Transcript MATERIALEN - WordPress.com

MATERIALEN
JOOST VAN CAUWENBERGH
1
METALLURGIE
Een belangrijk onderdeel van de beschikbare materialen bestaat uit metalen, al dan niet ferro-metalen. Ijzer
is één van de meest voorkomende elementen op aarde
en daardoor ook in voldoende mate beschikbaar.
Een recent ontdekt materiaal, grafeen. Het is een koolstofmateriaal met zeer speciale eigenschappen. Grafeen is een enkellaagsvlak van koolstofatomen. Grafeen is 200 keer beter bestand tegen breken dan staal, waardoor het voor zover bekend één van de sterkste materialen is.
Grafeen is ook één van de snelste halfgeleiders (zo'n honderd keer sneller dan silicium).
GRONDSTOFFEN EN HOOGOVEN
De kennis van materialen is bijzonder belangrijk, want materialen
zijn onontbeerlijk in het dagelijkse leven en ook in het bedrijfsleven.
Materialen die worden gewonnen uit grondstoffen vinden op alle mogelijke plaatsen hun toepassing. Metalen worden gebruikt in auto’s,
stoelen, injectienaalden, computers, vliegtuigen, satellieten enz.
Kunststoffen zijn zeker even belangrijk en zijn al lang niet meer weg
te denken uit onze dagelijkse activiteiten.
Het is echter heel belangrijk om te weten waar de materialen vandaan komen alsook te weten hoe we ze gaan produceren, om nadien te begrijpen wat hun belangrijkste eigenschappen en toepassingsgebieden zijn. Dit is belangrijk om bij het ontwerp van een on-
derdeel of machine rekening te kunnen houden met een correcte
materiaalkeuze, zodat we achteraf het gewenste resultaat bekomen.
Voorwerpen die bijvoorbeeld vaak worden blootgesteld aan weersomstandigheden, kan men best maken uit stoffen die ongevoelig
zijn voor corrosie. Andere materialen worden vooral gekozen omwille van hun extreme sterkte of goede geleidbaarheid.
Voor elke toepassing is er een geschikt materiaal te vinden, al dan
niet in een aangepaste vorm.
Deze cursus steekt van wal met de metalen en al hun afgeleide materialen, niet zozeer omwille van de mate van belangrijkheid, maar
2
omdat dit één van de eerste materialen was die de mensheid heeft
ontwikkeld in een drang naar meer ontwikkeling en beschaving. Metalen hebben in onze geschiedenis een zeer belangrijke rol gespeeld en dat zal ongetwijfeld nog een hele tijd zo blijven.
FILM 1.1 Werking van de hoogoven
In de loop der jaren zijn daar natuurlijk nog heel wat materialen bij
gekomen, zoals de kunststoffen, die aparte eigenschappen hadden
(vaak complementair aan de metalen), zodat men nieuwe toepassingen kon bedenken en uitvoeren. Een belangrijk voorbeeld hiervan is
de goede isolatiewaarde van de kunststoffen en de toepassing als
isolatiemateriaal bij de opkomst van de elektrische energie.
Van ijzererst tot staal en gietijzer
Als we denken aan metalen, denken we vaak aan ijzer, wat natuurlijk
maar een deel is van alle metalen die er ter beschikking zijn. Ijzer is
wel een van de metalen die het langst door de mensheid wordt gebruikt. Een belangrijke rede hiervoor is dat ijzererts, waaruit we het
ijzer gaan halen via een hoogovenproces, ruimschoots voorradig is
in de aardkorst. Niet verwonderlijk dat de mensheid in het verleden
zo vaak ijzer heeft gebruikt.
Hoogoven
De hoogoven is een essentieel onderdeel om ijzer uit ijzererts te kunnen halen. Een hoogoven is een hoge schachtoven die is gemaakt
als een stalen omhulsel met aan de binnenzijde een vuurvaste bekleding (denk aan sommige BBQ’s met vuurvaste stenen). Een hoogoven wordt bovenaan bijgevuld en naarmate we zakken in de oven,
stijgt de temperatuur, totdat het ijzererts gaat smelten. Het smeltbad
Een hoogoven gaat brandstof (cokes) en erts met elkaar mengen
en laten smelten, zodat er ruw ijzer ontstaat. Hebben we meer
dan 2% koolstof, spreken we van gietijzer, hebben we minder
dan 2% gebonden koolstof, dan spreken we van staal.
bevat vloeibaar ijzer waarboven een slak drijft (onzuiverheden die
zich ook bevonden in het ijzererts). Ook komt er door de verbranding hoogovengas vrij dat men gaat gebruiken om de lucht voor de
verbranding voor te verwarmen, maar men kan dit ook zuiveren om
er branders mee te voeden in de warmwalserij. Ook gaat men het
gas kunnen gebruiken om er elektriciteit mee op te wekken.
Landen zoals Brazilië, Mauretanië, Australië, Venezuela zijn belangrijke leveranciers van aggregaten (dit zijn mineralen die economisch
rendabel zijn door hun lage verontreiniging van fosfor en zwavel en
door hun hoog ijzergehalte van meer dan 50%). Deze aggregaten
3
zijn eigenlijk ijzeroxiden (roest) die in het hoogovenproces van hun
zuurstof worden ontdaan om terug ruw ijzer te bekomen.
19.Afvoer van hoogovengas
Beschrijving tekening:
Men gaat niet zomaar cokes en ijzererts in de hoogoven gooien,
maar dit eerst zorgvuldig voorbereiden. Dit doet men door speciale
mengelingen te maken, sinters genaamd. Deze sinters zijn een mengeling van ijzererts, eventueel schroot, cokes en toeslagmateriaal
waarmee men de eigenschappen van het smeltbad kan beïnvloeden. Dit
mengsel wordt in brand gestoken en het gaat resulteren in sinterklompen die bestaan uit aan elkaar gebakken deeltjes. Deze worden
na afkoeling gebroken tot
ze de gewenste grootte
hebben.Dit mengsel, de
agglomeraten, worden in
de hoogoven aangevoerd
langs de bovenzijde via automatische karretjes. Een
dubbel sluissysteem laat
eerst de inhoud van het karretje zakken en sluit vervolgens af, waarna de tweede sluis opent en de inhoud in de hoogoven valt, om te vermijden dat de hoogovengassen ontsnappen.
1. ijzererts en toeslagmateriaal
2. cokes
3. aanvoerband
4. aanvoeropening (sluis)
5. laag van cokes
6. laag van sinter en ijzer
7. hete lucht blaasmonden
8. slak
9. vloeibaar ruwijzer
10.mixers
11.afvoerpan voor het ruwijzer
12.ontstoffer voor de hoogovengassen
13.windverhitters
14.uitlaatgassen (rook)
15.toevoer voor windverhitters
16.poedersteenkool (wordt via de blaasmonden mee ingespoten om
het cokesverbruik te verminderen.
17.cokes oven
18.cokes inlaat
Sinters
Het toeslagmateriaal waar we het daarnet over hadden zijn stoffen
zoals kalk, kwarts, silicaten of klei. De belangrijkste reden waarom
dit wordt toegepast is dat deze stoffen gesmolten gesteenten gaan
4
aantrekken en de smelttemperatuur kunnen beïnvloeden. Bovendien
gaan deze stoffen lichter zijn dan het vloeibare ijzer en alle gebonden verontreinigingen laten bovendrijven op het smeltbad. Dit heten
we de “slak”. Deze materialen worden in een latere fase trouwens
gebruikt in tal
van andere
sectoren, zoals de landbouw.
Cokes
De cokes is
de brandstof
in de hoogoven. Cokes
is gewoon
steenkool, die
ontdaan is van alle verontreinigingen, waardoor er teerproducten
kunnen worden afgescheiden of waardoor de steenkool aan elkaar
gaat kleven. Cokes is ook drukvaster dan steenkool, want zeker van
pas komt in een hoogoven.
Uitgangsproducten van een hoogoven
Een hoogoven produceert 3 bestanddelen, namelijk het ruwijzer
(waarvoor we natuurlijk de hoogoven in de eerste plaats gebruiken),
de hoogovengassen en de slak.
Het ijzer dat uit de hoogoven komt, is door het gebruik van cokes
verzadigd met koolstof en zal dan tussen de 3 à 4,5% koolstof bevatten. Het ijzer gaat ook andere stoffen bevatten die meegekomen zijn
met het ijzererts, zoals mangaan, silicium, fosfor en zwavel. Deze
verontreinigingen zijn stoffen die ook vaak voorkomen in de bodem.
Zoals we al eerder vertelden is de temperatuur van het ruwijzer ongeveer 1500°C. We gaan het in speciale torpedomengers (zie foto
onderaan) vervoeren naar de afdeling waar het staal wordt geprodu-
Verbranding van cokes kan natuurlijk nooit zonder zuurstof die uit de
lucht wordt gehaald. Zoals we al eerder aangaven wordt de lucht
voorverwarmd met de hoogovengassen tot een temperatuur van
1200°C via windverhitters (meestal 3 per hoogoven). De lucht kan
ook opgewaardeerd worden met aardgas of zuurstof, voor een nog
betere verbranding in de hoogoven.
5
ceerd uit het ruwe ijzer. Moderne fabrieken gaan soms ook slabs maken en deze vervoeren.
Het hoogovengas is een bijproduct van de hoogoven. Na het ontstoffen gaat men het gebruiken om de luchtverhitters te verwarmen om
de toegevoerde lucht voor te verwarmen. Ook wordt het gas gebruikt binnen de fabriek om bijvoorbeeld de snijbranders bij de
warmwalsafdeling te sturen. De overschot wordt nu meestal gebruikt
om er ook elektriciteit mee op te wekken. Dat is ook de rede waarom
er in Gent naast de ArcelorMittal-fabriek een gasgestookte elektriciteitscentrale aanwezig is die met het hoogovengas wordt gevoed.
De slak tot slot is ook een bijproduct. De slak gaat verontreinigingen
uit het ijzer onttrekken, die anders de mechanische eigenschappen
van het ijzer nadelig kunnen beïnvloeden. Hierbij denken we vooral
aan zwavel. De slak is achteraf in de vorm van slakkenzand bruikbaar in de cementindustrie. In een draadvorm wordt het ook gebruikt in de bouwnijverheid als warmte-isolatie. Ook in de land en
tuin-bouw worden slakken gebruikt om de bodemstructuren te veranderen.
6
BEREIDING VAN STAAL
Door de extra verbranding van onzuiverheden kan men van ruwijzer
komen tot staal. Dit gaan we doen met behulp van het oxystaalproces of L-D-proces.
De andere naam, misschien meer gekend is het oxystaalproces. We
mogen stellen dat 90% van het staal op deze wijze wordt vervaardigd.
Het vloeibare ijzer zit in een convertor en er wordt een lans naar beneden gelaten die boven het smeltbad blijft hangen. Vervolgens
gaat men zuivere zuurstof op het smeltbad blazen. Dit is het L-D proces. (Linz en Donauwitz zijn 2 Oostenrijkse steden waar men dit procédé voor het eerst heeft toegepast in 1953).
Ook in ArcelorMittal in Gent past men dit proces toe, aangevuld met
het bodemblazen van argon en stikstof. Door minder vrije zuurstof
kan men zo een betere temperatuursbeheersing bekomen. In de terminologie spreekt men dan over TBM-systeem (Thyssen Blas-Metallurgie).
7
In de conventor wordt ook schroot toegevoegd, om het smeltbad beter op temperatuur te kunnen houden en om het koolstofgehalte te
doen dalen.
FILM 1.2 Productie van staal
22cm dik) met snijbranders (gevoed door hoogovengas) op lengte,
waarna de slates naar de warmwalserij gaan voor verdere bewerking. (zie foto onderaan)
In de meeste staalfabrieken is er een systeem van continu gieten.
Het gemiddeld vulniveau van de convertor bij het oxystaalproces is 1,2
tot 1,5m
Ongeveer 200 ton ruwijzer wordt aangevoerd, wat we kunnen ontzwavelen met CaC2 + N2. Vervolgens gaan we afslakken en in de
convertor doen, waarna we schroot toevoegen. De convertor wordt
rechtop geplaatst en de zuurstoflans wordt naar beneden gelaten
op dan de zuurstof op het smeltbad te blazen en zo verontreinigingen te verbranden. Eventueel bodemblazen en de zuurstoflans verwijderen na ongeveer 17 minuten. De convertor wordt vervolgens
leeggekipt om dan in gietvormen (grote gloeiende platen) door getransporteerd te worden. Snijbranders snijden de slates (ongeveer
8
Het elektrostaalproces
Willen we hoogwaardige staalsoorten bekomen, dan wordt er hoofdzakelijk gewerkt via het elektrostaalproces. Een andere benaming
van deze oven is Hérault-oven of vlamboogoven. Vooral na 1914
zijn elektrostaalfabrieken niet gebonden aan een hoogovenproces
voor de productie van ruwijzer, maar kunnen als zelfstandige eenheden fungeren.
In deze oven wordt met een vonk gewerkt tussen de koolstofelektroden en de inhoud van de oven. Door de hitte van de elektrische
vlamboog zal het (voornamelijk schroot) worden gesmolten en teruggebracht worden tot een compact homogeen geheel. Door de goede regelbaarheid kunnen we hoogwaardig staal bekomen.
Er zijn ovens met een capaciteit van 10 tot 300 ton.
Bereiding van gietijzer
Aangezien gietijzer aan minder strenge eisen moet voldoen dan
staal en aangezien het moeilijk is om een continu kwaliteit te bieden,
werd gietijzer vroeger alleen gebruikt voor sierstukken, kachels en
machineonderdelen die geen strenge eisen vragen.
Gietijzer wordt vaak geproduceerd in een kroesoven, een inductieoven. Gietblokken van de hoogoven worden gebruikt als grondstof,
samen met afgekeurde gietstukken, opkomers alsook schroot. De
inductieoven is in staat om op een snelle manier verschillende soorten gietijzer te produceren. Het is ook eenvoudig om tijdens het bewerkingsproces extra elementen toe te voegen.
nam de betekenis ervan toe. In Nederland werd elektrostaal sinds
1921 geproduceerd, en wel door Demka. Later was het Nedstaal
dat elektrostaal uit schroot vervaardigde. Het belang van dit proces
is dat als grondstof uitsluitend schroot kan worden gebruikt. Aldus
9
Elektrostaalproces
secundair staalproces
ijzererts
steenkooltoevoeging
aardgas
continu gieten
reductie
steenkool
slabs (platen)
schroot
oxystaalproces
cokes oven
billets (balken)
bijproduct
klei
hoogoven
ruw ijzer gieten
10
2
METALLOGRAFIE
Hier gaan we de structuren van het ijzer en staal van
dichtbij bestuderen. De kristalroosters spelen een belangrijke rol bij de eigenschappen die we mogen toeschrijven aan de staalsoorten die we gaan gebruiken.
André Waterkeyn (Wimbledon, 23 augustus 1917 – Brussel, 4 oktober
2005) is de Belgische ingenieur die het Atomium in Brussel voor de wereldtentoonstelling van 1958 heeft ontworpen.
KRISTALROOSTERS EN OPBOUW
Bij hoge temperaturen zal een metaal vloeibaar zijn (uitzondering
hierop is kwik, dat reeds vloeibaar is bij kamertemperatuur) en nemen de atomen in het metaal geen vaste plaatsen in ten opzicht van
elkaar. Van zodra het metaal echter gestold is (vaste toestand bij kamertemperatuur) zijn er vaste elementen in het metaal die gaan uitgroeien tot kristallen. De meeste kristallen kunnen we met het blote
oog niet zien, maar wel met een microscoop. Bij ijzer of ferriet gaan
er zich kristallen vormen die vorm aannemen van een kubus (het atomium in Brussel is een uitvergroting van 165 miljard keer een elementair ijzerkristal).
Naarmate de stolling
verder zal doorzetten,
gaan de kristallen verder uitgroeien en op
den duur elkaar begrenzen. Op die manier ontstaat er een onregelmatige vorm van
deze misvormde kristallen, ook wel kristallieten geheten.
12