Tako tvrd, a tako mekan

ZAHVALJUJUĆI njemu klavir svira, mlaznjaci probijaju zvučni zid, satovi kucaju, motori zuje, neboderi sežu do neba i viseći mostovi i dalje vise. Šta je to?

To je čelik. Čelik je glavni deo mnogih stvari. Kolosalni brodovi napravljeni od njega krstare preko sedam mora. Cevovodima napravljenim od njega nafta i gas putuju hiljadama kilometara od udaljenih izvora. Ali ovaj mnogostrani materijal je daleko više umešan u naš svakodnevni život. Razmislite, recimo, o čelikom ojačanim gumama na autobusu kojim idete na posao ili o čeličnoj sajli kojom se podiže i spušta lift u vašoj zgradi. Šta reći o čeličnoj šarki na vašim naočarama ili o čeličnoj kašičici kojom mešate čaj u šolji? Ovaj izdržljiv, a ipak fin metal nalazi primenu na hiljade načina. Kako se pravi, i zbog čega se može tako dobro upotrebiti?

Ugljenik i kristali

Čelik je legura, to jest mešavina dva loša „saradnika“ — gvožđa i ugljenika. Čisto gvožđe je u poređenju s drugim metalima meko, i stoga se ne može upotrebiti za grube stvari. Ugljenik nije metal. Dijamant i čađ su jednostavno različiti oblici ovog naročitog elementa. Ali ako se mala količina ugljenika pomeša sa otopljenim gvožđem, dobija se materijal koji je sasvim drugačiji od ugljenika i daleko jači od gvožđa.

Ključ u pravljenju čelika jeste nešto što se zove kristal. Da li ste znali da se čelik sastoji od kristala? a U stvari, svi čvrsti metali su sastavljeni od kristala, i upravo im ta kristalna struktura omogućuje obradivost i daje sjaj i druge osobine. Ali kristali čelika imaju još jednu odliku.

Kako kristali gvožđa utiču na čelik

Kada se pravi čelik, otopljeno gvožđe se meša s drugim elementima. Dok se ta mešavina stvrdnjava, gvožđe postepeno rastvara druge materijale, i zapravo ih apsorbuje u sebe i zadržava u svojim kristalnim rešetkama. Drugi metali se ponašaju na isti način. Šta je onda to što gvožđe čini posebnim?

Gvožđe je posebno zbog toga što se njegove kristalne rešetke mogu menjati zagrevanjem dok je ono još uvek u čvrstom stanju. Zbog ove osobine, moguće je da se kristali gvožđa promene iz relativno zatvorenog oblika u otvoreniji oblik, i da se potom ponovo vrate u zatvoreni oblik. Zamislite neku dobro izgrađenu kuću u kojoj se zidovi pomeraju levo-desno a pod gore-dole dok vi sedite u dnevnoj sobi. Tako nešto se dešava i unutar kristala gvožđa kada se ovaj metal zagreje do neke visoke temperature ispod tačke topljenja i potom se ohladi.

Ako je prilikom te promene prisutan ugljenik, tvrda legura može postati meka ili meka može postati tvrda. Proizvođači čelika to koriste i menjaju tvrdoću svog proizvoda termičkim obradama kao što su gašenje, kaljenje i žarenje. b Ali to nije sve.

Kada se ubace drugi elementi — kao što su mangan, molibden, nikl, vanadijum, silicijum, olovo, hrom, bor, volfram ili sumpor — čelik ne postaje samo tvrd ili mek, već i čvrst, žilav, istegljiv, otporan na koroziju,  lako obradiv, elastičan, magnetičan, nemagnetičan i tako dalje, i tako dalje. Kao što pekar prilagođava sastojke smese i temperaturu peći da bi napravio različite vrste hleba, tako i proizvođači metala menjaju legure i termičke obrade kako bi napravili hiljade različitih vrsta čelika koje su nenadmašno raznovrsne. Čelične šine mogu bezbedno podneti teretne vozove teške 12 000 tona, a ipak čelično ležište veličine glave čiode pruža oslonac za zamajac na ručnom satu.

Izrada čelika — nekad i sad

Vekovima ranije, metalci su pravili alate i oružje od gvožđa. Oni su otkrili da istopljeno gvožđe (gvožđe izdvojeno iz mineralnog kamenja zvanog ruda) ima nečistoće koje daju metalu čvrstoću i tvrdoću. Takođe su naučili da kada se užareni gvozdeni alat hladi u vodi, on postaje još tvrđi. Danas je kovačevo ognjište zamenjeno ogromnim pećima, a njegov čekić i nakovanj gigantskim valjaonicama. Ali savremeni metalci slede iste osnovne korake kojih su se držali drevni mišićavi kovači. Oni (1) tope gvožđe, (2) dodaju legirajuće materijale, (3) hlade čelik i (4) oblikuju ga i termički obrađuju.

Zapazite količine navedene u propratnom okviru. Iako su impresivne, jedna valjaonica može sve to preraditi u jednom jedinom danu. Ta fabrika zauzima ogromnu površinu, na kojoj leže planine minerala koji su neophodni za njen neverovatan apetit.

Veličanstveni metal u različitim oblicima

Koliko široku primenu nalazi čelik pokazuju mnoga neuobičajena mesta. Naći ćete ga ispod poklopca nekog veličanstvenog klavira. Žice u klaviru pravljene od skoro najjače vrste čelika proizvode predivan zvuk. Hetfildov čelik se koristi za pravljenje ogromnih drobilica kamenja, i što se stenje više drobi, to čelik postaje tvrđi. Od nerđajućeg čelika se prave hirurški skalpeli, vinske kace i aparati za sladoled. Kao što ne možete izbrojati vlasi na glavi, tako ne možete izbrojati ni gde se sve čelik koristi.

U svetu se godišnje proizvede skoro 800 000 000 tona čelika. Nijedan kilogram čelika ne bi mogao postojati bez gvožđa, koje je jedno od najzastupljenijih elemenata na planeti. Pošto uglja i krečnjaka takođe ima puno, to znači da će čelika biti još dugo u budućnosti.

Zato kada sledeći put budete šili metalnom iglom ili zabacili udicu pomoću štapa i mašinice, ili kada sledeći put budete koristili klešta ili otvarali kapiju na žičanoj ogradi, ili kada sledeći put budete putovali autom ili orali brazde na njivi, pomislite na izvanrednu mešavinu gvožđa i ugljenika koja vam omogućava da to radite.

[Fusnote]

[Okvir na 23. strani]

Šta je potrebno za 10 000 tona čelika

6 500 tona uglja

13 000 tona rude

2 000 tona krečnjaka

2 500 tona starog gvožđa

1 500 000 000 litara vode

80 000 tona vazduha

 [Okvir/Slike na stranama 24, 25]

KAKO SE PRAVI ČELIK

Neki detalji su ispušteni radi vizuelne jednostavnosti

Za pravljenje čelika potrebne su visoke temperature. S termometrom kao putokazom, sledimo put koji vodi do gotovog čelika.

◼ 1400°C. U velikim pećima se zagreva ugalj u hermetički zatvorenim komorama, tako da nepoželjne materije isparavaju bez sagorevanja uglja. Proizvod toga su garavi grumeni zvani koks, koji daju toplotu i ugljenik potrebne za daljnji proces.

◼ 1650°C. Koks, ruda gvožđa i krečnjak ubacuju se u visoku peć i nailaze na plamen i izuzetno vreo vazduh. Koks se zapali, te se u toj vrelini neželjene materije iz rude mešaju s krečnjakom i formiraju nusproizvod zvani zgura. Sve to se topi i taloži na dno peći. Zgura koja pliva po površini odstranjuje se u jednu posudu da bi se bacila. Tečno gvožđe teče u vagone u obliku boce koji voze svoj užareni tovar do sledeće stanice.

◼ 1650°C. Devedeset tona pažljivo sortiranog starog gvožđa ubacuje se u 9 metara visoki kruškoliki sud poznat kao bazična kiseonička peć. Jedna velika kutlača sipa  tečno gvožđe preko starog gvožđa, što dovodi do varničenja dok se u posudu spušta vodom hlađena cev zvana koplje. Iz nje šiklja čist kiseonik pod pritiskom, usled čega metal ubrzo ključa poput supe na usijanoj ringli. Dolazi do hemijskih reakcija. Za manje od sat vremena, peć je završila svoj posao, i 300 tona tečnog čelika, zvanog liv, izliva se u transportne vagone. Dodaju se legure. Užarena tečnost teče u mašine za livenje. Čelik počinje da poprima svoj oblik.

◼ 1200°C. Užareni čelik crvene boje se presuje sve više i više između valjaka sve dok se ne postigne željena debljina. Zbog ovog rigoroznog procesa, metal postaje čvrst, toliko čvrst da se više ne može oblikovati.

◼ Sobna temperatura. Čelik se izliva, seče, prolazi između usijanih valjaka, između hladnih valjaka i čak se pere (čisti u kiselini). Više puta se zagreva i hladi. Na kraju se termometar definitivno hladi. Od tečnog čelika, to jest liva, nastaje lim. Uskoro se u pogonu oblikuje u kablovsku cev za jednu poslovnu zgradu.

Pošto su glavni delovi čeličane napravljeni od istog materijala, zašto se oni ne istope dok se obavlja ovaj posao? Unutrašnjost peći, vagona i kutlača obložena je opekama od vatrostalnog materijala, to jest od materijala otpornog na toplotu. Taj sloj od jednog metra debljine štiti bazičnu kiseoničku peć. Ali te opeke takođe stradaju od ogromne vreline i moraju se redovno menjati.

[Dijagram]

(Za kompletan tekst, vidi publikaciju)

1. PRAVLJENJE GVOŽĐA

1400°C Ugalj → Peći za pravljenje koksa

↓

1650°C Gvozdena ruda → VISOKA

Krečnjak i tok → PEĆ

↓

Izliveno gvožđe

2. PRAVLJENJE ČELIKA ↓

1650°C Staro gvožđe → BAZIČNA

Kreč i fluksno sredstvo → KISEONIČKA

Kiseonik → PEĆ

3. HLAĐENJE ↓

NEPREKIDNO LIVENJE

Grede

Šipke

Ploče

4. ZAVRŠNA OBRADA ↓

1200°C Valjanje čelika (šipki ili greda)

Galvanizacija

Hladno valjanje

Vrelo valjanje

Sobna temperatura

[Slika]

Zapazite koliki su ljudi

[Izvor slike na 23. strani]

Sve fotografije na stranama 23-5 izuzev časovnika: Courtesy of Bethlehem Steel