Onderzoek

De weg naar groen staal - deel 1: Hoe wordt staal gemaakt?

27 oktober 2023 8:30 RaboResearch

De staalindustrie in Europa staat onder druk om groen staal te produceren, maar hoe werkt de productie van staal eigenlijk? In dit eerste artikel in een reeks van twee bespreken we productiemethoden, producten en toepassingen.

3d rendering roll of steel sheet in factory

Staal in de basis

Staal is een basismetaal voor de samenleving, maar wat is de basis van staal?

Wat is staal, welke rol speelt staal in de economie en in de energietransitie? Hoe groot is de klimaatimpact van staal en wat is er nodig om de staalproductie emissieloos te maken? In dit eerste artikel van twee leggen we uit hoe staal wordt geproduceerd en waarom dat tot broeikasgasemissie leidt. In het tweede deel gaan we dieper in op het gebruik van waterstof voor de productie van groen staal.

Staalproductie in huidige vorm

Staal is een verzamelnaam voor materialen gemaakt van ijzer met daarin een specifieke hoeveelheid koolstof vermengd. Het percentage koolstof in staal zit tussen de 0,002 en 2,14. Een metaal bestaande uit een mengsel van elementen heet een legering; staal is dus een legering van ijzer en koolstof. Koolstof maakt ijzer harder en sterker en daardoor geschikt voor een groot aantal toepassingen. Moderne staalfabrikanten hebben vaak honderden soorten staal in hun productportfolio die variëren in chemische samenstelling, mechanische eigenschappen, coating, afwerking en afmetingen, van zeer dik (25,4 mm) tot extreem dun (0,25 mm).

Primair en secundair staal

Er zijn verschillende manieren om staal te produceren. In dit artikel is ervoor gekozen om allereerst het onderscheid te maken op basis van de grondstoffen die worden ingezet en vervolgens tussen plaatstaal (flat products) en staaf- en draadstaal (long products). Vanuit dit perspectief bestaan er twee hoofdroutes, de primaire en de secundaire route. Zowel binnen de primaire route als binnen de secundaire route bestaan er verschillende technieken en technologieën om tot dezelfde eindproducten te komen.

Figuur 1: Primair en secundair staalmaken op basis van ijzererts en schroot

Bron: RaboResearch 2023

Staal kan worden gemaakt op basis van ijzererts via de primaire route, of op basis van schroot via de secundaire route (recycling) (figuur 1). De belangrijkste grondstoffen voor primair staal zijn ijzererts, een reductiemiddel (zie verder in de tekst 'Van ijzererts naar ijzer') en schroot. Primair staal wordt voornamelijk gemaakt in hoogovens met behulp van kolen.

Bij secundair staalmaken is een reductiemiddel niet nodig; het staalschroot wordt simpelweg omgesmolten door elektrische en gedeeltelijk chemische warmte aan het schroot toe te voegen. De meest gangbare manier om dit te doen is door gebruik te maken van een vlamboogoven (electric arc furnace of kortweg EAF). Een vlamboogoven gebruikt doorgaans zowel elektriciteit als aardgas of aardolie om schroot te smelten. Secundaire staalproductie vereist minder energie en kent een lagere uitstoot dan primair staalmaken.

Box 1: Voorbewerking van grondstoffen

Bij het primair staalmaken moet ijzererts voor de meeste processen eerst worden voorbewerkt tot pellets (knikkers) of sinter (koek). Pellets en sinter worden ook aangeduid als agglomeraat, omdat het zandachtige ijzererts na bewerking is samengeklonterd waardoor het luchtiger is. Daardoor kunnen gassen gemakkelijker door het ijzererts heen stromen. Deze luchtigheid is een noodzakelijke eigenschap om het ijzererts om te kunnen zetten naar elementair ijzer.

Steenkool dat hoogovens gebruiken, moet eerst worden omgezet in kooks (cokes). Dit gebeurt in een kooksgasfabriek. Door metallurgische kolen (een soort hoogwaardige steenkolen) te verhitten in zuurstofvrije ovens, ontsnappen waterstof, methaan en andere lichte of volatiele moleculen uit de poriën van het steenkool. Wat overblijft, de kooks, is een hard materiaal met een hoog koolstofgehalte. Dit zijn allebei belangrijke eigenschappen voor het maken van ijzer in een hoogoven. Naast ijzererts en kolen zijn kalk en legeringselementen de belangrijkste grondstoffen voor het maken van ijzer en staal uit ijzererts.

Van ijzererts naar ijzer

IJzererts bestaat uit ijzeroxide, voornamelijk hematiet, met de molecuulformule Fe2O3. IJzeroxide wordt stapsgewijs omgezet in ijzer: van hematiet naar magnetiet (Fe3O4), dan naar wustiet (FeO) en dan naar ijzer (Fe). Deze omzetting waarbij zuurstof uit het ijzererts wordt verwijderd heet een reductiereactie: het ijzeroxide wordt daarin gereduceerd tot ijzer.

Op dit moment is koolstof verreweg het meest gebruikte reductiemiddel. Om precies te zijn is het koolstofmono-oxide gas (CO) dat tijdens het proces wordt gevormd uit kooks/poederkool en met zuurstof verrijkte lucht. Deze lucht heet in jargon ‘hot blast’ en verklaart de Engelse naam voor een hoogoven, een blast furnace. Steenkool is daarmee naast het ijzererts de belangrijkste grondstof om staal te maken via de primaire route. In een hoogoven ontstaat verder ook vloeibaar slak. Dit bestaat voornamelijk uit silicium- en aluminiumhoudende stoffen, die van nature in het ijzererts aanwezig zijn. Vanwege de lagere dichtheid van deze stoffen ten opzichte van ijzer, drijft het vloeibare slak op het vloeibare ijzer. Vloeibaar ijzer komt helemaal onder uit een hoogoven; slak komt de oven uit via een tapgat dat iets hoger is gemaakt. Hoogovenslak is een bijproduct dat wordt gebruikt voor de productie van cement.

Het gebruik van koolstof als reductiemiddel voor de primaire staalproductie staat ter discussie, omdat de CO uit kooks door opname van zuurstof uit ijzererts wordt omgezet tot het broeikasgas CO2. In de hoogovenproductieroute is de typische verhouding tussen het gewicht in CO2 en het staal dat wordt gemaakt ongeveer 2:1, dus twee ton CO2 per ton staal. De best presterende hoogovens ter wereld produceren al heel dicht in de buurt van de theoretisch maximaal haalbare efficiëntie en produceren rond de 1,8 ton CO2 per ton staal. Procesoptimalisatie biedt daarom weinig tot geen ruimte voor verdere verlaging van CO2-emissie bij hoogovens die volledig op basis van poederkool en kooks ijzer produceren. Staal via de secondaire route heeft schroot als basis. Omdat schroot al tot ijzer is gereduceerd, hoeft het enkel te worden omgesmolten. Hierdoor stoot deze route minder CO2 uit per ton geproduceerd staal.

Na ijzererts het oxystaalproces

Na reduceren en smelten van de ijzererts ontstaat vloeibaar ijzer met daarin een relatief grote hoeveelheid koolstof (C). Dit heet ruwijzer in vloeibare vorm en gietijzer in vaste vorm. Het vloeibare ruwijzer is ‘verzadigd’ met koolstof. Om van vloeibaar ruwijzer staal te maken wordt als volgende stap het koolstofniveau omlaag gebracht. De uiteindelijke hoeveelheid koolstof die overblijft in het vloeibare staal hangt af van de eigenschappen die het staal nodig heeft voor de beoogde toepassing. Constructiestaal heeft bijvoorbeeld andere mechanische eigenschappen dan verpakkingsstaal, en daarom ook een ander koolstofgehalte.

Koolstof wordt verwijderd uit vloeibaar ruwijzer door deze te laten reageren met zuurstof. Het meest gangbare proces om dat te doen is het oxystaalproces (basic oxygen steelmaking, kortweg BOS). Een oxystaalfabriek heeft meestal een of meer converters, in het Engels basic oxygen furnace (BOF). In een BOF wordt pure zuurstof onder zeer hoge snelheden in het vloeibare staal geïnjecteerd. De opgeloste koolstof reageert met de zuurstof tot een mengsel van CO en CO2. Daarbij ontstaat zoveel warmte dat het bij oxystaalmaken noodzakelijk is om schroot aan het vloeibare ijzer toe te voegen. Het smelten van het schroot zorgt ervoor dat de temperatuur in het vloeibare ijzer/staal niet te hoog oploopt, zoals een ijsklontje in een beker hete thee.

De warmtebalans bepaalt de maximale hoeveelheid schroot die kan worden toegevoegd in de primaire route, want de temperatuur mag ook niet te laag worden. In de praktijk beperken verontreinigingen de hoeveelheid schroot vaak nog verder. Doordat schroot een mengsel is van verschillende staalsoorten en vaak ook andere metalen zoals koper, tin en zink, is de hoeveelheid schroot die kan worden bijgemengd voor toepassingen die een lage hoeveelheid legeringselementen nodig hebben beperkt. Men spreekt hier in jargon over de restelementenruimte, de ruimte voor onnodige of zelfs onwenselijke elementen die in het vloeibare staal terecht mogen komen. Als die hoeveelheden worden overschreden dan beïnvloedt dit de kwaliteit van het staal dusdanig dat het niet langer geschikt is voor de beoogde toepassingen. Als in de praktijk een verkeerde inschatting wordt gemaakt over de vervuilingsgraad van bepaalde elementen in schroot waardoor het staal te hoog gelegeerd raakt in een of meer elementen, dan wordt deze batch ‘afgewaardeerd’. Met andere woorden, het staal wordt nog steeds verwerkt, maar verkocht voor een lagere prijs en voor een toepassing die geschikt is voor staal van mindere kwaliteit.

Secundair staal: circulair staal met minder emissies

De route om secundair staal te maken is veel korter dan die voor primair staal. Secundair staal is gemaakt van schroot dat wordt gesmolten in elektrische ovens, meestal vlamboogovens (EAF’s) in zogenaamde ‘mini mills’ of in inductieovens die op basis van elektromagnetisme warmte genereren. De vlamboogovens werken met enorme elektroden die worden gebruikt om met behulp van elektrische energie warmte aan het schroot toe te voegen. Die warmte ontstaat in vlambogen (electric arcs) door de elektrische ontlading tussen de elektroden van een vlamboogoven en het schroot. Naast elektrische energie wordt in een vlamboogoven vaak gebruik gemaakt van gasbranders op basis van aardgas om nog meer warmte in de oven te genereren. Het gesmolten schroot - vloeibaar ruw staal - wordt uit de oven in een staalpan overgegoten door de gehele vlamboogoven te kantelen. De staalpan met vloeibaar ruw staal vervolgt zijn route tot eindproduct in een aantal stappen die vanaf de sectie Metallurgie: de chemie van metalen verder is beschreven.

Figuur 2: De productievolumes van ruw staal in de EU

Bron: EUROFER European Steel in Figures 2023, RaboResearch 2023

Secundair staalmaken in een vlamboogoven gaat gepaard met een lagere specifieke emissie van CO2 per ton staal dan primair staal. Dit hangt samen met het aandeel hernieuwbare energie in de elektriciteit die de oven gebruikt. Een typische waarde is 0,4 ton CO2 per ton staal. Daarmee is de koolstofvoetafdruk vier tot vijf keer lager dan die van primair staal. Dat er niet meer secundair staal wordt geproduceerd, heeft twee belangrijke oorzaken. Ten eerste is de totale beschikbaarheid van schroot kleiner dan de totale vraag naar staal. Zolang de vraag naar staal jaar na jaar toeneemt zal er immers altijd minder schroot ontstaan dan er vraag naar nieuw staal is. Omdat stalen producten een lange levensduur hebben, is de hoeveelheid schroot die in een jaar ontstaat namelijk een gevolg van de omvang van de staalproductie van enkele decennia geleden. Ten tweede is het schroot dat wel beschikbaar is grotendeels ongeschikt voor het maken van kwalitatief hoogwaardig staal doordat het verontreinigd is met andere materialen. Deze verontreiniging heeft een negatieve invloed op het eindproduct. Denk bijvoorbeeld aan autowrakken die in elkaar zijn geperst. Hiervan is het staal zelf verzinkt en geverfd, en er zit koper in van de elektrische bedrading. Het schroot dat ontstaat wordt wel grotendeels benut voor de productie van kwalitatief laagwaardiger staal, zowel in de primaire als in de secundaire route. Schroot heeft een positieve marktwaarde. Er bestaat een levendige handel in en het is in die zin geen onbruikbaar afval.

Naast het verschil in CO2-uitstoot tijdens de productie is het grootste en belangrijkste verschil tussen primair en secundair staal de kwaliteit van het eindproduct. Secundair staal is ongeschikt voor hoogwaardige toepassingen. Om hoogwaardig staal volledig circulair (op basis van 100 procent schroot) te produceren, is zuiver schroot van zeer hoge kwaliteit nodig. Dit type schroot waar vrijwel geen vervuiling in zit en waarvan de chemische samenstelling goed bekend is, ontstaat vooral bij staalfabrieken zelf (die primair staalmaken) en bij de directe afnemers van primair staal. Daardoor is de beschikbaarheid heel beperkt. End-of-life scrap, bijvoorbeeld een oude auto, fiets of een brug, is in de huidige staalketen in de regel niet voldoende zuiver waardoor de kwaliteit bij het omsmelten afneemt.

Metallurgie: de chemie van metalen

Vanaf dit punt in het proces verdwijnt in principe het onderscheid tussen primair en secundair staalmaken. Er zijn wel typerende bewerkingen die worden toegepast op primair staal respectievelijk secundair staal, maar deze zijn niet langer onderscheidend. Voor de eenvoud wordt hierna steeds gerefereerd aan de primaire route, maar alle beschreven stappen zijn dus ook mogelijk voor secundair staal.

Na het BOS-proces vinden eerst behandelingen plaats om de chemie van het vloeibare staal verder te verbeteren. Deze stappen worden aangeduid met secundaire metallurgie. Hierbij worden legeringselementen toegevoegd, de concentraties van opgeloste gassen verlaagd en vaste verontreinigingen verwijderd of chemisch omgezet. Dit zijn de laatste stappen voordat het vloeibare staal kan worden uitgegoten. Deze vinden plaats in een panoven (ladle furnace).

Van vloeibaar naar vast: plak of staaf

Bij staal gieten wordt het vloeibare staal in een gietmachine gecontroleerd omgezet naar vaste vorm. Dit gebeurt door te gieten bij een temperatuur die dicht in de buurt van het smeltpunt ligt, zodat het staal begint te stollen als het in contact komt met de watergekoelde onderdelen van de gietmachine. Er zijn hoofdzakelijk twee soorten gietmachines, gericht op twee productgroepen. Het eerste product is een plak staal, geschikt voor rollen plaatstaal (flat products). Het tweede product is een staaf of draad, geschikt voor lange producten (long products) zoals h-balken, wapeningsstaal voor gewapend beton of staalkabels. Moderne gietmachines werken continu. Er wordt dus doorlopend vloeibaar staal aangeleverd en uitgegoten tot plak of staaf.

Plakken worden verder verwerkt tot rollen door deze opnieuw te verhitten en dan uit te walsen en op te rollen. Er bestaan ook gietmachines die direct zijn gekoppeld aan een wals. In deze zogenaamde gietwalsen (direct sheet plants) worden geen plakken als tussenproduct gevormd. Het vloeibare staal wordt gegoten en meteen uitgewalst tot een rol. Dit bespaart energie, maar niet alle soorten staal kunnen op deze manier worden geproduceerd. Dit heeft te maken met de invloed van het walsproces op de mechanische eigenschappen van staal.

Na het gieten en walsen kan het staal nog verder worden verwerkt. De uiteindelijke eigenschappen van het eindproduct worden bereikt door het oppervlak te beitsen, het staal nogmaals te walsen bij lagere temperaturen, verschillende warmtebehandelingen te geven om interne spanning uit het materiaal te halen, en een laagje zink, tin, verf of andere (organische) coating aan te brengen.

Staalproducten en toepassingen

Staalproducten kun je grofweg indelen in hoog- en laagwaardig staal. De definitie is niet strikt, maar maakt grofweg onderscheid tussen staalsoorten met kwalitatief goede eigenschappen, waarvoor de markt bereid is meer te betalen, en staalsoorten van mindere kwaliteit en waarde. Ook de vorm na het gieten zorgt voor onderscheid: lange producten versus plaatstaal. Omdat er eindeloos veel variatie in staalsoorten is, bestaan er wereldwijde standaarden om deze te categoriseren. Een voorbeeld is het Noord-Amerikaanse SAE-systeem, dat staal in negen verschillende klassen onderverdeelt en daarbinnen weer in subklassen. De chemische samenstelling is een van de factoren die de eigenschappen van het staal bepalen, maar zeker niet de enige. De microstructuur, de manier waarop het metaal is geordend op micrometerschaal, heeft ook een grote invloed op de eigenschappen. De juiste microstructuur kan worden verkregen door een combinatie van walsen en warmtebehandelingen. Zo kunnen twee rollen staal met gelijke chemie toch heel andere eigenschappen bezitten die deze weer geschikt maken voor verschillende toepassingen.

Figuur 3: De belangrijkste sectoren voor het gebruik van staal

Bron: ERUOFER European Steel in Figures 2023, RaboResearch 2023

De lijst met toepassingen voor staal is erg lang, maar om een idee te krijgen noemen we een aantal voorbeelden. Voor lange staalproducten kun je denken aan h-balken en allerhande andere profielen voor de bouwsector, treinrails, wapeningsstaal voor beton en staalkabels. Plaatstaal wordt gebruikt voor verpakkingen in de voedingsindustrie en de (petro-)chemische industrie. Denk bijvoorbeeld aan drankblikjes, olievaten, maar ook aan batterijen die thuis in de keukenla liggen. Daarnaast is de voertuigenindustrie een grote afnemer voor de productie van personenwagens, heftrucks, landbouwvoertuigen, hijskranen, graafmachines en vrachtwagens. Ook schepen, treinen en witgoed worden gemaakt van plaatstaal. Ten slotte is plaatstaal ook een belangrijk materiaal voor de bouw, voor producten als gevelprofielen of damwanden.

Box 2: Toepassing van staal in een auto

Laten we een voorbeeld uitlichten: een auto. Voor een autofabrikant is het belangrijk dat het staal in de buitendelen sterk en licht is; dit maakt de auto veilig en zuinig. Daarnaast is het steeds belangrijker dat designers veel vrijheid krijgen in de vorm van de buitendelen. Door scherpe hoeken toe te passen, springt het ontwerp van een auto er meer uit en kan de fabrikant zich op dat punt onderscheiden. Dit vraagt om staal dat goed vervormbaar is, maar tegelijkertijd wel sterk genoeg is om de veiligheid te waarborgen. Ten slotte moet het staal zeer corrosiebestendig zijn omdat het wordt blootgesteld aan het weer en moet het oppervlak zoveel mogelijk vrij zijn van oneffenheden. Dit laatste heeft ook weer te maken met de uitstraling van een auto, een belangrijk aspect voor fabrikanten om zich mee te onderscheiden. Naast de buitendelen gaan er nog veel meer soorten staal in een auto, zoals de binnendelen, de kreukelzones, aandrijfassen en lagers. Bij elektrische en hybride aandrijving bevatten de elektromotor en de batterijen ook speciale soorten staal met de juiste (ferromagnetische) eigenschappen.

Energietransitie

De energietransitie zal veel staal vragen voor de benodigde infrastructurele investeringen zoals de aanleg van warmtenetten, de uitbereiding van het elektriciteitsnet (bijvoorbeeld hoogspanningsmasten) of de aanleg van een waterstofnet (stalen pijpen). Ook windmolens en elektrisch vervoer kunnen niet zonder staal. Tegelijkertijd dwingt de energietransitie de maatschappij om kritisch te kijken naar het gebruik van staal. Er zijn voor bepaalde toepassingen ook alternatieve materialen voorhanden die net zo goed of beter werken, en met minder energie of met schonere energie kunnen worden geproduceerd. De druk vanuit de samenleving, afnemers en autoriteiten op staalfabrieken neemt toe. Er is grote behoefte aan ‘groen staal’. Het is dus van maatschappelijk belang dat de staalsector de focus gaat leggen op de productie van staalsoorten die in het algemeen noodzakelijk zijn, in het bijzonder voor de energietransitie. Door die focus daar te leggen, ontstaat er ook ruimte op de markt voor duurzamere materialen. De productie van staal waarbij weinig of geen broeikasgasemissie plaatsvindt en hoe deze werkt, is het onderwerp van het tweede artikel in deze reeks.

Alternatieven voor staal

Aluminium is traditioneel gezien een concurrerend materiaal voor staal. Tesla kiest er bijvoorbeeld voor om de buitendelen van zijn auto’s grotendeels van aluminium te maken om het gewicht laag te houden, energieverbruik te verminderen en de actieradius daarmee te vergroten. Omdat aluminium meer energie kost om te maken, is de totale impact hiervan afhankelijk van de levensduur van de auto. De milieuwinst van aluminium zit in de gebruiksfase. Aluminiumproductie heeft echter geen reductiemiddel nodig maar wordt uit aluminiumerts (bauxiet) gewonnen op basis van een elektrochemische reactie waarbij het oxide wordt omgezet in een metaal met elektronen, en de zuurstof vrijkomt als zuurstofgas (O2). Omdat de elektriciteit die we gebruiken steeds groener wordt opgewekt, zal de productie van aluminium dat ook worden. In de bouw neemt de populariteit van hout toe. Dit is daarmee ook een alternatief voor staal. Qua verpakkingen bestaan er eveneens geschikte alternatieven voor staal die voedsel veilig en langdurig kunnen verpakken. Zo hebben plastic verpakkingen een lagere koolstofvoetafdruk dan stalen verpakkingen, hoewel staal beter kan worden gerecycled.

Conclusie

Staal is een veelzijdig materiaal met heel veel toepassingen. Het is een nuttig en vaak noodzakelijk materiaal voor toepassingen die we terug kunnen vinden in het dagelijks leven. De manier waarop ijzer en staal uit ijzererts worden geproduceerd, zorgt wel voor veel CO2-uitstoot. Dit heeft te maken met de chemie en het gebruik van kolen om deze chemische reacties te laten plaatsvinden. Recyclen van staal door secundaire staalproductie is als oplossing om de uitstoot te verlagen beperkt doordat de vraag naar staal groter is dan het aanbod van schroot en doordat er in de huidige keten kwaliteitsverlies optreedt. In het tweede artikel duiken we in de wereld van groen staal, bekijken we of er perspectief is voor staalproductie binnen Nederland en de EU en zetten we de verschillende opties voor groene productie van staal naast elkaar.