Search through the Arch-I-nfo database:

Geschiedenis van de staalbereiding

Ijzer in de 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 Klein-Azië in laagovens gemaakt. Een tijdlang was deze techniek een zorgvuldig gekoesterd geheim van het Hettitische Rijk, maar na de val van dit rijk verspreidde deze metallurgische kennis zich betrekkelijk snel over grote delen van de Oude Wereld (IJzertijd).

Laagovens waren lage ovens, waarin om beurten 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 vrijmaakte volgens de reactie:

Fe2O3+ 3CO of 2Fe + 3CO2

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 maar zacht, vrijwel koolstofloos 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.

Middeleeuwen
Pas veel later, in China omstreeks het begin van onze jaartelling, in Europa pas in de 15e eeuw, werd de hoogoven uitgevonden. 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, namelijk ongeveer 4%, terwijl goed staal 0,5 tot 2% koolstof bevat. Het aldus verkregen gietijzer was wel zeer hard, maar ook broos. 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 daarom niet ver boven het traditionele pre-industriële niveau van ongeveer 1 kilo per hoofd per jaar.

Heden
Pas de laatste 200 jaar is men door verbetering van het productieproces (bijvoorbeeld het Bessemerprocedé) erin geslaagd het ijzer betrekkelijk gemakkelijk te zuiveren tot een zodanig lager koolstofgehalte (minder dan 2%)  genoeg om te kunnen bewerken (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 teveel fosfor) om te zetten in stoffen die zich met de slak vermengen, zodat het veel gemakkelijker werd om een kwalitatief hoogwaardig ijzer te vervaardigen.

De mogelijkheid om op goedkope wijze kwalitatief hoogwaardig staal te produceren, heeft het ijzerverbruik enorm doen stijgen (in veel ontwikkelde landen ongeveer 500 kilo per hoofd per jaar).

Meer over Ijzerconstructies en sterkteleer

Geen opmerkingen:

Een reactie plaatsen