staal16

De productie van staal in een notendop

Het productieproces van staal spreekt velen tot de verbeelding. Een modelbaan met een hoogoveninstallatie kan daarom steeds op heel wat bijval rekenen. Maar niet iedereen kent het precieze verloop van dit proces. Hoe komt je na de ontginning van ijzererts uiteindelijk tot een afgewerkt product zoals blik, auto's, of zelfs sporen voor onze modelbaan? En waarom heb je cokes en kalksteen nodig om staal te produceren. En zit er nu echt vloeibaar ijzer in de torpedowagens?

staal08staal01staal10

Geschiedenis 

De oudste bekende hoogoven in België dateert van het einde van de zeventiende eeuw (1963). Toen vonden de meeste hoogoven-activiteiten plaats in de Luikse regio. Een echte start van de staalindustrie kwam er pas toen John Cockerill zich in 1817 in Seraing bij Luik vestigde om de bestaande staalindustrie grondig te moderniseren. Deze hoogovens werkte op cokes in de plaats van houtskool. Cokes werd gewonnen uit steenkool die massaal in de ondergrond aanwezig was. De hoogovenindustrie was geboren. Pas in 1838 stichtte John Cockerill het eerste industriële complex met hoogovens, een staalgieterij, walserijen, smederijen en constructiewerkplaatsen. Hier werd de uiteindelijke basis gelegd die België tot de grootste industriële mogendheid op het Europese vasteland maakte. Door de verminderde vraag naar staal in Europa en het vertrek van de staalindustrie naar de lageloonlanden werden in België de meeste klassieke hoogovens gedoofd. Aan de indrukwekkende staalgeschiedenis van de Luikse regio kwam in 2011 een einde door de definitieve sluiting van de laatste Hoogovens.

staal 31staal 32

Grondstoffen

Om staal te produceren heb je grondstoffen nodig die onontbeerlijk zijn voor de productie van staal. In de eerste plaats heb je ijzererts nodig. Daarnaast vormen steenkool en kalksteen de belangrijkste basisingrediënten. Via een smeltprocédé kun je ijzer aan ijzererts onttrekken. Dit gebeurt in hoogovens. Sinds de 20ste eeuw wordt voor het smelten van ijzererts massaal cokes gebruikt. Cokes kun je beschouwen als veredelde steenkool. Om deze reden vind je vaak oude hoogoveninstallaties in de nabijheid van de gekende steenkoolbekkens. Denken we maar aan het Ruhrgebied in Duitsland, het bekken Luik-Charleroi en verder in het Noorden van Frankrijk richting Pas De Calais. Tegenwoordig vind je nieuwe hoogovens in de nabijheid van moderne zeehavens, zoals Corus in Nederland en Sidmar in Zelzate. Het ijzererts komt ondermeer uit Canada, Brazilië, Venezuela, India, Australië en Zweden. Steenkool haalt men uit de Verenigde Staten, Canada, Venezuela, India, Australië en Polen. Deze grondstoffen komen in onze havens toe als grof gruis.

staal02staal03staal04

In de haven van Antwerpen zorgt het overslagbedrijf ABT of Antwerp Bulk Terminal (het vroegere Stocatra) in de bundel Zandvliet nabij Berendrecht, voor de opslag en overslag van ijzererts en steenkool. Enorme grijpers zorgen voor het lossen van de schepen. Omdat bij steenkool en ijzererts veel stof kan opwaaien, worden de opslagplaatsen constant besproeid met water. Het besproeien van de installaties is ook noodzakelijk om zelfontbranding van het steenkool te voorkomen. Om de kwaliteit van het ijzererts onder controle te houden worden de aangevoerde grondstoffen met elkaar gemengd. Dit gebeurt op de zogenoemde mengvelden waar lagen van verschillende herkomst en kwaliteit op elkaar worden gelegd. Via transportbanden wordt de grondstof naar bunkers gevoerd die instaan voor het automatisch vullen van voornamelijk goederenwagens van het type Fal(l)(s) en Fal(n)s die geschikt zijn voor het vervoer van steenkool en ijzererts.

staal06staal07

Naast ijzererts en steenkool heeft men kalksteen nodig. Kalksteen wordt gebruikt als bindmiddel om vervuiling uit het ijzererts te halen. België kent verschillende kalksteengroeven zoals in Hermalle en Jemelle die dagelijks instaan voor kaltransporten naar verschillende staalfabrieken, ondermeer naar IJmuiden in Nederland. Het vervoer gebeurt hoofdzakelijk met wagens type Falns en Tads.

Productie van cokes

Via het spoor gaat een deel van het transport van steenkool eerst naar een cokesfabriek. Ondermeer naar de Cokesfabriek van Ougrée nabij Luik en Creutzwald in Frankrijk. In deze fabrieken wordt van steenkool cokes gemaakt. Cokes krijgt men door vergassing van steenkool. Cokes heeft men nodig voor het smelten van ijzererts in een hoogoven. Door cokes te gebruiken kan men in de hoogovens immers veel hogere temperaturen bereiken dan met steenkool. De productie van cokes gebeurt in zogenoemde cokesovens. Bij een temperatuur van 1000 °C valt de steenkool uiteen en krijgt men een compacte massa. De rest de steenkool die niet omgezet wordt naar cokes wordt gemalen tot fijn poederkool dat later rechtstreeks in de hoogoven wordt gestort. Om te vermijden dat de cokes bij het verlaten van de oven zou opbranden, wordt de afgevoerde cokes onmiddellijk gekoeld onder de blustorens. De gassen die vrijkomen bij het productieproces van cokes worden opnieuw gebruikt als brandstof in het verdere productieproces. Vroeger werd dit gas ook aangewend voor huishoudelijk gebruik. Dit gas werd opgeslagen in speciale gastorens aan de rand van de stad. Tegenwoordig zijn deze gasinstallaties uit het landschap verdwenen.

Sinter en pellets

Het aangevoerde ijzererts verschilt vaak in kwaliteit. De hoeveelheid ijzer kan variëren van 30 tot 60 %. Door de achteruitgang van de kwaliteit van het ijzererts en door de aanvoer van fijner erts, is de ertsvoorbereiding steeds belangrijker geworden. Om vervuiling van het toekomstige staal tegen te gaan wordt in een voorbereidende fase het ijzererts van een mindere kwaliteit gemalen en gebakken tot pellets. Pellets zijn harde bolletjes (knikkers) met een diameter die kan variëren van 10 tot 20 mm. Pellets bevatten meer ijzer dan het oorspronkelijke ijzererts omdat ze reeds een eerste basisbewerking hebben ondergaan.

Naast pellets wordt ook sinter geproduceerd. Sinter is een mengsel van fijn ijzererts, cokes en kalksteen. Het maken van sinter is een smeltproces waarbij het fijne ijzererts aan elkaar klontert tot grove, poreuze brokken. Door het gebruik van pellets en sinter wordt het stapelen van het ijzererts in de hoogovens sterk verbeterd en luchtiger, wat uiteindelijk het smeltproces ten goede komt.

Hoogovens

In een hoogoven wordt het ijzer gesmolten. Hoogovens zien er uit als hoge industrietorens van ongeveer 100 meter. De eigenlijke oven bevindt zich onderaan en is ruwweg 10 meter hoog met een diameter van 15 meter. Als basisgrondstoffen gebruikt men een samenstelling van ijzererts, pellets, sinter, cokes en kalksteen. Bij sommige moderne ovens wordt ook tot fijn poeder vermalen steenkool rechtstreeks in de hoogovens ingebracht als vervanging of als aanvulling van de dure cokes. Een mengsel van deze basisstoffen en enkele bijkomende toeslagstoffen wordt continu boven in de oven aangevoerd via een schuin oplopende lift. Door de aanvoer van hete lucht van ongeveer 1000 °C komen de cokes tot verbranding. Hierbij ontstaat koolstof monoxide. De koolstof monoxide zorgt voor de omzetting van het ijzeroxide in het ijzererts naar ijzer. Met andere woorden, de cokes zorgen ervoor dat het ijzer wordt losgemaakt van de zuurstof waaraan het in het ijzererts vast zit. Dit gebeurt bij een temperatuur van ongeveer 2000 °C. Dit is meer dan voldoende is om het ijzer te doen smelten.__

Het gesmolten ijzer zakt naar de bodem van de oven waar het kan afgetapt worden. Dit gebeurt via een drietal kleine gaatjes van enkele centimeters. Via afvoerkanalen gaat het vloeibare ijzer naar de ijzermengers of torpedowagens die onder de oven staan opgesteld.

Tijdens met het smeltproces wordt de toegevoegde kalksteen onder invloed van de hoge temperatuur omgezet in calciumoxide. Calciumoxide heeft de eigenschap zich te hechten aan de restproducten die aanwezig zijn in het ijzererts. Hierdoor ontstaan slakken die boven op het vloeibare ijzer drijven. Van deze slakken wordt slakzand gemaakt, dat later als grondstof gebruikt wordt in de cementindustrie en de wegenbouw.
De gassen die tijdens het productieproces vrijkomen bestaan vooral uit koolstof monoxide. Deze gassen worden boven in de oven verzameld en gezuiverd in speciaal gebouwde gaszuiveringsinstallaties die in de nabijheid van de oven staan opgesteld. Nadien kunnen deze gassen opnieuw gebruikt worden voor de opwarming van de aangevoerde lucht in de hoogoven of in een andere bedrijfseenheid waar men bijkomende energie nodig heeft.

staal14staal15staal17

De omzetting naar staal

Bij het verlaten van de oven heeft het vloeibare ijzer een temperatuur van ongeveer 1500 °C. Bij het overtappen in de ijzermengers of torpedowagens (soms ook gietvatwagens genoemd) blijft de temperatuur nagenoeg constant. Afhankelijk van de samenstelling en verschillende externe factoren kan het ruwijzer in de mengers 8 tot maximum 24 uur vloeibaar gehouden worden. Deze indrukwekkende reuzen op het spoor hebben een beladen gewicht tussen 300 en 800 ton. Afhankelijk van hun capaciteit kunnen ze een lading ruwijzer tussen 150 en 375 ton vervoeren. De grootste van deze mastodonten tellen 32 wielen op 8 draaistellen en worden enkel op de bedrijfsterreinen van hoogovenbedrijven ingezet. Via het spoor wordt het vloeibare ijzer vervolgens naar de (oxy)staalfabriek gebracht.

Bij het omzetten van vloeibaar ijzer naar staal wordt het koolstofgehalte in het ruwijzer verlaagd. Ruwijzer bevat namelijk nog 4 tot 5 % koolstof dat tijdens het smeltproces in de hoogovens niet verwijderd is. Hierdoor is het ijzer in harde gestolde vorm nog veel te broos en niet geschikt om bewerkt te worden. De koolstof wordt in de staalfabriek uit het vloeibare ijzer gebrand. Hiervoor wordt het vloeibare ijzer in een grote peervormige converter of omvormer gegoten. Met grote kracht wordt zuurstof in dit vat geblazen. Dit gebeurt met een watergekoelde zuurstoflans die in het midden van de oven is opgehangen. Door de massale toevoer van zuurstof gaat het koolstof in het metaal oxideren. Bij deze omzetting van ijzer naar staal kan de temperatuur in de oven oplopen tot zo'n 2000 °C. Bij deze hoge temperaturen worden de meeste koolstofdeeltjes die zijn achtergebleven verbrand.

Om de hoge thermische reacties in de hand te houden wordt vooraf nog schroot toegevoegd aan de converter. Schroot komt via de schroothandel en huisvuilverbrandingsinstallaties naar de staalfabriek. De hoeveelheid schroot kan oplopen tot één vijfde van het totale volume in de omvormer. Door de reactie tijdens het omzettingsproces ontstaat koolstof monoxide. Deze gassen worden opgevangen en later opnieuw gebruikt als brandstof. De andere ongewenste stoffen in het ijzer gaan zich binden met kalksteen die tijdens het blazen van zuurstof eveneens toegevoegd wordt aan het ruwijzer. De slakken die daarbij ontstaan gaan boven op het staal drijven en worden verwijderd en afgevoerd.

Wanneer het staal het gewenste koolstofgehalte heeft bereikt (vaak minder dan 0,1%), wordt het vloeibare staal in een gietpan overgebracht. Daarna gaat het naar de gieterij of de continue gietfabriek waar het staal in lange gietvormen wordt gegoten. Regelmatig wordt het stollend staal afgesneden zodat plakken ontstaan. Deze plakken, vaak ook slabben genoemd, hebben een lengte van ongeveer 10 tot 20 meter en een breedte van één tot twee meter. Elke plaat is ongeveer 22 cm dik. Naast slabben kunnen ook knuppels gegoten worden. Van deze knuppels kunnen later profielen zoals spoorwegrails gewalst worden.

Warmbandwalserij

De plakken die uit de gieterij komen, kunnen opgestapeld worden om verder af te koelen. De meeste plakken gaan echter rechtstreeks naar de warmwalserij. In een klassieke warmwalserij worden de plakken opnieuw opgewarmd tot een temperatuur van 1200 °C en onmiddellijk daarna gewalst tot plaatstaal. Een walserij bestaat uit meerdere achter elkaar geplaatste walsen waar elke plak door moet. Bij elke walsbeurt wordt de plak steeds dunner uitgewalst tot een uiteindelijke dikte van 1,5 tot maximum 25 mm wordt bereikt. Na de laatste wals wordt het staal opgerold tot coils of rollen plaatstaal en met staalband afgebonden. In sommige walserijen wordt het gewalst staal afgesneden in dunne plakken in plaats van opgerold. Dit gebeurt uitsluitend op verzoek van de klant. Voor de rollen klaar zijn voor transport, gaan ze nog eerst door een waterbad om sneller af te koelen. In de meeste gevallen worden de coils na afkoeling via het spoor vervoerd naar de koudbandwalserij. Het vervoer gebeurt met de gekende Shmm(n)s. Ondanks de afkoeling van de coils kun je de uitgestraalde hitte vaak nog voelen wanneer je naast een goederenwagen staat waarop rollen plaatstaal staan die rechtstreeks uit de warmwalserij komen.

In sommige staalfabrieken (ondermeer in Sidmar) beschikt men tegenwoordig over een moderne gietwalsinstallatie. Bij deze installatie wordt het vloeibare staal gegoten, gestold, en onmiddellijk daarna in één beweging gewalst tot circa 1 millimeter dik. Afhankelijk van de behoeften van de klant kunnen deze rollen nog een bijkomende behandeling ondergaan voor het verwijderen van alle oppervlakkige vervuiling, zodat het plaatstaal er schitterend uitkomt.

staal 33

Koudbandwalserij

Wanneer aan de staalfabriek geen warmwalserij verbonden is, worden de plakken (slabben of blooms) en knuppels eerst afgekoeld en opgestapeld en later via het spoor naar een warmwalserij gebracht. Dit is ondermeer het geval bij Ugine & ALZ in Genk. Dit bedrijf is gespecialiseerd in roestvrij staal. Onmiddellijk na het gieten van het staal worden de slabben via het spoor naar het zusterbedrijf Carinox in Châtelet gestuurd. In Châtelet worden de slabben met de aardgasgestookte plakkenovens opgewarmd en door de warmwalsgroep gestuurd. Vervolgens gaan de rollen plaatstaal van de warmbandwalserij naar staalverwerkingbedrijven waar de rollen koud uitgewalst worden. In deze koudbandwalserijen wordt het plaatstaal niet meer opgewarmd. Deze behandeling heeft het voordeel dat je zeer dun (0,12 tot 0,49 mm) maar ook sterk plaatstaal verkrijgt. Op vraag van de klant kan na het koudwalsen het oppervlak nog een nabehandeling krijgen. Bijvoorbeeld met tin of chroom voor het maken van verpakkingsmaterialen zoals conservenblik, maar ook met zink voor de auto-industrie of gegalvaniseerd en geverfd voor de bouwsector. Uiteindelijk gaat het eindproduct per schip, vrachtwagen of trein naar de klant waar het zijn definitieve bestemming krijgt.

CRW 8119 Astaal20staal21

De hoogoveninstallatie vormt slechts één schakel in het productieproces. Wie een volledig bedrijf in model wenst uit te bouwen moet naast een hoogoven ook oog hebben voor een overslag- of opslagplaats voor grondstoffen, een pellets- en sinterfabriek, een staalfabriek en daaraan verbonden een gieterij en een warmbandwalserij en tot slot een koudwalsinstallatie. Wil je alles compleet maken, dan heb je naast een hoogoven eveneens luchtverhitters, een gasreinigingsinstallatie, een gebouw voor het opvangen en verwerken van het stof, een gasopslagplaats, een ontzwavelingsstand en een machinehuis nodig. Vele merken bieden bruikbaar materiaal aan waarmee je een hedendaags of een oude installatie kunt nabouwen.

De gebouwen en treinmateriaal mogen binnen een tijdsperiode gerust door elkaar gebruikt worden. Ook in werkelijkheid is dit het geval. Vaak worden ijzermengers, gietpanwagens en locomotieven overgenomen van bedrijven die gesloten werden zonder dat hierbij vaste standaarden gehanteerd worden.

Een boeiend overzicht van de staalindustrie in West Europa (België, Duitsland, Frankrijk en Nederland), vind je opUrbex Hoogovens.