Tvirtas, bet lankstus

BE JO neskambėtų fortepijono muzika, negirdėtume reaktyvinių lėktuvų smūginės bangos sukeliamo trenksmo, netiksėtų laikrodžiai, negaustų varikliai, nebūtų dangoraižių ir kabančių tiltų. Kas tai?

Plienas. Paprastai jis būna visų didžiųjų konstrukcijų pagrindas. Iš jo pagaminti milžiniški laivai skrodžia pasaulio vandenynus. Plieniniais vamzdžiais iš tolimų gręžinių šimtus kilometrų teka nafta ir dujos. Tačiau dar daugiau ši universali medžiaga susijusi su mūsų kasdieniu gyvenimu. Pavyzdžiui, pagalvokite apie plieninius padangų kordo sluoksnius autobuso, kuriuo važiuojate į darbą, arba plieninį lyną, kilnojantį jūsų gyvenamojo namo liftą, apie savo akinių lankstus arba šaukštelį, kuriuo maišote arbatą. Šis patvarus, tačiau plastiškas metalas patenkina daugybę poreikių. Kaip jis gaminamas ir kas jį daro tokį vertingą?

Anglis ir kristalai

Plienas yra dviejų skirtingų medžiagų — geležies ir anglies — lydinys. Palyginti su dauguma metalų, gryna geležis yra minkšta, todėl paprastai nedaug kam tinka. O anglis nėra metalas. Skirtingos šio elemento atmainos yra deimantas ir dūmtraukio suodžiai. Tačiau jei nedidelis kiekis anglies sumaišomas su išlydyta geležimi, gaunama medžiaga, visai nebepanaši į anglį ir daug stipresnė už geležį.

Svarbiausias dalykas plieno gamyboje yra kristalai. Ar žinote, kad geležis sudaryta iš kristalų? * Tiesą sakant, iš jų yra sudaryti visi kietieji metalai ir tokia struktūra padaro juos tinkamus apdirbti, suteikia jiems blizgesį bei kitas savybes. Tačiau geležies kristalai turi ir kitų ypatybių.

Geležies kristalų vaidmuo plieno gamyboje

Plienas gaminamas lydytą geležį maišant su kitais elementais. Mišiniui stingstant, geležis tirpdo kitas medžiagas, tiksliau sakant, absorbuoja jas į savo kristalus. Bet tai būdinga ir kitiems metalams. Tad kuo geležis ypatinga?

Ogi tuo, kad kaitinant jos kristalų struktūrą galima pakeisti jai dar tebesant kietai. Ši savybė leidžia palyginti uždarai geležies kristalų formai pasikeisti į atviresnę ir vėl grįžti į pradinį būvį. Pabandykite įsivaizduoti gerai pastatytą namą, kurio sienos jums sėdint svetainėje svyruoja į šonus, o grindys kilojasi aukštyn ir žemyn. Kažkas panašaus vyksta geležies kristaluose, kai metalas kaitinamas aukštoje temperatūroje (neišlydomas), o paskiau ataušinamas.

Jei minėtojo proceso metu pridedama anglies, kietas lydinys gali suminkštėti arba minkštas sukietėti. Pasinaudodami šia savybe plieno gamintojai reikiamo kietumo produktą gauna aušindami, pakartotinai kaitindami ir grūdindami metalą. * Tačiau tai dar ne viskas.

Kai pridedama kitų elementų — mangano, molibdeno, nikelio, vanadžio, silicio, švino, chromo, boro, volframo arba sieros — plienas pasidaro ne tik kietas arba minkštas, bet  ir tvirtas, tamprus, kalus, nerūdijantis, tinkamas apdoroti, lankstus, magnetinis, nemagnetinis. Sąrašą galima tęsti be galo. Kaip kepėjas kepdamas įvairių rūšių duoną keičia komponentus ir krosnies temperatūrą, taip metalo gamintojai keisdami priemaišas bei temperatūrą išgauna tūkstančius įvairiausių plieno rūšių. Plieno bėgiai saugiai išlaiko 12000 tonų sveriančius krovininius traukinius, o plieniniai segtuko galvutės dydžio guoliukai palaiko laikrodžio mechanizmo darbą.

Plieno gamyba senovėje ir dabar

Jau prieš daug šimtmečių kalviai iš geležies darydavo įvairius įrankius bei ginklus. Jie atrado, kad išlydytoje geležyje (atskirtoje nuo mineralinių uolienų, vadinamų rūda) esančios priemaišos teikia metalui tvirtumo ir kietumo. Jie taip pat pastebėjo, kad ataušintas vandenyje geležinis įrankis dar labiau sukietėja. Šiais laikais kalvio žaizdrą pakeitė didžiulės krosnys, o jo kūjį ir priekalą — milžiniški valcavimo mechanizmai. Tačiau šiuolaikiniai procesoriai darbą atlieka ta pačia tvarka kaip ir raumeningi senovės kalviai: 1) lydo geležį, 2) primaišo į lydinį kitų medžiagų, 3) leidžia plienui ataušti, 4) formuoja jį bei apdoroja termiškai.

Atkreipkite dėmesį į kiekius rėmelyje. Nors skaičiai neįtikėtinai dideli, plieno gamykla visas šias medžiagas gali apdoroti per dieną. Tokia įmonė užima didžiulę teritoriją. Joje stūkso kalnai rūdos, tenkinantys milžiniškus gamyklos poreikius.

Kur nuostabusis metalas panaudojamas

Plieno yra daug kur. Šiek tiek jo rasite po fortepijono dangčiu. Stygomis, pagamintomis iš vienos tvirčiausių rūšių plieno, išgaunama graži muzika. Hedfildo manganinis plienas naudojamas didžiuliams akmens smulkintuvams gaminti, ir kuo daugiau jais dirbama, tuo šis plienas darosi kietesnis. Iš nerūdijančio plieno daromi skalpeliai, vyno statinės ir ledų gamybos įrengimai. Šis metalas naudojamas taip plačiai, kad visa išvardyti būtų tas pats, kas suskaičiuoti galvos plaukus.

Pasaulyje per metus plieno pagaminama beveik 800000000 tonų. Jo nebūtų be geležies, kuri yra vienas iš gausiausių elementų žemėje. Kadangi anglies ir klinties atsargų taip pat yra daug, aišku, jog ateityje plieno nepritrūks.

Taigi kai kitą kartą siūsite adata, meškeriodami užmesite kabliuką, naudositės veržliarakčiu, darysite grandinėle užkabintus vartus, keliausite automobiliu arba plūgu arsite lauką, pamąstykite apie šį nepaprastą geležies ir anglies lydinį, kuris padeda visa tai daryti.

[Išnašos]

[Rėmelis 23 puslapyje]

Medžiagos, reikalingos 10000 tonų plieno pagaminti

6500 tonų anglies

13000 tonų geležies rūdos

2000 tonų klinties

2500 tonų plieno laužo

1,5 milijardo litrų vandens

80000 tonų oro

 [Rėmelis/iliustracijos 24, 25 puslapiuose]

Kaip plienas gaminamas

Dėl paprastumo kai kurios detalės praleistos

Plienui gaminti reikia aukštos temperatūros. Stebėkime, ką šio proceso metu rodo termometras.

▪ 1400°C. Sandariose milžiniškos krosnies kamerose kepinama anglis; nereikalingos medžiagos išgaruoja. Likę suodini gabalai vadinami koksu. Jie pakankamai karšti ir turi anglies, reikalingos tolesniam procesui.

▪ 1650°C. Koksas, geležies rūda ir klintis sumetamos į degančią krosnį, į kurią pučiamas suspaustas oras. Koksas dega ir geležies rūdoje esančios nereikalingos medžiagos jungiasi su klintimi, sudarydamos šalutinį produktą — šlaką. Medžiagos suskystėja ir nusėda. Virš geležies plūduriuojantis šlakas pašalinamas į atliekų konteinerį. Skysta geležis teka į milžiniškas cisternas, o jomis šis karštas krovinys gabenamas kitur.

▪ 1650°C. Devyniasdešimt tonų kruopščiai išrūšiuoto metalo laužo suverčiama į 9 metrų aukščio kriaušės formos rezervuarą — pagrindinę degimo krosnį. Didžiuliu semtuvu  ant metalo laužo pilama karšta skysta geležis kibirkščiuoja, nes į rezervuarą yra įleistas vandeniu aušinamas vamzdis. Iš vamzdžio veržiasi srautas gryno deguonies. Netrukus metalas užverda tarsi sriuba ant karštos viryklės. Vyksta cheminės reakcijos. Nepraeina nė valanda ir į transportavimo talpyklas išpilstoma 300 tonų skysto plieno. Pridedama priemaišų. Ugninis srautas plūsta į liejimo mechanizmus. Plienas pradeda įgauti formą.

▪ 1200°C. Iki raudonumo įkaitęs plienas valcuojamas, kol pasiekiamas norimas storis. Metalas sukietėja ir nebesiduoda formuojamas.

▪ Kambario temperatūra. Plienas buvo liejamas, pjaustomas, karštai valcuojamas, šaltai valcuojamas ir net marinuojamas (valomas rūgštimi). Tai buvo kartojama keletą kartų. Galų gale termometro stulpelis nukrenta. Skystas plienas tampa krūva plieno lakštų. Netrukus metalo dirbtuvėse jis susukamas į vamzdžius, tinkamus vartotojams.

Dauguma plieno gamyklų įrengimų yra iš to paties metalo, tad kodėl gamybos proceso metu jie neišsilydo? Krosnių, cisternų ir semtuvų vidus yra išklotas plytomis iš karščiui atsparių medžiagų. Pagrindinę degimo krosnį saugo metro storio klojinys. Tačiau tas plytas irgi veikia siaubingas karštis ir jos turi būti reguliariai keičiamos.

[Schema]

(Prašom žiūrėti patį leidinį)

1. GELEŽIES GAMYBA

1400°C Anglis → Kokso krosnys

↓

1650°C Geležies rūda

Klintis → ORPŪTĖ KROSNIS

↓

Išlydyta geležis

2. PLIENO GAMYBA ↓

1650°C Metalo laužas

Kalkės ir fliusas

Deguonis

↓

PAGRINDINĖ DEGIMO KROSNIS

3. AUŠINIMAS ↓

TOLYDUS LIEJIMAS

Bliumas

Strypas

Sliabas

4. APDAILA ↓

1200°C Plieno valcavimas (sijos arba bėgiai)

Galvanizavimas

Šaltasis valcavimas

Karštasis valcavimas

Kambario temperatūra

[Iliustracija]

Atkreipkite dėmesį į žmonių dydį

[Iliustracijos šaltinio nuoroda 23 puslapyje]

Visos nuotraukos, išskyrus laikrodį, 23—25 puslapiuose: Courtesy of Bethlehem Steel