Тако тврд, а тако мекан

ЗАХВАЉУЈУЋИ њему клавир свира, млазњаци пробијају звучни зид, сатови куцају, мотори зује, небодери сежу до неба и висећи мостови и даље висе. Шта је то?

То је челик. Челик је главни део многих ствари. Колосални бродови направљени од њега крстаре преко седам мора. Цевоводима направљеним од њега нафта и гас путују хиљадама километара од удаљених извора. Али овај многострани материјал је далеко више умешан у наш свакодневни живот. Размислите, рецимо, о челиком ојачаним гумама на аутобусу којим идете на посао или о челичној сајли којом се подиже и спушта лифт у вашој згради. Шта рећи о челичној шарки на вашим наочарама или о челичној кашичици којом мешате чај у шољи? Овај издржљив, а ипак фин метал налази примену на хиљаде начина. Како се прави, и због чега се може тако добро употребити?

Угљеник и кристали

Челик је легура, то јест мешавина два лоша „сарадника“ — гвожђа и угљеника. Чисто гвожђе је у поређењу с другим металима меко, и стога се не може употребити за грубе ствари. Угљеник није метал. Дијамант и чађ су једноставно различити облици овог нарочитог елемента. Али ако се мала количина угљеника помеша са отопљеним гвожђем, добија се материјал који је сасвим другачији од угљеника и далеко јачи од гвожђа.

Кључ у прављењу челика јесте нешто што се зове кристал. Да ли сте знали да се челик састоји од кристала? a У ствари, сви чврсти метали су састављени од кристала, и управо им та кристална структура омогућује обрадивост и даје сјај и друге особине. Али кристали челика имају још једну одлику.

Како кристали гвожђа утичу на челик

Када се прави челик, отопљено гвожђе се меша с другим елементима. Док се та мешавина стврдњава, гвожђе постепено раствара друге материјале, и заправо их апсорбује у себе и задржава у својим кристалним решеткама. Други метали се понашају на исти начин. Шта је онда то што гвожђе чини посебним?

Гвожђе је посебно због тога што се његове кристалне решетке могу мењати загревањем док је оно још увек у чврстом стању. Због ове особине, могуће је да се кристали гвожђа промене из релативно затвореног облика у отворенији облик, и да се потом поново врате у затворени облик. Замислите неку добро изграђену кућу у којој се зидови померају лево-десно а под горе-доле док ви седите у дневној соби. Тако нешто се дешава и унутар кристала гвожђа када се овај метал загреје до неке високе температуре испод тачке топљења и потом се охлади.

Ако је приликом те промене присутан угљеник, тврда легура може постати мека или мека може постати тврда. Произвођачи челика то користе и мењају тврдоћу свог производа термичким обрадама као што су гашење, каљење и жарење. b Али то није све.

Када се убаце други елементи — као што су манган, молибден, никл, ванадијум, силицијум, олово, хром, бор, волфрам или сумпор — челик не постаје само тврд или мек, већ и чврст, жилав, истегљив, отпоран на корозију,  лако обрадив, еластичан, магнетичан, немагнетичан и тако даље, и тако даље. Као што пекар прилагођава састојке смесе и температуру пећи да би направио различите врсте хлеба, тако и произвођачи метала мењају легуре и термичке обраде како би направили хиљаде различитих врста челика које су ненадмашно разноврсне. Челичне шине могу безбедно поднети теретне возове тешке 12 000 тона, а ипак челично лежиште величине главе чиоде пружа ослонац за замајац на ручном сату.

Израда челика — некад и сад

Вековима раније, металци су правили алате и оружје од гвожђа. Они су открили да истопљено гвожђе (гвожђе издвојено из минералног камења званог руда) има нечистоће које дају металу чврстоћу и тврдоћу. Такође су научили да када се ужарени гвоздени алат хлади у води, он постаје још тврђи. Данас је ковачево огњиште замењено огромним пећима, а његов чекић и наковањ гигантским ваљаоницама. Али савремени металци следе исте основне кораке којих су се држали древни мишићави ковачи. Они (1) топе гвожђе, (2) додају легирајуће материјале, (3) хладе челик и (4) обликују га и термички обрађују.

Запазите количине наведене у пропратном оквиру. Иако су импресивне, једна ваљаоница може све то прерадити у једном једином дану. Та фабрика заузима огромну површину, на којој леже планине минерала који су неопходни за њен невероватан апетит.

Величанствени метал у различитим облицима

Колико широку примену налази челик показују многа неуобичајена места. Наћи ћете га испод поклопца неког величанственог клавира. Жице у клавиру прављене од скоро најјаче врсте челика производе предиван звук. Хетфилдов челик се користи за прављење огромних дробилица камења, и што се стење више дроби, то челик постаје тврђи. Од нерђајућег челика се праве хируршки скалпели, винске каце и апарати за сладолед. Као што не можете избројати власи на глави, тако не можете избројати ни где се све челик користи.

У свету се годишње произведе скоро 800 000 000 тона челика. Ниједан килограм челика не би могао постојати без гвожђа, које је једно од најзаступљенијих елемената на планети. Пошто угља и кречњака такође има пуно, то значи да ће челика бити још дуго у будућности.

Зато када следећи пут будете шили металном иглом или забацили удицу помоћу штапа и машинице, или када следећи пут будете користили клешта или отварали капију на жичаној огради, или када следећи пут будете путовали аутом или орали бразде на њиви, помислите на изванредну мешавину гвожђа и угљеника која вам омогућава да то радите.

[Фусноте]

[Оквир на 23. страни]

Шта је потребно за 10 000 тона челика

6 500 тона угља

13 000 тона руде

2 000 тона кречњака

2 500 тона старог гвожђа

1 500 000 000 литара воде

80 000 тона ваздуха

 [Оквир⁄Слике на странама 24, 25]

КАКО СЕ ПРАВИ ЧЕЛИК

Неки детаљи су испуштени ради визуелне једноставности

За прављење челика потребне су високе температуре. С термометром као путоказом, следимо пут који води до готовог челика.

◼ 1400°C. У великим пећима се загрева угаљ у херметички затвореним коморама, тако да непожељне материје испаравају без сагоревања угља. Производ тога су гарави грумени звани кокс, који дају топлоту и угљеник потребне за даљњи процес.

◼ 1650°C. Кокс, руда гвожђа и кречњак убацују се у високу пећ и наилазе на пламен и изузетно врео ваздух. Кокс се запали, те се у тој врелини нежељене материје из руде мешају с кречњаком и формирају нуспроизвод звани згура. Све то се топи и таложи на дно пећи. Згура која плива по површини одстрањује се у једну посуду да би се бацила. Течно гвожђе тече у вагоне у облику боце који возе свој ужарени товар до следеће станице.

◼ 1650°C. Деведесет тона пажљиво сортираног старог гвожђа убацује се у 9 метара високи крушколики суд познат као базична кисеоничка пећ. Једна велика кутлача сипа  течно гвожђе преко старог гвожђа, што доводи до варничења док се у посуду спушта водом хлађена цев звана копље. Из ње шикља чист кисеоник под притиском, услед чега метал убрзо кључа попут супе на усијаној рингли. Долази до хемијских реакција. За мање од сат времена, пећ је завршила свој посао, и 300 тона течног челика, званог лив, излива се у транспортне вагоне. Додају се легуре. Ужарена течност тече у машине за ливење. Челик почиње да поприма свој облик.

◼ 1200°C. Ужарени челик црвене боје се пресује све више и више између ваљака све док се не постигне жељена дебљина. Због овог ригорозног процеса, метал постаје чврст, толико чврст да се више не може обликовати.

◼ Собна температура. Челик се излива, сече, пролази између усијаних ваљака, између хладних ваљака и чак се пере (чисти у киселини). Више пута се загрева и хлади. На крају се термометар дефинитивно хлади. Од течног челика, то јест лива, настаје лим. Ускоро се у погону обликује у кабловску цев за једну пословну зграду.

Пошто су главни делови челичане направљени од истог материјала, зашто се они не истопе док се обавља овај посао? Унутрашњост пећи, вагона и кутлача обложена је опекама од ватросталног материјала, то јест од материјала отпорног на топлоту. Тај слој од једног метра дебљине штити базичну кисеоничку пећ. Али те опеке такође страдају од огромне врелине и морају се редовно мењати.

[Дијаграм]

(За комплетан текст, види публикацију)

1. ПРАВЉЕЊЕ ГВОЖЂА

1400°C Угаљ → Пећи за прављење кокса

↓

1650°C Гвоздена руда → ВИСОКА

Кречњак и ток → ПЕЋ

↓

Изливено гвожђе

2. ПРАВЉЕЊЕ ЧЕЛИКА ↓

1650°C Старо гвожђе → БАЗИЧНА

Креч и флуксно средство → КИСЕОНИЧКА

Кисеоник → ПЕЋ

3. ХЛАЂЕЊЕ ↓

НЕПРЕКИДНО ЛИВЕЊЕ

Греде

Шипке

Плоче

4. ЗАВРШНА ОБРАДА ↓

1200°C Ваљање челика (шипки или греда)

Галванизација

Хладно ваљање

Врело ваљање

Собна температура

[Слика]

Запазите колики су људи

[Извор слике на 23. страни]

Све фотографије на странама 23-5 изузев часовника: Courtesy of Bethlehem Steel