Hoogovenslak versus staalslak

Hoogovenslak is een van de hoofdbestanddelen die in de cementnormen wordt genoemd. Voor Nederland is het, na portlandcementklinker natuurlijk, de belangrijkste grondstof voor cement vanwege de populariteit van hoogovencement. Maar hoogovenslak wordt nog weleens verward met staalslak. Vanwege deze veel voorkomende verwarring beschrijven we in dit artikel de productie en toepassingen van hoogovenslak en staalslak.

Vloeibaar steenachtig materiaal dat in een oven drijft boven een gesmolten metaal wordt slak genoemd. Er zijn veel soorten slak. Afhankelijk van het type proces bestaat de slak uit mineralen afkomstig van de erts en de brandstoffen en mineralen die worden toegevoegd om het vloeibare metaal te ontdoen van verontreinigingen. Vanwege de verschillende ertsen, metalen en productieprocessen zijn er ook heel veel verschillende soorten slak. Zo zijn er bijvoorbeeld koperslakken en zinkslakken die, zoals de naam al doet vermoeden, vrijkomen bij de productie van koper en zink. Omdat er zowel bij het primaire productieproces op basis van ertsen als bij het recyclen (omsmelten) van metalen slak vrijkomt, kunnen de eigenschappen van de slakken, ook als het om hetzelfde metaal gaat, sterk variëren.

Hoogovenslakken en staalslakken zijn beide afkomstig van de staalindustrie en beide komen dus vrij bij de productie van een legering dat hoofdzakelijk uit ijzer bestaat (respectievelijk ruwijzer en staal). Daarom worden deze twee slakken, ondanks de sterk verschillende eigenschappen, nogal eens door elkaar gehaald. Hieronder gaan we daarom dieper in op de productie van deze twee soorten slak.

Hoogovenslak, in het Engels blast furnace slag, komt vrij bij de productie van ruwijzer. Ruwijzer wordt geproduceerd in een hoogoven, een tientallen meters hoge oven. De oven wordt bovenin gevoed met ijzererts (ijzeroxide), cokes en kalksteen. IJzererts kennen we ook als zwaar toeslagmateriaal voor beton in de vorm van magnetiet, maar ook hematiet en andere ertsen worden gebruikt. Cokes worden gemaakt van steenkool, door steenkool te verhitten tot ongeveer 1000°C. Hierbij ontwijken vluchtige componenten en ontstaat een poreuze structuur, waardoor de cokes geschikt zijn voor gebruik in de hoogoven. De cokes leveren de energie voor het proces én werken als reductiemiddel. De koolstof (cokes is vrijwel zuivere koolstof) reageert met zuurstof uit de toegevoerde lucht tot koolmonoxide (CO), waarbij warmte vrijkomt. De koolmonoxide reageert vervolgens met het ijzererts, waarbij ijzer en kooldioxide oftewel CO2 ontstaan. In de erts zijn de ijzeratomen gebonden aan zuurstofatomen, maar die zuurstofatomen binden zich bij de hoge temperatuur namelijk liever aan een koolstofatoom. De chemische reactie verloopt als volgt:

Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2

De kalksteen wordt toegevoegd om de smelttemperatuur van de slak te verlagen en om onzuiverheden te verwijderen.

De grondstoffen worden in lagen in de hoogoven gestort en zakken langzaam omlaag. Onderin bereikt de erts de hoogste temperatuur, zo’n 2.200°C, waarbij de ijzererts smelt en de ijzeroxide kan reageren met de koolstof. Onderin de oven vormt zich een laag vloeibaar ijzer met daarbovenop drijvend de veel lichtere vloeibare slak. De slak is een mengsel van de overige bestanddelen uit de ijzererts en de kalksteen. Het vloeibare ijzer en de slak worden regelmatig separaat afgetapt en verder behandeld.

Het ruwijzer bevat zo’n 3,5 tot 4,5% koolstof en diverse onzuiverheden zoals zwavel, waardoor het bros is en moeilijk te bewerken. Het ruwijzer wordt daarom direct verder bewerkt. Het vloeibare ijzer wordt in wagons getransporteerd van de hoogoven naar de nabijgelegen staalfabriek.

De grondstof voor de staalfabriek is het ruwijzer (en eventueel een deel schroot). In het zogeheten oxystaalproces wordt het vloeibare ruwijzer in een converter (reactorvat) gegoten. In de converter wordt vervolgens onder hoge druk zuivere zuurstof door het ruwijzer geblazen. De zuurstof reageert met de in het ruwijzer aanwezige koolstof, waarbij koolmonoxide en kooldioxide ontstaan en als gas opstijgen. Het koolstofgehalte in het ruwijzer daalt hierdoor van ongeveer 4 naar minder dan 2%, waardoor staal ontstaat dat taaier en sterker is dan ruwijzer. Het zuurstof reageert ook met verontreinigingen zoals zwavel, waardoor het staal zuiverder wordt. Bij het proces wordt kalk toegevoegd om verontreinigingen te verwijderen en ter bescherming van de wand van de converter.

Het oxystaalproces wordt ook wel het Linz-Donawitzproces genoemd en de vrijkomende staalslak wordt daarom LD-staalslak genoemd. In de Engelse taal wordt het productieproces basic oxygen steelmaking genoemd, waarbij basic betrekking heeft op het feit dat kalk in de chemie een base is.

Staal wordt gemaakt van ruwijzer maar ook van ijzerafval oftewel schroot. Schroot kan worden toegevoegd bij het oxystaalproces, maar het wordt vooral omgesmolten in elektrische boogovens of vlamboogovens (Engels: electric arc furnaces). Deze ovens kunnen werken met 100% schroot als grondstof, al worden voor hoogwaardige staalsoorten andere metalen in geringe hoeveelheden toegevoegd. De vlamboogoven verhit het schroot met een zeer sterke elektrische stroom. Door de zeer hoge spanning kan de elektrische stroom door de lucht gaan, waardoor de elektroden geen direct contact hoeven te maken met het staal.

Ook bij vlamboogovens wordt kalk toegevoegd om verontreinigingen te verwijderen. De kalk vormt samen met verontreinigingen in het staal weer een slak die bovenop het staal drijft. Deze slak heet ook staalslak. Ter onderscheid van de eerder besproken LD-staalslak wordt deze slak aangeduid als EAF-staalslak.

De vloeibare hoogovenslak die vrijkomt bij de productie van ruwijzer kan men laten uitstromen in openluchtkuilen, waar het in lagen aan de lucht kan afkoelen. Na afkoelen kan de slak worden gebroken en worden gebruikt als toeslagmateriaal voor beton en asfalt maar het kan ook ongebonden worden toegepast in fundaties.

In Europa en ook wereldwijd wordt echter ongeveer 90% van de hoogovenslak snel afgekoeld met een grote hoeveelheid water, het zogenaamde granuleren. Door de slak snel af te koelen kunnen er geen kristallen ontstaan maar ontstaan er glasachtige deeltjes met een korrelgrootte van ongeveer 0 tot 2 mm, het slakkenzand. Door de glasachtige (amorfe) structuur is hoogovenslak in deze vorm reactief, al moet het nog wel gemalen worden om in voldoende tempo te kunnen reageren. We noemen de hoogovenslak latent hydraulisch, omdat de reactie met water zeer traag verloopt. Zodra portlandcementklinker in contact komt met water ontstaat er een hoge pH en bij die hoge pH kan de slak oplossen en samen met de klinkermineralen CSH-gel vormen, de basis van cementsteen. Omdat deze toepassing zowel betontechnologisch als milieutechnisch zeer interessant is wordt het grootste gedeelte van de vrijkomende hoogovenslak gegranuleerd.

In Europa zijn 21 locaties met hoogovens en converters en ongeveer 100 vlamboogovens. In Europa werd in 2023 volgens cijfers van Euroslag 13,6 miljoen ton hoogovenslak geproduceerd, waarvan 90% werd gegranuleerd en 10% werd luchtgekoeld. Er werd tevens 8,5 miljoen ton staalslak geproduceerd, waarvan 60% LD-staalslak.

De hoogovenslak wordt voor ongeveer 90% toegepast in cement en beton en voor ongeveer 10% (hoofdzakelijk de luchtgekoelde hoogovenslak) in de wegenbouw. De staalslak kent volgens de cijfers van Euroslag meer toepassingen maar wordt voor een deel ook gestort. 63% werd gebruikt voor wegenbouw en slechts zo’n 3% werd toegepast als toeslag¬mate¬riaal of vulstof in beton.

Een belangrijk verschil tussen hoogovenslak en staalslak is dat staalslak meer vrije kalk (CaO) bevat. Dit heeft zowel consequenties voor gebonden als ongebonden toepassingen. Bij gebonden toepassing kan de vrije kalk door de reactie met water expanderen met scheurvorming tot gevolg. Dit risico kan worden beperkt door de staalslakken te selecteren op kwaliteit (gehalte aan vrije kalk) en ook door staalslakken eerst te verouderen: opslag in de lucht zodat de expansieve reacties plaatsvinden vóór toepassing in beton.

Bij ongebonden toepassing van staalslak kan de vrije kalk uitlogen en de pH van grond- en oppervlaktewater verhogen. In tegenstelling tot hoogovenslak vraagt deze toepassing van staalslak daarom om maatregelen om deze uitloging en de verhoging van de pH te voorkomen.

Meer informatie over het hoogovenproces en het gebruik van hoogovenslak in cement wordt gegeven in Betoniek 14/18 Over: slak (gratis te lezen voor leden).