Hardt og mykt på samme tid

VED hjelp av det kan pianoer frambringe musikk, jetfly lage overlydssmell, klokker tikke, motorer dure, skyskrapere strekke seg mot himmelen og hengebroer forbli hengende. Hva er det?

Det er stål. Stål utgjør hovedbestanddelen i mange store konstruksjoner. Kolossale skip som er laget av det, krysser de syv hav. Rørledninger som er laget av det, transporterer olje og gass flere hundre kilometer av gårde fra brønner langt borte. Men dette allsidige materialet berører vår hverdag på langt flere felt. Tenk for eksempel på de stålbeltene som er i dekkene på den bussen du tar til jobben, eller den stålkabelen som løfter og senker heisen i den boligblokken du bor i. Hva med de stålstiftene som er på brillene dine, eller den stålskjeen som du bruker til å røre i teen med? Det finnes tusener av bruksområder for dette holdbare, men likevel ømfintlige materialet. Hvordan blir det framstilt, og hva er det som gjør det så anvendelig?

Karbon og krystaller

Stål er en legering, eller en blanding, av to usannsynlige samarbeidspartnere — jern og karbon. Rent jern er mykt, sammenlignet med andre metaller, og tåler derfor ikke harde belastninger. Karbon er et ikke-metall. Diamanter og skorsteinssot er bare andre former av dette spesielle grunnstoffet. Men hvis vi blander litt karbon med smeltet jern, får vi et materiale som er svært ulikt karbon og langt sterkere enn jern.

Nøkkelen til framstilling av stål er noe som blir kalt krystall. Visste du at jern består av krystaller? * Alle faste metaller gjør det, og det er denne krystallinske strukturen som gir metallene glans og andre trekk, og som gjør at de kan bearbeides. Men jernkrystaller går et steg lenger.

Jernkrystallenes virkning på stålet

Under framstillingen av stål blir smeltet jern blandet med andre stoffer. Når denne blandingen går over til fast form, løser jernet opp de andre stoffene og opptar dem i virkeligheten og holder dem innenfor sin krystallstruktur. Andre metaller opptrer på samme måte. Hva er så spesielt med jern?

Jern er uvanlig, for selv om man forandrer dets krystallstruktur med varme, er det fremdeles et fast stoff. Denne egenskapen gjør at jernkrystaller kan bli omdannet fra å være i en relativt lukket form til å være i en mer åpen form og tilbake igjen. Forestill deg et solid hus hvor veggene beveger seg sidelengs, og hvor gulvet beveger seg opp og ned mens du sitter i stuen. Det er noe lignende som skjer i jernkrystallene når metallet blir varmet opp til høye temperaturer uten at det smelter, og deretter blir nedkjølt.

Hvis karbon er til stede når disse endringene gjør seg gjeldende, kan en hard legering bli myk og en myk legering hard. De som framstiller stål, kan dra nytte av dette og regulere hardheten i sitt produkt ved hjelp av varmebehandling som bråkjøling, avherding og gløding. * Men det er mer som er inne i bildet.

Når andre grunnstoffer, for eksempel mangan, molybden, nikkel, vanadium, silisium, bly, krom, bor, wolfram og svovel, blandes inn, blir stålet ikke bare hardt eller mykt, men sterkt, seigt, duktilt, rustbestandig, elastisk, magnetisk eller ikke-magnetisk,  kan bearbeides på maskin — og listen bare fortsetter. Akkurat som en baker tilpasser ingredienser og ovnstemperatur, alt etter hvilke typer brød han skal bake, varierer metallprodusentene legering og varmebehandling for å framstille et mangfold av ulike ståltyper. Stålskinner bærer trygt 12 000 tonn tunge godstog, og et lager av stål på størrelse med et knappenålshode holder oppe en klokkes balansehjul.

Stålproduksjon — på gammel og ny måte

For flere hundre år siden laget smeder redskaper og våpen av jern. De oppdaget at smeltet jern (jern som var utvunnet av mineralholdige bergarter som kalles malm) inneholdt urenheter som gav metallet styrke og hardhet. De lærte også at de ved brått å avkjøle et jernredskap i vann gjorde det enda hardere. I dag er grovsmedens ildsted blitt erstattet med store smelteovner; og gigantiske valseverk har erstattet hammeren og ambolten hans. Men de som framstiller stål i vår tid, følger de samme grunnleggende framgangsmåtene som de sterke smedene i gamle dager fulgte. De (1) smelter jern, (2) blander inn legeringsstoffer, (3) lar stålet avkjøle og (4) former og varmebehandler det.

Legg merke til de stoffmengdene som blir oppgitt i rammen på denne siden. Selv om de er imponerende, kan ett stålverk bearbeide slike mengder i løpet av bare én dag. På det vidstrakte fabrikkområdet ligger det hauger store som berg av de mineralene som blir brukt til å stille stålverkets glupende appetitt.

Et enestående materiale med mange bruksområder

Stål kan brukes på mange usedvanlige steder, for eksempel under lokket på et flygel. Strengene der, som er laget av en av de sterkeste ståltypene man har framstilt, frambringer vakker musikk. Hadfieldstål, eller austenittisk manganstål, blir brukt i enorme steinknusere, og jo hardere stålet arbeider for å knuse kampesteiner, desto hardere blir det. Av rustfritt stål lager man skalpeller som kirurger bruker, vinfat og iskremmaskiner. Stålets anvendelsesmuligheter er like utallige som hårene på hodet ditt.

Hvert år blir det verden over framstilt nesten 800 millioner tonn stål. Ikke så mye som ett gram av dette stålet kunne blitt framstilt uten jern, som faktisk er et av de grunnstoffene det finnes mest av på jorden. Siden det også finnes rikelig med kull og kalkstein, ser det ut til at det kommer til å være bra med stål langt inn i framtiden.

Så neste gang du syr med en nål, kaster ut en sluk når du fisker, bruker en skiftenøkkel, åpner porten på et gjerde med jernlenker, kjører bil eller pløyer rette furer på en åker, bør du tenke på den spesielle blandingen av jern og karbon som gjør alt dette mulig.

[Fotnoter]

[Ramme på side 23]

Stoffer som trengs for å lage 10 000 tonn stål

6500 tonn kull

13 000 tonn malm

2000 tonn kalkstein

2500 tonn stålskrap

1,5 milliarder liter vann

80 000 tonn luft

 [Ramme/bilder på sidene 24 og 25]

Hvordan stål blir framstilt

Noen detaljer er utelatt for enkelhets skyld

Framstilling av stål krever varme. La oss ved å bruke et termometer som veiviser følge prosessen fram til ferdig produsert stål.

▪ 1400 °C. Store ovner varmer opp kull i lufttette kamre, slik at uønskede bestanddeler drives av, uten at kullstykkene blir fortært. De sotete bitene som blir resultatet av dette, kalles koks, som gir nødvendig varme og karbon i den videre prosessen.

▪ 1650 °C. En masovn blir fylt med koks, jernmalm og kalkstein, hvor blandingen blir møtt med en vegg av flammer og overopphetet luft. Koksen brenner, og den brennende heten som oppstår, får uønskede stoffer i malmen til å inngå forbindelser med kalksteinen og danner dermed et biprodukt som kalles slagg. Stoffene smelter og legger seg i bunnen av ovnen. Slagget, som flyter på toppen av jernet, blir skilt ut og tappet i en beholder for å fjernes. Det flytende jernet tømmes oppi torpedovogner som frakter den glohete lasten til neste stasjon.

▪ 1650 °C. Nitti tonn med nøye sortert skrapmetall blir dumpet oppi en ni meter høy pæreformet beholder som kalles en basisk oksygenkonverter.  Med en stor øse tømmes glohett flytende jern oppå skrapmetallet. Blandingen antennes av en rekke gnister idet et vannavkjølt rør som kalles en lanse, blir senket ned i beholderen. Fra lansen blåses en supersonisk stråle med ren oksygen, som snart får metallet til å koke som suppe i en gryte på en varm komfyr. Det oppstår kjemiske reaksjoner. På under en time har konverteren gjort jobben sin, og et kvantum på 300 tonn flytende stål, kalt en smelte, kan fylles oppi transportøser. Det blir så tilsatt legeringsstoffer. Den glohete smelten helles oppi støpemaskiner, og stålet begynner å ta form.

▪ 1200 °C. Valser presser det rødglødende stålet til det har fått den ønskede tykkelse. Denne røffe behandlingen gjør metallet hardt, så hardt at det er vanskelig å forme det ytterligere.

▪ Romtemperatur. Stålet er blitt støpt, kappet, varmvalset, kaldvalset og til og med syrebadet. Det er blitt varmet opp gjentatte ganger. Endelig har termometret sunket for godt. Det flytende stålet, eller smelten, er blitt til stabler av stålplater. På et verksted blir disse platene snart formet til ledningskanaler til bruk i et kontorbygg.

Ettersom de viktigste delene i et stålverk også er laget av stål, kan vi jo spørre: Hvorfor smelter ikke da dette stålet under smelteprosessen? Det er fordi ovnene, torpedovognene og øsene innvendig er kledd med mursteiner av et tungtsmeltelig, eller varmebestandig, materiale. Den basiske oksygenkonverteren er innvendig belagt med et metertykt lag av dette materialet. Men disse mursteinene tar også skade av den voldsomme varmen og må regelmessig skiftes ut.

[Oversikt]

(Se den trykte publikasjonen)

1. FRAMSTILLING AV JERN

1400 °C Kull → Koksovner

↓

1650 °C Kalkstein

Jernmalm → MASOVN

↓

Smeltet jern

2. FRAMSTILLING AV STÅL ↓

1650 °C Skrap

Kalk og flussmiddel

Oksygen

↓

BASISK OKSYGENKONVERTER

3. AVKJØLING ↓

KONTINUERLIG STØPING

Stålblokk

Barre

Plate

4. OVERFLATEBEHANDLING ↓

1200 °C Valsing av stål (barrer og bjelker)

Galvanisering

Kaldvalsing

Varmvalsing

Romtemperatur

[Bilde]

Legg merke til størrelsen på menneskene

[Bilderettigheter på side 23]

Alle bilder på sidene 23—25, bortsett fra uret: Gjengitt med tillatelse av Bethlehem Steel