Een harde werker met zachte trekken

HIERMEE brengen piano’s muziek voort, produceren straalmotoren supersone knallen, tikken horloges, zoemen motoren, reiken wolkenkrabbers tot in de hemel en blijven hangbruggen hangen. Waar hebben we het over?

Het is staal. Staal is onontbeerlijk bij grootschalige constructies. Kolossale schepen van dit materiaal bevaren de zeven wereldzeeën. Pijpleidingen van staal voeren van afgelegen bronnen over een afstand van honderden kilometers olie en gas aan. Maar dit veelzijdig bruikbare materiaal is nog dieper verweven met het leven van alledag. Neem bijvoorbeeld de radiaalbanden van de bus die u neemt om naar uw werk te gaan, of de staalkabel die de lift in het flatgebouw waar u woont, ophijst en laat zakken. Hoe staat het met de stalen scharniertjes van uw bril en het stalen lepeltje waarmee u in uw kopje thee roert? Er bestaan duizenden toepassingen voor dit duurzame maar broze metaal. Hoe wordt het gemaakt en wat maakt het zo nuttig?

Koolstof en kristallen

Staal is een legering, of een mengsel, van twee stoffen waarvan de ’samenwerking’ niet zo voor de hand ligt — ijzer en koolstof. Vergeleken met andere metalen is zuiver ijzer zacht en daarom ongeschikt voor zware toepassingen. Koolstof is een niet-metaal. Diamanten en schoorsteenroet zijn simpelweg verschillende vormen van dit specifieke element. Maar als een kleine hoeveelheid koolstof met gesmolten ijzer wordt vermengd, ontstaat er een materiaal dat erg afwijkt van koolstof en dat veel sterker is dan ijzer.

De sleutel tot het vervaardigen van staal is iets wat een kristal wordt genoemd. Wist u dat ijzer uit kristallen bestaat? * In feite geldt dat voor alle metalen in vaste vorm en het is deze kristallijne samenstelling die ze hun vervormbaarheid, glans en andere eigenschappen verleent. Maar ijzerkristallen kunnen nog meer.

Het effect op staal

Bij de bereiding van staal wordt gesmolten ijzer vermengd met andere elementen. Als dit mengsel stolt, lost het ijzer de andere materialen op, waardoor ze eigenlijk in de kristalstructuur van het ijzer worden opgenomen en vastgehouden. Andere metalen gedragen zich op dezelfde manier. Wat is er zo speciaal aan ijzer?

IJzer is bijzonder omdat zijn kristalstructuur door hitte veranderd kan worden terwijl het nog steeds een vaste stof is. Door die eigenschap kunnen ijzerkristallen van een betrekkelijke gesloten vorm worden veranderd in een meer open vorm en vervolgens weer terug. Stel u een goed gebouwd huis voor waarvan de muren opzij en de vloer op en neer bewegen terwijl u in de woonkamer zit. Iets dergelijks gebeurt er binnen in ijzerkristallen wanneer het metaal wordt blootgesteld aan een hoge temperatuur zonder dat het wordt gesmolten en daarna wordt afgekoeld.

Als er tijdens die veranderingen koolstof aanwezig is, kan een harde legering zacht worden, of een zachte hard. Staalproducenten maken hier gebruik van en passen de hardheid van hun product aan met warmtebehandelingen zoals afschrikken, ontlaten en gloeien. * Maar er is meer.

Wanneer andere elementen — zoals mangaan, molybdeen, nikkel, vanadium, silicium, lood, chroom, borium, wolfraam of zwavel — worden toegevoegd, wordt staal niet alleen hard of zacht, maar sterk, taai,  vervormbaar, corrosievast, machinaal bewerkbaar, buigzaam, magnetisch, niet-magnetisch, enzovoort. Net zoals een bakker zijn ingrediënten en oveninstellingen aanpast om diverse soorten brood te bakken, wisselen metaalproducenten de samenstelling van legeringen en de warmtebehandeling ervan zodat staal in zijn duizenden soorten een onovertroffen toepasbaarheid heeft. Stalen rails dragen veilig goederentreinen van 12.000 ton terwijl stalen lagertjes ter grootte van een speldenknop de balans van een horloge ondersteunen.

Staalfabricage — Vroeger en nu

Eeuwen geleden maakten metaalbewerkers gebruiksvoorwerpen en wapens van ijzer. Ze ontdekten dat gesmolten ijzer (ijzer dat is gewonnen uit mineraalhoudend gesteente, erts genoemd) onzuiverheden bevatte die het metaal sterkte en hardheid gaven. Ook merkten ze dat een ijzeren werktuig dat in water werd afgeschrikt, nog harder werd. Tegenwoordig hebben kolossale ovens de vuurhaard van de smid vervangen; en gigantische walserijen kwamen in de plaats van zijn hamer en aambeeld. Maar de hedendaagse machines volgen dezelfde basisstappen als de gespierde smid van vroeger. Ze (1) smelten ijzer, (2) mengen het met legerende materialen, (3) laten het staal afkoelen en (4) vormen het en geven het een warmtebehandeling.

Let eens op de hoeveelheden in het kader hiernaast. Indrukwekkend genoeg kan een staalfabriek dit allemaal in één dag verwerken. Het fabriekscomplex beslaat een uitgestrekt terrein met daarop bergen van de mineralen waarmee de onverzadigbare honger van de ovens wordt gestild.

Een prachtig metaal met allerlei toepassingen

Het nut van staal wordt op veel uitzonderlijke plaatsen duidelijk. U zult het aantreffen onder de klep van een concertvleugel. De snaren, gemaakt van een van de sterkste staalsoorten, brengen schitterende muziek voort. Hadfieldstaal (mangaanstaal) wordt gebruikt voor het maken van grote steenbrekers, en hoe harder het moet werken om rotsblokken te vergruizen, hoe meer het staal wordt gehard. Van roestvrij staal worden chirurgische scalpels, wijnvaten en ijsmachines gemaakt. De toepassingen van staal zijn zo ontelbaar als de haren op ons hoofd.

Elk jaar wordt er over de hele wereld bijna 800.000.000 ton staal geproduceerd. Geen grammetje hiervan zou tot stand komen zonder ijzer, wat trouwens een van de meest voorkomende elementen op aarde is. Omdat steenkool en kalksteen ook ruim voorhanden zijn, ziet het ernaar uit dat staal nog tot ver in de toekomst beschikbaar zal zijn.

Wanneer u dus de volgende keer een metalen naainaald gebruikt, gaat vissen met een werphengel, een Engelse sleutel hanteert, het poortje van een ijzeren hek opent, autorijdt of rechte voren in een veld ploegt, denk dan eens aan het uitzonderlijke mengsel van ijzer en koolstof dat dit mogelijk maakt.

[Voetnoten]

[Kader op blz. 23]

Wat er nodig is om 10.000 ton staal te fabriceren

6.500 ton steenkool

13.000 ton erts

2.000 ton kalksteen

2.500 ton staalschrot

1,500.000.000 liter water

80.000 ton lucht

 [Kader/Illustraties op blz. 24, 25]

Hoe staal wordt gemaakt

Enkele details zijn weggelaten voor de overzichtelijkheid

Om staal te maken is hitte nodig. Laten we met een thermometer als onze gids eens de stappen op weg naar het eindproduct volgen.

▪ 1400 °C. Gigantische ovens verhitten steenkool in hermetisch afgesloten ruimten, waarbij ze ongewenste bestanddelen laten verdampen zonder dat de stukken verbranden. De resulterende zwarte brokken worden cokes genoemd. Die zorgt voor de hitte en de koolstof die later in het proces nodig zijn.

▪ 1650 °C. Cokes, ijzererts en kalksteen worden in een hoogoven gestort, waar ze terechtkomen in een zee van vuur en buitengewoon verhitte lucht. De cokes verbrandt en in de verzengende hitte binden ongewenste stoffen in het erts zich met de kalksteen, waardoor een bijproduct wordt gevormd: de metaalslak. Het ruwijzer smelt en verzamelt zich op de bodem van de oven. De metaalslak, die op het ijzer drijft, wordt in een vat gedaan en afgevoerd. Het vloeibare ijzer loopt in rijdende mengers, vanwege hun vorm ook wel torpedowagens genoemd, die hun kokendhete lading naar het volgende station brengen.

▪ 1650 °C. Negentig ton zorgvuldig gesorteerd metaalschrot wordt in een negen meter hoog peervormig vat gestort, bekend als de oxystaalconverter. Een kolossale gietpan giet witgloeiend, vloeibaar ijzer op  het schrot waarna er een regen van vonken ontstaat wanneer een watergekoelde buis — die een lans wordt genoemd — in het vat wordt neergelaten. Uit de lans raast een supersonische straal zuivere zuurstof die het metaal al gauw laat koken als een pan soep op een heet fornuis. Er vinden chemische reacties plaats. Binnen het uur heeft de converter zijn taak erop zitten en stroomt er een lading van 300 ton vloeibaar staal, een charge genoemd, in rijdende mengers, waar legeringselementen worden toegevoegd. De gloeiende stroom loopt in gietmachines. Het staal begint vorm te krijgen.

▪ 1200 °C. Het roodgloeiende staal wordt uitgewalst totdat de gewenste dikte is bereikt. Dat ’flink door de wringer halen’ maakt het metaal hard, zo hard dat het zich niet makkelijk meer laat vervormen. Gloeiende walsen geven het weer een grotere vervormbaarheid.

▪ Kamertemperatuur. Het staal is gegoten, gesneden, warmgewalst, koudgewalst, en zelfs gebeitst (gezuiverd in een zuurbad). Het is keer op keer verhit. Ten slotte zakt de thermometer voorgoed. Het vloeibare staal — de charge — is veranderd in stapels plaatstaal. Een metaalwerkplaats zal hiervan binnenkort buizen maken voor een kantoorcomplex.

Hoe is het mogelijk dat de ovens, rijdende mengers en gietpannen van een staalfabriek die tenslotte van datzelfde metaal gemaakt zijn, tijdens het proces niet smelten? De binnenkant van zulke belangrijke onderdelen is bekleed met stenen die gemaakt zijn van een vuurvast, of hittebestendig, materiaal. Het beschermende materiaal waarmee de oxystaalconverter is bekleed, is een meter dik. Maar die stenen hebben ook te lijden van de buitensporige hitte en moeten regelmatig worden vervangen.

[Diagram]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

1. IJZERFABRICAGE

1400 °C Steenkool → Cokesovens

↓

1650 °C Kalksteen

IJzererts → HOOGOVEN

↓

Gesmolten ijzer

2. STAALFABRICAGE ↓

1650 °C Schrot

Kalk en vloeimiddel

Zuurstof

↓

OXYSTAALCONVERTER

3. AFKOELEN ↓

CONTINUGIETEN

Klomp

Staaf

Plaat

4. AFWERKEN ↓

1200 °C Het walsen van staal (staven of balken)

Galvaniseren

Koudwalsen

Warmwalsen

Kamertemperatuur

[Illustratie]

Let op de grootte van de mensen

[Illustratieverantwoording op blz. 23]

All photos on pages 23-5 except watch: Courtesy of Bethlehem Steel