Tare şi în acelaşi timp moale

DATORITĂ lui, pianele scot sunete melodioase, avioanele produc bang-uri sonice, ceasurile ticăie, motoarele huruie, zgârie-norii se înalţă spre cer, iar podurile stau suspendate. Despre ce e vorba?

Despre oţel. Oţelul reprezintă elementul cel mai important al construcţiilor de dimensiuni mari. Nave uriaşe construite din oţel traversează oceanele lumii. Conductele fabricate din el aduc petrol şi gaze naturale de la sonde situate la sute de kilometri. Însă, în viaţa de zi cu zi, acest metal multifuncţional are şi mai multe utilizări. Gândiţi-vă, de exemplu, la anvelopele cu întărituri de oţel ale autobuzului cu care mergeţi la serviciu sau la cablul de oţel cu ajutorul căruia urcă şi coboară ascensorul din blocul în care locuiţi. Sau gândiţi-vă la balamalele de oţel ale ochelarilor şi la linguriţa tot de oţel cu care amestecaţi în ceaşca de cafea. Mii de lucruri pe care le folosim există datorită acestui metal rezistent, şi totuşi fragil. Cum se obţine el şi de ce este atât de util?

Carbon şi cristale

Oţelul este un aliaj, sau un amestec, obţinut din două substanţe aparent incompatibile: fierul şi carbonul. Spre deosebire de majoritatea metalelor, fierul este moale când se află în stare pură şi, astfel, nu rezistă la solicitări puternice. Carbonul este un element nemetalic. Diamantele şi funinginea sunt pur şi simplu forme diferite ale acestui element deosebit. Dar, dacă se amestecă o cantitate mică de carbon cu fier topit, se obţine o substanţă foarte diferită de carbon şi mult mai tare decât fierul.

Totuşi, la baza obţinerii oţelului stau cristalele. Ştiaţi că fierul este alcătuit din cristale *? De fapt, toate metalele solide sunt alcătuite din cristale, structura lor cristalină fiind cea care le conferă anumite caracteristici, cum ar fi prelucrabilitatea şi luciul. Dar cristalele de fier mai prezintă o caracteristică.

Cristalele de fier şi oţelul

La prepararea oţelului, fierul topit este amestecat cu alte elemente. Pe măsură ce acest amestec se solidifică, fierul dizolvă celelalte elemente, absorbindu-le, de fapt, în interiorul structurii lui cristaline. E adevărat că şi alte metale se comportă la fel, totuşi fierul are ceva deosebit.

Fierul este neobişnuit deoarece, prin încălzire, structura lui cristalină poate fi modificată când încă se află în stare solidă. Această caracteristică face posibil ca cristalele de fier să treacă de la o formă relativ închisă la o formă deschisă şi din nou la o formă închisă. Imaginaţi-vă că staţi aşezaţi în sufrageria unei case bine construite, în care pereţii se mişcă într-o parte şi în alta, iar podeaua se ridică şi se coboară. Ceva asemănător se întâmplă şi în interiorul cristalelor de fier când metalul este încălzit la temperaturi mari, fără a fi însă topit, şi apoi e răcit.

Dacă aceste schimbări au loc în prezenţa carbonului, un aliaj tare poate deveni moale, iar un aliaj moale poate deveni tare. Oţelarii profită de acest lucru şi modifică duritatea produsului lor cu ajutorul unor tratamente termice, cum ar fi călirea, revenirea şi recoacerea. * Dar asta nu e totul.

Când se adaugă alte elemente chimice, cum ar fi mangan, molibden, nichel, vanadiu, siliciu, plumb, crom, bor, wolfram sau sulf, oţelul devine nu numai tare ori moale, ci şi dur, ductil, rezistent la coroziune, prelucrabil, flexibil, magnetic, nemagnetic şi lista  poate continua. Aşa cum un brutar foloseşte diverse reţete şi modifică temperatura cuptorului pentru a pregăti diferite sortimente de pâine, tot aşa metalurgiştii folosesc diverse aliaje şi tratamente termice pentru a obţine mii de feluri de oţel, inegalabile în ce priveşte caracterul lor multifuncţional. Şinele de oţel pot susţine fără nici o problemă marfare de 12 000 de tone, iar balansierul unui ceas poate fi susţinut de un reazem extrem de mic.

Elaborarea oţelului în trecut şi în prezent

Cu secole în urmă, prelucrătorii de metale foloseau fierul pentru a-şi face unelte şi arme. Ei au descoperit că fierul topit (fierul separat din roca cu minereu) conţinea impurităţi care confereau metalului rezistenţă şi duritate. Ei au constatat şi că, prin călirea unei unelte de fier în apă, unealta respectivă devenea şi mai dură. Astăzi, cuptoarele uriaşe au luat locul vetrei fierarului, iar giganticele laminoare au luat locul ciocanului şi al nicovalei. Cu toate acestea, echipamentele moderne urmează aceleaşi operaţiuni de bază ca vânjoşii forjori din trecut. Ele execută următoarele etape: 1) topirea fierului, 2) amestecarea lui cu anumite elemente de aliere, 3) lăsarea oţelului la răcit şi 4) modelarea şi supunerea lui la anumite tratamente termice.

Remarcaţi cantităţile menţionate în chenarul alăturat. Deşi cifrele sunt impresionante, un laminor poate devora întreaga cantitate într-o singură zi. Oţelăria acoperă o suprafaţă foarte mare, aici fiind depozitaţi adevăraţi munţi de minereuri care îi potolesc imensa foame.

Un metal extraordinar, care ia nenumărate forme

Utilitatea oţelului se observă cu claritate în multe locuri neobişnuite, cum ar fi sub capacul unui pian de concert. Corzile lui, confecţionate din unul dintre cele mai tari oţeluri, produc sunete sublime. Oţelul mangan Hadfield este folosit la construirea uriaşelor concasoare de piatră. Cu cât oţelul este mai solicitat prin sfărâmarea bolovanilor, cu atât devine mai dur. Din oţelul inoxidabil se obţin bisturie chirurgicale, butoaie de vin şi maşini de îngheţată. Dacă am vrea să numărăm utilizările oţelului, ar fi ca şi cum am număra firele de păr din cap.

În întreaga lume se produc anual aproximativ 800 000 000 de tone de oţel. Însă nici măcar un gram de oţel nu s-ar obţine dacă nu ar exista fierul, unul dintre elementele chimice care se găsesc din belşug. Întrucât cărbunele şi calcarul se găsesc şi ele din abundenţă, se pare că oţelul va putea fi obţinut mult timp de-acum încolo.

Aşadar, data viitoare când veţi coase cu un ac de metal sau veţi arunca în apă cârligul unei undiţe cu ajutorul mulinetei, când veţi folosi o cheie franceză sau veţi deschide poarta unui gard făcut din zăbrele, când veţi călători cu un automobil ori veţi trage brazde la câmp, gândiţi-vă la extraordinara combinaţie dintre fier şi carbon, datorită căreia sunt posibile toate aceste lucruri.

[Note de subsol]

[Chenarul de la pagina 23]

Materialele necesare pentru obţinerea a 10 000 de tone de oţel

6 500 de tone de cărbune

13 000 de tone de minereu

2 000 de tone de calcar

2 500 de tone de deşeuri de oţel

1,5 miliarde de litri de apă

900 000 de metri cubi de aer

 [Chenarul/Fotografiile de la paginile 24, 25]

Cum se obţine oţelul

Unele detalii au fost omise pentru o mai mare claritate

Pentru producerea oţelului e nevoie de temperaturi înalte. Folosind un termometru drept indicator, vă invităm să urmărim împreună drumul spre produsul finit, oţelul.

▪ 1 400°C. Cărbunele este ars în nişte cuptoare uriaşe cu camere etanşe, unde substanţele nedorite sunt vaporizate, fără ca acesta să se consume. Bulgării negricioşi ce rezultă se numesc cocs. Ei asigură căldura şi carbonul de care e nevoie în următoarele faze ale procesului.

▪ 1 650°C. Cocsul, minereul de fier şi calcarul sunt introduse într-un cuptor. Aici, datorită temperaturii foarte ridicate produse de o flacără puternică şi de aerul supraîncălzit, cocsul arde, iar substanţele nedorite din minereu se combină cu calcarul, formând un produs secundar numit zgură. Materialele devin lichide şi se depun la baza cuptorului. Zgura, care pluteşte deasupra fierului, este scoasă şi încărcată într-un container pentru a fi aruncată. Fierul lichid curge în nişte vagonete de turnare, cu ajutorul cărora încărcătura fierbinte este transportată spre un alt cuptor.

▪ 1 650°C. O cantitate de 90 de tone de fier vechi sortat cu atenţie este aruncată într-un recipient în formă de pară, înalt de 9 metri, numit convertizor cu oxigen. Cu  o lingură uriaşă, peste fierul vechi se toarnă fier lichid incandescent, dând naştere unei explozii de scântei în timp ce în recipient este coborâtă o ţeavă răcită cu apă, numită lance. Din lance iese cu zgomot asurzitor un jet de oxigen tehnic pur, care imediat face ca metalul să fiarbă ca o supă pe o plită înfierbântată. În tot acest timp au loc reacţii chimice. În mai puţin de o oră, convertizorul îşi încheie operaţiunea, iar cele 300 de tone de oţel lichid obţinute, cantitate numită şarjă, curg în oala de turnare. Apoi se adaugă anumite elemente de aliere. Şuvoiul incandescent se scurge în nişte standuri de turnare, iar oţelul începe să prindă formă.

▪ 1 200°C. Oţelul incandescent este comprimat din ce în ce mai mult între nişte role, până la obţinerea densităţii dorite. Această operaţiune conferă duritate metalului, permiţându-i să reziste fasonărilor ulterioare.

▪ Temperatura ambiantă. Oţelul este luat, tăiat, laminat la cald, laminat la rece şi chiar decapat (curăţat într-o baie de acid). Apoi este încălzit de mai multe ori. În final, temperatura indicată de termometru începe să scadă constant. Oţelul lichid, sau fierbinte, e tras în foi, după care este dus la o fabrică de prelucrare a metalelor, unde e transformat într-o reţea de conducte pentru un complex de birouri.

Având în vedere că majoritatea cuptoarelor de elaborare a oţelului sunt construite tot din oţel, cum se face că acestea nu se topesc în timpul funcţionării? Suprafeţele interioare ale cuptoarelor, ale vagonetelor de turnare şi ale lingurilor sunt căptuşite cu cărămizi refractare, rezistente la căldură. Convertizorul cu oxigen este căptuşit cu un strat de cărămidă refractară gros de un metru. Totuşi, aceste cărămizi sunt şi ele afectate de căldura extraordinar de mare, motiv pentru care trebuie înlocuite cu regularitate.

[Diagrama]

(Pentru modul în care textul apare în pagină, vezi publicaţia)

1. ELABORAREA FIERULUI

1 400°C Cărbune → Cuptoare de cocs

↓

1 650°C Calcar

Minereu de fier → CUPTOR

↓

Fier topit

2. ELABORAREA OŢELULUI ↓

1 650°C Fier vechi

Var şi fondant

Oxigen

↓

CONVERTIZOR CU OXIGEN

3. RĂCIREA ↓

TURNARE CONTINUĂ

Blumuri

Ţagle

Brame

4. NETEZIREA ↓

1 200°C Laminarea oţelului (bare sau grinzi profilate)

Galvanizare

Laminare la rece

Laminare la cald

Temperatura ambiantă

[Legenda fotografiei]

Remarcaţi mărimea oamenilor

[Provenienţa fotografiilor de la paginile 23–25]

Toate fotografiile de la paginile 23–25, cu excepţia ceasului: prin amabilitatea Bethlehem Steel