Fe/IJzer

Naam

De naam ijzer is naar alle waarschijnlijkheid af­kom­stig van het Middelnederlandse woord isen. Dat is op zijn beurt afgeleid van het Gotische woord eisarn of het Oudsaksische isarn, op hun beurt afkomstig van het Oudkeltische isarno.

Er is wellicht enig verband met het Latijnse woord ira, wat toorn bete­kent, vanwege de kracht van het materi­aal. Het latere Latijnse woord is ferrum, waarvan ook het symbool Fe is afgeleid.

Ontdekking

IJzer was reeds in de Oudheid bekend. Het eerst gebruikte ijzer (ca. 4000 v. Chr.) is vermoe­delijk afkom­stig van bepaalde meteorieten (foto) waarin metallisch ijzer voorkomt (mineralogen spreken dan van ‘gedegen’ ijzer).

De hittieten waren waarschijnlijk de eerste mensen die met behulp van houtskool ijzererts in ijzer wisten om te zetten. Pas met de uitvinding van de hoogoven was men in staat staal in grotere hoeveelheden te produceren. Chinezen waren al in de 5e eeuw v.Chr. bekend met het hoogovenproces; in Europa ontdekte men het pas in de 13e eeuw. De volgende belangrijke technologische innovatie was het gebruik van cokes in plaats van houtskool aan het begin van de 18e eeuw. Dit luidde het begin van de industriële revolutie in.

De ijzertijd is het geschiedkundige hoofdtijdperk dat zich kenmerkt door het veelvuldige gebruik van ijzer. In West-Europa begint de ijzertijd omstreeks 800 v.Chr. en eindigt als de Romeinen naar de Lage Landen komen (ongeveer het begin van onze jaartelling). In België en het zuiden van Nederland werden ijzeren voorwerpen gangbaar rond 700 v.Chr., in Noord-Nederland ongeveer een eeuw later.

Voorkomen

Het aandeel van ijzer in de aardkorst is 5,63 % (op basis van gewicht). Het is daar het op drie  na meest voorkomende element (na zuurstof, silicium en aluminium).

Vooral in de kern van de aarde is enorm veel ijzer te vinden. Men schat dat ijzer goed is voor ongeveer een derde van de totale massa van de aarde. Uit al dat ijzer zou je wel drie planeten kunnen maken met de omvang van Mars.

IJzer komt voor in het menselijk lichaam. Bloed bevat hemoglobine, een ijzer(II)complex dat voor de zuurstof/koolstofdioxide-uitwisseling zorgt. Het aandeel van ijzer is ongeveer 0,006%, dat is gemiddeld zo’n 3,6 gram per mens.

IJzer is aanwezig in een groot aantal mineralen, verspreid over de gehele wereld. Het komt voor in de vorm van oxiden, sulfiden, carbonaten, nitraten en silica­ten.

De belang­rijkste ijzerhoudende mineralen zijn:

Metallisch ijzer (in ‘gedegen’ toe­stand) komt slechts zeer sporadisch voor, onder andere in Groen­land. De Hoba meteoriet in Namibië is ’s werelds grootste brok natuurlijk voorkomend ijzer, met een gewicht van meer dan zestig ton. Het is ook meteen de grootste meteoriet die we kennen. De samenstelling is 82-83% ijzer, 16-17 % nikkel, ongeveer 1% kobalt, en kleine sporen van diverse andere elementen.

Winning

De belangrijkste wingebieden voor ijzer liggen in China, Brazilië, Rusland, West-Austra­lië, de Verenigde Staten van Amerika, India, Canada, Zuid-Afrika en Zweden. Kleinere wingebieden liggen in Frankrijk, Mexico, het Verenigd Konink­rijk, Duits­land, Span­je, Noorwegen, Finland en Venezuela. De EU heeft met de Critical Raw Materials Act in 2022 het element ijzer op de lijst van schaarse en strategische grondstoffen gezet.

Bereiding

Vroeger

De Hittieten, een volk dat zich ongeveer vanaf 2000 v. Chr. ontwikkelde in de regio Asia Minor (Anatolië, het huidige Turkije) waren waarschijnlijk de eersten die ijzer uit erts wisten te bereiden met behulp van houtskool. Zij hielden dit proces om strate­gi­sche redenen – de productie van zwaarden en schilden – geheim. Na de val van hun rijk (rond 1200 v. Chr.) kwam deze ontdekking beschikbaar voor andere volke­ren, wat leidde tot het ijzertijdperk. Ongeveer 800 v. Chr. begint de winning van erts en bereiding van ijzer in Europa (Balkan en Oosten­rijk).

Het allereerste staal werd bereid door reductie van ijzererts met houtskool in een oven. Het werd daarbij niet vloeibaar. Alleen via langdurig smeden was het mogelijk ingesloten oxides en andere onzuiverheden te verwijderen. Later wist men (onder andere door voorverwarmen van de blaaswind) de procestemperatuur op te voeren zodat het ijzer meer koolstof opnam. Daardoor daalde het smeltpunt, maar het ijzer werd bros en nauwelijks smeed­baar. Het verbranden van het koolstof in het ijzer leidde uiteindelijk tot een staalsoort die wel smeedbaar was, maar nog veel onzuiverhe­den bevatte.

Tegenwoordig

IJzer (staal) wordt bereid via reductie van ijzererts met cokes in een hoog­oven:

$2 {\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3 + 3 \mathrm{C} \to 4 \mathrm{Fe} + 3 {\mathrm{CO}}_2$

Dit proces verloopt via een aantal tussenstappen, die afhanke­lijk zijn van de tempera­tuur. Van boven (het koudere gedeelte van de hoogoven, tussen 200 en 700 °C) naar beneden (met veel hogere temperatu­ren, tot 1200 °C) vinden verschillende reacties plaats, zoals:

$3 {\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3 + \mathrm{CO} \to 2 {\mathrm{Fe}}_3{\mathrm{O}}_4 + {\mathrm{CO}}_2$

.

${\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3 + \mathrm{CO} \to 3 \mathrm{FeO} + {\mathrm{CO}}_2$

.

$\mathrm{FeO} + \mathrm{CO} \to \mathrm{Fe} + {\mathrm{CO}}_2$

Het gevormde ijzer is vloeibaar. Tevens ontstaat een zoge­noemde slak, waarin een aantal verontreinigingen (zoals SiO₂, MnO, P₂O₅) wordt opgenomen. De slak drijft op het gesmolten ijzer en kan daardoor gemakkelijk worden verwijderd. Deze slak moet vloeibaar blijven. Indien nodig wordt vloeispaat (CaF₂) toege­voegd om dit te bevorde­ren. Voor een goede slakvorming wordt calciumcarbonaat toegevoegd, dat ontleedt in calciumoxide en koolstofdioxide. Het koolstofdioxide reageert met cokes tot koolstofmonoxide, dat werkt als reductor. Het calciumoxide reageert met allerlei verontrei­ni­gingen, bijvoorbeeld met siliciumdioxide:

$\mathrm{CaO} + {\mathrm{SiO}}_2 \to {\mathrm{CaSiO}}_3$

Van de laatste stof wordt hoogovencement gemaakt.

Het product van de hoogoven is ruwijzer. Als dit nog teveel verontreinigingen bevat (bijvoorbeeld teveel fosfor-, silicium-, of zwavelverbindingen of koolstof) kan het verder worden bewerkt. De niet gewenste bestandde­len worden geoxideerd, waarna de oxiden in de slak terechtkomen. Op deze manier wordt staal gemaakt met de gewenste samen­stelling. Dit gebeurt op verschillende manieren, bijvoor­beeld via het oxystaalproces, waarbij men zuivere zuur­stof ge­bruikt om het koolstofgehalte te verlagen. Een andere mogelijkheid is het Bessemer- en het Thomasproces. Hierbij wordt lucht door het ruwijzer geblazen en schroot toegevoegd om de temperatuur te beheersen. Een derde manier is het Siemens-Martinproces. Dit proces vindt plaats in een oven waarvan de temperatuur zeer goed regelbaar is. Daardoor kan meer schroot of vast ruwijzer wor­den verwerkt. Om­dat de samenstel­ling van het staal zeer nauwkeurig is te regelen, wordt deze methode meest­al gebruikt voor de vervaardiging van speciale staal­soorten.

De naam van het product is afhankelijk van het koolstofgehalte. Men spreekt van smeedijzer als het gehalte lager is dan 0,05 %; van zacht, hard en extra hard staal tussen 0,05 % en 2 % en van gietijzer boven de 2 %.

Staal bevat altijd (kleine hoeveelheden van) andere metalen. Zij worden niet aangeduid als de hoeveel­heid beneden een bepaalde waarde blijft (bijv. aluminium< 0,1 %, nikkel, chroom < 0,3 %, mangaan < 1,6 %). Men noemt dat zelfs ongelegeerd staal.

Bij het stollen van het ijzer kan de aanwezige koolstof zich met zuurstof verbinden tot koolstofmonoxide. Door het gevormde gas komt het vloeibare ijzer in heftige beweging. Aan de buitenzijde ontstaat dan een laag zuiver staal, terwijl verontreinigingen in het midden van het blok staal terecht­komen. Dit ‘onrustige staal’ wordt voorna­melijk gebruikt voor het maken van dunne platen (onder andere voor de auto indus­trie). Als de zuurstof gebonden wordt door toevoeging van aluminium en/of silicium, ontstaat half rustig of rustig staal. Dit wordt gebruikt voor zogenoemd constructiestaal (een staalsoort die zeer geschikt is voor bewerkingen als lassen, branden, enz.), omdat de eigenschap­pen van het materiaal wat gelijkmatiger zijn.

Staalsoorten worden veelal ingedeeld op verwerkingsme­thode of toepassingsgebied, bijvoorbeeld: gietstaal, trans­formator­plaat, verenstaal, klinknagelstaal, sneldraaistaal, rollagerstaal, hittevast staal, niet magnetiseerbaar staal, enz.

Staal oxideert snel. Het wordt hiertegen beschermd door verzinken, aluminiseren of cadmeren. Ook kan men zwak legeren om atmosferi­sche corrosie tegen te gaan. Er wordt dan zogenoemd weer vast staal gevormd, dat welis­waar wordt bedekt door een roestlaag (oxidelaag), maar één die vrijwel ondoordring­baar is en dus bescherming biedt. Door staal te legeren met grotere hoeveelheden chroom en/of nikkel ver­krijgt men roestvrij of roestvast staal. Het meest gebruikte roestvrije staal is RVS 18-8. Dit staal is gelegeerd met 18 % chroom en 8 % nikkel. Het is zelfs roestvast in aanwezigheid van chloride-ionen en wordt daarom veel in zee atmosfeer toege­past. Om de roestvaste eigenschappen te verhogen wordt zo nodig (tot 2%) molybdeen toegevoegd. In de handel vindt men eveneens voorgelakte staalplaat of staal voorzien van een laagje kunststof of rubber.

Legeringen

De technische eigenschappen van ijzer zijn aanzienlijk te verbeteren via legeren – het toevoegen van andere metalen. De reeks van mogelijke legeringselementen is zeer uitgebreid; de belangrijkste zijn aluminium, chroom, mangaan, molyb­deen, nikkel, titaan, vanadium, kobalt, wolfraam, niobium en tantaal. De beoogde toepassing bepaalt aan welke eigen­schap­pen het staal moet voldoen en dus welke legeringselementen in de ‘staalreceptuur’ worden opgenomen.

Hoewel het toevoegen van een legeringsmetaal altijd van invloed is op meerdere eigenschappen, wordt in onderstaande tabel het belangrijkste effect weergege­ven.

Zuiver ijzer wordt op verschillende manie­ren verkregen:

• Door reductie van het zuivere oxide of hy­droxide met water­stof
• Door elektrolyse
• Door verhitting van onzuiver ijzer met koolstofmonoxide. Dit resulteert in de vorming van Fe(­CO)₅, dat bij ontleden zuiver ijzer ople­vert .