Staal
Staal bestaat voornamelijk uit het metaal ijzer en er zit ook nog een klein beetje koolstof in (2 tot 20 gram koolstof per kilogram staal, voor de rekenaars onder ons: 0,2% tot 2% koolstof).
Geschiedenis
Staal was al bekend in de oudheid en werd geproduceerd in zogeheten bloeiers en smeltkroezen. De vroegst bekende productie van staal is te zien in stukken ijzerwaren die zijn opgegraven op een archeologische vindplaats in Anatolië ( Kaman-Kalehöyük ) en moet bijna 4.000 jaar oud zijn, daterend uit 1800 voor Christus. De Romeinse dichter Horace beschrijft stalen wapens zoals de falcata op het Iberisch schiereiland, terwijl Norisch staal werd gebruikt door het Romeinse leger.
De bekendheid van Seric iron uit Zuid India (wootz staal) groeide aanzienlijk in de rest van de wereld. Metaalproductie plekken in Sri Lanka gebruikten windovens die werden aangeblazen door de moessonwinden en die koolstofrijk staal konden produceren. Grootschalige Wootz-staalproductie in India met behulp van smeltkroezen vond plaats in de zesde eeuw v. Chr., de baanbrekende voorloper van de moderne staalproductie en metallurgie (metaalkunde).
De Chinezen van de periode van de Strijdende Staten (Oude China van 403-221 v. Chr.) hadden gehard staal, terwijl Chinezen van de Han-dynastie (202 v. Chr. - 220 na Chr) intermediair (gelaagd) staal konden maken tegen het einde van de 1e eeuw na Christus.
Wootz-staal of Damascus-staal
In Sri Lanka maakte men van een vroege staalproductiemethode gebruik van een unieke windoven, aangedreven door de moessonwinden, die in staat was om koolstofrijk staal te produceren dat veel harder is dan koolstof-armer staal.
De vervaardiging van wat Wootz of Damascus-staal werd genoemd, is beroemd om zijn duurzaamheid en het vermogen om scherp te blijven. Het is mogelijk overgenomen door de Arabieren uit Perzië, die het uit India hebben gehaald. Men heeft pas ontdekt dat er zogeheten koolstofnanobuisjes waren opgenomen in de structuur, wat enkele van zijn legendarische kwaliteiten zou kunnen verklaren. Gezien de technologie van die tijd, moeten dergelijke kwaliteiten door toeval zijn geproduceerd. Men vermoed dat het staal uit één bepaalde mijn kwam. toen die mijn uitgeput raakte moest men erts van elders gebruiken maar dat had niet meer de juiste samenstelling om echte damascus-wapens te kunnen maken. Kennelijk had men toen wel kennis van tijd en gevoel voor temperatuur, want naast een heel nauwkeurige verhouding van temperatuur en duur van verhitting bij het maken van het staal, was de samenstelling van het erts van cruciaal belang: het moest rijk zijn aan fosfor en vooral, licht verontreinigd zijn met vanadium en molybdeen.
Tegenwoordig weten staalproducenten precies hoe ze staal met koolstof en luchttoevoeging sterk kunnen maken. Ook worden er kleine hoeveelheden van andere chemische elementen (spore-elementen zoals vanadium en molybdeen.) toegevoegd om hoog kwaliteit staal te maken.
Smeltkroes
Kroesstaal is staal dat wordt gemaakt door ruwijzer (gietijzer), ijzer en soms staal, vaak samen met zand, glas, as en andere vloeimiddelen, in een smeltkroes te smelten. In de oudheid was het onmogelijk om staal en ijzer te smelten met houtskool of kolenvuren, die geen hoge temperaturen konden bereiken. Ruwijzer, met een hoger koolstofgehalte en dus een lager smeltpunt, zou echter kunnen worden gesmolten, en door smeedijzer of staal gedurende lange tijd in het vloeibare ruwijzer te laten weken, zou het koolstofgehalte van het ruwijzer kunnen worden verlaagd als het langzaam verspreid in het staal.
Hierdoor ontstond een zogeheten composietstaal dat inhomogeen (wisselende samenstelling) was, bestaande uit een staal met een zeer hoog koolstofgehalte (voorheen het ruwijzer) en een staal met een lager koolstofgehalte (voorheen het smeedijzer). Dit resulteerde vaak in een ingewikkeld patroon wanneer het staal werd gesmeed, gevijld of gepolijst, met mogelijk de meest bekende voorbeelden afkomstig van het wootz -staal dat wordt gebruikt in Damascus-zwaarden. Het deel staal met veel koolstof (ruw- of gietijzer) is hard, maar breekbaar en het deel met minder koolstof door smeden en luchttoevoeging is taaier en vloeibaarder. De combinatie (composiet) zorgde juist voor de optimale eigenschappen en bijzondere patronen in het staal.
Pas in de 18e eeuw ontwikkelde de Engelsman Benjamin Huntsman een proces waarbij het ijzer bij hogere temperaturen volledig smolt en de aanwezige koolstof gelijkmatig in het ijzer werd verspreid. Voor de verhitting gebruikte hij cokes. Het uitgebreid en langdurig smeden in een poging om hetzelfde resultaat te bereiken, werd hierdoor overbodig. Dit proces maakte de weg vrij voor de industriële revolutie.
Gebruik
IJzer is als materiaal erg sterk en is goed te gebruiken in allerlei bouwwerken (gebouwen, bruggen), apparatuur (auto's, wasmachines) en gebruiksvoorwerpen (messen, gereedschap). IJzer komt in zuivere vorm niet in de natuur voor. Het bevindt zich in de aardkorst. De aardlagen en rotsen die een hoog ijzergehalte hebben noemt men ook wel ijzererts. In een staalbedrijf wordt in grote fabrieken het ijzer uit het ijzererts gehaald om er ten slotte staal van te maken.
Wist je dat men een heleboel staalsoorten kan maken? Elke staalsoort verschilt van de ander: het buigt wat makkelijker of is beter bestand tegen roesten.
IJzererts
Onze wereld (met alles erop en eraan) is opgebouwd uit atomen. Er bestaan een heleboel atoomsoorten of elementen. IJzer is zo een element. Echter, in de natuur komt ijzer in zuivere vorm niet voor: het heeft zich (meestal) gebonden aan zuurstof, een ander element. Zo een ijzer-zuurstof verbinding heeft een naam: ijzeroxide. Voornaamste vindplaats van ijzeroxiden is in de aardkorst en men noemt het dan ijzererts. IJzererts wordt opgegraven uit de grond in ertsmijnen. Gewonnen en gereinigd ijzererts is roodachtig van kleur en ziet eruit als zand.
Wist je dat het merendeel van de aardkorst uit ijzererts bestaat en dat de kern van de aarde voornamelijk uit ijzer bestaat?. Wij kennen ijzeroxide ook als roest: de bruine laag die zich, na een tijd, vormt bovenop een stuk ongeverfd staal (bijvoorbeeld een beschadigd deel van een auto).
Het ijzer waarvan het zuurstof verwijderd is, noemt men staal en alle handelingen nodig om dat te doen gebeuren in diverse fabrieken van een staalbedrijf. Hier maakt men van het ijzererts (uit de aardkorst) uiteindelijk staal.
Staal maken
Staal wordt gemaakt uit ijzererts. In Nederland gebeurt dit bij Tata Steel in IJmuiden. Bij Tata Steel wordt ijzererts in grote fabrieken gebakken tot brokken (sinter) of tot kleine balletjes (pellets). Samen met cokes (droog gedistilleerde ofwel gebakken kolen) worden de balletjes en brokken bovenin een hoogoven gegooid. Een hoogoven is een enorm groot vat van wel 50 meter hoog (dus net zo hoog als een helft van een voetbalveld, ongeveer 20 verdiepingen hoog!) en is binnenin ongeveer 15 meter diep (de diameter is 15 meter). Een moeilijk woord voor zo een groot vat is reactor.
Onderin de hoogoven wordt voorverwarmde hete lucht van 1200 °C (graden Celsius) ingeblazen. De hete lucht verbrandt de cokes en de zeer hete (2500 °C!) verbrandingsgassen stijgen door de bovenliggende sinter, pellets en cokes. Onderweg naar boven verwarmen de gassen het ijzererts en onttrekken en smelten het ijzer uit het ijzererts. Het gesmolten ijzer druppelt naar beneden en verzamelt zich onderin de hoogoven. Het onderste gedeelte van een hoogoven wordt ook wel de haard genoemd. Om het vloeibare ijzer af te voeren wordt een gat in de wand geboord, waarna het vloeibare ijzer in een gereedstaand opslagvat op een trein - een menger - wordt opgevangen. Dit vloeibare ijzer bevat zeer veel koolstof en wordt ook wel ruwijzer genoemd.
Het vloeibare ruwijzer wordt vervolgens per trein naar de staalfabriek gereden. In de staalfabriek wordt het koolstof zoveel mogelijk verwijderd door het te verbranden. Hierna wordt het nu vloeibare staal gegoten tot een plak en daarna gewalst tot de dikte van een plaat of blik.
Fabrikanten maken een heleboel voorwerpen uit de plakken en platen staal en rollen blik: auto's, wasmachines, conservenblikken. Zo'n beetje alles wat van staal is gemaakt.