Erős, ám apró csodákra is képes

HA EZ a fém nem létezne, a zongorából nem csendülne fel zene, nem jönne létre a sugárhajtású repülőgépek hangrobbanása, az óra nem ketyegne, a motor nem duruzsolna, nem érnének a felhőkarcolók az égig, a függőhidak pedig nem maradnának felfüggesztett helyzetben. Melyik fémről van szó?

Az acélról, mely a nagyszabású építkezésekhez nélkülözhetetlen. Acélból készülnek azok a roppant méretű hajók, melyek át meg átszelik a tengereket és óceánokat, valamint azok a csövek, melyek távoli kutakból több száz kilométeren át szállítják az olajat és a földgázt. Ám ez a sokoldalú anyag még inkább összefonódik a mindennapi életünkkel. Gondolj például annak a busznak az acélhuzalt tartalmazó gumiabroncsaira, mellyel munkába mész, vagy arra az acél drótkötélre, mely fel-le mozgatja a felvonót a házatokban. És mi a helyzet a szemüvegeden lévő acél csuklópántokkal, valamint az acélból készült kanállal, mellyel megkavarod a teádat? Ezerféleképpen használják ezt a tartós, ugyanakkor finoman megmunkálható fémet. Felmerül hát a kérdés: hogyan készül az acél, és mi teszi olyan hasznossá?

A karbon és a kristályok

Az acél egy furcsa páros, a vas és a karbon ötvözete, vagyis keveréke. A többi fémhez képest a tiszta vas puhának mondható, és emiatt jelentős igénybevételre alkalmatlan. A karbon nem tartozik a fémek közé: a gyémánt és a kéményben lévő korom csupán más-más formája ennek az elemnek. De ha kis mennyiségű karbont elegyítenek olvadt vassal, az eredmény egy, a karbontól nagyon eltérő anyag lesz, mely jóval erősebb a vasnál.

Az acélgyártás kulcsa az a valami, amit kristálynak * neveznek. Tudtad, hogy a vas kristályokból áll? Ez valójában minden szilárd halmazállapotú fémre igaz, és ennek a kristályfelépítésnek köszönhetik ezek az elemek a megmunkálhatóságukat, fényüket és más jellegzetességeiket. De a vas kristályainak van egy további sajátosságuk.

A kristályok hatása az acélra

Amikor az acélt gyártják, az olvasztott vasat elegyítik más elemekkel. Amikor ez az elegy megszilárdul, a vas feloldja a többi anyagot, úgyszólván magába szívva, és a kristályszerkezeteiben tartva őket. Minthogy más fémek is ugyanígy viselkednek, miért annyira különleges a vas?

A vas azért páratlan, mert hővel még szilárd halmazállapotában is megváltoztatható a kristályszerkezete. Ez a sajátosság lehetővé teszi, hogy a vaskristályok viszonylag zárt formája nyitottabbá váljon, majd megint zárttá. Képzelj el egy jól megépített házat, melynek a falai oldalirányban csúszkálnak, a padlója pedig fel-le mozog, miközben te a nappaliban ülsz. Valami ilyesmi történik a vaskristályok belsejében, amikor a fémet — anélkül, hogy megolvasztanák — nagy hőfokra hevítik, majd lehűtik.

Ha jelen van a karbon, amikor ezek a változások végbemennek, akkor a kemény ötvözetek puhává válhatnak, a puhák pedig keménnyé. Az acélgyártók kihasználják ezt, és a termékük keménységének a megváltoztatására olyan hőkezelési eljárásokat alkalmaznak, mint az edzés, a temperálás és a lágyítás. * De ez még nem minden.

Amikor jelen vannak más anyagok is, mint például a mangán, molibdén, nikkel, vanádium, szilícium, ólom, króm, bór, volfrám vagy kén, az acél nemcsak keménnyé vagy puhává válik, hanem erőssé, tartóssá, nyújthatóvá, korrózióállóvá, megmunkálhatóvá, rugalmassá,  mágnesessé vagy paramágnesessé is, és még folytathatnák a felsorolást. Éppen úgy, ahogyan egy pék a különféle kenyerek elkészítéséhez változtatja a hozzávalókat és a sütő hőmérsékletét, a fémkészítők is változtatják az ötvözőelemeket és a hőkezelési eljárásokat, hogy több ezerféle acélt tudjanak előállítani, melyeket páratlanul sokféleképpen lehet felhasználni: acélból készült vágányokon biztonságosan közlekedhetnek 12 000 tonnás tehervonatok, míg az órákban tűhegy nagyságú acél támasztja alá a billegőkerekeket.

Acélgyártás — Régen és ma

Évszázadokkal ezelőtt a fémmunkások háztartási eszközöket és fegyvereket készítettek a vasból. Rájöttek, hogy az olvasztott vasban, melyet az ércnek nevezett ásványból nyertek ki, olyan szennyeződések vannak, melyek erőssé és keménnyé teszik a fémet. Azt is észrevették, hogy a vasból készített eszközök még keményebbé válnak, ha vízben lehűtik őket. Ma már hatalmas kemencéket használnak a kovácstűzhelyek helyett, a kovács kalapácsát és üllőjét pedig óriási hengerművek váltották fel. De a mai feldolgozók is ugyanazokat az alaplépéseket teszik meg, mint egykor a robusztus kovácsok: 1. megolvasztják a vasat, 2. hozzáadják az ötvözőelemeket, 3. hagyják, hogy lehűljön az acél, és 4. formába öntik, majd hőkezelik.

Figyeld meg az adatokat a jobb alsó sarokban. Noha bámulatba ejtően nagy mennyiségekről van szó, ez egy acélmű egyetlen napi anyagfelhasználása. Ezek az üzemek hatalmas területekre épülnek, melyeken óriási mennyiségű ásványi anyagot halmoznak fel az acélmű csillapíthatatlan étvágyának a kielégítésére.

Csodálatos fém, mely számtalan formát ölt

Az acélt sokszor nem mindennapi helyeken hasznosítják. Acélra bukkansz, ha felnyitod egy zongora fedelét. Ezek a húrok a legerősebbek közé tartoznak, mégis csodálatos zene kel életre rajtuk. Óriási kőtörőgépeket készítenek Hadfield-mangánacél felhasználásával, amely annál edzettebbé válik, minél keményebb csapásokat mér a gép a sziklatömbökre. Rozsdamentes acélból szikéket, borsajtókat és fagylaltgépeket készítenek. Amilyen nehéz lenne megszámolni a hajszálainkat, ugyanolyan nehéz lenne összeszámolni azt is, hogy hányféleképpen használják az acélt.

Évente csaknem 800 000 000 tonna acélt gyártanak világszerte, de egyetlen gramm acélunk sem lenne vas nélkül, amely az egyik leggyakoribb elem a földön. Mivel nincs hiány szénből és mészkőből sem, nyilvánvaló, hogy jó darabig képesek leszünk acélt előállítani.

Legközelebb, amikor fémtűvel varrsz, amikor orsós horgászbottal horgászol, amikor franciakulcsot használsz, amikor kinyitod a lánccal bezárt kerítéskaput, amikor autóval utazol, vagy amikor egyenes barázdákat húzol az ekével a földön, gondolj a vas és a karbon páratlan ötvözetére, mely lehetővé teszi ezt.

[Lábjegyzetek]

[Kiemelt rész a 23. oldalon]

Tízezer tonna acél elkészítéséhez szükséges anyagok

6 500 tonna szén

13 000 tonna érc

2 000 tonna mészkő

2 500 tonna acélhulladék

1 500 000 000 liter víz

80 000 tonna levegő

 [Kiemelt rész/képek a 24–25. oldalon]

Hogyan készül az acél?

Az átláthatóság kedvéért néhány részletet kihagytunk

Az acélgyártáshoz hő kell. Egy hőmérőt felhasználva, kísérjük figyelemmel az acél útját.

▪ 1400 °C. Hatalmas kemencékben, légmentesen záródó kamrákban felhevítik a szenet, elporlasztják belőle a nemkívánatos anyagokat, anélkül hogy a széndarabokat elégetnék. Így szürke színű tömbökhöz jutnak, melyeket koksznak neveznek; a későbbiekben ezekből származik a folyamathoz szükséges hő és karbon.

▪ 1650 °C. A kokszot, a vasércet és a mészkövet egy nagyolvasztóba adagolják, ahol tűz és túlhevített levegő vár rájuk. A koksz elég, és a perzselő hőségben az ércben lévő nemkívánatos anyagok egyesülnek a mészkővel, így létrejön a salaknak nevezett melléktermék. Az anyagok cseppfolyóssá válnak, és lesüllyednek a kemence aljára. A vas tetején úszó salakot lecsapolják egy tartályba, majd a folyékony vas üstös kocsikba ömlik, melyek elszállítják forró szállítmányukat a következő állomásra.

▪ 1650 °C. Kilencven tonna gondosan kiválogatott fémhulladékot belezúdítanak egy 9 méter magas, körte alakú kemencébe, mely bázikus konverterként ismert. Egy hatalmas üsttel a forró, folyékony  vasat ráöntik a fémhulladékra. Amikor a lándzsának nevezett vízhűtéses csövet leeresztik a kemencébe, a vas szikrákat kezd szórni. A lándzsából óriási sebességgel tiszta oxigén áramlik ki, amitől hamarosan forrni kezd a fém, mint a leves a forró tűzhelyen. Kémiai reakciók mennek végbe. Egy órán belül véget ér a kemencében a munka, és 300 tonnányi folyékony acél — amelyet egy adagnak neveznek — ömlik a szállító üstökbe. Ötvözőelemeket adnak hozzá, majd az izzó folyamot öntőgépekbe engedik, s így az acél kezd formát ölteni.

▪ 1200 °C. Az izzó acélt hengerek között egyre tömörebbre hengerlik, egészen addig, amíg elérik a kívánt vastagságot. Ez után az erőteljes alakítás után a fém olyannyira keménnyé válik, hogy ellenáll a további alakításnak.

▪ Szobahőmérséklet. Az acélt kiöntik, darabolják, melegen hengerlik, hidegen hengerlik, vagy esetleg pácolják (megtisztítják savas fürdőben). Újra meg újra felizzítják, míg végül a hőmérő higanyszála végleg megállapodik. A folyékony acélból acéllemez lett, és egy acélmegmunkáló üzem nemsokára vezetéket készít belőle egy irodaház számára.

Miért nem olvadnak fel munka közben az acélműben található felszerelések, noha a legtöbbjük ugyanabból a fémből készült, mint amelynek a feldolgozására felhasználják őket? Azért, mert a kemencéket, az üstös kocsikat és az üstöket hőálló, vagyis tűzálló anyagból készült téglákkal bélelik ki, a bázikus konvertereket például egyméteres bélés védi. De ezeknek a tégláknak sem tesz jót a perzselő hőség, ezért rendszeresen kell cserélni őket.

[Ábra]

(A teljes beszerkesztett szöveget lásd a kiadványban.)

1. VASGYÁRTÁS

1400 °C Szén → Kokszkemencék

↓

1650 °C Mészkő → NAGYOLVASZTÓ

Vasérc

↓

Vasolvadék

2. ACÉLGYÁRTÁS ↓

1650 °C Acélhulladék

Mész és hozaganyag

Oxigén

↓

BÁZIKUS KONVERTER

3. HŰTÉS ↓

FOLYAMATOS ÖNTÉS

Buga

Blokkbuga

Laposbuga

4. KIKÉSZÍTÉS ↓

1200 °C Acélhengerlés (drótok vagy rudak)

Galvanizálás

Hideg hengerlés

Meleg hengerlés

Szobahőmérséklet

[Kép]

Figyeld meg, mekkorák az emberek

[Kép forrásának jelzése a 23. oldalon]

Az óra kivételével minden kép a 23—5. oldalon: Courtesy of Bethlehem Steel