Staal is eigenlijk een legering, namelijk van ijzer en koolstof. Wanneer men ijzererts in de oven smelt ontstaat in principe dezelfde legering als staal, maar in de vorm van gietijzer, door het veel te hoge koolstofgehalte. Gietijzer is echter vrij broos en kwam enkel in aanmerking voor eenvoudige toepassingen, pas na verder intensief bewerken en het uithameren van koolstof komt het gehalte onder de 2% en spreekt men pas over staal. Er zijn vele soorten staal die ontstaan door het toevoegen van andere elementen tijdens de productie, zij het wel in zeer beperkte verhouding, om bepaalde eigenschappen van het staal te verbeteren. Tegenwoordig zijn de productieprocessen uiteraard veel geraffineerder en is massaproductie geen probleem meer waardoor de kwaliteit ontzettend hoog is en de toepassing vrijwel oneindig.

Ijzererts werd in eerste instantie in laagovens verwerkt, waar de temperatuur eigenlijk niet hoog genoeg kon geraken om het ijzer effectief te doen smelten. Het ijzererts werd afwisselend met lagen houtskool in de ovens gelegd en met blaasbalgen wakkerde men het vuur aan, maar doordat het erts niet effectief kon smelten bleven ontzettend veel onzuiverheden en slakken in het uiteindelijke product achter. Enkel na heel intensief bewerken en het verwijderen van deze slakken bekwam men een redelijk kwaliteitsvol ijzerproduct dat voor verschillende doelen gebruikt kon worden. Een bijkomend probleem van de lager verwerkingstemperatuur zorgde ervoor dat er weinig koolstof kon opgenomen worden, waardoor het ijzer na verwerking zeer buigzaam maar zacht bleef. Aangezien er ontzettend veel arbeid in het verwerken van het ijzer gestoken moest worden, was het veel te kostbaar en bleef het gebruik ervan dus vrij beperkt.

Met de introductie van hoogovens werd het smelten van ijzer wel mogelijk. Het principe was bijna hetzelfde als de laagovens, maar men was in staat om de temperatuur veel hoger te brengen waardoor het ijzer onderaan in gesmolten vorm opgevangen kon worden en slakken automatisch afwezig waren. Door de vloeibare vorm en de combinatie met houtskool werd er nu wel veel koolstof opgenomen, teveel, waardoor het gietijzer uiteindelijk vrij broos was.

Opnieuw moest het ijzer extra verwarmd en zwaar bewerkt worden met een hamer. Ditmaal om het aanwezige koolstof in het ijzer in contact te laten komen met het zuurstof in de lucht zodat het kon reageren tot CO en CO² en de hoeveelheid koolstof langzaam zou dalen tot onder de grens van 2%. Zo eindigde men met een vrij zuiver en sterk staal dat verder verwerkt kon worden tot allerhande producten. Met de hoogovens was het dus mogelijk om sneller en meer ijzer te verzamelen, maar het bleef een arbeidsintensief werk, waardoor het gebruik van ijzer en staal niet ontzettend veel toe nam.

Het productieproces is lange tijd hetzelfde gebleven en slechts de laatste twee eeuwen zijn er revolutionaire veranderingen aan het proces toegebracht zodat men in staat is om tijdens het smelten van het ijzer het koolstofgehalte onder controle te houden, waardoor men bij het winnen van het ijzer er direct een juiste verhouding had. Met de toenemende kennis van chemie en de samenstelling van ijzererts kon men de juiste stoffen tijdens het smeltproces toevoegen om bepaalde onzuiverheden te laten opvangen in het slak en daarmee te verwijderen. De massaproductie van staal was plots een feit en de toepassing ervan werd plots eindeloos mogelijk.

Laagoven

Principeschets van de eerste hoogovens

Gezien houtskool op een gegeven moment een veel te zware aanslag op de natuur was, waarbij steeds meer ontbossing gebeurde, schakelde men over op cokes. Cokes verkrijgt men door steenkool te vergassen, waardoor het poreuzer wordt. Tegelijkertijd wordt fijn ijzererts eerst voorgebakken tot sinters (brokken) en pellets (knikkers). De cokes wordt tijdens de productie in de hoogovens verhit samen met de sinters en pellets, waardoor een vloeibare massa staal ontstaat. Onderaan de ovens wordt het ruw ijzer opgevangen met een vrij hoog gehalte aan koolstof (4-5%) en nog een aantal onzuiverheden die in het erts oorspronkelijk aanwezig waren. Door kalksteen toe te voegen wordt een groot deel van de onzuiverheden gebonden. Dit restproduct wordt afgevoerd als slak en wordt als grondstof gebruikt in de cementindustrie.

ijzer sinter en pellets

Moderne hoogoven

Het opgevangen ruw ijzer komt terecht in de convertor en onder hoge druk wordt bijna zuivere zuurstof bij het nog steeds gesmolten maar onzuivere staal geblazen, zodat het teveel aan koolstof zich kan binden en het in gasvorm kan worden afgevoerd. De andere onzuiverheden van het erts, alsook zuurstof dat in het staal wordt opgenomen, worden door het toevoegen van andere stoffen ook verwijderd omwille van de chemische verbindingen die ze maken. Ze vormen een slak dat door hun samenstelling steeds bovenop het gesmolten staal komt te drijven en op die manier eenvoudig te scheiden is.

Convertor

Vlamboogoven

Door het actief toevoegen van grote hoeveelheden zuurstof aan het proces worden er zeer hoge temperaturen bereikt (+1600°C) dat het proces helpt versnellen, maar om deze temperaturen niet te hoog te laten oplopen wordt gerecycleerd staal of fijn gemalen schroot toegevoegd. Hierbij moet men wel voldoende opletten dat het schroot niet te fel verontreinigd is, vooral restanten van koper vormt problemen omdat men dit niet meer uit staal kan verwijderen.

Naast de hoogoven en de convertor kan ook de vlamboogoven gebruikt worden om vloeibaar staal van verschillende kwaliteiten te produceren. De grootste nadelen zijn dat er zeer veel lawaai mee gepaard gaat alsook de onmogelijkheid om ijzererts te verwerken. Een hoogoven moet nog eerst ijzererts verwerken tot ruwijzer voor de vlamboogoven het verder kan verwerken.

Naast ruw ijzer kan ook vermalen schroot of ijzer van eender welke oorsprong in de oven terecht. Bij een vlamboogoven zitten twee elektroden (geleidende elementen) ondergedompeld in het materiaal en wordt een elektrische lading door de twee elektroden gestuurd. De lading vertrekt van de ene elektrode doorheen het materiaal naar de andere elektrode. Het materiaal heeft een bepaalde elektrische weerstand en door het opdrijven van de elektrische lading wordt de weerstand zo hoog dat de temperatuur zeer sterk stijgt en uiteindelijk het materiaal doet smelten. Doordat de elektrische lading zeer goed onder controle gehouden kan worden kan ook het proces zeer goed gereguleerd worden en het smeltproces zeer gelijkmatig verlopen om kwalitatief zeer goede verschillende staalsoorten te produceren.

Modernere ovens hebben een omkasting die het geluid zoveel mogelijk proberen te reduceren. Wanneer gelijkspanning gebruikt wordt, heeft de oven twee elektroden, wanneer 3-fase wisselspanning gebruikt wordt, dan heeft de oven 3 elektroden.

Onderstaand volgt het huidige productieproces van begin tot einde nog eens volledig.