- Sluitstuk , Onderzoek
- 05/11/2020
Sluitstuk | Druppel op een gloeiende plaat
Het afkoelen van roodgloeiend staal, nadat het is platgewalst tot platen van de gewenste dikte, luistert nogal nauw. Promovenda Camila Gomez bootste in het lab het koelproces van de hoogovens van Tata Steel na en vond uit dat je beter kunt koelen met warmer water.
In de hoogovens van Tata Steel in IJmuiden worden dikke platen staal met een temperatuur van zo’n twaalfhonderd graden in verschillende stappen platgewalst van zo’n twintig centimeter tot enkele centimeters dik. Binnen enkele seconden moeten deze plakken zodanig worden afgekoeld dat ze opgerold kunnen worden tot iets wat lijkt op een gigantische toiletrol.
Daarvoor wordt het staal met hoge snelheid onder een soort watervallen doorbewogen, legt Camila Gomez uit. “Het water dat op het staal valt, raakt aan de kook en onttrekt zo razendsnel warmte aan het materiaal. Hoe snel en hoe uniform de plaat precies afkoelt, is bepalend voor de uiteindelijke eigenschappen van het materiaal, dus dat proces luistert nogal nauw.”
Razendsnel
Tijdens het walsen groeien de staalplaten van twintig tot meer dan tweehonderd meter lengte, waardoor ook de snelheid waarmee ze zich voortbewegen vertienvoudigt. “Aan het einde beweegt het staal met bijna tachtig kilometer per uur onder de waterstralen door; het koelen gebeurt dus razendsnel en is daardoor lastig in de fabriek te bestuderen.”
Om het industriële proces beter te kunnen aanpassen voor de productie van nieuwe types staal, wil je echter weten wat er precies met het koelwater gebeurt nabij het staaloppervlak. De in Argentinië geboren en grotendeels in Spanje opgegroeide Gomez kreeg daarom binnen een samenwerking van NWO, Tata Steel en de TU/e de opdracht om een proefopstelling te maken waarmee tot in detail kan worden bekeken hoe het koelwater aan de kook raakt als dat met het hete staal in aanraking komt.
De tekst gaat verder onder de video.
“Tot dusver waren er alleen experimenten met stilstaande en langzaam bewegende opstellingen”, vertelt Gomez. “Wij hebben in het lab in Gemini nu een opstelling gebouwd waarin we een stuk heet staal met bijna dertig kilometer per uur onder een waterstraal door kunnen laten bewegen, terwijl we met twee hogesnelheidscamera’s opnames maken vlakbij het oppervlak.” Hiervoor gebruikte ze een zogeheten boroscoop, vergelijkbaar met een endoscoop voor inwendig medisch onderzoek, die ze in de waterstraal hing.
Het was volgens de promovenda bekend dat het koelwater in contact kan zijn met staal met een temperatuur van wel negenhonderd graden. “Dat was een soort mysterie, omdat je zou verwachten dat het water daar heel snel opwarmt tot driehonderd graden, waarna het op een explosieve manier verdampt. Wij hebben nu gezien dat zich inderdaad heel lokaal explosieve dampbellen vormen, maar dat die vervolgens door het hierop vallende koude water weer imploderen. Dat gebeurt tot wel veertigduizend keer per seconde - een proces dat je alleen kunt waarnemen als je opnames maakt met een hoge frame rate en die afbeeldingen één voor één bestudeert.”
Die ontdekking is wat Gomez betreft het mooiste wetenschappelijke resultaat van haar promotie. Daarbovenop komt echter nog een ontdekking die flinke praktische implicaties kan hebben. Wanneer het oppervlak niet gelijkmatig afkoelt doordat lokaal telkens dampexplosies plaatsvinden, krijg je namelijk oneffenheden en staal van mindere kwaliteit. “Je wilt dus eigenlijk zo uniform en gelijkmatig mogelijk koelen. Uit onze metingen blijkt nu dat je met warmer koelwater een stabiele waterdamplaag boven het staal kunt creëren. Dat vertraagt het koelproces weliswaar, maar zorgt wel voor een beter resultaat.”
Als Gomez de watertemperatuur verhoogde van vijfentwintig naar zestig graden, kon ze in haar proefopstelling staal vijftig graden verder afkoelen zonder in het onstabiele regime terecht te komen. Waardevolle kennis voor staalfabrikanten, stelt ze, aangezien de watertemperatuur eenvoudig valt aan te passen zonder dat daarvoor de hele productielijn op de schop hoeft.
Dubbel feestelijk
De unieke opstelling zal zeker nog door een volgende generatie studenten en promovendi worden gebruikt, weet de promovenda. Zelf gaat ze op zoek naar een baan in het bedrijfsleven. Maar niet voordat ze op de dag van de promotie ook nog in het huwelijk is getreden met haar Miguel, met wie ze onlangs een huis heeft gekocht in Eindhoven. Haar familie komt - als de coronamaatregelen dat toelaten - die dag namelijk over uit Spanje. “Dan kunnen ze hopelijk zowel bij de promotie als bij ons huwelijk zijn.”
Discussie