Wat is een puddeloven en waar wordt deze oven voor gebruikt?

De puddeloven is een oven die wordt gebruikt voor het maken van smeedijzer of staal. Het is een liggende vlamoven die is uitgevonden in 1784 door Henry Cort. In een puddeloven wordt ijzer verhit door een vlam die er overheen strijkt. Hierdoor verandert het ijzer in een deegachtige massa die vervolgens in de juiste vorm kan worden gesmeed. Het ijzer wordt dus in een puddeloven niet gesmolten tot een vloeibare massa. Het smeden van het ijzer werd door een smid gedaan voor het vervormen en voor het verwijderen van de slak.

Een puddeloven werd over het algemeen verhit met steenkool. Door steenkool te verbranden ontstaat een groot vuur. De vlammen van het vuur worden gebruikt voor het verhitten van het ijzer dat in de over wordt gebracht. Daardoor wordt de puddeloven een vlamoven genoemd. De puddeloven heeft vroeger de Frischhaard vervangen. De Frischhaard werd vooral gestookt op houtskool. Deze brandstof werd echter steeds schaarser. Steenkool was als brandstof makkelijker verkrijgbaar vandaar dat de puddeloven efficiënter werd dan de Frischhaard.

Puddelstaal
Het verwerkingsproces van gietijzer naar smeedijzer of staal wordt ook wel puddelen genoemd. Het product dat door dit proces wordt vervaardigd noemt men ook wel puddelijzer. Henry Cort vond in 1784 het dry puddling uit. Later werd in 1839 door Joseph Hall het wet puddling-procedé ontwikkelt. Hierbij werd aan het puddelen ook schroot toegevoegd en later ook ijzerschilfers. Door deze toevoeging werd het puddelproces heftiger en verliep het sneller en efficiënter. Er kon meer worden geproduceerd.

Puddelijzer bevatte in eerste instantie meer koolstof dan smeedijzer. Pas sinds 1835 werd het mogelijk om tijdens het puddelen het koolstofpercentage zover om laag te brengen dat puddelstaal ontstond. Puddelstaal heeft een lager koolstofpercentage dan puddelijzer en gietijzer. De bereiding van puddelstaal vond pas sinds 1850 op industriële schaal plaats. Toch is puddelstaalbereiding nooit heel populair geworden. Er werden namelijk nieuwe processen ontwikkelt voor de bereiding van staal.

Bessemerprocedé
In 1855 deed het Bessemerprocedé zijn intrede. Dit proces werd ontwikkeld door Henry Bessemer (1813-1898’. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een convertor die ook wel Bessemerconverter wordt genoemd. Deze wordt met ruwijzer gevuld dat uit hoogovens afkomstig is. Tijdens het Bessemerprocedé wordt dit ruwijzer omgezet in staal. Het koolstofpercentage wordt omlaag gebracht door de koolstof te laten oxideren. Daarvoor wordt lucht door het gesmolten ruwijzer geblazen. Hierdoor verbrand de koolstof en dient de koolstof tevens als brandstof. Dit is een zeer economisch systeem. Als het proces eenmaal in werking werd gezet bleef het op gang.

Vlamoven
Vlamovens werden echter steeds beter en efficiënter. Uiteindelijk zouden vlamovens het Bessemerproces verdringen. Hierbij worden ruwijzer uit de hoogoven vermengd met ijzererts en schroot. De verhoudingen tussen deze verschillende onderdelen van het mengsel dienen zo optimaal mogelijk te zijn. Als dat het geval is verdwijnt een groot deel van de koolstof en zuurstof uit het mengsel in de vorm van koolstofmonoxide. Dit gas werd vervolgens gebruikt om de luchtstroom te verhitten.

Siemens-Martinproces
In 1865 werd het voor het eerst het Siemens-Martinproces toegepast op industriële schaal. Dit is een  raffinageproces waarbij gebruik wordt gemaakt van een oven. Deze oven wordt op temperatuur gehouden door warmte extern toe te voegen. Hiervoor wordt brandstof in de vorm van olie of gas verstookt. De oven wordt gevuld met schroot, kalksteen en ruwijzer. De kalksteen zorgt er voor dat de silicaten uit het ganggesteente worden gebonden tot een slak. De slak drijft op het vloeibare staal en wordt afgegoten in een slakkenpan. Door de oxidatie en verbranding reduceert het koolstofpercentage van het gesmolten ruwijzer en schroot. Hierdoor ontstaat staal.

Oxystaalproces
Het oxystaalproces heeft in de twintigste eeuw vrijwel geheel het Siemens-Martinproces vervangen. Tijdens dit proces wordt oxystaal vervaardigd. Dit wordt ook wel geschreven als oxistaal. Dit staal wordt vervaardigd in een convector die gevuld is met staalschroot en vloeibaar ruwijzer. Het percentage schroot is vijfentwintig procent en de overige vijfenzeventig procent bestaat uit vloeibaar ruwijzer. Aan de bovenkant van de convector wordt met een lans zuiver zuurstof op het gesmolten schroot en ruwijzer geblazen. Dit zorgt er voor dat de koolstof oxideert en verbrand. Dit gebeurd ook met de magnesium en silicium die zich in het mengsel bevinden. Het oxystaalproces verloopt heel snel. Daardoor kan ik een korte tijd veel oxystaal worden geproduceerd. De snelle productie zorgt er voor dat een groot deel van het staal in de wereld wordt vervaardigd doormiddel van het oxystaalproces.

Wat is oxystaal en hoe verloopt het oxystaalproces?

Oxystaal en het oxystaalproces hebben te maken met de productie van staal uit ruwijzer. Voordat men staal heeft moet men ruwijzer zuiveren. Ruwijzer komt uit hoogovens. Dit is echter nog niet geschikt op producten van te vervaardigen. De reden hiervoor is dat ruwijzer een te hoog koolstofgehalte heeft. Het koolstofpercentage van ruwijzer ligt tussen de 3 tot 4,5 procent. Dit hoge koolstofpercentage zorgt er voor dat ruwijzer veel te breekbaar en te bros is om in constructies te verwerken. Daarnaast bevat ruwijzer nog andere elementen die de kwaliteit van dit ijzer nadelig beïnvloeden. Voorbeelden van deze elementen zijn magnesium, zwavel, silicium en fosfor. Deze ongunstige elementen moeten uit het ruwijzer worden verwijdert daarnaast moet het koolstofpercentage omlaag worden gebracht.

Toevoegen van zuurstof
Voor het reduceren van het koolstofpercentage en het verwijderen van ongunstige elementen laat men zuurstof op het vloeibare en hete ruwijzer inwerken. De toevoeging van zuurstof kan op twee verschillende manieren gebeuren.

  • De eerste manier is het toevoegen van zuurstof in een reactievat. Dit vat wordt ook wel convector genoemd. Bij deze zuurstoftoevoeging vind geen warmtetoevoer plaats van buitenaf.
  • De tweede manier waarop zuurstof kan worden toegevoerd is in een oven. Hierbij wordt wel uitwendige warmte toegevoerd.

De eerste methode van zuurstoftoevoeging wordt gebruikt voor de vervaardiging van oxystaal.

Hoe verloopt het oxystaalproces?
Oxystaal wordt ook wel geschreven als oxistaal en is het product dat ontstaat na de toepassing van het oxystaalprocedé. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een convector. Deze convector wordt gevuld met vloeibaar ruwijzer en staalschroot. De verhouding die hierbij wordt toegepast is 75 procent vloeibaar ruwijzer en 25 procent schroot. Na het vullen en rechtzetten van de convector wordt de volgende stap in het oxystaalproces uitgevoerd. Dit is het toevoegen van zuurstof. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een watergekoelde holle lans. Met deze lans wordt aan de bovenkant van de convector zuivere zuurstof geblazen op het mengsel dat zich in de convector bevind. Hierdoor oxideert en verbrand een groot deel van het koolstof dat zich in het mengsel bevindt. Ook het magnesium en het silicium verbranden door de toevoeging van zuiver zuurstof. Bij het oxystaalproces komt door de toevoeging van zuiver zuurstof zeer veel warmte vrij. De temperatuur is zo hoog dat het niet nodig is om van buitenaf warmte toe te voegen om het mengsel in de convector vloeibaar te houden. Het schroot wat is toegevoegd zorgt er tevens voor dat de temperatuur in de convector niet te hoog wordt.

Wat is staal
Staal wat vervaardigt is volgens het oxystaalproces wordt oxystaal genoemd. Staal heeft betere eigenschappen dan ruwijzer. Er zitten minder ongunstige elementen in omdat deze door het oxystaalproces zijn verwijdert. Daarnaast is het koolstofpercentage gereduceerd waardoor de mechanische eigenschappen zijn verbetert. Staal bevat in tegenstelling tot ruwijzer een laag koolstofpercentage. Het koolstofpercentage van staal is 0,1 tot maximaal 1,7 procent. Hierdoor is staal sterk, goed smeedbaar en taai. Staal wordt in de werktuigbouwkunde en metaaltechniek veel toegepast in uiteenlopende constructies, machines en werktuigen. Staal bevat ijzer (ferro)  daardoor kan staal wel oxideren. Vaak wordt op staalprofielen en staalproducten een beschermlaag aangebracht die het staal beschermen zodat het geen reactie kan aangaan met zuurstof. Dit zorgt er voor dat staal niet oxideert en de levensduur van staalproducten aanzienlijk langer wordt.

Oxystaalovengas
Het oxystaalproces wordt gebruikt voor het produceren van staal. Het belangrijkste product is staal. Daarnaast komt tijdens het oxystaalproces veel koolmonoxide vrij. Dit komt doordat de aanwezige koolstof in het vloeibare ruwijzer slechts gedeeltelijk kan worden geoxideerd en verbrand. De koolstofmonoxide die vrijkomt tijdens het oxystaalproces wordt ook wel oxystaalovengas genoemd. Dit gas kan worden teruggewonnen. Het oxystaalovengas wordt verstookt en kan daarbij worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit of proceswarmte. Daarbij wordt oxystaalovengas meestal gemengd met hoogovengas en cokesovengas.

Voordeel van het oxystaalproces
Het oxystaalproces heeft een belangrijk voordeel. Het proces verloopt zeer snel. In een tijdsbestek van 20 minuten kan 200 ton oxystaal worden geproduceerd. Wanneer men echter ook het inladen en het aftappen van de convector meerekent kan men in minder dan een uur tijd ongeveer 250 ton staal van goede kwaliteit produceren via het oxystaalproces. In 1958 ging in Nederland bij de Koninklijke Hoogovens de eerste oxystaalfabriek in productie. Daarna heeft het oxystaalproces het gebruikelijke Siemens-Martinprocedé vervangen. Tegenwoordig wordt ongeveer 70 procent van al het staal dat wordt gefabriceerd via het oxystaalproces gedaan.