Tugev, kuid samas pehme

SELLE abil tekitavad klaverid helisid, reaktiivlennukid helilööke, kellad tiksuvad, mootorid mürisevad, pilvelõhkujad sirutuvad taevasse ja rippsillad ripuvad. Mis see on?

See on teras. Terasel on suurte ehitiste juures keskne roll. Sellest valmistatud võimsad laevad sõidavad kõikidel maailma meredel. Terasest nafta- ja gaasijuhtmed transpordivad neid aineid sügavatest puuraukudest sadade kilomeetrite kaugusele. Ent see mitmekülgne materjal on veelgi tihedamalt seotud meie igapäevase eluga. Mõelgem kas või autobussi terasvööga rehvide või lifti terastrosside peale, mis veavad seda korrusmajades üles-alla, või näiteks prilliraamide terashingede ning teraslusika peale, millega teed segatakse. Sellel vastupidaval, kuid plastsel materjalil on tuhandeid kasutusvaldkondi. Kuidas seda valmistatakse ja mis teeb selle nii kasulikuks?

Süsinik ja kristallid

Teras on raua ja süsiniku, kahe pealtnäha kokkusobimatu materjali sulam. Puhas raud on teiste metallidega võrreldes pehme ning pole seetõttu eriti vastupidav. Süsinik on mittemetall. Teemant ja korstnatahm on vaid selle iseäraliku elemendi teisendid. Kui aga väike kogus süsinikku segada sularauaga, on tulemuseks süsinikust hoopis teistsugune materjal, mis on tunduvalt tugevam kui raud.

Terasevalmistamise võtmeks on kristallid. Kas teadsid, et raud on kristalliline element? * Tegelikult on kõik tahked metallid kristallilised ja see teebki need nii hästi töödeldavateks, annab neile läike ja muud omadused. Rauakristallidel on aga veel üks erijoon.

Rauakristallide mõju terasele

Terase valmistamisel segatakse sularauda teisi elemente. Sulami tahkestumisel lahustab raud teised materjalid, imades need endasse ja hoides neid oma kristallilistes struktuurides. Teised metallid toimivad samuti. Mis on siis rauas nii erilist?

Raud on tavatu seetõttu, et selle kristallilist struktuuri saab muuta kuumusega, kui metall on ise tahkes olekus. See omadus laseb rauakristallide suhteliselt suletud vormil muutuda avatumaks ja seejärel tagasi suletuks. Kujutle end istumas ühe hästi ehitatud maja elutoas, mille seinad liiguvad külgsuunas ja põrand üles-alla. Midagi sarnast juhtub rauakristallides, kui rauda kuumutatakse kõrgel temperatuuril ilma seda sulatamata ning seejärel jälle maha jahutatakse.

Kui nende muutuste juures osaleb süsinik, muutub kõva sulam pehmeks ja vastupidi. Terasevalmistajad kasutavad seda omadust ära ja reguleerivad oma toote kõvadust selliste termotöötlusmeetodite abil nagu karastamine, noolutamine ja lõõmutamine. * See pole aga kõik.

Kui lisada teisi elemente – nagu mangaan, molübdeen, nikkel, vanaadium, räni, plii, kroom, boor, volfram või väävel –, ei muutu teras mitte lihtsalt kõvaks või pehmeks, vaid tugevaks, sitkeks, vormitavaks, korrosioonikindlaks, hästi töödeldavaks, plastseks, magnetiliseks, mittemagnetiliseks, ning neid omadusi võiks üha edasi loetleda. Nii nagu pagar jälgib  täpselt toiduainete osakaalu ja ahju temperatuuri eri leivatoodete valmistamisel, nii varieeruvad metallitootjate sulamid ja termotöötlusviisid, et valmistada tuhandeid terasesorte, mis oma mitmekesisuselt on omavahel võrreldamatud. Terasest raudteerööpad kannavad kindlalt 12 000-tonnist kaubarongi ning samas toetavad nööpnõelasuurused teraslaagrid kella hooratast.

Terasevalmistamine vanasti ja nüüd

Sajandeid tagasi valmistasid metallitöölised rauast tarberiistu ja relvi. Nad avastasid, et sularauas (mineraalsetest kivimitest ehk maagist eraldatud raud) leidub lisandeid, mis teevad selle metalli tugevaks ja kõvaks. Samuti leidsid nad, et rauast tööriista vees karastades muutub see veelgi kõvemaks. Tänapäeval asendavad tohutud sulatusahjud sepaääsi ning hiiglaslikud valtspingid asendavad vasarat ja alasit. Ent moodsad metallitöötlejad järgivad samu põhisamme kui muistsed jõulised sepad. Need etapid on: 1) raua sulatamine, 2) legeerimine ehk lisandite segamine, 3) terase jahutamine ning 4) vormimine ja termotöötlus.

Pane tähele kõrvalolevas kastis toodud koguseid. Nii muljetavaldavad kui need ka pole, suudab terasetehas üheainsama päevaga selle materjalihulga ära töödelda. Terasetehas võtab enda alla tohutu maa-ala, millel kuhjuvad terase valmistamiseks kuluvad mineraalimäed.

Imestusväärne metall paljude kasutusvõimalustega

Terase kasulikkus ilmneb paljudes tavatutes valdkondades. Terast võib leida tiibklaveri kaane all. Klaverikeeled on valmistatud ühest kõvimast terasest ning nendel saab mängida kaunist muusikat. Hadfieldi mangaanterast kasutatakse hiiglaslike kivipurustite valmistamisel ning mida rohkem see kive purustab, seda kõvemaks teras läheb. Roostekindlast terasest valmistatakse kirurgi skalpelle, veinimahuteid ja jäätisemasinaid. Nii palju nagu on juukseid meie peas, nii on ka terasel loendamatult kasutusvõimalusi.

Igal aastal valmistatakse maailmas umbes 800 000 000 tonni terast. Pole olemas ühtki teraseliiki ilma rauata, mis on üks maakera külluslikemaid elemente. Kuna kivisütt ja lubjakivi esineb samuti piisavalt, siis terasepuudust kartma ei pea.

Kui sa järgmine kord õmbled metallist nõelaga, püüad õngekonksuga kala või kasutad reguleeritavat mutrivõtit, avad väravahaagi, reisid autoga või künnad põllul sirgeid vagusid, siis mõtle sellele erakordsele raua- ja süsinikusulamile, mis teeb selle võimalikuks.

[Allmärkused]

[Kast lk 23]

Materjalid, mida on vaja 10 000 tonni terase valmistamiseks

6500 tonni kivisüsi

13 000 tonni maaki

2000 tonni lubjakivi

2500 tonni vanarauda

1,5 miljardit liitrit vett

80 000 tonni õhku

 [Kast/pildid lk 24, 25]

Kuidas valmistatakse terast

Mõned detailid on välja jäetud, et kirjeldatut oleks visuaalselt lihtsam jälgida

Terasevalmistamine nõuab kuumust. Jälgigem terase tootmisprotsessi, võttes aluseks termomeetrinäidu.

▪ 1400 °C. Tohutud ahjud kuumutavad kivisütt õhukindlates kambrites, aurutades ebasoovitavad ühendid. Saadud nõgiseid kamakaid nimetatakse koksiks, mis tagab edasises protsessis vajamineva kuumuse ja süsiniku.

▪ 1650 °C. Koks, rauamaak ja lubjakivi heidetakse kõrgahju, kus neid töötlevad tuleleegid ja kõrgkuumutatud õhk. Koks põleb ning tohutus kuumuses ühinevad maagi ebasoovitavad ühendid lubjakiviga, moodustades kõrvalprodukti räbu. Materjalid sulavad ja vajuvad ahju põhja. Raua pinnale kogunenud räbu juhitakse ahjust välja konteinerisse, millega see ära viiakse. Sularaud voolab pudelikujulistesse konteinervagunitesse, mis veavad põletava laadungi järgmisse jaama.

▪ 1650 °C. Üheksakümmend tonni hoolikalt sorteeritud vanametalli heidetakse 9 meetri kõrgusesse pirnikujulisse anumasse, mida nimetatakse  hapnikkonverteriks. Tohutu kopp valab põletava sularaua vanametalli peale ning sädemed lausa lendavad, kui anumasse juhitakse vesijahutusega toru. Torust mühiseb ülehelikiirusega puhast hapnikku, mis paneb peatselt metalli keema nagu supi palaval pliidil. Toimuvad keemilised reaktsioonid. Vähem kui tunniga on ahi teinud oma töö ja 300-tonnine ahjutäis sulaterast valatakse transportkoppadesse. Lisatakse legeerelemendid. Tuline mass valgub valumasinatesse. Teras hakkab vormuma.

▪ 1200 °C. Tulikuuma terast pressitakse üha tihedamalt valtside vahel, kuni saavutatakse soovitud paksus. See karm töötlemine teeb metalli nii kõvaks, et see talub edasist vormimist.

▪ Toatemperatuur. Terast on valatud, lõigatud, kuumvaltsitud, külmvaltsitud ja isegi happevannis puhastatud ning seda kõike korduvalt. Lõpuks langeb termomeetrinäit alla. Vedelast terasest on saanud terasplekivirn. Metallitöökojas vormitakse see peatselt bürookompleksi torustikuks.

Kuna enamik terasetehase seadmetest on tehtud samast metallist, miks need siis töötades ise ära ei sula? Ahjude, konteinervagunite ja koppade sisepind on vooderdatud tellistega, mis on valmistatud tulekindlast materjalist. Samalaadne meetripaksune vooder kaitseb hapnikkonverterit. Ent tohutu kuumus kahjustab ka telliseid ning need tuleb korrapäraselt välja vahetada.

[Joonis]

(Kujundatud teksti vaata trükitud väljaandest.)

1. RAUA VALMISTAMINE

1400 °C Kivisüsi → Koksiahjud

↓

1650 °C Lubjakivi

Rauamaak → KÕRGAHI

Sularaud

2. TERASE VALMISTAMINE ↓

1650 °C Vanametall

Lubi ja räbusti

Hapnik

↓

HAPNIKKONVERTER

3. JAHUTAMINE ↓

PIDEVVALU

Bluum

Nelikanttoorik

Slääb

4. VIIMISTLEMINE ↓

1200 °C Terase valtsimine (varb-või talatoorikud)

Galvaanimine

Külmvaltsimine

Kuumvaltsimine

Toatemperatuur

[Pilt]

Pane tähele inimeste suurust

[Piltide allikaviide lk 23]

Kõik lehekülgedel 23–25 olevad fotod, välja arvatud kell: Courtesy of Bethlehem Steel