thumb|Hoogoven in bedrijf thumb|Stalen brug thumb|Stalen tramrails Staal is een legering bestaand uit ijzer (Fe) en koolstof (C). De term staal wordt met name gebruikt voor ijzerlegeringen met een zodanig beperkt koolstofgehalte (typisch maximaal 1,8% C) of gehalte aan toevoegingen als chroom, dat ze warm vervormd kunnen worden. Hierin onderscheidt staal zich van bijvoorbeeld gietijzer, dat een hoger koolstofgehalte heeft.
Er zijn veel verschillende legeringen met deze twee elementen, meestal ook met andere bestanddelen, er bestaan dus ook zeer veel soorten staal. Door de grote keuze en zijn goede bewerkbaarheid is het een veel gebruikt constructiemateriaal. De koolstof wordt gebruikt om een hoge treksterkte en hardheid te verkrijgen.
In 2020 werd wereldwijd ongeveer 1800 miljoen ton staal geproduceerd.
Geschiedenis van de staalbereiding Oudheid IJzer wordt al meer dan 4000 jaar gebruikt voor diverse doeleinden. Het bereiden van kwalitatief hoogwaardig staal is eeuwenlang erg moeilijk geweest.
Het eerste door mensen vervaardigde ijzer werd omstreeks 1500 v.Chr. in laagovens gemaakt in het Hettitische Rijk, grotendeels gelegen in het huidige Anatolië. Zo'n drie eeuwen lang was deze techniek een zorgvuldig gekoesterd geheim van de Hettieten, maar na de val van hun rijk verspreidde deze metallurgische kennis zich betrekkelijk snel over grote delen van de Oude Wereld (IJzertijd).
De oudste Chinese archeologische vondsten van dergelijk smeedijzer dateren uit de 14de eeuw v.Chr.; (2021): 'Invention of cast iron smelting in early China: Archaeological survey and numerical simulation' in Advances in Archaeomaterials, Volume 2, Issue 1, p. 4-14
Laagovens zijn lage ovens, waarin om en om lagen houtskool en ijzererts werden gestapeld. Met blaasbalgen werd daar voorverwarmde lucht doorheen geblazen, waarbij de houtskool ging branden en er onder meer koolmonoxide werd gevormd, dat het ijzer uit zijn oxiden vrijmaakt volgens de reactie:
Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2
Daarbij werden slechts temperaturen bereikt lager dan het smeltpunt van ijzer. Dat had tot gevolg dat het ijzer niet gescheiden werd van de resten van het erts, de zogenaamde slak, en dat het ook weinig van de koolstof opnam. Het product was een buigzaam en zacht, vrijwel koolstof-loos ijzer met veel stukjes slak erin.
Om van dit zachte smeedijzer een harder kwaliteitsstaal te maken, moesten eerst met veel geduld de stukjes erts en slak uit het ijzer worden gehamerd. Vervolgens moest het hete ijzer dan gedurende lange tijd met houtskool in contact worden gebracht, zodat het voldoende koolstof kon absorberen. Het was moeilijk dit proces goed te beheersen, zodat staal vele eeuwen lang een zeer kostbaar product bleef.
Nieuwe tijd miniatuur|links|Hoogoven in de 17e eeuw Pas met de uitvinding van de hoogoven werd staal in grotere hoeveelheden geproduceerd. Dit proces werd al in de 8e eeuw v.Chr. in China toegepast, in Europa werd dit pas in de 15e eeuw ontdekt. Dit was een metershoge oven, die in principe op ongeveer dezelfde manier functioneerde als de laagoven, maar waarin wel een hogere temperatuur kon worden bereikt. Het ijzer kwam hierin wel tot smelten, zodat het gesmolten ijzer aan de voet van de oven kon worden afgetapt. Het ijzer was nu vrij van resten erts en slak, maar er was nu te veel koolstof in opgelost, nl. ongeveer 4%, terwijl goed staal 0,5 tot 2% koolstof bevat. Het aldus verkregen gietijzer was wel zeer hard, maar ook bros. Dit was voor sommige toepassingen een geschikt materiaal, maar onbruikbaar voor bijvoorbeeld zwaarden en snel bewegende machineonderdelen.
Om hiervan goed staal te maken, moest het product lange tijd in hete toestand worden gehamerd, zodat het grootste deel van de koolstof aan de lucht kon verbranden. Dat was een zo omslachtig proces dat men vaak verkoos staal te bereiden uit smeedijzer dat in laagovens was geproduceerd. Kwalitatief hoogwaardig staal bleef dus een kostbaar product. Het ijzerverbruik steeg in de meeste landen daarom niet ver boven het traditionele pre-industriële niveau van ongeveer 1 à 2 kilo per hoofd per jaar. Als gevolg van verbeteringen in de winning van ijzer kwam er in Engeland in 1755 zo'n 10 kg ijzer per hoofd van de bevolking per jaar beschikbaar. (1963): Mens, metaal, machine: hun rol in onze behoeftevoorziening. p. 25
De oudste Europese boeken over metallurgie zijn de (De la) pirotechnia (1540) van Vannoccio Biringuccio en de De re metallica (1556) van Georgius Agricola. Hoofdstuk 17 van boek 1 van de Pirotechnia beschrijft een productieproces van wat we tegenwoordig gietstaal noemen door blokken smeedijzer onder te dompelen in vloeibaar gietijzer en 6 uur lang te roeren.
Vanaf de 18de eeuw werden nieuwe metalen ontdekt die in legeringen sommige eigenschappen van staal kunnen verbeteren: nikkel (1751), mangaan (1774), molybdeen (1778), wolfraam (1781), titanium (1790), chroom (1797), niobium (1801), tantaal (1802) en vanadium (1803). Een van de eerste wetenschappers die staallegeringen op hun eigenschappen onderzocht, was Michael Faraday. Hij begon met een studie over de samenstelling van woetsstaal in 1819 en publiceerde daarna verslagen van experimenten met toevoeging van zilver, platina, rodium, nikkel en chroom. Pierre Berthier ontdekte in 1821 de zuurbestendigheid van chroomstaal.
Heden Pas de laatste 200 jaar is men door verbetering van het productieproces (bijvoorbeeld het Bessemer- en het oxystaalprocedé) erin geslaagd het ijzer betrekkelijk gemakkelijk te zuiveren tot een zodanig laag koolstofgehalte (minder dan 2%) dat het ductiel genoeg was om bewerkt te kunnen worden (bijvoorbeeld: walsen).
Andere verbeteringen van de afgelopen twee eeuwen: men ging cokes gebruiken in plaats van houtskool, zodat grootschalige ijzerproductie geen aanslag meer deed op de bossen, maar wel een eerste aanzet was tot het grootschalig gebruik van fossiele brandstof. door toegenomen kennis van de chemie leerde men welke stoffen men aan het erts moest toevoegen om ongewenste bestanddelen (bijvoorbeeld te veel zwavel of te veel fosfor) om te zetten in stoffen die zich met de slak vermengen, zodat het veel gemakkelijker werd om een kwalitatief hoogwaardig staal te vervaardigen.
Processtappen
Er zijn twee belangrijke productiemethoden van staal met verschillende processen. Staal kan worden gefabriceerd door nieuw ijzererts dat is gedolven uit de grond te bewerken, maar ook de recycling van bestaand staal, schroot, is zeer goed mogelijk.
Productie uit erts Hoogovens Een hoogoven produceert ruwijzer door het smelten van een mengsel van ijzererts, cokes, kalksteen en andere legeringselementen. Dit ruwijzer bevat ongeveer 4-5% koolstof en ook een aantal andere verontreinigingen (onder andere fosfor en zwavel).
Converter Door de aanwezigheid van bovengenoemde verontreinigingen is het ruwijzer nog onbruikbaar. Daarom wordt het nog verder gereinigd in een staalconverter. Het ontwerp van de converter is in de loop van de tijd geëvolueerd, en hangt ook af van de hoeveelheid fosfor in het ruwijzer. Historische converters zijn de Bessemerpeer (voor het Bessemerprocedé), de Gilchrist-Thomas-converter en de converter van Siemens-Martin; deze zijn bijna allemaal vervangen door het oxystaalprocedé, waarin met hoge snelheid bijna 100% zuurstof door het vloeibare ruwijzer geblazen wordt. Doordat zuurstof en koolstof zich erg gemakkelijk met elkaar verbinden wordt er koolstofmonoxide (CO) en koolstofdioxide (CO2) gevormd, die als gasvormige fase ontstaan en zich dus gemakkelijk laten verwijderen uit het vloeibare ruwijzer. Dit proces begint bij 1650°C.
Door deze behandeling komt er wel wat zuurstof in het staal te zitten. Dit kan later weer verwijderd worden door mangaan, aluminium of silicium toe te voegen. De zuurstof zal zich aan deze stoffen binden. De gevormde oxiden drijven op de stalen smelt, omdat hun dichtheid lager is dan die van staal. Deze drijvende laag oxiden op het staal noemt men slak en moet gescheiden worden van het staal voor het staal verder bewerkt kan worden. Er zal altijd een kleine hoeveelheid verontreinigingen in het staal achterblijven. Deze hoeveelheid is door de ver ontwikkelde staalbereidingsprocessen zo klein geworden dat het niet hinderlijk is.
Uit de converter, waar het ruwijzer is omgezet in staal (boven 2% aan koolstofgehalte wordt ijzer genoemd, onder de 2% aan koolstofgehalte heet staal), gaat het staal naar een panbehandelingsinstallatie waar het staal gehomogeniseerd wordt. Door toeslagstoffen (bijvoorbeeld niobium, mangaan, silicium, aluminium en schroot) wordt het staal op 'smaak' gebracht voor verdere verwerking.
Discontinu gietproces miniatuur|Het discontinue gietproces van de coquilles Als het staal zuiver genoeg is, moet het in een vaste vorm gegoten worden. Vroeger gebeurde dit tijdens een discontinu gietproces in zogenaamde coquilles tot ingots of blokvormen, grote cilindrische gietvormen. Nadat het staal in de ingot geheel afgekoeld was, werd het verder bewerkt tot plaatstaal of profielstaal. Dit had echter een groot nadeel: de verontreinigingen die nog in het staal zaten concentreerden zich veelal in het midden van de ingot, waardoor er daar een hoge concentratie verontreinigingen ontstond, wat - indien onvoldoende beheerst - tot problemen kan leiden.
Continugietproces Bij continugieten wordt het staal in een gekoelde gietvorm gegoten, waar het al gedeeltelijk afkoelt. Zodra er een huid om de stalen smelt is gevormd, wordt het door middel van startkettingen uit de gietvorm getrokken en door rollen ondersteund als een streng staal uit de machine geleid. Hierna worden er door zuurstofbranders plakken van ongeveer 225 mm dik van gesneden.
Een andere manier van continugieten is het gietwalsproces. De dikte van de plak is hier ongeveer 70 mm en na het gieten wordt de plak door een oven geleid en direct gewalst. Dit levert een besparing op ten opzichte van de dikkere plak: die moet eerst weer opgewarmd worden alvorens gewalst te kunnen worden.
Recycling Ruim een kwart van de wereldstaalproductie is afkomstig van gerecycled schroot. Schroot kan op verschillende manieren worden hersmolten naar staal. Dit kan gebeuren in de convertor, waar een hoeveelheid schroot wordt toegevoegd aan het geconverteerde ruwijzer om het te koelen. Verder is de aanwezigheid van roest in het schroot een voordeel. De in het roest gebonden zuurstof helpt in de convertor bij het verwijderen van de overtollige koolstof in het ruwijzer.
Een andere mogelijkheid is gebruik van een vlamboogoven, die uitsluitend schroot als grondstof gebruikt. Deze vorm van productie is efficiënter, kost minder energie en de uitstoot van koolstofdioxide is minder. Ieder ton schroot dat tot staal wordt verwerkt vermijdt het gebruik van 1,4 ton ijzererts en 0,7 ton steenkool en zorgt voor 1,5 ton minder uitstoot van CO2. Worldsteel Steel - the surprising recycling champion, 19 maart 2018, geraadpleegd op 20 april 2019 Verder vereist het minder grote installaties, een hoogoven is niet nodig, en investeringen in vergelijking tot de productie uit erts. Is het staal gesmolten en voldoet het aan de gestelde eisen dan wordt het gegoten op dezelfde manier als hierboven omschreven.
De kwaliteit van het schroot speelt een belangrijke rol. Sterk verontreinigd schroot geeft problemen bij het hersmelten. Vooral sporen van koper vormen een probleem, omdat koper niet uit ijzer kan worden geoxideerd. Daarom is het zorgvuldig selecteren van schroot in verschillende categorieën belangrijk.
Koolstofdioxide uitstoot