Grovarbetare men också finmekaniker

MED dess hjälp kan musik frambringas ur pianon och ljudbangar åstadkommas av jetflygplan. Ja, vad är det som gör att klockor kan ticka, motorer brumma, skyskrapor sträcka sig mot skyn och hängbroar hänga kvar?

Det är stål. Stål är hjärtat i stora konstruktioner. Jättelika fartyg som är tillverkade av det seglar på de sju haven. Rörledningar tillverkade av det transporterar olja och gas hundratals kilometer. Men det här mångsidiga materialet förekommer i många andra sammanhang. Det finns exempelvis stål i däcken på bussen du tar till arbetet, och linan som lyfter hissen i hyreshuset där du bor är tillverkad av stål. Detsamma gäller för de små gångjärnen i glasögon och skeden som du rör om med i tekoppen. Det finns tusentals användningsområden för den här hållbara men förhållandevis mjuka metallen. Hur tillverkas stål, och vad är det som gör det så användbart?

Kol och kristaller

Stål är en legering, eller blandning, av två till synes oförenliga ämnen – järn och kol. Rent järn är mjukt i jämförelse med de flesta metaller och är därför inte lämpat för krävande användningsområden. Kol är ett icke-metalliskt grundämne, och diamanter och sot är två olika former av det. Men om en liten mängd kol blandas med smält järn, blir resultatet ett material som skiljer sig avsevärt från kol och är mycket starkare än järn.

Visste du att hemligheten med stål har att göra med kristaller? * I själva verket utgörs alla metaller i fast form av kristaller, och det är detta som gör dem formbara och ger dem lyster och andra egenskaper. Men järnkristaller har en särskild egenskap.

Kristaller och stålframställning

Vid stålframställning blandas smält järn med andra grundämnen. När blandningen har stelnat, har järnet löst upp dessa legeringsämnen, absorberat dem och bundit dem i sina kristallstrukturer. Andra metaller uppträder på samma sätt. Vad är det då som är så speciellt med järn?

Jo, järnets kristallstruktur kan förändras med hjälp av värme medan järnet är i fast form. Den här egenskapen gör att järnkristaller kan ändras från att ha en relativt sluten form till att ha en mer öppen form och sedan ändras tillbaka igen. Föreställ dig ett hus där väggarna rör sig i sidled och golvet rör sig uppåt och neråt medan du sitter i vardagsrummet. Något liknande händer inuti järnkristaller när metallen blir mycket upphettad utan att smälta och sedan kyls av.

Om kol är närvarande när de här förändringarna sker, kan en hård legering bli mjuk och en mjuk legering bli hård. Ståltillverkare drar nytta av den här faktorn och justerar stålets hårdhet med olika former av värmebehandling, till exempel härdning, anlöpning och glödgning. * Men det här är inte allt.

När andra grundämnen tillförs, till exempel mangan, molybden, nickel, vanadin, kisel, bly, krom, bor, volfram eller svavel, blir stålet inte bara hårt eller mjukt, utan även starkt, segt,  tänjbart, korrosionsbeständigt, formbart, magnetiskt eller icke-magnetiskt, ja listan kan göras nästan hur lång som helst. Precis som bagare kan använda olika ingredienser och ugnstemperaturer när de bakar olika sorters bröd, kan ståltillverkare variera de legeringar och värmebehandlingar de använder för att skapa tusentals olika stålsorter som är oöverträffade i mångsidighet. Räls av stål kan tryggt bära godståg på 12 000 ton, och det lilla lager som en klockas balanshjul är upphängt i är också av stål.

Stålframställning förr och nu

För flera hundra år sedan tillverkade smeder redskap och vapen av järn. De upptäckte att järn som framställts ur malm hade föroreningar som gav metallen styrka och hårdhet. De fann också att järnverktyg kunde göras ännu hårdare om de kyldes med vatten när de var nysmidda. I vår tid har stora ugnar ersatt smedens ässja, och enorma valsverk har ersatt hans hammare och städ. Men dagens ståltillverkare använder samma grundläggande metod som de muskulösa smederna förr i tiden. De 1) smälter järn, 2) tillför legeringsämnen, 3) låter stålet svalna och 4) formar och värmebehandlar det.

I rutan här bredvid kan man se hur mycket material som behövs. Ett stålverk kan sluka allt det här på en enda dag. Kring en sådan imponerande anläggning finns väldiga högar av de mineraler som väntar på att få tillfredsställa dess glupande aptit.

En fantastisk metall som antar många former

Just hur användbart stål är visar sig på många sätt. Under locket på en flygel finns det stål. Stålet som används i strängarna är ett av de starkaste som tillverkas, och med dessa strängar kan man frambringa vacker musik. Hadfield-stål används för att tillverka stora stenkrossar, och ju mer sten de krossar, desto hårdare blir stålet. Av rostfritt stål kan man tillverka skalpeller, vinfat och glassmaskiner. Ja, stålets användningsområden är fler än man kan räkna.

Varje år framställs nästan 800 000 000 ton stål i hela världen. Inte ett enda gram av det skulle finnas till om det inte vore för grundämnet järn, som råkar vara ett av de vanligaste ämnena på jorden. Eftersom det också finns gott om kol och kalksten, verkar det som om stål kommer att kunna tillverkas långt in i framtiden.

Så nästa gång du använder en nål för att sy eller får en fisk på kroken, eller nästa gång du använder en skiftnyckel eller öppnar en ståldörr, eller nästa gång du plöjer en åker eller tar en tur med bilen, tänk då på den fantastiska blandning av järn och kol som gör det hela möjligt.

[Fotnoter]

[Ruta på sidan 23]

Det material som behövs för att framställa 10 000 ton stål

6 500 ton kol

13 000 ton malm

2 000 ton kalksten

2 500 ton stålskrot

1 500 000 000 liter vatten

80 000 ton luft

 [Ruta/Bilder på sidorna 24, 25]

Hur man tillverkar stål

En del detaljer har tagits bort för att förtydliga bilden

Stålframställning kräver värme. En termometer är vår vägvisare när vi följer vägen till färdigt stål.

▪ 1 400°C. Kol hettas upp i lufttäta kamrar i stora ugnar, varvid oönskade ämnen förångas. De sotiga bitar som blir resultatet kallas koks. Koksen ger den värme och det kol som behövs senare i processen.

▪ 1 650°C. Koks, järnmalm och kalksten släpps ner i en masugn och möts av eld och överhettad luft. Koksen fattar eld, och i den våldsamma hettan förenas oönskade material i malmen med kalkstenen, vilket skapar en biprodukt som kallas slagg. Materialen smälter och lägger sig på botten av ugnen. Slaggen, som flyter ovanpå järnet, tappas i en behållare och förs bort. Det flytande järnet rinner ner i en hjulförsedd behållare, en så kallad skänk, som för med sig sin mycket heta last till nästa anhalt.

▪ 1 650°C. Nittio ton noggrant sorterat skrot tippas i ett 9 meter högt päronformat kärl som kallas konverter. Från en stor skänk  hälls flytande järn på metallskrotet, vilket skapar ett gnistregn, medan ett vattenkylt rör som kallas lans sänks ner i kärlet. Från lansen sprutar en stråle av rent syre med överljudsfart, och snart kokar metallen som soppa på en het spis. Kemiska reaktioner äger rum, och på mindre än en timme har ugnen utfört sitt arbete. Den här 300 ton tunga satsen av flytande stål, som kallas smälta, rinner ner i transportskänkar. Legeringsämnen tillförs, och smältan strömmar in i gjutformar. Stålet börjar nu ta form.

▪ 1 200°C. Rödglödgat stål pressas allt hårdare mellan valsar ända tills man får önskad tjocklek. Den här stränga behandlingen gör metallen hård – så hård att den inte går att forma längre.

▪ Rumstemperatur. Stålet har nu gjutits, kapats, varmvalsats, kallvalsats och även betats (renats i ett syrabad). Dessutom har det hettats upp ett flertal gånger. Slutligen sjunker temperaturen för gott. Det flytande stålet, eller smältan, har blivit till staplar av stålplåt. Till slut formar ett plåtslageri stålplåten till ledningsrör som kommer att användas i en kontorsbyggnad.

Men mycket i ett stålverk är tillverkat av stål, så varför smälter inte det under processen? Det beror på att insidan av ugnar, skänkar och skopor är klädd med eldfast tegel. Ett metertjockt lager av tegel skyddar konvertern. Men även tegelstenarna påverkas av den enorma hettan och måste bytas ut regelbundet.

[Diagram]

(För formaterad text, se publikationen)

1. JÄRNFRAMSTÄLLNING

1 400°C Kol → Koksugnar

1 650°C Kalksten

Järnmalm → MASUGN

↓

Smält järn

2. STÅLFRAMSTÄLLNING ↓

1 650°C Skrot

Kalk och flussmedel

Syrgas

↓

KONVERTER

3. SVALNING ↓

STRÄNGGJUTNING

Balkämnen

Trådämnen

Plåtämnen

4. SLUTBEHANDLING ↓

1 200°C Stålvalsning (stänger eller balkar)

Galvanisering

Kallvalsning

Varmvalsning

Rumstemperatur

[Bild]

Lägg märke till storleken på människorna

[Bildkälla på sidan 23]

Alla bilder på sidorna 23–25, förutom klockan: Genom tillmötesgående från Bethlehem Steel