Lujuus yhdistyneenä herkkyyteen

SEN ansiosta pianot soivat, suihkukoneet rikkovat äänivallin, kellot tikittävät, moottorit hurisevat, pilvenpiirtäjät kohoavat kohti taivasta ja riippusillat pysyvät koossa. Siis minkä ansiosta?

Teräksen. Teräs muodostaa suurten rakennusten rungon. Siitä valmistetut jättiläismäiset laivat kulkevat maailman merillä. Siitä tehdyt putket kuljettavat öljyä ja kaasua kaukaisilta lähteiltä tuhansien kilometrien päähän. Mutta tämä monipuolinen aine liittyy monilla muillakin tavoilla jokapäiväiseen elämään. Esimerkiksi busseissa on teräsvyörenkaat ja kerrostalojen hissit kulkevat edestakaisin teräsvaijerien varassa. Silmälaseissamme on terässaranat, ja me hämmennämme kahvia tai teetä teräslusikalla. Tällä kestävällä mutta herkällä metallilla on tuhansia käyttötarkoituksia. Miten se valmistetaan, ja miksi se on niin käyttökelpoista?

Hiili ja kiteet

Teräs on kahden sellaisen aineen seos, joiden ei luulisi sopivan yhteen, nimittäin raudan ja hiilen. Puhdas rauta on metalliksi pehmeää, eikä se siksi sovellu kovaan käyttöön. Hiili on epämetallinen alkuaine. Sen eri muotoja ovat esimerkiksi timantti ja noki. Jos kuitenkin pieni määrä hiiltä sekoitetaan sulaan rautaan, saadaan ainetta, joka on hyvin erilaista kuin hiili ja paljon vahvempaa kuin rauta.

Teräksen valmistuksen kannalta avainasemassa on kide. Rauta nimittäin koostuu kiteistä. * Tämä pätee itse asiassa kaikkiin kiinteisiin metalleihin, ja juuri kiderakenteesta johtuvat niiden työstettävyys, kiilto ja monet muut ominaisuudet. Rautakiteissä on kuitenkin vielä eräs piirre.

Vaikutus teräkseen

Terästä valmistettaessa sulaan rautaan sekoitetaan muita alkuaineita. Kun seos jähmettyy, rauta sitoo ne itseensä ja pitää ne oman kiderakenteensa sisällä. Muutkin metallit käyttäytyvät samalla tavalla. Mikä sitten tekee raudasta niin erikoista?

Rauta on poikkeuksellista, koska sen kiderakennetta voidaan muuttaa kuumentamalla sen ollessa edelleen kiinteää. Tämän ominaisuuden ansiosta rautakiteitä voidaan muuttaa suhteellisen umpinaisesta muodosta avoimempaan muotoon ja päinvastoin. Kuvitellaanpa hyvin rakennettua taloa, jossa seinät liikkuvat sivulle ja lattia ylös alas samalla, kun me istumme olohuoneessa. Jotain tämän tapaista tapahtuu rautakiteen sisällä, kun metalli kuumennetaan hyvin kuumaksi kuitenkaan sulattamatta sitä ja sitten jäähdytetään.

Jos seoksessa on näiden muutosten aikana hiiltä, kovasta seoksesta voi tulla pehmeää ja pehmeästä kovaa. Teräksen valmistajat käyttävät tätä hyväkseen ja säätelevät tuotteensa kovuusastetta lämpökäsittelyn, esimerkiksi karkaisun ja hehkutuksen, avulla. * Mutta asiaan liittyy muutakin.

Kun seokseen lisätään muita alkuaineita – kuten mangaania, molybdeeniä, nikkeliä, vanadiinia, piitä, lyijyä, kromia, booria, volframia tai rikkiä – teräksestä ei tule vain kovaa tai pehmeää, vaan myös lujaa, sitkeää, taipuisaa,  syöpymätöntä, työstettävää, joustavaa, magneettista, epämagneettista – ja luetteloa voitaisiin jatkaa. Aivan niin kuin leipuri vaihtaa aineksia ja uunin lämpötilaa leipoakseen erilaisia leipiä, metallin valmistaja vaihtaa seoksia ja lämpökäsittelyä valmistaakseen tuhansia erilaisia teräslaatuja, joiden moninaisuus on vailla vertaa. 12000 tonnia painavat tavarajunat kulkevat turvallisesti teräsraiteilla, ja toisaalta nuppineulan pään kokoiset teräksiset kuppiruuvit kannattelevat kellon liipotinta.

Teräksen valmistus – ennen ja nykyään

Satoja vuosia sitten metallityöntekijät valmistivat raudasta käyttöesineitä ja aseita. He havaitsivat, että malmista erotetussa sulatetussa raudassa oli epäpuhtauksia, jotka tekivät metallista vahvaa ja kovaa. He saivat myös selville, että rautatyökalusta saatiin entistä kovempi karkaisemalla se veden avulla. Nykyään sepän ahjon tilalla ovat valtavat uunit ja hänen käyttämänsä vasaran ja alasimen tilalla suuret valssaimet. Mutta teräksen valmistuksessa on nykyään pohjimmiltaan samat perusvaiheet kuin noiden entisajan lihaksikkaiden takojien päivinä: 1) rauta sulatetaan, 2) mukaan lisätään seosaineita, 3) teräksen annetaan jäähtyä ja 4) se muovataan ja lämpökäsitellään.

Huomaa oheisessa tekstiruudussa olevat ainemäärät. Vaikka ne ovatkin vaikuttavia, terästehdas voi niellä kaiken tämän yhdessä päivässä. Tehtaan valtavalla alueella seisoo mineraalivuoria, jotka tyydyttävät sen kyltymätöntä ruokahalua.

Ylivertainen metalli saa monenlaisia muotoja

Teräksen käyttökelpoisuus ilmenee epätavallisissa paikoissa. Terästä on flyygelin kannen alla. Siellä on vahvimpiin teräslaatuihin kuuluvaa lankaa, jonka avulla saadaan aikaan kaunista musiikkia. Hadfieldin mangaaniterästä käytetään valtavien kivenmurskainten valmistuksessa, ja mitä kovemmin sitä käytetään kivenjärkäleiden murskaamiseen, sitä lujempaa siitä tulee. Ruostumattomasta teräksestä tehdään kirurgin veitset, viinisammiot ja jäätelökoneet. Niitä käyttötarkoituksia, joihin teräs sopii, on yhtä vaikea laskea kuin pään hiuksia.

Terästä tuotetaan kautta maailman joka vuosi lähes 800000000 tonnia. Sitä ei olisi grammaakaan ilman rautaa, joka sattuukin olemaan maapallon yleisimpiä alkuaineita. Koska myös hiiltä ja kalkkikiveä on runsaasti, näyttää siltä, että terästä on tarjolla vielä pitkään.

Kun siis seuraavan kerran ompelet neulalla, kalastat mato-ongella, käytät jakoavainta, avaat verkkoaidan portin, matkustat autossa tai kynnät peltoon suoria vakoja, ajattele sitä raudan ja hiilen poikkeuksellista seosta, jonka ansiosta se on mahdollista.

[Alaviitteet]

[Tekstiruutu s. 23]

10000 terästonnin valmistusaineet

6500 tonnia hiiltä

13000 tonnia malmia

2000 tonnia kalkkikiveä

2500 tonnia teräsromua

1,5 miljardia litraa vettä

80000 tonnia ilmaa

 [Tekstiruutu/Kuvat s. 24, 25]

Miten teräs valmistetaan

Kuvan yksinkertaistamiseksi on joitakin yksityiskohtia jätetty pois

Teräksen valmistuksessa tarvitaan korkeita lämpötiloja. Annetaanpa siksi lämpömittarin opastaa meitä matkalla kohti valmista terästä.

▪ 1400 °C. Hiiltä kuumennetaan valtavien uunien ilmattomissa kammioissa siten, että ei-toivotut aineet haihtuvat kappaleiden kulumatta. Näin syntyviä nokisia kimpaleita sanotaan koksiksi, jota tarvitaan myöhemmin prosessin aikana polttoaineena ja hiilen lähteenä.

▪ 1650 °C. Koksi, rautamalmi ja kalkkikivi kaadetaan masuuniin, jossa ne törmäävät liekkien ja ylikuumennetun ilman seinämään. Koksi palaa, ja malmin ei-toivotut aineet sitoutuvat kovassa kuumuudessa kalkkikiveen, mistä syntyy sivutuotteena kuonaa. Aineet sulavat ja tippuvat uunin pohjalle. Raudan pinnalla kelluva kuona lasketaan astiaan pois vietäväksi. Sula rauta juoksee astioihin, joissa tämä tulikuuma lasti viedään seuraavan uunin luo.

▪ 1650 °C. Yhdeksänkymmentä tonnia huolellisesti valikoitua metalliromua kaadetaan yhdeksän metriä korkeaan päärynän muotoiseen  astiaan, jota sanotaan konvertteriksi. Tulikuuma rauta kaadetaan kauhalla romun päälle, joka alkaa kipinöidä voimakkaasti, kun vesijäähdytetty lanssi lasketaan astiaan. Lanssista suihkuaa kohisten puhdasta happea, minkä vuoksi metalli alkaa pian kiehua kuin liedellä oleva keitto. Tapahtuu kemiallisia reaktioita. Alle tunnissa uuni on tehnyt tehtävänsä, ja 300 tonnia sulaa terästä kaadetaan valusankoihin. Teräkseen lisätään seosaineita. Tulikuuma neste virtaa valukoneeseen. Teräs alkaa saada muotonsa.

▪ 1200 °C. Hehkuvaa terästä puristetaan valssien välissä, kunnes se on halutun paksuista. Tämä raju työvaihe tekee metallista kovaa, niin kovaa, että sitä on vaikea muokata.

▪ Huoneenlämpö. Teräs on valettu, leikattu, kuumavalssattu, kylmävalssattu ja jopa peitattu (puhdistettu hapolla). Sitä on kuumennettu yhä uudestaan. Viimein lämpötila putoaa lopullisesti. Sula teräs on muuttunut teräslevypinoiksi. Metalliverstas muovaa siitä pian putkia erästä toimistokompleksia varten.

Koska suurin osa terästehtaan osista on tehty tästä samasta metallista, miksi ne eivät sula käytön aikana? Uunien ja astioiden sisäpinta on vuorattu tiilillä, jotka on tehty tulenkestävästä materiaalista. Konvertteria peittää metrin paksuinen vuoraus. Kova kuumuus vahingoittaa kuitenkin myös tiiliä, ja ne täytyy vaihtaa säännöllisesti.

[Kaavio]

(Ks. painettu julkaisu)

1. RAUDAN VALMISTUS

1400 °C Hiiltä → Koksiuuneja

↓

1650 °C Rautamalmia

Kalkkikiveä → MASUUNI

↓

Sulaa rautaa

2. TERÄKSEN VALMISTUS ↓

1650 °C Romua

Kalkkia ja sulatetta

Happea

↓

KONVERTTERI

3. JÄÄHDYTYS ↓

JATKUVA VALU

Erilaisia aihioita

4. VIIMEISTELY ↓

1200 °C Teräksen valssaus (tangot tai kiskot)

Galvanointi

Kylmävalssaus

Kuumavalssaus

Huoneenlämpö

[Kuva]

Huomaa ihmisten koko

[Kuvien lähdemerkintä s. 23]

Kaikki kuvat sivuilla 23–25 kelloa lukuun ottamatta: Bethlehem Steel