IJzer, ijzererts en ijzer maken

IJzererts is een gesteente, en bestaat dus uit mineralen. Naast de zogenaamde ijzerertsmineralen komen ook gewone gesteentevormende mineralen zoals kwarts (SiO₂) voor. De belangrijke mineralen in ijzererts zijn oxides en hydroxide(s) van ijzer. De drie belangrijkste ijzerertsmineralen zijn hematiet (Fe₂O₃), magnetiet (Fe₃O₄, ook wel eens geschreven als FeFe₂O₄), en goethiet (FeOOH). Goethiet wordt ook wel limoniet genoemd. Helemaal correct is dit niet. Eigenlijk is limoniet mengsel van gehydrateerd (waterbevattend) FeOOH, met een variërende samenstelling, dus eigenlijk FeOOH.xH₂O. Het ijzercarbonaat sideriet (FeCO₃) is als ijzerertsmineraal niet erg belangrijk. Goethiet en hematiet komen van de ijzerertsmineralen het meest voor. Het magnetische magnetiet is zeldzamer, omdat het aan het aardoppervlak snel verweert en wordt omgezet in hematiet en goethiet.

Er bestaan verschillende typen ijzerertsen. Een ijzererts dat gevormd is als gevolg van magmatische activiteit ( magma is gesmolten gesteente) is bijvoorbeeld het beroemde ijzererts van Kiruna in Noord-Zweden, waar het ertsmineraal in hoofdzaak magnetiet is. Dit is een van de belangrijkste ijzererts-afzettingen in Europa, maar het is als type zeer zeldzaam. Aan magmatische processen gerelateerd ijzererts met magnetiet komt ook voor in Zuid-Afrika (Bushveld).

De meeste ijzerertsen worden gevormd als afzettingsgesteenten (sedimenten). In Europa is vanaf de 19e eeuw ook lange tijd ijzerertswinning geweest in Zuid-Luxemburg (Differdange) en Lotharingen, Frankrijk (Roncourt, Tressange), waar het in kalkstenen voorkomende “Minette”-erts (minette is een lokale mijnbouwterm) werd gewonnen. Dit sedimentaire erts is laaggradig (het gehalte aan ijzer is laag in verhouding tot andere ertsen) en bevat naar verhouding veel fosfor, een ongewenst element bij bereiding van ijzer en staal.

Gebande ijzerertsafzettingen

Zeer bekend zijn de zogenaamde “gebande ijzerertsen” (Engels: banded iron ores). Deze bestaan uit een kleinschalige afwisseling van laagjes met hematiet (en ook wel magnetiet) en laagjes silica (SiO₂). Het silica komt voor als kwarts of als amorf (= niet-kristallijn) SiO₂ (kiezel, Engels: chert). Ook komt schalie voor in de afwisseling.

Van deze gebande ijzerertsen zijn zeer grote afzettingen bekend. Voorbeelden zijn de ijzerertsen van Pillbara (West-Australië) en de Mesabi Range in Minnesota (VS). Ook in Brazilië komen dergelijke ertsen voor. Deze ertsen zijn doorgaans gevormd in ondiepe zeeën in de vroegste aardgeschiedenis, het zogenaamde Precambrium. In die tijd was er weinig zuurstof in de atmosfeer, maar wel in zeewater, waardoor er uit zeewater zuurstofhoudende mineralen konden neerslaan. Over de oorzaak van de banding bestaan verschillende theorieën.

Bewerking ijzererts

In de hoogoven worden ijzerertsen bij hoge temperatuur gereduceerd (reduceren: ontdoen van zuurstof) met cokes en met poederkool (gemalen steenkool). Cokes is ontgaste steenkool. Cokes wordt in een aparte fabriek gemaakt. Door de thermolyse (een chemische reactie waarbij een stof door verhitting gaat ontleden) van vermalen steenkool bij een temperatuur van 1200°C ontstaat cokes. Bij dit ontleden ontwijken de vluchtige componenten van de kool. Hierdoor ontstaat een poreuze structuur.

In de hoogoven wordt ruwijzer gemaakt. Dit doet men door de ijzerertsmineralen, die oxides zijn van ijzer (Fe₂O₃, hematiet, of Fe₃O₄, magnetiet), of hydroxide (FeOOH, goethiet), te reduceren bij hoge temperatuur. Goethiet wordt bij de ertsvoorbereiding al grotendeels omgezet in Fe₂O₃. Reduceren is het verwijderen van zuurstof van de ijzerverbindingen. Hiervoor is een reductiemiddel nodig, dat in reactie met de oxidische mineralen zelf zuurstof opneemt en aan de ijzerertsmineralen onttrekt.

Hiervoor gebruikt men cokes en poederkool (gemalen steenkool). De poederkool wordt ingeblazen aan de onderkant van de hoogoven. Cokes is ontgaste steenkool. Cokes wordt in een aparte fabriek gemaakt. Door de ontleding van gemalen steenkool – thermolyse genaamd – bij 1200°C ontstaat cokes. Bij dit ontleden ontwijken de vluchtige componenten van de kool. Hierdoor ontstaat een sterke poreuze structuur die vrijwel geheel uit koolstof bestaat. Voor reductie zou men in theorie ook anthraciet (hooggradige steenkool) kunnen gebruiken, maar dit is veel te zacht, en verkruimeld als in de hoogoven het materiaal opgestapeld raakt. In de hoogoven worden namelijk lagen ijzererts afgewisseld met lagen cokes. Steeds dieper in de oven wordt de druk steeds hoger, en het reductiemiddel moet dat wel aankunnen.

De ertsvoorbereiding gebeurt op twee manieren. Men maakt enerzijds pellets (kleine poreuze ronde balletjes) en anderzijds sinters. Pellets worden gemaakt uit zeer fijnkorrelig ijzerertspoeder, sinter wordt gemaakt of grover materiaal. Poedervormig ijzererts kan men in een hoogoven niet gebruiken omdat het tot verstopping leidt, en omdat een laag van poeder in een oven die met grote gasstromen werkt, zoals een hoogoven, zeer onstabiel is.

Sinteren wordt als volgt uitgevoerd: na het breken tot korrelgrootten < ongeveer 6 mm worden de ertsen gemengd met brandstof (fijn antraciet of cokes) en toeslagstoffen (o.a. kalksteen). Dit mengsel wordt op de lopende band van een doorloopoven gebracht en aangestoken. Door de verbranding van de kool wordt de temperatuur hoog genoeg om de ertsen aan elkaar te laten bakken (sinteren) tot een poreuze massa. Deze wordt, na afkoeling, gebroken tot de voor de hoogoven meest geschikte brokgrootte (5 – 40 mm). De goede gasdoorlaatbaarheid van het gesinterde erts maakt in de hoogoven een snelle reductiereactie mogelijk.

In de pelletfabriek wordt zeer fijn gemalen ertspoeder (0,01 – 0,1 mm), dat niet geschikt is om gesinterd te worden, gemengd met water en bindmiddelen, in de vorm van klei en kalksteen, en koolpoeder. Dit poedermengsel wordt in draaiende trommels omgevormd tot knikkers van 10 – 30 mm diameter, die vervolgens worden gebakken in een doorloopoven, waardoor ze een voldoende sterkte en poreusheid verkrijgen om in de hoogoven te worden geladen.

Verwarming van IJzererts in de oven

In een hoogoven wordt hete lucht (“hete wind”) van onder af ingeblazen. Op de weg naar boven komt de hete lucht in contact met de cokes (of poederkool), waardoor in een chemische reactie CO wordt gevormd. Deze exotherme reactie (er komt energie bij vrij) maakt het gas nog veel heter. Dit CO reageert met de ijzerertspellets en de brokjes van sinter. Het van boven af ingebrachte ijzererts ondergaat, terwijl het naar beneden zakt, gaandeweg een steeds sterkere reductie (reductie is onttrekking van zuurstof: Fe₂O₃ naar Fe₃O₄ naar FeO) totdat onderin vloeibaar ijzer (Fe) ontstaat.

De silikaten die nog in het erts aanwezig zijn, kan men natuurlijk niet tot ijzer verwerken. Deze worden omgevormd tot een silikaatsmelt, een zogenaamde slak. Om die reden wordt kalksteen toegevoegd. Het ontstane ruwijzer druppelt door het poreuze cokesbed naar beneden waar het zich in de haard verzamelt. De ontstane dun-vloeibare slak zakt ook naar beneden, maar blijft in de haard bovenop het vloeibare ijzer drijven, omdat het een lagere dichtheid heeft. Het vloeibare ijzer in de haard wordt met regelmatige tussenpozen afgetapt, evenals de slak. De slak laat men afkoelen, waarna deze wordt gegranuleerd.