Materiaalkunde
Hoofdstuk 1: materialen, materiaalkunde en
duurzaamheid
1.5 materialen
Metalen: relatief hoog smeltpunt, hoge specifieke dichtheid, hoge thermische en elektrische
geleidbaarheid, relatief hoge stijfheid en doorgaans plastisch vervormbaar
Polymeren: licht, weinig thermisch en elektrisch geleidend, doorgaans lage stijfheid en lage
gebruikstemperatuur
o Thermoplasten: laten zich smelten en zijn uitstekend plastisch vervormbaar
o Thermoharders: kunnen niet gesmolten worden en zijn niet plastisch vervormbaar
o Elastomeren (= rubbers): zeer lage stijfheid en hoge elastische rek
Keramieken: relatief stijf, sterk onder drukspanningen, bros, chemisch stabiel, relatief lage
dichtheid en zijn dikwijls elektrisch en thermisch geleidend.
Composieten/hybriden: samengesteld uit meerdere materialen om zo de beste
eigenschappen van de samenstellende materialen te kunnen combineren
1.2 Materiaalkunde: de driehoek/tetraëder
Materiaalkunde is de ingenieursdiscipline die zich richt op de productie of transformatie, inwendige
structuur, eigenschappen en toepassingen van materialen en hun onderliggende relaties.
Processen: bewerkingen waarmee materialen vanuit grondstoffen geproduceerd worden
Structuur: opbouw van het materiaal
Toepassingen: processen, producten, systemen en subsystemen die met materialen worden
geconcretiseerd
Eigenschappen:
o Structurele eigenschappen: van belang in de toepassingen waar de mechanische
integriteit van de structuur van primordiaal belang is
o Mechanische eigenschappen: treksterkte, elasticiteitsmodulus, …
1.4 Materialen en duurzame ontwikkeling
1.4.1 Beschikbaarheid van materialen
Duurzame ontwikkeling wordt veelal omschreven met de definitie van de Brunlandt-commissie als
ontwikkeling die tegemoetkomt aan de huidige behoeften zonder de behoeften van de volgende
generaties te compromitteren.
,1.4.2 De vraag naar materialen
De wereldvraag naar materialen kan worden uitgedrukt door te stellen dat de toename in het
verbruik van een bepaald materiaal recht evenredig is met het gebruik van datzelfde materiaal.
dC r
= C
dt 100
met C het materiaalgebruik en r de procentuele jaarlijkse aangroei. Als we deze vergelijking
integreren, merken we dat het materiaalgebruik exponentieel toeneemt in de tijd:
¿¿
C=C 0 e
1.5 Casestudie: de productie van ijzer en staal
1.5.1 Inleiding
In een hoogoven (blast furnace) worden de oxidische ertsen met koolstof tot vloeibaar onzuiver
metallisch ijzer gereduceerd. Dit zogenaamde ruwijzer wordt vervolgens in een convertor door
selectieve oxidatie geraffineerd tot vloeibaar staal, dat vervolgens tijdens de panmetallurgie de juiste
samenstelling wordt gegeen.
1.5.2 Het Ellinghamdiagram
Het Ellinghamdiagram voor oxiden geeft de
standaard Gibbs vrije vormingsenergie weer
van oxidische metaalverbindingen als functie
van temperatuur. Deze vormingsenergie is
negatief omdat de metaaloxides stabieler zijn
dan het vrije metaal. De stabiliteit van de
metaaloxides daalt met de temperatuur, wat
anders is voor CO, waarvan de stabiliteit
toeneemt met de temperatuur. Dit betekent
dat wanneer we FeO bij voldoende hoge
temperatuur met zuiver koolstof mengen, de
zuurstofatomen de verbinding met Fe zullen
verlaten om zich met koolstof tot het stabiele
CO te binden.
,1.5.3 Werkingsprincipe van de hoogoven
1.5.3.1 De reductie van ijzererts naar ruwijzer
IJzer komt in de natuur in ruime mate voor onder de vorm van ijzerhoudende mineralen zoals
magnetiet (Fe3O4), hematiet (Fe2O3), sideriet (FeCO3) en goethiet (2Fe2O3.H2O). Door de ijzerertsen te
mengen met cokes en op de juiste temperatuur te brengen kan men ijzeroxide reduceren tot zuiver
ijzer. Deze scheiding is in de praktijk echter niet perfect en wordt toch een deel van de stabielere
metaaloxides gereduceerd, zodat men ijzer bekomt met een zuiverheid van 95% dat verzadigd is aan
koolstof en een reek elementen als onzuiverheid meedraagt.
De reductie van ijzeroxide wordt uitgevoerd in een zogenaamde hoogoven, deze werkt volgens het
tegenstroomprincipe: de ertsen worden langs boven ingebracht, samen met de cokes. Deze massa
zakt naar beneden en wordt opgewarmd. De diameter van de onderkant van de schacht is groter om
de uitzetting te kunnen opvangen.
1.5.3.2 Reactieproducten
Ruwijzer: Het primaire reactieproduct van een hoogoven. Het bevat ongeveer 94 gew% Fe.
Daarnaast bevat het ook nog ongeveer 4,5 gew% koolstof en is verder verontreinigd met P, S,
Si en Mn.
Slak: De meeste onzuiverheden hebben een stabieler oxide dan Fe. Hierdoor geeft Fe als
eerste zijn zuurstof af aan CO; de onzuiverheden blijven achter in geoxideerde vorm. Omdat
hun soortelijk gewicht lager is dan dat van gesmolten ruwijzer, drijven ze boven op de smelt
en kunnen worden afgegoten. Elementen zoals Cu en Ni, die edeler zijn dan staal, kunnen
niet op deze manier worden verwijderd. Men zal dan ook trachten om Cu en Ni zo veel
mogelijk te weren uit de gebruikte ertsen en uit het gerecycleerde staalschroot.
Hoogovengas: Verlaat de hoogoven bij een temperatuur van 120°C à 370°C. Dit wordt vaak
nog gebruikt voor de productie van stoom (elektriciteit). Hoogovengassen bevatten zeer veel
stof (vliegas) dat eerst moet worden verwijderd. De staalnijverheid is wereldwijd
verantwoordelijk voor 5,5% van de CO2 uitstoot.
, 1.5.4 Principe van de convertor
Het ruwijzer dat uit de hoogoven wordt afgetapt, bevat nog veel
onzuiverheden en moet verder worden geraffineerd. Dit gebeurt in een
staalconvertor. Dit is een zeer groot vat dat inwendig door refractaire
materialen wordt beschermd en waarin het ruwijzer wordt gegoten en
waaraan een grote hoeveelheid staalschroot wordt toegevoegd. Het
ruwijzer bevat voornamelijk onzuiverheden die een stabieler oxide
hebben dan Fe. Na de vulling van de convertor wordt in het smeltbad
zuivere zuurstof ingeblazen. Zuurstof mengt zich met het ruwijzer, waarbij
in de eerste plaats koolstof reageert met zuurstof en CO-gas vormt.
Zuurstof reageert ook met de onzuiverheden die de convertor-slak
vormen.
Vaak wordt het geraffineerde staal nog bijgeleerd om een specifieke staalsamenstelling te bekomen.
Dit gebeurt in de gietpan die het vloeibare staal van de convertor naar de continue gietmachine
brengt. Een andere mogelijke bewerking is het ontgassen van het staal om nog minder koolstof in het
staal over te houden.
1.5.5 Staalproductie met staalschroot
In de secundaire productie van staal wordt schroot in een elektrische hoogoven ingesmolten. In de
EAF wordt elektrische energie gebruikt door tussen drie grafieten elektroden en de lading een
elektrische boog te trekken. De elektrische energie wordt zo omgezet naar warmte, waardoor het
schroot gaat smelten.
Schroot bevat een aantal onzuiverheden. Koolstofstaal kan tegen corrosie beschermd worden door
het met een laag zink te bedekken, we spreken dan van een gegalvaniseerd staal.
Hoofdstuk 1: materialen, materiaalkunde en
duurzaamheid
1.5 materialen
Metalen: relatief hoog smeltpunt, hoge specifieke dichtheid, hoge thermische en elektrische
geleidbaarheid, relatief hoge stijfheid en doorgaans plastisch vervormbaar
Polymeren: licht, weinig thermisch en elektrisch geleidend, doorgaans lage stijfheid en lage
gebruikstemperatuur
o Thermoplasten: laten zich smelten en zijn uitstekend plastisch vervormbaar
o Thermoharders: kunnen niet gesmolten worden en zijn niet plastisch vervormbaar
o Elastomeren (= rubbers): zeer lage stijfheid en hoge elastische rek
Keramieken: relatief stijf, sterk onder drukspanningen, bros, chemisch stabiel, relatief lage
dichtheid en zijn dikwijls elektrisch en thermisch geleidend.
Composieten/hybriden: samengesteld uit meerdere materialen om zo de beste
eigenschappen van de samenstellende materialen te kunnen combineren
1.2 Materiaalkunde: de driehoek/tetraëder
Materiaalkunde is de ingenieursdiscipline die zich richt op de productie of transformatie, inwendige
structuur, eigenschappen en toepassingen van materialen en hun onderliggende relaties.
Processen: bewerkingen waarmee materialen vanuit grondstoffen geproduceerd worden
Structuur: opbouw van het materiaal
Toepassingen: processen, producten, systemen en subsystemen die met materialen worden
geconcretiseerd
Eigenschappen:
o Structurele eigenschappen: van belang in de toepassingen waar de mechanische
integriteit van de structuur van primordiaal belang is
o Mechanische eigenschappen: treksterkte, elasticiteitsmodulus, …
1.4 Materialen en duurzame ontwikkeling
1.4.1 Beschikbaarheid van materialen
Duurzame ontwikkeling wordt veelal omschreven met de definitie van de Brunlandt-commissie als
ontwikkeling die tegemoetkomt aan de huidige behoeften zonder de behoeften van de volgende
generaties te compromitteren.
,1.4.2 De vraag naar materialen
De wereldvraag naar materialen kan worden uitgedrukt door te stellen dat de toename in het
verbruik van een bepaald materiaal recht evenredig is met het gebruik van datzelfde materiaal.
dC r
= C
dt 100
met C het materiaalgebruik en r de procentuele jaarlijkse aangroei. Als we deze vergelijking
integreren, merken we dat het materiaalgebruik exponentieel toeneemt in de tijd:
¿¿
C=C 0 e
1.5 Casestudie: de productie van ijzer en staal
1.5.1 Inleiding
In een hoogoven (blast furnace) worden de oxidische ertsen met koolstof tot vloeibaar onzuiver
metallisch ijzer gereduceerd. Dit zogenaamde ruwijzer wordt vervolgens in een convertor door
selectieve oxidatie geraffineerd tot vloeibaar staal, dat vervolgens tijdens de panmetallurgie de juiste
samenstelling wordt gegeen.
1.5.2 Het Ellinghamdiagram
Het Ellinghamdiagram voor oxiden geeft de
standaard Gibbs vrije vormingsenergie weer
van oxidische metaalverbindingen als functie
van temperatuur. Deze vormingsenergie is
negatief omdat de metaaloxides stabieler zijn
dan het vrije metaal. De stabiliteit van de
metaaloxides daalt met de temperatuur, wat
anders is voor CO, waarvan de stabiliteit
toeneemt met de temperatuur. Dit betekent
dat wanneer we FeO bij voldoende hoge
temperatuur met zuiver koolstof mengen, de
zuurstofatomen de verbinding met Fe zullen
verlaten om zich met koolstof tot het stabiele
CO te binden.
,1.5.3 Werkingsprincipe van de hoogoven
1.5.3.1 De reductie van ijzererts naar ruwijzer
IJzer komt in de natuur in ruime mate voor onder de vorm van ijzerhoudende mineralen zoals
magnetiet (Fe3O4), hematiet (Fe2O3), sideriet (FeCO3) en goethiet (2Fe2O3.H2O). Door de ijzerertsen te
mengen met cokes en op de juiste temperatuur te brengen kan men ijzeroxide reduceren tot zuiver
ijzer. Deze scheiding is in de praktijk echter niet perfect en wordt toch een deel van de stabielere
metaaloxides gereduceerd, zodat men ijzer bekomt met een zuiverheid van 95% dat verzadigd is aan
koolstof en een reek elementen als onzuiverheid meedraagt.
De reductie van ijzeroxide wordt uitgevoerd in een zogenaamde hoogoven, deze werkt volgens het
tegenstroomprincipe: de ertsen worden langs boven ingebracht, samen met de cokes. Deze massa
zakt naar beneden en wordt opgewarmd. De diameter van de onderkant van de schacht is groter om
de uitzetting te kunnen opvangen.
1.5.3.2 Reactieproducten
Ruwijzer: Het primaire reactieproduct van een hoogoven. Het bevat ongeveer 94 gew% Fe.
Daarnaast bevat het ook nog ongeveer 4,5 gew% koolstof en is verder verontreinigd met P, S,
Si en Mn.
Slak: De meeste onzuiverheden hebben een stabieler oxide dan Fe. Hierdoor geeft Fe als
eerste zijn zuurstof af aan CO; de onzuiverheden blijven achter in geoxideerde vorm. Omdat
hun soortelijk gewicht lager is dan dat van gesmolten ruwijzer, drijven ze boven op de smelt
en kunnen worden afgegoten. Elementen zoals Cu en Ni, die edeler zijn dan staal, kunnen
niet op deze manier worden verwijderd. Men zal dan ook trachten om Cu en Ni zo veel
mogelijk te weren uit de gebruikte ertsen en uit het gerecycleerde staalschroot.
Hoogovengas: Verlaat de hoogoven bij een temperatuur van 120°C à 370°C. Dit wordt vaak
nog gebruikt voor de productie van stoom (elektriciteit). Hoogovengassen bevatten zeer veel
stof (vliegas) dat eerst moet worden verwijderd. De staalnijverheid is wereldwijd
verantwoordelijk voor 5,5% van de CO2 uitstoot.
, 1.5.4 Principe van de convertor
Het ruwijzer dat uit de hoogoven wordt afgetapt, bevat nog veel
onzuiverheden en moet verder worden geraffineerd. Dit gebeurt in een
staalconvertor. Dit is een zeer groot vat dat inwendig door refractaire
materialen wordt beschermd en waarin het ruwijzer wordt gegoten en
waaraan een grote hoeveelheid staalschroot wordt toegevoegd. Het
ruwijzer bevat voornamelijk onzuiverheden die een stabieler oxide
hebben dan Fe. Na de vulling van de convertor wordt in het smeltbad
zuivere zuurstof ingeblazen. Zuurstof mengt zich met het ruwijzer, waarbij
in de eerste plaats koolstof reageert met zuurstof en CO-gas vormt.
Zuurstof reageert ook met de onzuiverheden die de convertor-slak
vormen.
Vaak wordt het geraffineerde staal nog bijgeleerd om een specifieke staalsamenstelling te bekomen.
Dit gebeurt in de gietpan die het vloeibare staal van de convertor naar de continue gietmachine
brengt. Een andere mogelijke bewerking is het ontgassen van het staal om nog minder koolstof in het
staal over te houden.
1.5.5 Staalproductie met staalschroot
In de secundaire productie van staal wordt schroot in een elektrische hoogoven ingesmolten. In de
EAF wordt elektrische energie gebruikt door tussen drie grafieten elektroden en de lading een
elektrische boog te trekken. De elektrische energie wordt zo omgezet naar warmte, waardoor het
schroot gaat smelten.
Schroot bevat een aantal onzuiverheden. Koolstofstaal kan tegen corrosie beschermd worden door
het met een laag zink te bedekken, we spreken dan van een gegalvaniseerd staal.
