Een belangrijk onderdeel van het beklede productportfolio van Tata Steel is verzinkt hoog sterkte staal. De techniek lijkt misschien weinig spannend, maar als je erop inzoomt blijkt die activiteit neer te komen op het voortdurend balanceren tussen de gewenste sterkte van het staal, de mate van vervormbaarheid en een goede hechting van de deklaag. En dan moeten er ook nog veel meer verschillende staalsoorten geproduceerd worden dan pakweg 20 jaar geleden. Hoe breng je dat in praktijk?

Edzo Zoestbergen is kennisgroepleider Coating Technology bij Tata Steel, waar onder meer onderzoek naar het continu dompelverzinken van hoog sterkte staal wordt uitgevoerd. Om maar bij het laatste te beginnen: wat is hoog sterkte staal? Afbeelding 1 laat elf staalsoorten zien die verschillen in vervormbaarheid en sterkte. Ze zijn in drie groepen ingedeeld: laag, hoog en extra hoog.



Edzo Zoestbergen: “De brede toepasbaarheid van staal komt voort uit de veelzijdigheid in eigenschappen, zoals weergegeven in afbeelding 1. Als je blikjes produceert voor de voedselindustrie, dan begin je met een vlakke plaat en is de vervormbaarheid dus de belangrijkste parameter. Maar als je kijkt naar een auto, wordt het al snel complexer. Aan de zijkant wil je graag dat het staal heel sterk is, maar niet vervormbaar, want je wilt daar geen vervorming bij een botsing. Aan de voorkant van de auto moet het staal juist wel kunnen vervormen, want het moet bij een botsing energie absorberen. En zo zijn er heel veel verschillende eigenschappen die op verschillende plekken in de auto gewenst zijn. Daarbij komt nog de wens om het gewicht te verlagen, in verband met de CO2-uitstoot. Dit alles heeft ertoe geleid dat het aantal verschillende staalsoorten dat in een auto wordt toegepast in de laatste 20 jaar is verdrievoudigd. Daarnaast is het belangrijk dat een auto er goed uitziet. Niet alleen in de showroom, maar ook na tien jaar. Bescherming tegen corrosie met een zinklaag is dan essentieel.”

GROTE UITDAGING

Na het koudwalsen wordt het staal in een continu dompelverzinklijn, die bestaat uit een gloeioven met aansluitend een vloeibaar zinkbad, verwarmd om te rekristalliseren en tijdens het afkoelen de vereiste combinatie van mechanische eigenschappen te krijgen. De sterkte en vervormbaarheid worden voor een belangrijk deel bepaald door de exacte afkoeling en door de hoeveelheid en soort legeringselementen die toegevoegd worden. Elementen als mangaan en silicium worden toegevoegd aan het staal om hoge sterkte te krijgen. Probleem is wel dat die elementen de neiging hebben om in de gloeioven naar het oppervlak te diffunderen en daarmee de vorming van een Fe2Al5-laag (inhibitielaag) te verhinderen. Deze Fe2Al5-laag van ongeveer 50 nanometer is essentieel voor een goede hechting van de zinklaag aan het staal en ontstaat omdat er aan het zinkbad een beetje aluminium is toegevoegd; ongeveer 0,2 gewichtsprocent. Het aluminium reageert als eerste met het ijzer en vormt de Fe2Al5-laag. Behalve voor een goede hechting, zorgt die laag er ook voor dat het zink niet in het staal diffundeert. De grote uitdaging is dus om in de gloeioven zowel de gewenste mechanische Tata Steel past productieproces voortdurend aan eigenschappen te creëren, als ervoor te zorgen dat het oppervlak een zodanige toestand heeft dat de reactie tussen ijzer en aluminium kan plaatsvinden.

CONTINU DOMPELVERZINKEN

Voor een goede hechting is de atmosfeerbeheersing van een gloeioven essentieel. Het eerste gedeelte van de oven is altijd oxiderend, omdat methaan wordt verbrand waarbij water ontstaat. In het tweede gedeelte wordt er stralingsverwarming gebruikt in een HNx-atmosfeer en dit is reducerend. Als het materiaal alleen uit laag gelegeerd staal zou bestaan, is oxidatie daarvan niet erg, want het ijzeroxide wordt later in de oven weer gereduceerd. Hierdoor heb je puur ijzer aan het oppervlak, waardoor de inhibitielaag kan groeien. Het toevoegen van elementen is goed voor meer sterkte, maar mangaan en silicium hebben, zoals gezegd, de neiging om naar het oppervlak te diffunderen. Dit komt omdat er zeer weinig zuurstof aanwezig is in de gloeioven. Deze elementen hebben een grotere affiniteit voor zuurstof dan ijzer, en dus worden er mangaan- of siliciumoxides gevormd. Maar de gevormde mangaan- en siliciumoxides aan het oppervlak kun je niet reduceren in de gloeioven, zoals ijzeroxide. Deze externe oxidatie is echter wél te voorkomen door tijdens het gloeiproces een gecontroleerde pre-oxidatiestap uit te voeren, waarbij je expres zuurstof aanbiedt. Hierdoor oxideren het mangaan en silicium intern en diffunderen ze niet naar het oppervlak. Zo kunnen ze ook de formatie van de Fe2Al5-laag niet verhinderen.

In de continue gloeioven wordt het staal gegloeid op 850 °C, terwijl het zinkbad een temperatuur heeft van 460 °C. De bandtemperatuur moet rond de temperatuur van het bad liggen op het moment dat de band het bad ingaat. Dat betekent dat de soort en hoeveelheid van de legeringselementen moeten worden afgestemd op de gewenste mechanische eigenschappen en de temperatuurkarakteristiek van de lijn. Dat daarbij ook de ovenatmosfeer volledig beheerst moet worden, is ‘een hele uitdaging’, aldus Zoestbergen.

KERNGEGEVENS TATA STEEL

Tata Steel is een van de toonaangevende staalbedrijven van Europa met een uitgebreid assortiment van staalproducten en aanverwante diensten. In Europa produceert het bijna tien miljoen ton staal per jaar. Buiten IJmuiden heeft het in Europa nog een productielocatie van staal, namelijk in Port Talbot in Wales. De voornaamste markten van het bedrijf zijn bouw, verpakking, automobielindustrie, consumentenproducten en hijs- en graafmachines. Het bedrijf heeft productielocaties in het VK, Nederland, Duitsland, Frankrijk, Amerika en België en heeft in Europa ongeveer 21.000 werknemers. De jaarlijkse omzet in Europa bedraagt ongeveer 7,5 miljard euro.

VACUÜMDEPOSITIE

Als je altijd maar één soort staal zou produceren, dan hoefde je nooit meer iets te veranderen als de ingestelde parameters succesvol blijken. Maar er zijn dus meerdere staalsoorten, wat kan betekenen dat het productieproces in de oven voortdurend aangepast moet worden. Echter, een oven bij Tata Steel produceert zo’n 500 kiloton per jaar. Bovendien is de totale lengte van een band in een oven meer dan 500 meter. Daardoor kun je niet zomaar even van het ene op het andere moment de ovenatmosfeer veranderen of de temperatuur van het staal aanpassen. Toch moet er een zekere flexibiliteit zijn, omdat de markt daar om vraagt. Het totaalgewicht van een auto, bijvoorbeeld, is de laatste jaren zeker niet toegenomen, maar het aantal staalsoorten daarin wel. Per staalsoort is het volume naar beneden gegaan. Vandaar dat Tata Steel de productieomstandigheden nog beter onder controle wil krijgen, maar ook kijkt naar alternatieven, zoals koude coatingtechnologie. Daaronder vallen bijvoorbeeld elektrolytisch verzinken en vacuümdepositie. Elektrolytisch verzinken valt voor Tata Steel af, omdat je daarbij geen magnesium kunt aanbrengen. Dat element is van belang vanwege de betere corrosiewering, waardoor de duurzaamheid van het product kan worden verhoogd. Bovendien kan elektrolytisch verzinken waterstof introduceren in het staal, en dat kan waterstofverbrossing veroorzaken in hoog sterkte staal. Met vacuümdepositie speelt dit probleem niet. Vandaar dat Tata Steel serieus kijkt naar de mogelijkheid van vacuümdepositie. Hierbij ga je het zink thermisch verwarmen in een vacuümomgeving, waardoor het zink verdampt en vervolgens neerslaat op een band. Deze techniek is in principe geschikt voor het verzinken van alle staalsoorten, dus ook bijvoorbeeld voor martensitisch staal. De koude coatingtechnologie heeft geen invloed op de mechanische eigenschappen van het staal. Edzo Zoestbergen: “Vacuümdepositie moet je zien als een alternatieve technologie om ons productportfolio uit te breiden. Maar het verbeteren van het continu dompelverzinken van staal heeft zeker ook onze volle aandacht.