Twarda i delikatna

GDYBY nie ona, nie słyszelibyśmy tonów pianina, huku samolotu przekraczającego barierę dźwięku, tykania zegarka ani szumu silnika. To dzięki niej istnieją niebotyczne drapacze chmur i wiszące mosty. Cóż to jest?

To stal. Stal ma ogromne znaczenie podczas budowy dużych obiektów. Zrobione z niej wielkie statki pływają po wszystkich morzach i oceanach świata. Stalowe rurociągi doprowadzają ropę i gaz z odległych o setki kilometrów szybów wydobywczych. Ale z tym uniwersalnym materiałem jeszcze częściej mamy do czynienia w naszym codziennym życiu. Pomyśl choćby o oponach autobusu, którym jeździsz do pracy. Czy wiesz, że są wzmacniane stalowymi elementami? Winda w twoim wieżowcu zawieszona jest na linach, które także zrobiono ze stali. A co powiedzieć o malutkich zawiasach twoich okularów czy łyżeczce, którą mieszasz herbatę? Stal, ten trwały, a zarazem delikatny materiał, ma tysiące zastosowań. Jak się go otrzymuje i dzięki czemu jest tak użyteczny?

Węgiel i kryształy

Stal to stop dwóch bardzo odmiennych składników: żelaza i węgla. Samo żelazo, w porównaniu z innymi metalami, jest miękkie, dlatego nie sprawdza się tam, gdzie potrzebna jest duża wytrzymałość. Węgiel zaś to pierwiastek niemetaliczny. Występuje w przeróżnych postaciach — od sadzy poczynając, na diamentach kończąc. Jeżeli domieszamy trochę tego pierwiastka do stopionego żelaza, to otrzymany materiał będzie zupełnie różny od węgla i znacznie wytrzymalszy niż żelazo.

Taka przemiana jest możliwa dzięki strukturze krystalicznej żelaza. * Czy o tym wiedziałeś? Struktura taka jest charakterystyczna dla wszystkich metali występujących w stałym stanie skupienia i właśnie ona sprawia, że są podatne na obróbkę, mają połysk i wiele innych właściwości. Jednak kryształy żelaza wyróżniają się pewną ciekawą cechą.

Jaki to ma wpływ na stal?

Podczas produkcji stali stopione żelazo miesza się z innymi pierwiastkami. Kiedy ta mieszanina krzepnie, rozpuszczone w żelazie substancje są wchłaniane i zatrzymywane wewnątrz struktury krystalicznej. Inne metale zachowują się podobnie. Czym szczególnym wyróżnia się żelazo?

Interesujące jest to, że podgrzewając ten metal, można zmienić jego strukturę krystaliczną, chociaż cały czas pozostaje ciałem stałym. Zależnie od temperatury atomy w kryształach żelaza mogą być upakowane rzadziej lub gęściej. Wyobraź sobie, że siedzisz w solidnie zbudowanym domu, którego ściany poruszają się na boki, a podłoga w górę i w dół. Właśnie coś takiego dzieje się wewnątrz kryształów, kiedy żelazo doprowadzamy do wysokiej temperatury, nie dopuszczając jednak do stopienia go, a potem schładzamy.

Obecny w tym procesie węgiel powoduje, że otrzymywany stop staje się albo bardziej twardy, albo bardziej miękki. Hutnicy wykorzystują to zjawisko. Za pomocą obróbki cieplnej obejmującej hartowanie, odpuszczanie i wyżarzanie uzyskują stal o pożądanej twardości. * Ale to jeszcze nie wszystko.

Pierwiastki takie jak mangan, molibden, nikiel, wanad, krzem, ołów, chrom, bor, wolfram  czy siarka nie tylko modyfikują twardość stali, lecz także nadają jej szereg innych właściwości. Dzięki nim staje się ona wytrzymała, odporna na korozję, kowalna, skrawalna, elastyczna, magnetyczna lub niemagnetyczna i tak dalej. Przypomina to trochę pracę piekarza, który dobiera składniki ciasta i odpowiednio reguluje piec, by otrzymać określone gatunki chleba. Tak samo hutnicy dobierają różne rodzaje stopów i obróbki cieplnej, żeby otrzymać tysiące odmian tego uniwersalnego materiału. Wszak stalowe szyny unoszą pociągi o wadze 12 000 ton, a stalowe łożyska wielkości łebka szpilki podtrzymują zestaw balansowy w niektórych zegarkach.

Wytwarzanie stali — dawniej i dziś

Przed wiekami kowale wyrabiali z żelaza narzędzia i broń. Z czasem odkryli, że wytopione żelazo (wytapianie to proces pozyskiwania metalu z rudy) zawiera domieszki i że to właśnie one nadają mu twardość i wytrzymałość. Nauczyli się też hartować narzędzia w wodzie, żeby je utwardzić. W naszych czasach olbrzymie piece hutnicze zastępują palenisko w kuźni, a ogromne walcownie — młot i kowadło. Ale dzisiejszy proces produkcji stali opiera się na tych samych zasadach, które niegdyś wykorzystywali kowale: 1) żelazo jest topione, 2) dodaje się inne składniki, żeby powstał stop, 3) pozwala się stali ostygnąć, 4) poddaje się ją obróbce cieplnej i odpowiednio formuje.

Zwróć uwagę na ilość materiałów podaną w ramce obok. Być może wyda ci się, że jest ich bardzo dużo, a tymczasem huta pochłania to wszystko w ciągu zaledwie jednego dnia. Cały zakład zajmuje olbrzymi teren, na którym leżą wielkie zwały surowców zaspokajających jego nienasycony apetyt.

Zdumiewający metal, który przybiera mnóstwo kształtów

Stal okazuje się użyteczna w wielu niezwykłych miejscach. Znajdziesz ją na przykład w fortepianie. Jego struny są zrobione z najwytrzymalszej stali i dzięki temu wydają piękne dźwięki. Manganowa stal Hadfielda jest wykorzystywana w olbrzymich rozdrabniarkach skał i co ciekawe, im intensywniej jest używana do kruszenia głazów, tym twardsza się staje. Z kolei ze stali nierdzewnej wykonuje się skalpele, kadzie do wyrobu win i maszyny do produkcji lodów. Metal ten ma tyle zastosowań, że wręcz trudno je policzyć, tak jak trudno jest policzyć włosy na głowie.

Na całym świecie wytwarza się rocznie prawie 800 milionów ton stali. Ale nie powstałby nawet gram, gdyby nie żelazo, należące do najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na ziemi. Mamy też spore zasoby węgla i wapienia, wydaje się zatem, że stal jeszcze długo będzie dostępna.

Kiedy więc następnym razem sięgniesz po igłę, żeby coś zszyć, zarzucisz wędkę, będziesz używał klucza nastawnego, otwierał bramę, prowadził samochód lub orał, pomyśl o niezwykłym połączeniu żelaza i węgla, dzięki któremu to wszystko jest możliwe.

[Przypisy]

[Ramka na stronie 23]

Surowce potrzebne do wyprodukowania 10 000 ton stali

6500 ton węgla

13 000 ton rudy

2000 ton wapienia

2500 ton złomu stalowego

1 500 000 metrów sześciennych wody

80 000 ton powietrza

 [Ramka i ilustracje na stronach 24, 25]

Jak powstaje stal

Na ilustracji niektóre szczegóły techniczne uproszczono

Do produkcji stali niezbędna jest wysoka temperatura. Niech wskazania termometru pomogą nam przeanalizować kolejne etapy powstawania tego stopu.

▪ 1400°C W hermetycznie zamkniętych komorach olbrzymich pieców prażony jest węgiel — powoduje to odgazowanie niepożądanych substancji, ale on sam się nie spala. W wyniku tego procesu otrzymuje się koks, który dostarcza energii cieplnej i węgla, potrzebnych później.

▪ 1650°C Koks, ruda żelaza i wapień są wrzucane do wielkiego pieca, wprost w otchłań ognia i rozgrzanego powietrza. Koks spala się i pod wpływem niezwykle wysokiej temperatury wapień wiąże niepożądane substancje w rudzie, wskutek czego powstaje produkt uboczny zwany żużlem. Stopione surowce zbierają się na dnie pieca. Żużel, unoszący się na ich powierzchni, jest odprowadzany do specjalnego pojemnika. Płynne żelazo zaś zostaje przetransportowane dalej w wozach surówkowych.

▪ 1650°C W konwertorze tlenowym — pojemniku w kształcie gruszki o wysokości 9 metrów — umieszcza się 90 ton wyselekcjonowanego złomu.  Gorące płynne żelazo jest wylewane z kadzi wprost na ten złom i gdy do środka opuszcza się chłodzoną wodą lancę, buchają snopy iskier. Przez lancę z prędkością ponaddźwiękową wdmuchiwany jest strumień czystego tlenu, który powoduje, że wkrótce metal gotuje się jak zupa na rozgrzanym piecu. W tym czasie zachodzą różne reakcje chemiczne. Konwertor spełnia swoje zadanie w niecałą godzinę i 300-tonowa porcja płynnej stali, czyli wytopu, jest wlewana do kadzi transportowych. Dodaje się do niej składniki stopowe. Następnie ognisty potok metalu trafia do maszyn odlewniczych. Stal zaczyna przybierać konkretne kształty.

▪ 1200°C Walce zgniatają rozgrzaną do czerwoności stal, aż osiągnie pożądaną grubość. Ta intensywna obróbka utwardza metal tak bardzo, że po pewnym czasie nie daje się go dalej kształtować.

▪ Temperatura pokojowa Stal jest już odlana, pocięta, walcowana na gorąco i na zimno, a nawet wytrawiona (oczyszczona w kwasie). Raz po raz była rozgrzewana do wysokich temperatur. W końcu ostygła na dobre. Z płynnej stali, czyli wytopu, powstały stosy blachy. W warsztacie zostaną one wkrótce przerobione na przewody wentylacyjne do budynków biurowych.

Jak to się dzieje, że chociaż najważniejsze urządzenia w stalowni także zrobione są ze stali, nie topią się w czasie tego procesu? Otóż wewnętrzne powierzchnie pieców, wozów surówkowych i kadzi są wyłożone ogniotrwałymi, trudno topliwymi cegłami. W konwertorze tlenowym warstwa takiego materiału ma metr grubości. Jednak z powodu wysokich temperatur te żaroodporne cegły z czasem ulegają zniszczeniu, dlatego trzeba je regularnie wymieniać.

[Diagram]

[Patrz publikacja]

1. WYTOP ŻELAZA

1400°C Węgiel → Piec koksowniczy

↓

1650°C Wapień

Ruda żelaza → WIELKI PIEC

↓

Roztopione żelazo

2. WYTOP STALI ↓

1650°C Złom

Wapno i inne topniki

Tlen

↓

KONWERTOR TLENOWY

3. CHŁODZENIE ↓

ODLEWANIE CIĄGŁE

Kęsiska kwadratowe

Kęsy

Kęsiska płaskie

4. OBRÓBKA KOŃCOWA ↓

1200°C Walcowanie stali (pręty lub sztaby)

Cynkowanie

Walcowanie na zimno

Walcowanie na gorąco

Temperatura pokojowa

[Ilustracja]

Dla porównania sylwetki ludzi

[Prawa własności do ilustracji, strona 23]

Wszystkie zdjęcia na stronach 23-25 oprócz zegarka: dzięki uprzejmości Bethlehem Steel