Als er één ding is dat een soepel verlopend EAF-proces onderscheidt van een rampzalig proces, dan is het de kwaliteit van de grondstoffen. Uw schrootbak is uw goedkoopste grondstof – en soms ook uw meest problematische. Zorg voor de juiste lading en het smeltproces verloopt vlot; gaat het mis, dan kampt u met fosforpieken, een te lange tijd tussen de tappen en legeringsverlies. Deze handleiding beschrijft wat er precies in een EAF terechtkomt, waar u op moet letten en hoe ervaren operators de variabelen beheersen.
Schrootstaal: het hart van het proces
Waarom schrootkwaliteit alles beheerst
In de meeste EAF-installaties bestaat 60 tot 100 procent van de metaallading uit schroot. Dat betekent dat de chemische samenstelling, dichtheid en zuiverheid van uw schroot direct bepalen hoe uw smeltproces verloopt. Een goed gesorteerde emmer met schroot van bekende kwaliteit smelt sneller, vereist minder chemische correcties en produceert schoner staal. Een emmer met onbekend schroot? Dat is een gok waar u in de loop der tijd en met extra additieven voor betaalt.
Het gaat niet alleen om een theoretische kwestie. De kwaliteit van het schroot heeft invloed op:
- Hoe snel je smelt (dichtheid en afmetingen spelen een zeer belangrijke rol)
- Hoeveel fosfor en zwavel je bestrijdt tijdens de oxidatieperiode
- Of restelementen (Cu, Sn, Cr, Ni) ervoor zorgen dat u buiten de specificaties valt
- Hoeveel waterstof je opneemt (roestig, olieachtig schroot is een echt probleem)
- Hoe veilig kunt u opladen (gesloten containers zijn dodelijk)
Schroot sorteren: gekocht versus geretourneerd
In de praktijk valt schroot in twee grote categorieën uiteen, en de manier waarop je ermee omgaat is heel verschillend.
Aangekocht schroot is afkomstig van alle plekken waar de schroothandelaar het heeft gevonden: sloopterreinen, afgedankte voertuigen, machineonderdelenleveranciers. De samenstelling is willekeurig en u weet mogelijk niet precies wat die is. Binnen aangekocht schroot zijn er een paar subcategorieën die van belang zijn:
- Zwaar schroot: Platen, blokken, constructieprofielen dikker dan 6 mm. Dicht, smelt langzaam, maar heeft een hoge opbrengst. Goed voor de bodem van de emmer.
- Middelgroot schroot: 3–6 mm dik. Profielstaal, buizen, machineonderdelen. Dit is hét ideale laadmateriaal.
- Licht schroot: Dun plaatwerk, blik, draad. Lage dichtheid, hoog volume. Pers het tot balen voordat het in de emmer gaat, anders bent u de hele dag aan het rekenen.
- Versnipperd schroot: Autocarrosserieën en dergelijke, verwerkt door een shredder. Consistente afmetingen, gemiddelde bulkdichtheid, relatief schoon. Veel bedrijven waarderen het vanwege het consistente smeltgedrag.
Retourmateriaal (ook wel intern schroot genoemd) bestaat uit restpartijen, afgekeurde producten en walsschroot die uw eigen fabriek produceert. De chemische samenstelling is bekend, omdat u het staal zelf hebt gemaakt. Dit is een hoogwaardige grondstof, vooral voor legeringen waarbij u kostbare elementen zoals nikkel, molybdeen of chroom wilt terugwinnen. Sorteer het op kwaliteit, sla het apart op en gebruik het verstandig. Een emmer met 304 roestvrijstalen retourmateriaal dat in een nieuwe lading 304-staal terechtkomt, is in feite voorgelegeerd schroot. Dat scheelt echt geld.
Hoe ziet d"Goede schroot eruit?
Ervaren schroothandelaren ontwikkelen hier een oog voor, maar dit zijn de niet-onderhandelbare punten:
Schoon oppervlak, minimale roest. Roest betekent vocht, en vocht betekent waterstofopname. Erger nog, opgesloten water dat in het smeltbad in stoom verandert, kan heftige erupties veroorzaken – een reëel veiligheidsrisico. Olieachtig schroot is niet beter; het verbrandt als rook en verstopt uw filterinstallatie. De beste bedrijven hebben een weerbestendig schrootterrein. Als u schroot koopt dat in de regen heeft gelegen, vraagt u om problemen.
Geen non-ferrometalen. Koper en tin zijn de grootste vijanden. Ze ontbinden niet in de oven – wat erin gaat, blijft erin. Koper boven de 0,3% begint problemen met brosheid bij hoge temperaturen te veroorzaken tijdens het walsen. Tin maakt het erger. Aluminium, lood, zink – geen van deze metalen hoort in je emmer. Goede schroothandelaren gebruiken scheidingssystemen, maar als fabriek heb je je eigen inkomende inspectie nodig. Vonkproeven en spectrometrie zijn niet optioneel; het zijn essentiële kwaliteitscontroles.
Absoluut geen afgesloten containers. Dit is een veiligheidsregel, geen kwaliteitsregel, maar hij hoort hier thuis omdat de gevolgen ernstig kunnen zijn. Een afgesloten pijp of gasfles warmt op, de druk loopt op en kan in de oven exploderen. Er zijn al mensen op deze manier om het leven gekomen. Elke schroothandel die een EAF-installatie bevoorraadt, moet een streng inspectie- en sorteerprotocol hanteren. Geen uitzonderingen.
Bekende chemische samenstelling. Voor aangekocht schroot is dit het lastigste. Je kunt het koolstof- en legeringsgehalte ruwweg bepalen met een vonktest. Je kunt een monster analyseren met een spectrometer. Maar bij gemengde ladingen werk je vaak met onvolledige gegevens. Sorteer op kwaliteit waar mogelijk. Houd al het andere apart totdat je weet wat je hebt.
Een redelijke afmeting en dichtheid zijn belangrijk. Schroot dat te lang is, past niet door de ovendeur en kan in de emmer of de oven vast komen te zitten, waardoor een vlamboog ontstaat die niet smelt. In de regel mag niets groter zijn dan ongeveer een derde tot de helft van de diameter van de ovenopening. Ook de dichtheid is van belang: te licht en je moet drie emmers vullen voor één smeltbeurt; te dicht en de vlamboog kan er niet doorheen dringen, waardoor er ongesmolten materiaal op de bodem achterblijft. De ideale dichtheid ligt ongeveer tussen de 0,6 en 1,5 t/m³.
Beheersing van zwavel en fosfor. Normaal schroot zou idealiter minder dan 0,05% zwavel en minder dan 0,05% fosfor moeten bevatten. Schroot met een hoog fosforgehalte is geen ramp, maar het verlengt de oxidatietijd en verbruikt meer slakmateriaal. Weet wat u koopt.
Legeringsmaterialen: de juiste chemie vinden
Wat deze dingen daadwerkelijk doen
Legeringsmaterialen passen de chemische samenstelling van uw gesmolten staal aan, zodat het eindproduct aan de specificaties voldoet. Sommige zijn voornamelijk deoxidatiemiddelen die tevens legeringselementen toevoegen (silicium, mangaan). Andere zijn puur legeringstoevoegingen (nikkel, molybdeen, chroom). De kunst is om ze op het juiste moment en in de juiste verhouding toe te voegen om het gewenste resultaat te bereiken zonder kostbare elementen te verspillen.
De meest voorkomende ferro-legeringen
Als je wel eens in een magazijn voor ferro-legeringen bent geweest, weet je dat de inventarislijst lang is. Dit zijn de legeringen die je daadwerkelijk bij elke gieting zult gebruiken:
Ferrosilicium (FeSi). De variant met 75% Si is de meest gebruikte. Het deoxideert en voegt silicium toe. De deeltjesgrootte is belangrijk: te grote deeltjes lossen niet op vóór het aftappen; te fijne deeltjes komen in de stofafscheider terecht. Een typische deeltjesgrootte is 10-50 mm.
Ferromangaan (FeMn). Verkrijgbaar in kwaliteiten met een hoog koolstofgehalte (2–8% C), een gemiddeld koolstofgehalte (0,7–2% C) en een laag koolstofgehalte (≤0,7% C). Je keuze hangt af van het koolstofgehalte dat je kunt verdragen wanneer je het toevoegt. Als je een smeltproces met een laag koolstofgehalte afwerkt, is FeMn met een hoog koolstofgehalte een slechte keuze.
Ferrochroom (FeCr). Essentieel voor elke smeltoven voor roestvrij staal en gelegeerd staal. Er zijn varianten met een hoog, gemiddeld, laag en extra laag koolstofgehalte verkrijgbaar. Roestvrijstalen bedrijven verbruiken enorme hoeveelheden ferrochroom met een laag koolstofgehalte. Het is duur – ga er voorzichtig mee om.
Ferromolybdeen (FeMo). Ongeveer 55-65% Mo. Gebruikt in gelegeerde constructiestalen en gereedschapsstalen. Molybdeen is duur; terugwinning is belangrijk. Voeg het pas toe nadat de deoxidatie al goed op gang is, anders gaat er te veel verloren door oxidatie.
Andere speciale ferro-legeringen. Ferrowolfraam voor snelstaal. Ferrovanadium voor micro-legeringen (sterkte en taaiheid). Ferrotitanium voor deoxidatie en korrelverfijning. Ferroboor voor het toevoegen van sporen boor. Elk heeft zijn eigen toepassingsgebied.
Zuivere metalen
Soms is een ferro-legering niet voldoende. Je hebt het zuivere element nodig:
- Nikkel: Elektrolytische nikkelplaten of -korrels. Essentieel voor nikkelhoudende legeringen. Niet-oxiderend, dus je kunt het al vroeg toevoegen.
- Aluminium: Een krachtig deoxidatiemiddel. Wordt toegevoegd als draad, korrels of staven. Voeg het pas laat toe, want aluminium oxideert snel en je verliest wat je te vroeg toevoegt.
- Metallisch mangaan: Wordt gebruikt wanneer je mangaan nodig hebt zonder de koolstof die in ferromangaan met een hoog koolstofgehalte voorkomt.
Hoe legeringsmaterialen te selecteren en te verwerken
Enkele principes waar ervaren smeltwerkers zich aan houden:
- Ken uw analyse. Elke legeringsbatch heeft een fabriekscertificaat nodig. Als de leverancier er geen kan overleggen, zoek dan een andere leverancier.
- Kies de juiste afmetingen. Niets mag groter zijn dan ongeveer 100 mm. Het moet snel en volledig oplossen in het badwater.
- Houd het droog. Vocht betekent waterstof. Bak legeringen af voordat ze in de oven of de gietpan gaan. Dit is vooral belangrijk voor fijne legeringen zoals ferrovanadium of aluminium.
- Denk aan de kosten. Als je dezelfde deoxidatie kunt bereiken met een silicium-mangaanlegering in plaats van met afzonderlijke toevoegingen van ferrosilicium en ferromangaan, doe dat dan. Het is meestal goedkoper en altijd eenvoudiger.
Slakvormende materialen: Slak in uw voordeel gebruiken
Waarom slakken belangrijker zijn dan je denkt
Beginners concentreren zich op het gesmolten staal. Ervaren smelterijen concentreren zich op de slak. De slak is waar de echte metallurgie plaatsvindt: fosfor en zwavel komen vrij via de slak, insluitsels worden geabsorbeerd, de vlamboog wordt afgeschermd en de bekleding wordt beschermd. Als je de slaktechniek verkeerd aanpakt, gaat er verder niets goed.
Kalk (CaO): De basis
Kalk is het allerbelangrijkste materiaal voor slakvorming in een elektrische vlamboogoven (EAF). Je hebt zachtgebrande (actieve) kalk nodig – gecalcineerd bij 900-1100 °C, poreus, met een groot oppervlak en snel oplossend. Hardgebrande kalk (1200-1400 °C) is dichter en reageert langzamer. Het werkt wel, maar het maakt het werk een stuk lastiger.
Waarop te letten bij de aanschaf van een limoen:
Parameterdoel
CaO-gehalte ≥85% (≥90% voor actieve kalk)
SiO₂ ≤3%
Zwavel ≤0,05%
Deeltjesgrootte 10–50 mm
Onderverbranding / oververbranding Minimaal
Als uw kalkleverancier u oververhit materiaal levert, ga daar dan het gesprek mee aan. Het beïnvloedt de slakvormingstijd en de ontzwavelingsefficiëntie.
Fluorspaat (CaF₂): De flux
Fluorspaat verlaagt het smeltpunt en de viscositeit van de slak. Je hebt het nodig om de vroege slakvorming tijdens het smeltproces op gang te brengen en de reductieslak vloeibaar te houden. Maar gebruik het met mate: meer dan 15 tot 20 procent van het kalkgewicht tast de ovenbekleding aan en brengt fluor in het stofafzuigsysteem. Milieuvoorschriften in veel regio's beperken tegenwoordig de uitstoot van fluor, waardoor dit steeds meer een kwestie van naleving is, naast een kwestie van vuurvast materiaal.
Dolomiet (CaCO₃·MgCO₃): Bescherming van de ovenbekleding
Gecalcineerd dolomiet voegt MgO toe aan je slak. Waarom is dat belangrijk? Omdat je ovenbekleding op magnesiumoxide is gebaseerd. Een slak met weinig MgO zal je bekleding oplossen om zijn eigen evenwicht te herstellen. Een slak met voldoende MgO laat je bekleding intact. Het is een eenvoudig concept dat zijn vruchten afwerpt in de levensduur van het vuurvast materiaal.
Overige slakmaterialen
Kalksteen (CaCO₃) kan in geval van nood als vervanging voor kalk dienen, maar het ontleedt endotherm in de oven en absorbeert daarbij warmte. Gebruik het daarom spaarzaam.
Stukken kleibaksteen worden soms gebruikt bij het aanpassen van slakken tijdens de reductieperiode, wanneer de basiciteit verlaagd moet worden.
Bauxiet (Al₂O₃) kan slak stabiliseren en de prestaties ervan verbeteren in bepaalde hooggelegeerde smeltprocessen.
Oxidatiemiddelen: als aanjagers van de opruimreacties
Zuurstof: het belangrijkste hulpmiddel
Zuurstof wordt via een lans in het bad geblazen. Dit doet drie dingen tegelijk: het ontkolt (waardoor CO ontstaat dat het bad aan de kook brengt), het oxideert fosfor zodat het verwijderd kan worden, en het geeft warmte af die helpt bij het smelten van het schroot. Moderne elektrische vlamboogovens gebruiken meerdere zuurstofinjectiepunten – lans, wandinjectoren en zelfs bodemroering – om een grondig contact met het bad te garanderen.
De zuurstofdruk en -stroom worden afgestemd op de verhittingsfase. Te veel druk en te vroeg en er spat gesmolten staal uit de oven. Te weinig druk en de oxidatieperiode duurt te lang.
IJzererts en walsafval
IJzererts (Fe₂O₃) voegt zuurstof toe op de ouderwetse manier: het ontleedt in het hete bad en geeft zuurstof af. Dit is langzamer dan zuurstof toevoeren met een lans, maar nuttig als aanvullend oxidatiemiddel, vooral in de beginfase van het smelten wanneer er een oxiderende slak ontstaat.
Walshuid (Fe₃O₄) is de oxidehuid die vrijkomt tijdens het walsen. Het is goedkoop, het werkt als oxidatiemiddel en het vormt slakken. Veel bedrijven beschouwen het als een gratis bijproduct. Gebruik het.
Veilig en effectief gebruik van oxidatiemiddelen
Een paar regels om hoofdpijn te voorkomen:
- Voeg geen oxidatiemiddelen toe voordat er een gesmolten bad is ontstaan. Een koud oxidatiemiddel op vast schroot wordt gewoon geabsorbeerd en heeft geen enkel nut.
- Voeg ijzererts in kleine porties toe. Het in één keer toevoegen van een grote hoeveelheid koud materiaal aan een heet bad kan de temperatuur drastisch verlagen.
- Beheers de zuurstoftoevoer. Krachtig koken is goed; gesmolten staal dat uit de oven spuit, is niet goed.
Ontoxidatiemiddelen: het bad reinigen
Het krachtspectrum
Deoxidatiemiddelen variëren van krachtig tot mild. Je gebruikt ze in een weloverwogen volgorde:
Sterke deoxidatiemiddelen — Aluminium is daarvan de belangrijkste. Het heeft een enorme affiniteit voor zuurstof. Het wordt meestal als laatste deoxidatiemiddel toegevoegd, 0,1 tot 0,3% van het warmtegewicht. Aluminium-mangaan-ijzercomposieten combineren de sterkte van aluminium met de legeringswaarde van mangaan.
Middelsterke deoxidatiemiddelen — Ferrosilicium (75% Si) is het standaard precipitatiedeoxidatiemiddel. Ferromangaan vervult een dubbele functie als deoxidatiemiddel en legeringstoevoeging. Silicium-mangaanlegering (SiMn) is een composiet die beter werkt dan de twee afzonderlijke toevoegingen: beter rendement en minder insluitselvorming.
Zwakke deoxidatiemiddelen — Koolstof is via de C–O-reactie het klassieke diffusie-deoxidatiemiddel voor de reductieperiode. Mangaan is zwak, maar helpt de deoxidatieproducten vorm te geven, waardoor ze gemakkelijker te verwijderen zijn.
Hoe deoxidatie in de praktijk werkt
Je hebt twee fundamentele mechanismen, en je gebruikt ze doorgaans allebei:
Neerslagdeoxidatie houdt in dat het deoxidatiemiddel rechtstreeks aan het gesmolten staal wordt toegevoegd. De deoxidatieproducten vormen zich en drijven naar boven. Het is een snelle en eenvoudige methode, maar sommige producten blijven onvermijdelijk achter voordat ze naar boven kunnen drijven.
Bij diffusie-deoxidatie wordt het deoxidatiemiddel aan de slak toegevoegd, niet aan het staal zelf. Door de zuurstofactiviteit in de slak te verlagen, ontstaat er een drijvende kracht waardoor zuurstof uit het staal in de slak diffundeert. Dit proces is langzamer, maar levert wel schoner staal op.
In de moderne praktijk worden ze bijna altijd gecombineerd: eerst neerslagdeoxidatie om een snelle zuurstofreductie te bereiken, en vervolgens diffusiedeoxidatie onder een goed onderhouden reducerende slak om het bad zo schoon mogelijk te krijgen.
Recarburizers: wanneer u meer koolstof nodig hebt
De meest voorkomende opties
Soms bevat uw bad te weinig actieve kool. U moet dan actieve kool toevoegen en een goede terugwinning bereiken. Uw opties:
- Elektrodenschroot: Grafiet, hoog koolstofgehalte (≥95%), laag zwavelgehalte, uitstekende terugwinning. Dit is de beste keuze.
- Petroleumcokes: Hoog koolstofgehalte, laag asgehalte, redelijk rendement. Let op het zwavelgehalte.
- Pekcokes: Goed koolstofgehalte, laag asgehalte, goede terugwinningsprestaties.
- Ruwijzer: Voegt koolstof toe (3,5–4,5%) en brengt ook silicium en andere elementen met zich mee. Een indirecte, maar soms nuttige methode voor herverkoling.
Het hercarburatieproces laten slagen
Het rendement ligt tussen de 80 en 95 procent, maar dat hangt af van de methode. Voeg de recarburizer toe wanneer het bad goed geroerd is – het moet snel oplossen en gelijkmatig verdeeld worden. Droog het bad eerst. Voeg grote hoeveelheden in porties toe; alles in één keer toevoegen kan leiden tot oververhitting en een te sterk verkoolde smelt, wat een zeer kostbare fout is.
De rest van de inventaris
Reparatiematerialen voor ovens
Na elke verhitting (of na een paar verhittingen, afhankelijk van de slijtage) worden de bodem en wanden gerepareerd. Magnesiet (MgO) en dolomiet zijn de standaard reparatiematerialen. Teer of natriumsilicaat dient als bindmiddel. Het spuiten van vuurvast materiaal op de hete ovenwanden is de moderne standaard voor reparaties van grote oppervlakken. Het is snel en maakt gebruik van de restwarmte om het reparatiemateriaal te sinteren.
Heet metaal als ladingcomponent
Dit verdient meer aandacht dan het in veel leerboeken krijgt. Het toevoegen van 20 tot 40 procent vloeibaar ijzer aan je EAF-lading is een echte gamechanger:
- De voelbare warmte plus de chemische warmte die vrijkomt bij de oxidatie van koolstof en silicium kan het energieverbruik met 100-200 kWh per ton verlagen.
- De tijd tussen twee tikken neemt met 10-20 minuten af.
- Het hete metaal verdunt de resterende elementen uit het schroot, waardoor je van meet af aan een schonere chemische samenstelling hebt.
Het nadeel is dat je een bron van vloeibaar ijzer nodig hebt, ofwel uit je eigen hoogoven, ofwel van een nabijgelegen geïntegreerde walserij. Maar waar het beschikbaar is, is het aanvoeren van vloeibaar ijzer standaardpraktijk geworden voor moderne, zeer productieve EAF-installaties.
Grondstoffenbeheer zal nooit het meest aantrekkelijke onderdeel van de staalproductie zijn. Maar als je het goed aanpakt, wordt al het andere een stuk eenvoudiger. De staalfabrieken die het sorteren van schroot, de voorraadbeheer van legeringen en de verwerking van slakken als essentiële technische disciplines beschouwen – en niet slechts als inkoopbeslissingen – zijn de fabrieken die consequent hun doelstellingen op het gebied van kwaliteit, kosten en productiviteit behalen.
