Een duurzamere metaalindustrie: hoe elektriciteit kan helpen om de levensduur van vuurvaste materialen te verlengen
Je gsm. Je fiets. De sleutels in je zak. De auto's op straat. Zelfs het bestek in je keukenlade. Ze hebben één ding gemeen: zonder metalen zouden ze niet bestaan.
Daar staan we zelden bij stil. Toch wordt er wereldwijd jaarlijks 1,9 miljard ton staal geproduceerd. Dat komt neer op ongeveer 230 kilogram staal per persoon. En dan hebben we het nog niet gehad over koper, aluminium, nikkel en tientallen andere metalen die onze samenleving draaiende houden.
Achter al deze metalen schuilt een industrie waarin extreme temperaturen de norm zijn. In reusachtige ovens worden ertsen en gerecycleerde materialen verhit tot temperaturen die kunnen oplopen tot meer dan 1800°C. Daarom zijn de ovens aan de binnenkant bekleed met vuurvaste materialen, een speciale groep keramische materialen die ontworpen zijn om zulke hoge temperaturen te weerstaan.
Tijdens het productieproces ontstaat vloeibaar metaal. Daarboven vormt zich een tweede vloeibare laag: de slak. Je kunt de slak zien als de schoonmaker van het proces. Terwijl het metaal gevormd wordt, neemt de slak onzuiverheden op en helpt ze om een zuiver eindproduct te verkrijgen. Zonder slak zou een groot deel van de moderne metaalproductie simpelweg niet mogelijk zijn.
"Zolang we metalen produceren, zijn vuurvaste materialen onmisbaar."
De slak: weldoener of boosdoener?
Maar diezelfde slak heeft ook een keerzijde.
Hoewel de slak onmisbaar is voor de productie van metalen, tast ze langzamerhand de vuurvaste bekleding van de oven aan, een proces dat bekendstaat als corrosie. Die corrosie is onvermijdelijk. De grootste uitdaging is echter niet dat ze bestaat, maar dat metaalproducenten vaak moeilijk kunnen inschatten hoe snel ze verloopt en wanneer ze een risico vormt.
Wachten tot een ovenbekleding faalt, is geen optie. Als de bekleding te sterk aangetast raakt, kan er een lek ontstaan waardoor vloeibaar metaal of slak ongecontroleerd uit de oven stroomt en in de fabriekshal terechtkomt. Om zulke gevaarlijke situaties te voorkomen, worden vuurvaste bekledingen vaak uit voorzorg vervangen, lang voordat ze volledig versleten zijn. Dat verhoogt de veiligheid, maar brengt ook aanzienlijke kosten met zich mee. Installaties moeten tijdelijk worden stilgelegd voor onderhoud en er zijn extra grondstoffen nodig om nieuwe vuurvaste materialen te produceren. Die productie vraagt veel energie en gaat gepaard met bijkomende CO₂-uitstoot.
Juist daarom is het belangrijk om zorgvuldig met vuurvaste materialen om te gaan. En die noodzaak zal alleen maar toenemen. De metaalindustrie verandert namelijk razendsnel. Nieuwe technologieën kunnen de CO₂-uitstoot sterk verminderen en de productieprocessen verduurzamen. Toch blijft één element onveranderd: bij temperaturen van meer dan duizend graden zijn beschermende vuurvaste materialen onmisbaar. Dus welke duurzame productietechnologie de toekomst ook brengt, we zullen vuurvaste materialen nodig hebben.
De uitdaging ligt daarom niet in het vervangen van deze materialen, maar in het verlengen van hun levensduur. Dat vraagt een beter begrip van wanneer corrosie optreedt, waarom ze optreedt en welke factoren bepalen hoe snel ze verloopt. Alleen zo kunnen we de economische kost én de milieu-impact van metaalproductie verder beperken.
Hoe meet je iets dat je niet kunt zien?
Een van de grootste uitdagingen van dit probleem is dat de corrosie zich diep in een gloeiendhete oven afspeelt en daardoor verborgen blijft. Er bestaat momenteel geen techniek waarmee dit proces rechtstreeks en in realtime kan worden opgevolgd.
Dus hoe weet je wat er binnenin zo'n oven gebeurt?
Het antwoord zocht ik in een onverwachte hoek: elektriciteit.
Dat lijkt misschien een vreemde keuze. Wat heeft elektriciteit met een slak te maken?
Om die link te begrijpen, moeten we naar het moleculaire niveau kijken. Wanneer een vuurvast materiaal door corrosie oplost in de slak, verandert namelijk de chemische samenstelling van die slak. En wanneer de samenstelling verandert, veranderen ook de eigenschappen. Eén van die eigenschappen is hoe goed elektrische stroom zich door de slak kan verplaatsen.
Door die elektrische geleidbaarheid continu te meten, kon ik de corrosie in realtime opvolgen. Daardoor werd het niet alleen mogelijk om de corrosie zichtbaar te maken, maar ook om te onderzoeken welke factoren de corrosie beïnvloeden.
Welke factoren beïnvloeden de corrosie?
Om dat te onderzoeken, voerde ik drie reeksen experimenten uit waarbij slakken werden verhit tot temperaturen tussen 1350 en 1400 °C in vuurvaste kroezen. Tijdens deze experimenten werd de elektrische geleidbaarheid van de slak continu gemeten.
Op die manier onderzocht ik de invloed van temperatuur, slaksamenstelling en het type vuurvast materiaal. Na elk experiment analyseerde ik het grensvlak waar de slak en het vuurvaste materiaal elkaar raken met behulp van elektronenmicroscopie. Zo kon ik niet alleen opvolgen hoe snel het materiaal werd aangetast, maar ook inzicht krijgen in de mechanismen die de corrosie beïnvloeden.
Daarbij kwam een minder voor de hand liggende factor aan het licht.
Tijdens de corrosie reageren de slak en het vuurvaste materiaal met elkaar. Op het contactvlak ontstaat daardoor een nieuwe tussenlaag van reactieproducten, die als het ware een scheidingslaag vormt tussen beide materialen. Sommige van deze lagen vormen een beschermende barrière die de aantasting vertraagt. Andere zijn minder stabiel en bieden geen bescherming, waardoor corrosie sneller verloopt.
Deze resultaten tonen aan dat niet alleen de eigenschappen van de slak en het vuurvaste materiaal belangrijk zijn, maar ook wat er gebeurt op het grensvlak tussen beide materialen. De reactieproducten die daar gevormd worden, bepalen namelijk mee hoe snel een vuurvast materiaal zal corroderen.
Wat is de impact voor de industrie?
Vuurvaste materialen blijven een cruciale schakel in de metaalproductie. Mijn onderzoek toont voor het eerst aan dat hun corrosie in realtime kan worden opgevolgd en biedt nieuwe inzichten in de factoren die hun levensduur bepalen.
Dat lijkt misschien een kleine stap vooruit, maar de impact kan heel groot zijn. Elke extra maand levensduur vermindert de nood aan nieuwe vuurvaste materialen. Dat betekent: minder grondstoffenverbruik, minder energieverbruik en minder afval. Bovendien moeten installaties minder vaak worden stilgelegd voor onderhoud.
Soms begint een grote stap richting een duurzamere industrie niet met een nieuwe technologie, maar met een beter begrip van de materialen die het proces mogelijk maken.
Bibliografie
[1] OECD, “OECD Steel Outlook 2025,” 2025. [Online]. Available: https://doi.org/10.1787/28b61a5e-en
[2] “World Steel in Figures 2025,” 2025.
[3] ICSG, “The World Copper Factbook 2025,” 2025.
[4] I. Bellemans, E. De Wilde, N. Moelans, and K. Verbeken, “Metal losses in pyrometallurgical operations - A review,” Adv. Colloid Interface Sci., vol. 255, pp. 47–63, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.cis.2017.08.001.
[5] F. Kongoli, “Slags and fluxes in pyrometallurgical processes,” in Yazawa International Symposium on Metallurgical and Materials Processing: Principles and Technologies, pp. 199–210.
[6] K. Mills, “The Estimation of Slag Properties,” Southern African Pyrometallurgy, 2011.
[7] R. Sarkar, Refractory technology: fundamentals and applications. CRC Press, 2023.
[8] L. Scheunis, A. Fallah Mehrjardi, M. Campforts, P. T. Jones, B. Blanpain, and E. Jak, “The effect of phase formation during use on the chemical corrosion of magnesia-chromite refractories in contact with a non-ferrous PbO-SiO2 based slag,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 34, no. 6, pp. 1599–1610, 2014, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.12.026.
[9] L. Scheunis et al., “The effect of a temperature gradient on the phase formation inside a magnesia–chromite refractory in contact with a non-ferrous PbO–SiO2–MgO slag,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 35, no. 10, pp. 2933–2942, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.03.028.
[10] W. E. Lee and S. Zhang, “Direct and indirect slag corrosion of oxide and oxide-c refractories,” VII International Conference on Molten Slags Fluxes and Salts, pp. 309–319, 2004.
[11] W. E. Lee and S. Zhang, “Melt corrosion of oxide and oxide–carbon refractories,” International Materials Reviews, vol. 44, no. 3, pp. 77–104, 1999, doi: 10.1179/095066099101528234.
[12] H. Y. Sohn, A. Malfliet, L. Scheunis, P. T. Jones, and B. Blanpain, “Copper Production,” Treatise on Process Metallurgy, vol. 3, pp. 534–624, Jan. 2014, doi: 10.1016/B978-0-08-096988-6.00027-4.
[13] Frankisthein, “Blast Furnace Reline Planning: Maximize Campaign Life and ROI,” 2026, Oxmaint. [Online]. Available: https://oxmaint.com/industries/steel-plant/blast-furnace-reline-planning
[14] L. Chen, A. Malfliet, P. T. Jones, B. Blanpain, and M. Guo, “Comparison of the chemical corrosion resistance of magnesia-based refractories by stainless steelmaking slags under vacuum conditions,” Ceram. Int., vol. 42, no. 1, Part A, pp. 743–751, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.08.175.
[15] J. Szczerba, E. Sniezek, and C. Reynaert, “CORROSION TESTS FOR REFRACTORY MATERIALS INTENDED FOR THE STEEL INDUSTRY - A REVIEW,” Ceramics - Silikaty, vol. 64, pp. 1–9, 2020, doi: 10.13168/cs.2020.0017.
[16] J.-Y. Choi, H.-G. Lee, and J.-S. Kim, “Dissolution rate of Al2O3 into molten CaO-SiO2-Al2O3 slags,” Isij International - ISIJ INT, vol. 42, pp. 852–860, 2002, doi: 10.2355/isijinternational.42.852.
[17] M. Sajid, C. Bai, M. Aamir, Z. You, Z. Yan, and X. Lv, “Understanding the Structure and Structural Effects on the Properties of Blast Furnace Slag (BFS),” ISIJ International, vol. 59, no. 7, pp. 1153–1166, 2019, doi: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-453.
[18] K. C. Mills, L. Yuan, Z. Li, G. H. Zhang, and K.-C. Chou, “A Review of the Factors Affecting the Thermophysical Properties of Silicate Slags,” High Temperature Materials and Processes, vol. 31, 2012, doi: 10.1515/htmp-2012-0097.
[19] D. Le Cornec et al., “Molecular structure of amorphous slags: An experimental and numerical approach,” J. Non. Cryst. Solids, vol. 556, p. 120444, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.120444.
[20] L. Pauling, “THE PRINCIPLES DETERMINING THE STRUCTURE OF COMPLEX IONIC CRYSTALS,” J. Am. Chem. Soc., vol. 51, no. 4, pp. 1010–1026, 1929, doi: 10.1021/ja01379a006.
[21] J. Park and L. Wang, “Chapter 2.3 - The Structure and Properties of Silicate Slags,” in Treatise on Process Metallurgy (Second Edition), S. Seetharaman, R. Guthrie, A. McLean, S. Seetharaman, and H. Y. Sohn, Eds., Elsevier, 2024, pp. 113–200. doi: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85935-6.00015-5.
[22] M. F. Wani, J. K. Katiyar, and R. Sehgal, “Chapter 2 - Classification and high-temperature applications of ceramics,” in High-Temperature Tribology of Ceramics and Ceramic Matrix Composites, M. F. Wani, J. K. Katiyar, and R. Sehgal, Eds., Elsevier, 2025, pp. 27–47. doi: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91605-9.00005-8.
[23] R. D. K. Misra and K. P. Misra, “1 - Fundamentals of ceramics: introduction, classification, and applications,” in Ceramic Science and Engineering, K. P. Misra and R. D. K. Misra, Eds., Elsevier, 2022, pp. 5–20. doi: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-89956-7.00020-6.
[24] M. Guo et al., “Degradation mechanisms of magnesia-carbon refractories by high-alumina stainless steel slags under vacuum,” Ceram. Int., vol. 33, no. 6, pp. 1007–1018, 2007, doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2006.03.009.
[25] L. Chen, A. Malfliet, J. Vleugels, B. Blanpain, and M. Guo, “Degradation mechanisms of alumina-chromia refractories for secondary copper smelter linings,” Corros. Sci., vol. 136, pp. 409–417, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2018.03.039.
[26] L. Reed and L. R. Barrett, “The slagging of Refractories, I. The controlling Mechanism in Refractory Corrosion,” Transactions of the British Ceramic Society, vol. 54, pp. 671–676, 1955.
[27] L. Reed and L. R. Barrett, “The slagging of Refractories, II. The Kinetics of Corrosion,” Transactions of the British Ceramic Society, vol. 63, pp. 509–534, 1964.
[28] B. J. Monaghan and L. Chen, “The Dissolution of Alumina in CaO-SiO2-Al2O3 Slags,” Steel Res. Int., vol. 76, no. 5, pp. 348–354, 2005, doi: https://doi.org/10.1002/srin.200506021.
[29] J.-H. Park, I.-H. Jung, and H.-G. Lee, “Dissolution behavior of Al2O3 and MgO inclusions in the CaO-Al2O3-SiO2 slags: Formation of ring-like structure of MgAl2O4 and Ca2SiO4 around MgO inclusions,” Isij International - ISIJ INT, vol. 46, pp. 1626–1634, 2006, doi: 10.2355/isijinternational.46.1626.
[30] H.-Y. Yang and C. F. Chan, “Corrosion Resistance and Microstructure of High-Alumina Refractories, Based on the Rotary Slag Test,” Journal of the American Ceramic Society, vol. 73, no. 4, pp. 1074–1077, 1990, doi: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb05159.x.
[31] C. F. Chan and Y. C. Ko, “Effect of Cr₂O₃ on slag resistance of Al₂O₃–SiO₂ refractories,” Journal of the American Ceramic Society, vol. 75, no. 10, pp. 2857–2861, 1992.
[32] J. Welty, G. L. Rorrer, and D. G. Foster, Fundamentals of momentum, heat, and mass transfer. John Wiley & Sons, 2020.
[33] T. Kimura, Y. Matsuda, M. Oda, and T. Yamaguchi, “Effects of agglomerates on the sintering of alpha-Al2O3,” Ceram. Int., vol. 13, no. 1, pp. 27–34, 1987, doi: https://doi.org/10.1016/0272-8842(87)90035-6.
[34] C. W. Bale et al., “FactSage thermochemical software and databases, 2010–2016,” Calphad, vol. 54, pp. 35–53, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.calphad.2016.05.002.
[35] P.-J. Boeykens, I. Bellemans, L. Scheunis, and K. Verbeken, “Parameter investigation of the experimental methodology of electrical conductivity measurements for PbO containing slags,” Electrochim. Acta, vol. 464, p. 142846, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2023.142846.
[36] A. Peroff, “Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) Basics,” 2024, Pine Research Insituite. [Online]. Available: https://pineresearch.com/support-article/eis-basics/
[37] P. J. Boeykens et al., “Methodology Development of Electrical Conductivity Measurements for Iron Silicate Slags,” Journal of Sustainable Metallurgy, vol. 11, no. 2, pp. 838–850, 2025, doi: 10.1007/s40831-024-00985-1.
[38] Microscopy Australia, “MyScope: Scanning Electron Microscopy (SEM) module.” [Online]. Available: https://myscope.training/
[39] Microscopy Australia, “MyScope: Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) module.” [Online]. Available: https://myscope.training/
[40] G.-H. Zhang, W.-W. Zheng, S. Jiao, and K.-C. Chou, “Influences of Na2O and K2O Additions on Electrical Conductivity of CaO-SiO2-(Al2O3) Melts,” ISIJ International, vol. 57, no. 12, pp. 2091–2096, 2017, doi: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-285.
[41] E. Thibodeau and I.-H. Jung, “A Structural Electrical Conductivity Model for Oxide Melts,” Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 47, no. 1, pp. 355–383, 2016, doi: 10.1007/s11663-015-0458-z.
[42] O. Vergote, I. Bellemans, A. Bulck, and K. Verbeken, “Towards More Reliable PbO-SiO2 Based Slag Viscosity Measurements in Alumina via a Dense Intermediate Spinel Layer,” Metallurgical and Materials Transactions B, 2021, doi: 10.1007/s11663-021-02328-x.
[43] L. Fu, A. Huang, P. Lian, and H. Gu, “Isolation or corrosion of microporous alumina in contact with various CaO-Al2O3-SiO2 slags,” Corros. Sci., vol. 120, pp. 211–218, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2017.01.018.
[44] S. Zhang, H. R. Rezaie, H. Sarpoolaky, and W. E. Lee, “Alumina Dissolution into Silicate Slag,” Journal of the American Ceramic Society, vol. 83, no. 4, pp. 897–903, 2000, doi: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01291.x.
[45] E. De Bilbao, J. Poirier, and M. Dombrowski, “Corrosion of high alumina refractories by Al 2 O 3-CaO slag: Thermodynamic and kinetic approaches,” Metallurgical Research & Technology, vol. 112, p. 607, 2015, doi: 10.1051/metal/2015042.
[46] Y. Huo et al., “Characterization and mechanism of dissolution behavior of Al2O3/MgO oxides in molten slags,” Journal of Iron and Steel Research International, vol. 29, pp. 1711–1722, 2022, doi: 10.1007/s42243-022-00847-8.
[47] “Regulation (EU) 2021/1119 of the European Parliament and of the Council of 30 June 2021 establishing the framework for achieving climate neutrality and amending Regulations (EC) No 401/2009 and (EU) 2018/1999 (‘European Climate Law’),” Oct. 2021. [Online]. Available: http://data.europa.eu/eli/reg/2021/1119/oj
[48] A. Toktarova, L. Göransson, and F. Johnsson, “Electrification of the energy-intensive basic materials industry – Implications for the European electricity system,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 107, pp. 279–295, 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.08.016.
[49] U. Nations, “Transforming our world : the 2030 Agenda for Sustainable Development,” 2015. [Online]. Available: https://sdgs.un.org/2030agenda
[50] E. Thibodeau, A. E. Gheribi, and I.-H. Jung, “A Structural Molar Volume Model for Oxide Melts Part I: Li2O-Na2O-K2O-MgO-CaO-MnO-PbO-Al2O3-SiO2 Melts—Binary Systems,” Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 47, no. 2, pp. 1147–1164, 2016, doi: 10.1007/s11663-015-0548-y.
[51] E. Thibodeau, A. E. Gheribi, and I.-H. Jung, “A Structural Molar Volume Model for Oxide Melts Part II: Li2O-Na2O-K2O-MgO-CaO-MnO-PbO-Al2O3-SiO2 Melts—Ternary and Multicomponent Systems,” Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 47, no. 2, pp. 1165–1186, 2016, doi: 10.1007/s11663-015-0543-3.
