Onze samenleving is gebouwd op staal; we maken er (onder andere) fietsen, bruggen, gebouwen, pijpleidingen en auto’s van. In 2021 werd er wereldwijd 1,9 miljard ton staal geproduceerd; een historisch hoogtepunt in de mondiale staalproductie. Tegelijkertijd is het een dieptepunt, want elke ton nieuw geproduceerd staal gaat gepaard met 1,9 ton CO2-uitstoot. Met een aandeel van zeven procent in de mondiale CO2-uitstoot is staalproductie een van de meest vervuilende industrieën.
- Wereldwijde staalproductie bereikt een recordhoogte van 1,9 miljard ton, maar elke geproduceerde ton gaat gepaard met 1,9 ton CO2-uitstoot, waardoor het een van de meest vervuilende industrieën is.
- De invloed van microstructuren is cruciaal voor een groenere staalproductie.
- De ontwikkeling van nieuwe productietechnologieën en het hergebruik van schroot zijn cruciaal voor een duurzamere staalproductie.
Toch hebben we het nodig, want een alternatief is er niet. Staal combineert namelijk het beste van drie werelden: het is flexibel, goedkoop én sterk. Er zit dus maar één ding op: de levenscyclus van staal groener maken. In deze serie kijken we hoe wetenschappers van de TU Delft en de industrie de levenscyclus van staal – van productie tot verwerking, toepassing en recycling – duurzamer maken. Vandaag: de invloed van microstructuren.
Staal: miljarden kristallen
Staal is een legering (een kunstmatig mengsel van een metaal met minstens één ander toegevoegd element) van voornamelijk ijzer en koolstof en bestaat uit miljarden en miljarden kleine kristallen, stevig en dicht opeengepakt. Voor staal is het productieproces – vooral vervorming, verhitting en afkoeling – minstens zo cruciaal als de samenstelling van de legering. “Staal bestaat voor 96 gewichtsprocent uit ijzer en tot een half procent uit koolstof. Bij kamertemperatuur ligt de kristalstructuur vast, maar als je het verhit, verandert de manier waarop de atomen op microscopische schaal binnenin het ijzer zijn gerangschikt, de microstructuur,” legt Jilt Sietsma uit. Hij is emeritus-hoogleraar aan de afdeling MSE op het gebied van microstructuren.
“Als je staal door een microscoop bekijkt, zie je allemaal kristallen die gevormd worden door atoomstructuren met verschillende oriëntaties. Deze microstructurele bestanddelen variëren in grootte, oriëntatie en omvang. Door deze structuur te wijzigen – met warmtebehandelingen, optioneel in combinatie met het veranderen van de chemische samenstelling – kun je de microstructuur van staal veranderen en staal met specifieke eigenschappen produceren”, legt Maria Santofimia Navarro uit. Ze is hoogleraar Fysische Metallurgie en onderzoekt specifieke microstructuren, waarbij ze sterke en zachte microstructurele bestanddelen van staal combineert. Deze typen materialen worden in de automotive industrie al volop gebruikt, waar ze steeds lichter en sterker materiaal nodig hebben.
Door deze structuur te veranderen – met warmtebehandelingen of door, mogelijk in combinatie met het veranderen van de chemische samenstelling – kan de structuur van het materiaal veranderen.
Een duurzamer productieproces
Eigenlijk is staal dus een parapluterm; er bestaan zo’n 3500 verschillende staalsoorten voor commercieel gebruik met stuk voor stuk een unieke microstructuur. In het laboratorium zijn de mogelijkheden eindeloos. In de onderzoeksgroep van Sietsma en Santofimia ontwikkelen ze (onder andere) fundamentele kennis van de processen waarmee de microstructuur wordt gevormd. Deze kennis vormt de basis voor het ontwerp van staalverwerking met een minimum aan grondstoffen, energieverbruik en emissies, terwijl het gebruik van schroot wordt gemaximaliseerd.
De hoogleraren werken nauw samen met de industrie, dat is ook deels wat het onderzoek zo leuk maakt, vindt Santofimia. “Hier ontleden we fysische mechanismen en met die kennis kan de industrie uiteindelijk nieuwe staalsoorten maken en verduurzamen.”
Het hergebruik van staal
Naast de ontwikkeling van nieuwe, duurzame productietechnologieën voor ‘groen staal’, is ook het hergebruiken van staal een belangrijk aspect. Schroot zal een steeds belangrijkere grondstof worden voor de productie van staal, weet ook Erik Vegter, directeur van M2i (Materials innovation institute), een netwerkorganisatie gespecialiseerd in materiaalonderzoek van zowel bedrijven als universiteiten. “Je kunt staal heel goed hergebruiken, maar het maakt nogal een verschil of ijzer de grondstof is, of gebruikt materiaal. Onderzoek naar het vinden van goede manieren om met veranderende samenstellingen nog steeds de microstructuur te kunnen controleren – en dus te zorgen voor een kwalitatief hoogwaardig eindproduct – wordt de komende jaren steeds belangrijker.”
Santofimia: “We moeten nieuwe technologieën ontwikkelen die een hogere elementonzekerheid tolereren. De eerste stap is begrijpen wat het precieze effect is van deze ongecontroleerde elementen uit schroot op de vorming van de microstructuur. Zodra we dat weten, kunnen we nieuwe verwerkingsroutes ontwikkelen die daar rekening mee houden. Zo kunnen we proberen deze elementen in ons voordeel te gebruiken.
‘Heel enthousiast’
Terwijl we staal al ruim drieduizend jaar gebruiken, is het bestuderen van microstructuren een onderzoeksveld dat pas vrij recent op is gekomen.”We zijn pas een paar decennia bezig en hebben al veel bereikt op het gebied van microstructuurcontrole. We hebben bijvoorbeeld inzicht gekregen in de allereerste fase van de vorming van kristallen, de nucleatiefase, waarin enkele tientallen atomen ‘besluiten’ om zich te herschikken in een nieuwe kristalstructuur. Ongeveer 75 procent van de staalsoorten die nu in gebruik zijn, bestonden twintig jaar geleden nog niet. Ik word echt heel enthousiast als ik denk aan wat we in de toekomst kunnen bereiken”, zegt Santofimia.
“Ook de mogelijkheden die modelsimulaties op snelle computers bieden zijn een enorme hulp,” vult Sietsma zijn collega aan. “Voorspellingen van microstructuurvorming op basis van op fysica gebaseerde modellen vereisen zeer uitgebreide berekeningen.”
In dit kader initieerde M2i het DEPMAT-project (Data Enhanced Physical Models) dat wordt geleid door de Universiteit Twente en waaraan ook TU Delft, Tata Steel en SKF deelnemen. Het project doet onderzoek naar het modelleren van de reacties van microstructuren op die nieuwe fabricageprocessen.
Bewustwording
Het begrijpen van microstructuren is een belangrijk onderdeel voor een groenere staalproductie. Een onderwerp dat bij de industrie inmiddels prioriteit heeft, ziet Sietsma. “Voorheen hadden de vragen vanuit de industrie vooral te maken met schaarste, prijs en politieke gevoeligheid. Als een bedrijf vanwege geopolitieke redenen geen nikkel meer kon importeren, vroegen ze ons of het mogelijk is om nikkel te vervangen voor een ander element. Nu gaan vragen van de industrie vooral over een duurzamere productie.”
“Voorheen hadden de vragen vanuit de industrie vooral te maken met schaarste, prijs en politieke gevoeligheid. Als een bedrijf vanwege geopolitieke redenen geen nikkel meer kon importeren, vroegen ze ons of het mogelijk is om nikkel te vervangen voor een ander element. Nu gaan vragen van de industrie vooral over een duurzamere productie.”
Jilt Sietsma
Sietsma kan het weten; de hoogleraar is al sinds 1987 verbonden aan de afdeling materials science en engineering. Onlangs werd hij benoemd tot Ridder in de Orde van de Nederlandse Leeuw, als erkenning voor zijn bijdrage aan de wetenschap, industrie en maatschappij, wat het maatschappelijk belang van staalonderzoek benadrukt.
Vegter ziet deze bewustwording als de belangrijkste stap die de industrie de afgelopen jaren maakte. “Staalbedrijven beseffen zich veel beter dan dat men in de buitenwereld weet, dat ze moeten verduurzamen. Het belangrijkste voorbeeld is de transitie die Tata Steel doormaakt om in 2030 een van de hoogovens te vervangen door een DRI (Direct Reduced Iron) proces. Dit zal het gebruik van vervuilende kolen wegnemen.”
Omslagfoto: microstructuur van perliet. Foto: Natalia Luzginova, gepubliceerd in N.V. Luzginova, L. Zhao, & J. Sietsma, The Cementite Spheroidization Process in High-Carbon Steels with Different Chromium Contents, Metallurgical and Materials Transactions A 93 (2008) 513-521.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
