Afgelopen week was Tata Steel volop in het nieuws. Actievoerders demonstreerden op het terrein van de fabriek in Velsen-Noord en eisten een groenere staalproductie of het vertrek van de staalproducent. Maar hoe bereiken we dat?
15 tot 33 procent van al het staal dat wereldwijd geproduceerd wordt, gaat verloren aan corrosie. De kosten van staalcorrosie worden geschat op drie tot vier procent van het wereldwijde BBP. Coatings of kathodische bescherming kunnen corrosie – de verslechtering van een object door interactie met de omgeving – verminderen. Je zou zeggen: als we alle stalen objecten voorzien van een extra laagje bescherming, dan is dat een eenvoudige verduurzamingsslag. Maar zo simpel is het niet. Corrosie – en het tegengaan ervan – is een complex, elektrochemisch en dynamisch proces.
- Corrosie veroorzaakt aanzienlijke economische kosten en milieuschade;
- Tata Steel en wetenschap innoveren in corrosiebescherming om staal duurzamer te maken;
- Alternatieven voor schadelijke corrosie-remmers zijn: chroom-3, lithium-gebaseerde inhibitoren en machine learning voor voorspelling en bescherming tegen corrosie.
Ster in beschermen van staal, vijand voor mens en milieu
“Zodra staal reageert met de vochtige buitenlucht, vormt er zich een ijzer(hydr)oxidehuid. Als we daar vooraf niet goed rekening mee houden tijdens het productie- en applicatieproces, kan dat laagje vol scheuren en defecten zitten. Dan biedt het onvoldoende bescherming en kan het niet voorkomen dat het onderliggende metaal in oplossing gaat”, legt Arjan Mol uit. Hij is hoogleraar Corrosietechnologie en Elektrochemie aan TU Delft.
Chroom-6 (officieel: Cr6+) is een ster in het beschermen van staal tegen corrosie. Doordat er zes elektronen missen uit de twee buitenste schillen van het atoom, reageert de stof makkelijk met bijvoorbeeld zuurstof. Zo vormt het een corrosiewerende laag als de verflaag beschadigd raakt. Deze ‘actieve corrosie-remmer’ is zelfherstellend: bij beschadigingen lost het chromaat op in water en vormt het een beschermend laagje in de kras dat ervoor zorgt dat het onderliggende metaal niet gaat corroderen. Maar, het materiaal is milieuvervuilend en kankerverwekkend. Het mag volgens EU-wetgeving alleen nog gebruikt worden als er geen goed alternatief is en onder strikte voorwaarden, zoals in de binnenkant van vliegtuigen.
Duurzaam staal
Onze samenleving is gebouwd op staal. We maken er fietsen bruggen, pijpleidingen en auto’s van. In 2021 werd er wereldwijd 1,9 miljard ton staal geproduceerd – een historisch hoogtepunt in de mondiale staalproductie. Of dieptepunt, want elke ton nieuw geproduceerd staal gaat gepaard met 1,9 ton CO2-uitstoot. Met een aandeel van zeven procent in de wereldwijde CO2-uitstoot is het een van de industrieën met de grootste koolstofdioxide uitstoot. Toch zijn we ertoe veroordeeld, want een alternatief voor staal is er niet. Er zit dus maar een ding op: de levenscyclus van staal groener maken. In deze serie kijken we hoe wetenschappers van TU Delft en de industrie de levenscyclus van staal – van productie tot verwerking, toepassing en recycling – verduurzamen. Vandaag: de rol van corrosietechnologie in het verduurzamen van staal.
Ongevaarlijk broertje
Welke alternatieven zijn er dan? Er is het ongevaarlijke broertje chroom-3, dat wordt gebruikt voor het produceren van blikjes. Het gebruik van chroom-3 werd lange tijd als onmogelijk gezien; de beschermlaag is minder sterk. “Ons is dat nu toch gelukt, chroom-3 wordt gebruikt als beschermlaag bij verpakkingsmateriaal, zoals blikjes drinken”, vertelt Hans van der Weijde, programmadirecteur van Tata Steel R&D.
De staalproducent ontwikkelde als eerste ter wereld een methode waarmee met een heel simpel elektrolyt een dunne chroomcoating gemaakt kan worden vanuit een chroom-3 oplossing. “Dat is leuk op kleine schaal in een laboratorium, maar voor een productielijn van driehonderd meter per minuut is het een ander verhaal. We willen een laag creëren met een dikte van ongeveer honderd nanometer mét de structuur van metaaloxide. Een grote uitdaging, maar wel een hele leuke.”
Ook andere elementen kunnen een oplossing bieden. Zo zijn ook op lithium gebaseerde corrosie-inhibitoren nadrukkelijk onderwerp van industrieel-academisch onderzoek. Deze chemie zorgt na beperkte oplossing van het metaal voor de vorming van een dichte, goed beschermende oxidelaag. Op deze manier maakt Mol van vijand (corrosie) een vriend op basis van het depositiemechanisme. “Als je rekening houdt met microstructuur en chemicaliën kun je in plaats van een losse laag juist een robuuste laag creëren. Zo laat je corrosie vóór je werken in plaats van tegen.”
Deze toepassing is nu alleen nog onderzocht op aluminiumlegeringen voor de burgerluchtvaart. Lastig is dat – voordat de industrie ervaring heeft opgebouwd met praktische toepassingen – wetenschappers moeilijk kunnen voorspellen hoelang zo’n laag voldoende bescherming biedt. Mol: “Voorspellingen doen is complex. Dat komt vooral door de onvoorspelbaarheid van omgevingscondities waaraan objecten worden blootgesteld. We kunnen versnelde testmethoden in laboratoria koppelen aan de daadwerkelijke levensduur, maar mechanismen en de snelheid van onderliggende degradatieprocessen in een laboratorium kunnen typisch verschillen van die in de praktijk.”
Lichtere constructies
Volgens Van der Weijde kan de sector nog een grote verduurzamingsslag slaan met het lichter maken van constructies. “Toen ik bij Tata Steel begon, woog een drankblikje nog 35 gram, nu is dat 20 gram. Die trend geldt niet alleen voor de verpakkingswereld, maar ook voor de automotive- en bouwsector. Wij hebben tachtig tot honderd promovendi aan het werk bij universiteiten. Al die wetenschappelijke kennis zorgt voor technologische ontwikkeling. We werken met steeds dunnere en daardoor lichtere materialen en slimmere coatings. Zo kunnen we steeds duurzamer, dunner en lichter staal produceren. Het materiaal dat je niet gebruikt, hoef je ook niet te recyclen.”
Machine learning
Als Mol naar de toekomst kijkt, verwacht hij veel van machine learning. “Zelfs als we dag en nacht met duizenden onderzoekers zouden zoeken, zijn de opties van verschillende combinaties chemicaliën die kunnen dienen als chroom-6 vervangende corrosie-inhibitor eindeloos. Met behulp van machine learning kunnen we testen hoe efficiënt een set chemicaliën is op het gebied van corrosiewering en daarmee veelbelovende andere chemicaliën identificeren en de effectiviteit daarvan voorspellen. We doen daar met verschillende partners in Europees verband onderzoek naar. Dat is nu gericht op aluminium en vliegtuigbouw, maar deze aanpak kunnen we breed uitrollen richting andere metaalsoorten.”
Ook bij levensduurvoorspelling – een holy grail in corrosieonderzoek – van staal gaat machine learning een grote rol spelen, verwacht Mol. Met behulp van machine learning zullen wetenschappers in de nabije toekomst veel exacter kunnen voorspellen hoe een stalen brug of damwand er over vijf of tien jaar aan toe is en daarbij rekening houden met verschillende scenario’s wat betreft omgevingscondities. Zo is er het SUBLIME-project, waar onderzoekers kijken naar digital twins van stalen objecten. “In combinatie met theoretische modellering, monitoring, sensoring en experimenten, levert dat een veel realistischere voorspelling op”, aldus de hoogleraar.
“Ons wapenen tegen corrosie wordt steeds uitdagender vanwege de toepassingsgebieden.”
Arjan Mol
Steeds uitdagendere toepassingsgebieden
Het werkgebied van Mol en Van der Weijde wordt er niet makkelijker op. Mol: “Ons wapenen tegen corrosie wordt steeds uitdagender vanwege de toepassingsgebieden. De energietransitie is daar een goed voorbeeld van. Neem de toenemende vraag naar windenergie op zee. De omstandigheden voor windmolens – zout, wind, water – zijn heel corrosief. Dat geldt ook voor allerlei elektrolyseprocessen, zoals voor de productie van waterstof of conversie van koolstofdioxide, die een belangrijk onderdeel van de energietransitie vormen. Die processen werken katalytisch gezien heel goed in relatief agressieve operationele condities, maar diezelfde processen hebben ook veel effect op de degradatie van materialen. ”
Mol is op een missie: zijn studenten, of ze nou in het onderzoek of in het bedrijfsleven terechtkomen (juíst zij), bewust maken van het feit dat investeringen en keuzes die corrosie tegengaan op voorhand misschien duurder lijken, maar zich uiteindelijk écht terugbetalen. “Iedere kilo staal zorgt voor 1,9 kilo CO2-uitstoot. Als we tijdens de ontwerpfase al betere beslissingen nemen om in de toepassing vroegtijdige of overvloedige corrosie te voorkomen, verdienen we dat dubbel en dwars terug tijdens de levensduur van producten en constructies: zowel economisch als in termen van ecologische impact op onze samenleving. Hoe beter de kwaliteit van het staal en de beschermingsmaatregelen, hoe lichter we in veel gevallen kunnen construeren. Zo kun je in de ontwerpfase kosten drukken, maar worden ook transporttoepassingen goedkoper en energiekosten lager. De industrie moet kijken naar de hele levensduur van een toepassing. Het is een integrale verantwoordelijkheid van alles en iedereen om beter voor onze planeet te zorgen.”
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
