaansulfid<strong>en</strong><br />
word<strong>en</strong> na de stolling gedeeltelijk als niet-metallische insluitsels teruggevond<strong>en</strong>.
28 Metaalkunde II<br />
Voor het verkrijg<strong>en</strong> <strong>van</strong> e<strong>en</strong> goede <strong>staal</strong>kwaliteit moet<strong>en</strong> de gehalt<strong>en</strong> aan fosfor <strong>en</strong><br />
zwavel daarom zo laag mogelijk zijn.Voor veel <strong>staal</strong>soort<strong>en</strong> word<strong>en</strong> maximale<br />
gehalt<strong>en</strong> <strong>van</strong> 0,030% voorgeschrev<strong>en</strong>,terwijl e<strong>en</strong> beperking tot minder dan 0,010%<br />
dikwijls gew<strong>en</strong>st is.<br />
Andere insluitsels in <strong>staal</strong> ontstaan als gevolg <strong>van</strong> de desoxydatie in de vorm <strong>van</strong><br />
oxyd<strong>en</strong>, aluminat<strong>en</strong>, silicat<strong>en</strong> <strong>en</strong> ander<strong>en</strong>. <strong>De</strong>ze hebb<strong>en</strong> meestal e<strong>en</strong> hoger smeltpunt<br />
dan <strong>staal</strong>, waardoor ze primair uitkristalliser<strong>en</strong> <strong>en</strong> niet nadelig zijn voor de warmvervormbaarheid.<br />
<strong>De</strong> mechanische eig<strong>en</strong>schapp<strong>en</strong> <strong>van</strong> het <strong>staal</strong> word<strong>en</strong> echter wel<br />
ongunstig beïnvloed, vooral de taaiheid <strong>en</strong> de vermoeiingssterkte. Het ijzeroxyde FeO<br />
smelt bij 1388 °C. Dit komt alle<strong>en</strong> voor bij onvoldo<strong>en</strong>de gedesoxydeerd <strong>staal</strong>, waar het<br />
segregeert naar de korrelgr<strong>en</strong>z<strong>en</strong> <strong>en</strong> sam<strong>en</strong> met FeS <strong>en</strong> Fe e<strong>en</strong> laag smelt<strong>en</strong>d<br />
eutecticum kan vorm<strong>en</strong> dat aanleiding kan gev<strong>en</strong> tot scheur<strong>en</strong> bij de warmvervorming.<br />
2.9. <strong>De</strong> warmvervorming <strong>van</strong> <strong>staal</strong><br />
Het warmwals<strong>en</strong> <strong>en</strong> -smed<strong>en</strong> geschiedt bij hoge temperatuur in de aust<strong>en</strong>itische<br />
toestand <strong>en</strong> wel om de volg<strong>en</strong>de red<strong>en</strong><strong>en</strong>:<br />
– bij deze temperatuur is de rekgr<strong>en</strong>s laag <strong>en</strong> de rek groot;<br />
– er treedt rekristallisatie <strong>en</strong> dus ge<strong>en</strong> versteviging op;<br />
– in de aust<strong>en</strong>ietmodificatie is alle koolstof opgelost <strong>en</strong> dus is er ge<strong>en</strong> brosse cem<strong>en</strong>tiet<br />
aanwezig .<br />
Na de stolling ligg<strong>en</strong> verontreiniging<strong>en</strong>, zoals sulfid<strong>en</strong> <strong>en</strong> oxyd<strong>en</strong>, voor e<strong>en</strong> groot deel<br />
als e<strong>en</strong> netwerk om de metaalkristall<strong>en</strong> he<strong>en</strong> (ontaard eutecticum), dun op de eerstgestolde,<br />
dikker op de laatstgestolde plaats<strong>en</strong>. Dit netwerk is meestal bros <strong>en</strong> wordt<br />
daardoor tijd<strong>en</strong>s het vervorm<strong>en</strong> in kleine stukjes gebrok<strong>en</strong>. Naarmate m<strong>en</strong> heftiger<br />
vervormt, gaat het opbrek<strong>en</strong> <strong>van</strong> het netwerk verder <strong>en</strong> word<strong>en</strong> de rester<strong>en</strong>de stukjes<br />
kleiner.<br />
Ev<strong>en</strong>tueel aanwezige gasholt<strong>en</strong> <strong>en</strong> microslinkholt<strong>en</strong> word<strong>en</strong> dichtgedrukt. Daar het<br />
grondmateriaal aane<strong>en</strong> wordt geweld, ontstaat e<strong>en</strong> metaal dat e<strong>en</strong> hechte sam<strong>en</strong>hang<br />
heeft.<br />
<strong>De</strong> vervormingstemperatuur wordt gekoz<strong>en</strong> bov<strong>en</strong> het rekristallisatietraject <strong>van</strong> de<br />
aust<strong>en</strong>iet, waardoor rekristallisatie optreedt. Door het smed<strong>en</strong> of wals<strong>en</strong> tot e<strong>en</strong><br />
betrekkelijk lage temperatuur voort te zett<strong>en</strong> wordt e<strong>en</strong> materiaal met e<strong>en</strong> fijne structuur<br />
verkreg<strong>en</strong>. Vergelek<strong>en</strong> met het gegot<strong>en</strong> materiaal heeft het gesmede of gewalste<br />
materiaal e<strong>en</strong> grotere sterkte <strong>en</strong> vooral e<strong>en</strong> grotere taaiheid.<br />
Het temperatuurtrajekt voor smed<strong>en</strong> of wals<strong>en</strong> wordt bepaald door de sam<strong>en</strong>stelling<br />
<strong>van</strong> het <strong>staal</strong> <strong>en</strong> door de vorm <strong>van</strong> het aust<strong>en</strong>ietgebied. Voor verschill<strong>en</strong>de <strong>staal</strong>soort<strong>en</strong><br />
wordt dit hieronder aangegev<strong>en</strong>:<br />
zacht <strong>staal</strong> ca. 0,1% C 1300 – 950 °C<br />
machine<strong>staal</strong> ca. 0,45% C 1100 – 900 °C
gereedschaps<strong>staal</strong> ca. 1,0% C 1000 – 800 °C<br />
gelegeerd <strong>staal</strong>, meestal 1100 – 900 °C<br />
<strong>De</strong> <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> <strong>staal</strong> <strong>en</strong> <strong>gietijzer</strong> 29<br />
Al deze temperatur<strong>en</strong> ligg<strong>en</strong> in het aust<strong>en</strong>ietgebied. Bij het afkoel<strong>en</strong> na de vervorming<br />
treedt transformatie op <strong>van</strong> aust<strong>en</strong>iet in ferriet <strong>en</strong> cem<strong>en</strong>tiet (zie het volg<strong>en</strong>de hoofdstuk).<br />
Ook deze omzetting werkt mee aan de verfijning <strong>van</strong> de kristalstructuur.<br />
Na het smed<strong>en</strong>, maar vooral na het wals<strong>en</strong>, zijn de eig<strong>en</strong>schapp<strong>en</strong> <strong>van</strong> het <strong>staal</strong> in <strong>en</strong><br />
loodrecht op de walsrichting verschill<strong>en</strong>d. Dit verschil in eig<strong>en</strong>schapp<strong>en</strong> ontstaat<br />
doordat de slakinsluitsels in ban<strong>en</strong> ev<strong>en</strong>wijdig aan de vervormingsrichting ligg<strong>en</strong> <strong>en</strong><br />
daardoor in de dwarsrichting meer invloed hebb<strong>en</strong> dan in de walsrichting.<br />
Tijd<strong>en</strong>s het warmwals<strong>en</strong> wordt het oppervlak <strong>van</strong> het materiaal voortdur<strong>en</strong>d<br />
geoxydeerd. <strong>De</strong> harde oxyd<strong>en</strong> word<strong>en</strong> in het zachte materiaal gedrukt <strong>en</strong> bederv<strong>en</strong><br />
daarmede de oppervlaktelaag, zodat warmgewalst <strong>staal</strong> altijd e<strong>en</strong> vrij ruw oppervlak<br />
heeft.<br />
Opgav<strong>en</strong><br />
2.1. Wat is het doel <strong>van</strong> de ertsvoor<strong>bereiding</strong> door sinter<strong>en</strong> <strong>en</strong> pelletiser<strong>en</strong>?<br />
2.2. Geef de verschill<strong>en</strong> aan tuss<strong>en</strong> de ertsvoor<strong>bereiding</strong> door sinter<strong>en</strong> <strong>en</strong> door<br />
pelletiser<strong>en</strong>.<br />
2.3. Welke stoff<strong>en</strong> gaan er in de hoogov<strong>en</strong> <strong>en</strong> welke kom<strong>en</strong> eruit?<br />
2.4. Welke functies heeft cokes in de hoogov<strong>en</strong>?<br />
2.5. Wat is de Boudouard reactie <strong>en</strong> wat is het belang daar<strong>van</strong> voor het hoogov<strong>en</strong><br />
proces?<br />
2.6. Waarom bevat het ruwijzer ca. 4% koolstof?<br />
2.7. Geef de fundam<strong>en</strong>tele verschill<strong>en</strong> aan tuss<strong>en</strong> de convertor- <strong>en</strong> de ov<strong>en</strong>process<strong>en</strong><br />
voor de <strong>staal</strong><strong>bereiding</strong>.<br />
2.8. Waarvoor is er e<strong>en</strong> grote verbrandingswarmte <strong>van</strong> de bijm<strong>en</strong>gsels nodig bij de<br />
ruwijzerraffinage?<br />
2.9. Waarom kan koper niet uit <strong>staal</strong>schroot verwijderd word<strong>en</strong> tijd<strong>en</strong>s het oxydatieraffinageproces?<br />
2.10. Waarom geeft m<strong>en</strong> de voorkeur aan de electro-ov<strong>en</strong> bov<strong>en</strong> de oxy<strong>staal</strong>convertor<br />
voor de <strong>bereiding</strong> <strong>van</strong> gereedschaps<strong>staal</strong>?<br />
2.11. Op welke wijze kan m<strong>en</strong> de gevoeligheid voor veroudering <strong>van</strong> <strong>staal</strong> beperk<strong>en</strong><br />
bij de <strong>bereiding</strong>?<br />
2.12. Geef e<strong>en</strong> aantal verschill<strong>en</strong> in eig<strong>en</strong>schapp<strong>en</strong> <strong>van</strong> gekalmeerd <strong>en</strong> nietgekalmeerd<br />
<strong>staal</strong>.<br />
2.13. Waarom kan ongekalmeerd <strong>staal</strong> niet continu gegot<strong>en</strong> word<strong>en</strong>?<br />
2.14. Beschrijf het verschil in de schadelijke effect<strong>en</strong> <strong>van</strong> fosfor <strong>en</strong> zwavel in <strong>staal</strong>.<br />
2.15. Waarom wordt <strong>staal</strong> warmvervormd bov<strong>en</strong> de A3 temperatuur?<br />
2.16. Waarom is de walstemperatuur <strong>van</strong> constructie<strong>staal</strong> hoger dan die <strong>van</strong> gereedschaps<strong>staal</strong>?