Staal: ijzersterk Rianne van Dijk Christanie Zwijgers
0614846 0567206
Inleiding Op vrijdag 25 maart hebben we de staalfabriek Au Dragon Forgé in Montreal bezocht. Hier kregen we een rondleiding door de fabriekshallen zodat we een idee kregen hoe de stalen kolommen en liggers nu eigenlijk gemaakt worden. Om meer inzicht in het productieproces van staal te krijgen hebben we eerst gekeken hoe de Nederlandse staalfabriek Corus in IJmuiden in elkaar zit. Corus is een grote fabriek waarbij de staal zelf wordt gefabriceerd uit erts. Het eindproduct wat hier wordt gemaakt is het beginproduct van de staalfabriek in Montreal. De eindproducten uit IJmuiden worden in andere kleine fabrieken verder verwerkt voor gebruik in verschillende industrietakken.
Geschiedenis van staal In 1500 v.Chr. werd er voor het eerst door de mens staal vervaardigd in laagovens. Dit gebeurde in KleinAzie, tegenwoordig het Aziatische deel van Turkije. De Hettiten die hier leefden hielden hun techniek voor het vervaardigen van ijzer geheim tot de val van hun rijk in 1200 v. Chr. Toen verspreidde de kennis zich in snelle tijd over delen van de Oude Wereld. Het ijzer verving het brons en werd gebruikt voor gereedschappen en wapens. Zo ontstond de bekende IJzertijd. Toch zijn er opgravingen gedaan die laten zien dat er in 4000 v.Chr. al ijzer werd gebruikt in het Oude Egypte. Dit werd gebruikt voor speerpunten en ornamenten. Het was echter wel een ander soort staal: het zogenoemde meteoorijzer dat afkomstig was van ingeslagen meteorieten. Een laagoven heeft een temperatuur van 1200 ºC, een hoogoven heeft een temperatuur van 1500 ºC. Een laagoven is een lage oven waarin om en om lagen houtskool en ijzererts worden gestapeld, de lucht wordt toegevoegd door middel van blaasbalgen waardoor het houtskool gaat branden. Hierbij wordt onder andere koolmonoxide gevormd dat het ijzer uit de oxiden vrijmaakt. Het nadeel van de laagoven is dat het ijzer niet in vloeibare vorm wordt gewonnen omdat de temperatuur lager is dan het smeltpunt van ijzer. Het ijzer komt als een gesinterde massa in de slak (resten van de erts) te zitten en het bevat nauwelijks koolstof. Dit zachte smeedijzer moet opnieuw worden verhit en worden bewerkt met een hamer zodat het ijzer kan worden gezuiverd van de resten erts. Om er voldoende koolstof in te krijgen, moet het hete ijzer lange tijd bij koolstof liggen. Zo ontstaat een harde staal die constructief beter was, maar omdat het een erg moeilijk productieproces is bleef staal eeuwen lang een erg kostbaar materiaal.
Fig.1 Hoogoven van Corus in IJmuiden
Aan het begin van onze jaartelling werd in China de hoogoven e uitgevonden. Pas in de 15 eeuw werd deze in Europa uitgevonden. Een hoogoven is een hoge oven waarin ijzererts en koolstof worden gemengd en onder een hoge temperatuur worden verhit. Er ontstaat vloeibaar ijzer dat kan worden afgetapt aan de voet van de oven. Het ijzer bevat ongeveer 4% koolstof, terwijl goed staal ongeveer 0,5% tot 2% koolstof bevat. Dit koolstofrijke ijzer is gietijzer, dat zeer hard maar erg bros is. Het gietijzer kan lang niet voor alle
toepassingen worden gebruikt. Om het vele koolstof uit het ijzer te verwijderen moest de hete massa ijzer lange tijd worden gehamerd. Dit was echter een arbeidsintensief proces, waardoor men liever staal verkoos dat uit de laagovens kwam. Het kwalitatief betere staal uit de hoogovens werd dus een erg kostbaar product waardoor het ijzerverbruik ook niet steeg, dit bleef ongeveer 1 kilo per hoofd van de bevolking per jaar. Pas in de laatste eeuwen is het productieproces verbeterd zodat het mogelijk was om een goed koolstofgehalte van minder dan 2% te krijgen. Dit kwam voor een groot gedeelte door de toegenomen kennis van chemie. De juiste stoffen konden aan het erts worden toegevoegd zodat een kwalitatief beter mengsel ontstond. Hierdoor kon het staal verder worden bewerkt en worden gebruikt voor vele (constructieve) doeleinden.
Staal als bouwmateriaal De ontwikkeling van staal(constructies) in de bouw is voor een groot deel te danken door de introductie van het warmwalsen van profielen. De giet- en smeedijzeren onderdelen konden hierdoor vervangen worden. In 1830 ontdekte Hodgkinson dat een juiste verhouden tussen de boven- en onderflens het dragend vermogen versterkt. Een verbreding van de onderflens (trekkrachten) had grote invloed op het dragend vermogen omdat gietijzer slechts kleine trekkrachten kan opnemen. Het Euston Square Station (Londen) uit 1837 heeft spanten die voor het eerst uit gewalste onderdelen waren opgebouwd. Hierna werd staal in vele architectonische en constructieve toepassingen gebruikt.
Fig. 2 Spant van het Euston Square Station
Tegenwoordig is staal in de bouw een niet meer weg te denken materiaal. Het heeft eigenschappen die ervoor zorgen dat staal kan worden gebruikt als constructiemateriaal. - Hoge sterkte - Hoge stijfheid - Taai - In staat belastingen/krachten op te nemen - Bewerkbaar - Voldoende verkrijgbaar - Gunstige prijs/kwaliteit verhouding Constructiestaal wordt in de bouw in de volgende vormen toegepast: Staalplaten: - Vlakke platen, voor gevelpanelen, deuren en betonbekistingen; - Gegolfde platen, voor gevelbekleding, dakplaten en vloerconstructies; - Geprofileerde platen, voor traptreden in industriële bouw. Ze kunnen uitgevoerd zijn als tranenplaten en geruite platen; - Geperforeerde platen, voor de afdekking van watergoten in natte ruimten; - Strippen, voor stalen tegels en roosters; Staafstaal: - Rond, halfrond, vierkant en zeshoekig; Staalprofielen: - IPE, INP, HE-A, HE-B, HE-M, gelijkbenig hoekstaal, ongelijkbenig hoekstaal, T-profiel, Uprofiel, Z-profiel en buizen. De staalprofielen en strips kunnen worden geleverd als warmgewalste profielen, warmgewalst en koud nagetrokken en koudgewalste profielen. Bij het warmwalsen is de rekgrens laag en de rek groot. Walsen heeft als doel vormverandering, maar het maakt het staal ook fijnkorreliger. Het stuk warme of koude staal
gaat door de walsrollen geleid, waardoor het vervormt. De plak, knuppel of ‘beam blank’ wordt langer en dunner. De korrels worden in de walsrichting gestrekt en zo worden het kleinere korrels. Het warmwalsen van een stuk staal gebeurt bij een temperatuur van ongeveer 1100 ºC. De kenmerken van warmgewalste profielen zijn: - Lage maattoleranties - Inwendige ronde hoeken Kenmerken van warmgewalste en koud nagetrokken profielen: - Hoge maattolerantie - Gladder oppervlak - Stijver materiaal. Kenmerken van koudgewalste profielen: - Doorsnede overal even dik - Ronde hoeken - Blank staal Fig.3 Koudgewalste profielen
Staal en wolkenkrabbers e
Vanaf het einde van de 19 eeuw kwamen de wolkenkrabbers in opkomst. Dit was mogelijk door de komst van veilige liften. In de grote steden in de Verenigde Staten ontstonden de eerste hoge gebouwen die uit een skelet (gietijzer) van kolommen en liggers bestonden. De gevel was een onafhankelijke constructie. Vloeren, scheidingswanden en daken worden later toegevoegd. Chicago maakte tussen 1870 en 1890 een grote groei door. Veel hoge gebouwen werden hier gebouwd en wals- en staalbedrijven zagen de mogelijkheden van de hoogbouw. De handel en industrie groeide en de vraag naar opvallende en hoge kantoorpanden werd erg groot. Doordat er in de grote steden als Chicago, Boston en New York weinig waardevolle historische gebouwen in het centrum stonden, was het gemakkelijk om oude gebouwen te slopen en er nieuwe, hoge moderne gebouwen te bouwen. Architecten pasten al snel de nieuwe constructiewijze toe. Rond 1885 was er de overgang van gietijzer naar staal. De Carnegie-Phipps Steel Company bracht zijn gewalste stalen profielen in de praktijk. Rond 1890 ontstond de nieuwe “Chicago construction” bouwwijze. Dit hield in dat de bekleding in de gevel alleen de staalconstructie bedekt en alleen de boven- en onderrand van de gevel worden uitgelicht. De gevel tussen de boven- en onderrand is elke keer hetzelfde. Deze bouwwijze is de basis waarop onder andere Sullivan, Wright, Gropius en Mies van der Rohe hun gebouwen verder borduurden.
Staalfabriek in Nederland Het grootste staalconcern van Europa is Corus, dat ook nog wel eens Hoogovens wordt genoemd. Dit komt door de fusie in 1999, waarbij Koninklijke Hoogovens met British Steel fuseerde en samen verder gingen onder de naam Corus. De Corus Group is een Nederlands-Brits-Indiaas multinational. Het hoofdkantoor bevindt zich in Londen en belangrijke productielocaties bevinden zich onder andere in Nederland, Groot-Brittannië, België, Duitsland, Frankrijk en Noorwegen. Er werken totaal 41200 mensen in meer dan veertig landen, waarvan er 11300 in Nederland werken. Bij Corus in IJmuiden werken 9100 mensen, het bedrijfsterrein is 750 hectare groot en ligt direct aan de Noordzee. Fig.4 Kooks ontstaan na vergassing van steenkool.
Productieproces In de fabriek van Corus in IJmuiden is het halffabrikaat, de rollen staal, het eindproduct. Het productieproces dat hiervoor moet worden doorlopen is op te delen in drie stappen. Kort samengevat: - Van erts tot ruwijzer Eerst vindt er de ‘vergassing’ van steenkool tot kooks plaats, bij dit proces wordt de steenkool poreuzer. Van een deel van de steenkool wordt poeder gemalen, dit wordt in de hoogoven geïnjecteerd. Daarna wordt het fijne ijzererts voorgebakken tot kleine brokjes, die sinter en pellets worden genoemd. Uit deze kooks, sinter en pellets ontstaat het vloeibare ruwijzer. Het ruwijzer wordt uit de hoogoven getapt en de slak die ook wordt gevormd wordt gebruikt als grondstof voor de cementindustrie. - Van ruwijzer tot ruwstaal Om van het ijzer staal te verkrijgen zal het koolstofgehalte moeten worden verlaagd. Dit gebeurt doordat er met hevige kracht zuurstof op het ijzer wordt geblazen, dit alles bij een temperatuur van ongeveer 2000 ºC. De temperatuur mag niet hoger worden, er wordt daarom schroot toegevoegd aan het vloeibare ijzer. Zo wordt het staal gerecycled. - Van ruwstaal tot gewalst staal Een deel van het gevormde staal wordt tot een 22,5 cm dikke plaat gegoten waarna het wordt gewalst bij een temperatuur van 1200 ºC tot een dikte van 1,5 tot 25 mm. Op het einde wordt het staal opgerold. Het Fig.5 Schematisch proces voor productie van de rollen staal andere deel vloeibare staal gaat naar de gietwalsinstallatie. Het vloeibare staal wordt na het gieten en stollen meteen gewalst tot een 1mm dikke plaat. Deze wordt later opgerold. Het gieten en walsen zijn bij deze laatste methode één proces.
Transport De rollen staal worden vanuit de fabriek in IJmuiden vervoerd per trein, vrachtwagen of schip. Omdat Corus een eigen zeehaven heeft, kan het staal naar klanten over de hele wereld worden vervoerd. Zeventig procent van het transport gaat per schip, dit is ongeveer 2,5 miljoen ton staal over de zee en 1,5 miljoen ton per binnenvaartschip over het Noordzeekanaal. Niet alleen het transport naar de klanten, maar ook de aanvoer van grondstoffen gebeurt grotendeels per schip. Per jaar voert Corus in IJmuiden 4,5 miljoen ton kolen en 9 miljoen ton ertsen aan.
Veiligheid Veel werknemers krijgen tijdens de staalproductie brandwonden. Hierdoor is het brandwondencentrum in Beverwijk gevestigd, dichtbij de hoogovens. Het bedrijfsterrein van Corus in IJmuiden ligt in de gemeenten Heemskerk, Beverwijk en Velsen. Ook is op het terrein van Corus zelf een eerste hulppost van het Rode Kruis aanwezig. In de bijlage is een veiligheidsprotocol van staalfabriek Arcelor Mittal. Hier staan algemene eisen/verwachtingen in met betrekking tot gezondheid op alle niveaus van het bedrijf. We gaan ervan uit dat elke fabriek zijn eigen veiligheidseisen heeft met betrekking tot het dragen van veiligheidsschoenen, veiligheidsbril, oordopjes etc.
Staalfabriek Canada ADF GROUP INC. is een staalfabriek die net buiten Montreal ligt. ADF staat voor Au Dragon Forgé. Het is een echt familiebedrijf. Het is in 1956 opgericht door hoefsmid Jacques Paschini. Zijn kinderen Jean, Pierre en Marise werden aandeelhouders en leiders in het begin van de jaren ’80.. Vanaf 1992 startte ze met het uitbreiden op de Amerikaanse markt. Waardoor ADF tegenwoordig marktleider in Noord Amerika is. In 1999 werd ADF een beursgenoteerd bedrijf op Fig.6 Enorme kolom voor de Freedom de Toronto Stock Exchange (DRX). ADF houdt zich bezig op het Tower in New York gebied van ontwerp, engineering, fabricatie en installatie van complexe staalstructuren en verschillende andere toepassingen, op te delen in drie categorieën: - Commerciële en institutionele gebouwen: kantoortoren, hotels, overheidsgebouwen, sport- en recreatiegebouwen (o.a. stadions) en museums. - Industriële gebouwen: energiestations, raffinaderijen en andere fabrieken. - Publieke gebouwen: toepassingen op vliegvelden, bruggen, overkappingen etc.
Toepassingen De staalfabriek maakt van de geleverde staalplaten grote delen van staalconstructies. De enorme kolommen die nog na te dampen lagen van het lassen, waren bestemd voor de nieuwe Freedom Tower in New York. Deze toren komt op de plaats waar eerst het WTC stond. Opvallen waren de enorme afmetingen van de liggers. Sommige waren langer dan 20 meter en hadden een hoogte van ongeveer 1,5 meter. Om zo’n dikte te krijgen is het logisch dat er dikke staalplaten worden gebruikt zodat er minder hoeft te worden gelast. De lasnaden zijn tenslotte minder sterk dan het staal. ADF is gespecialiseerd in moeilijke constructies en constructiedelen. ‘Makkelijke’ liggers en kolommen wil het bedrijf niet maken. Dit is aan de projecten ook te zien. Tijdens de reis hebben we ook de National Archives of Canada Monument bezocht, ontworpen door Ron Keenberg. ADF heeft voor dit statige gebouw ook de Fig.7 Model van de Freedom Tower staalconstructie gemaakt. “Indeed, the construction of the National archives of Canada Monument was an extremely ambitious project. We needed a very competent manufacturer for such a superstructure in stainless steel, planned to last 500 and even 1,000 years. ADF took up this challenge. Not only have they accomplished the mandate with a remarkable quality, but they knew how to minimize all possible problems, to precede the delivery times and to cooperate witl all parties. In 1999, the Monument was awarded the most prestigious proze in Canada: the Governor General's Medal of Excellence. Thank you ADF, a brilliant organization and a team player! " Ron Keenberg, Architect
Fig.8 Foto’s van de staalconstructie van de National Archives of Canada Monument
Productieproces De staalplaten worden aangeleverd als halffabrikaat. De platen hebben verschillende diktes. Ze komen in de grote opslaghal te liggen. Hier ligt tussen de 23000 en 25000 ton staal opgeslagen, dit heeft een waarde van meer dan 15 miljoen dollar. Vanuit de hal worden de platen met een bovenloopkraan naar de fabrieks hal gebracht. De fabriek bestaat uit een aantal gekoppelde grote hallen. In elke hal hangen een paar bovenloopkranen en kleinere kranen, die aan kolommen zijn bevestigd, die een verschillend aantal ton mogen hijsen. In de fabriekshal zijn Fig.9 Fabriekshal verschillende productielijnen. Op een lijn worden bijvoorbeeld delen uit de staalplaat geponst, dit gebeurt computer gestuurd. Dit zijn bijvoorbeeld kleine stukken die als versteviging bij een ligger dienen of als decoratie. De grote platen die uit de opslag komen worden eerst op maat gesneden. Er zijn twee grote machines die het op maat kunnen snijden. Dikke kolommen worden verkregen door het aan elkaar lassen van verschillende dikke platen. De kolommen liggen nog een aantal dagen na te dampen. Het staal wordt zelf ook iets verhit zodat het beter te lassen is. De schroefgaten worden er ook in geboord. Het is erg belangrijk dat alle afmetingen kloppen. De eindproducten worden niet in de fabriek gecoat, dit gebeurt op de bouwplaats. In Nederland worden de staalproducten wel in de fabriek gecoat. Fig.10 Dunne plaat wordt op zijn plek gebracht om verder verwerkt te worden
Transport De eindproducten worden per vrachtwagen vervoerd. De fabriek ligt direct naast een snelweg. De grote liggers voor de Freedom Tower wogen ongeveer 24 ton. Deze kan qua gewicht met een normale combinatie vervoerd worden, maar door de vaak enorme lengtes is een uitschuiftrailer noodzakelijk. Deze opleggers liggen lager boven de weg als normale opleggers zodat het zwaartepunt zo dicht mogelijk boven de weg ligt.
Veiligheid In de fabriekshal gelden veel veiligheids regels. Het dragen van Fig.11 Luchtfoto van Au Dragon Forgé uit 2002. veiligheidsschoenen en een veiligheidsbril is verplicht. Mensen die met machines werken moeten oordopjes in en lassers moeten de speciale kap ter bescherming van hun gezicht voor zich houden. In de gehele fabriek mag niet gerookt worden. Aan de veiligheidseisen wordt absoluut niet gehouden. Medewerkers van kantoor lopen zonder veiligheidsschoenen en veiligheidsbril de fabriekshal in. Werknemers zitten te roken bij verschillende productielijnen en lang niet altijd wordt een veiligheidsbril gedragen door personeel van de fabriekshal. Oordopjes worden maar door enkele mensen gedragen.
Conclusie De ADF fabriek is dus een gespecialiseerde staalfabriek. Het heeft tal van bijzondere projecten, voornamelijk hoogbouw, in Canada en Amerika. De grote vraag die in deze landen is, is er niet in Nederland. De soorten liggers en constructies verschillen hier sterk in vergelijking met Canada. Nederland heeft niet zulke grote kolommen nodig. In Nederland zou een fabriek die op dit vlak gespecialiseerd is niet kunnen overleven. Er is hier echter zo weinig hoogbouw, daarvoor moet je toch echt in steden als Montreal, Boston, New York, Toronto, Chicago, Dubai etc zijn. De manier van werken zal niet heel veel verschillen. We hebben echter nog nooit een staalfabriek in Nederland bezocht dus het is erg moeilijk om dit te vergelijken. Het enige wat ons opviel was dat ze de constructie in Nederland in de fabriek meteen coaten en niet op de bouwplaats. Ook zijn de grote fabrieken in Europa vaak bij een haven gevestigd. In de ADF fabriek werd alles via vrachtwagens getransporteerd. Dit is opzich wel logisch omdat in Canada en Amerika veel grote afstanden over de weg worden afgelegd. De Fig.12 Fabriekshal wegen zijn rustiger en er zijn andere eisen met betrekking tot het vrachtvervoer. Andere verschillen kunnen we waarschijnlijk pas zien wanneer we ook een fabriek in Nederland hebben bezocht en wanneer we van tevoren hadden geweten dat we dit artikel over de staalfabriek moesten schrijven.
Bronvermelding Websites - http://www.adfgroup.com - www.corus.nl - www.wikipedia.nl - www.worldsteel.org - http://www.arcelormittal.com/index.php?lang=en&page=425 - http://wetenschap.infonu.nl/techniek/9784-staal-productie-van-staal.html - http://www.siahq.org/conference/montreal/english/photos.html Boeken e - (Over)spannend staal, o.r.v. M.A. Barendsz en C.H .van Eldik, Bouwen met Staal, 4 druk 2004, Rotterdam e - Bouwproducten, o.r.v. ir. D.P. Oterdoom, Thiememeulenhoff, 1 druk 2000 Utrecht
Bijlage
