Microstructuur sleutel tot groener staal
In 2021 bedroeg de globale staalproductie 1,9 miljard ton; een historisch hoogtepunt. Anderzijds gaat elke ton nieuw geproduceerd staal gepaard met 1,9 ton CO2-uitstoot. Staalproductie is een van de meest vervuilende industrieën. Door te spelen met de microstructuur van staal, zijn wetenschappers van TU Delft en de industrie bezig met de verduurzaming van de levenscyclus ervan – van productie tot verwerking, toepassing en recycling.
Samenstelling én Productieproces bepalend
“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.
Maria Santofimia Navarro, hoogleraar Fysische Metallurgie 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.
Duurzamer productieproces
Er bestaan zo’n 3.500 verschillende staalsoorten voor commercieel gebruik met stuk voor stuk een unieke microstructuur. In het labo zijn de mogelijkheden eindeloos.
In de onderzoeksgroep van Sietsma en Santofimia ontwikkelen ze onder meer fundamentele kennis van microstructuurvormingsprocessen. Deze kennis vormt de basis voor de ontwikkeling van staalverwerkingsprocessen met een minimum aan grondstoffen, energieverbruik en emissies, en een maximaal gebruik van schroot.
De hoogleraren werken nauw samen met de industrie. Santofimia. “Hier ontleden we fysische mechanismen en met die kennis kan de industrie uiteindelijk nieuwe staalsoorten maken en verduurzamen.”
Staalhergebruik
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. Steeds belangrijker de komende jaren wordt 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."
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.
Vrij nieuw onderzoeksveld
Het bestuderen van microstructuren is een vrij nieuw onderzoeksveld. Toch is er 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.
“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 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.
Vegter ziet deze bewustwording als de belangrijkste stap die de industrie de afgelopen jaren maakte. “Staalbedrijven beseffen heel goed verduurzamen aan de orde is. 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.”
Bron: Innovation Origins