Труженица с мягким характером

БЕЗ НЕЕ рояль не издавал бы звуков, не летали бы самолеты, не тикали бы часы, не ревели бы моторы, не могли бы дотянуться до неба небоскребы и не было бы висячих мостов. О чем идет речь?

Речь идет о стали. Она незаменима при строительстве больших зданий, огромных кораблей, бороздящих моря и океаны, а также при строительстве трубопроводов, по которым транспортируют нефть и газ за сотни километров от мест их добычи. Этот универсальный материал можно встретить на каждом шагу и в нашей повседневной жизни. Металлокордные шины для колес автобуса, везущего нас на работу, тросы, поднимающие и опускающие лифт в доме, даже винтики в очках и ложечки, которыми мы помешиваем чай,— все это сделано из стали. Этот прочный и вместе с тем мягкий металл используют для изготовления тысяч разных предметов. Как его получают и в чем секрет его универсальности?

Углерод и кристаллы

Сталь — это сплав двух совершенно разных по природе элементов — железа и углерода. Железо в чистом виде мягкое (насколько это возможно для металла), и не может быть использовано там, где нужна особая прочность. Углерод относится к неметаллам. Алмазы и печная сажа — это различные формы углерода. Но при добавлении к расплавленному железу небольшого количества углерода образуется вещество, абсолютно непохожее на углерод и намного превосходящее по прочности железо.

Такое превращение возможно благодаря кристаллической структуре железа. Знаете ли вы, что железо состоит из кристаллов? * В действительности все твердые металлы имеют кристаллическую структуру, и поэтому поддаются обработке, блестят и обладают другими свойствами. Но у кристаллов железа есть и свои отличительные особенности.

Влияние кристаллов железа на сталь

В процессе производства стали к расплавленному железу добавляют другие элементы. При затвердевании полученной смеси железо смешивается с ними, поглощая и удерживая их внутри своей кристаллической структуры. Остальные металлы ведут себя подобным образом. В чем же особенность железа?

Железо необычно тем, что его кристаллическая структура может меняться при нагревании, не доходящем до температуры плавления. Благодаря этому свойству атомы в кристаллах железа могут сближаться и отдаляться друг от друга. Чтобы лучше понять это, представьте себе, что вы сидите в гостиной дома, стены которого раздвигаются в стороны, а пол поднимается вверх и вниз. Нечто похожее происходит с кристаллической решеткой железа, когда металл нагревают, не доводя до температуры плавления, и потом охлаждают.

Если при этих изменениях присутствует углерод, то твердый сплав можно сделать мягким, а мягкий — твердым. Эту технологическую особенность используют металлурги, чтобы придать своей продукции дополнительную прочность, подвергая ее таким видам термообработки, как закалка, отпуск и отжиг *. Но это еще не все.

Используя в качестве легирующих элементов марганец, молибден, никель, ванадий, кремний, свинец, хром, бор, вольфрам или серу, можно придать стали не только мягкость или прочность, но и упругость, ковкость, антикоррозийные,  магнитные, немагнитные свойства — и это далеко не полный перечень. Как пекарь добавляет в тесто разные ингредиенты и изменяет температуру в духовке, чтобы получить разные виды хлеба, так и сталевары используют разные легирующие элементы и регулируют температуру в сталеплавильной печи, чтобы получить тысячи марок стали. Так, стальные рельсы выдерживают товарные поезда весом в 12 000 тонн, а стальные подшипники размером с булавочную головку обеспечивают работу механизма в наручных часах.

Сталеварение — старые и новые методы

Столетия назад кузнецы делали из железа домашнюю утварь и оружие. Они обнаружили, что в расплавленном железе (железе, выделенном из руды) есть добавки, которые придают металлу прочность и твердость. Они также обнаружили, что благодаря закалке железных орудий в воде металл становится еще прочнее. Сегодня горн, молот и наковальню кузнеца заменили огромные сталеплавильные печи и гигантские прокатные станы. Но современные машины работают в той же последовательности, что и кузнецы в древности: 1) плавят железо, 2) смешивают его с легирующими элементами, 3) охлаждают сталь и 4) подвергают ее формовке и термической обработке.

Обратите внимание на информацию в рамке справа. Столько сырья требуется мощному металлургическому предприятию на один день работы. Завод занимает большую территорию, и на ней можно увидеть горы сырья, необходимого для удовлетворения ненасытных потребностей металлургического производства.

Удивительный металл принимает разные формы

Сталь можно обнаружить в самых неожиданных предметах. Например, в рояле. Его струны, издающие прекрасные музыкальные звуки, делают из особо прочной стали. Сталь Гадфильда, отличающаяся высоким содержанием марганца, используют для производства огромных камнедробильных машин. Чем больше такая машина дробит камень, тем прочнее становится сталь, из которой она сделана. Из нержавеющей стали делают хирургические скальпели, винные бочки и оборудование для производства мороженого. Как трудно сосчитать волосы на голове, так трудно сосчитать и сферы производства, в которых используется сталь.

Каждый год в мире выплавляют почти 800 000 000 тонн стали. Без железа — одного из самых распространенных элементов на земле — невозможно было бы сделать и грамма стали. А поскольку в мире существует достаточно запасов угля и известняка, то варить сталь можно будет еще долгое время.

В следующий раз, когда вы будете шить металлической иголкой, закидывать удочку со стальным крючком, пользоваться гаечным ключом, открывать калитку забора, сделанного из металлической сетки, ехать на машине или пахать поле, вспомните об этом удивительном сплаве железа и углерода, без которого все эти действия были бы невозможны.

[Сноски]

[Рамка, страница 23]

Для производства 10 000 тонн стали требуется

6 500 тонн угля

13 000 тонн железной руды

2 000 тонн известняка

2 500 тонн металлолома

1,5 миллиарда литров воды

80 000 тонн воздуха

 [Рамка/Иллюстрации, страницы 24, 25]

Как производят сталь

Некоторые детали опущены для упрощения.

Для производства стали нужны высокие температуры. Давайте по отметкам на термометре проследим за процессом производства стали от начала до самого конца.

▪ 1 400°С. В огромных герметичных печах прокаливают каменный уголь, выпаривая из него ненужные вещества. Уголь при этом не сгорает. Покрытые копотью куски спекшегося угля — кокс — служат топливом и источником углерода на следующей ступени процесса.

▪ 1 650°С. Кокс, железную руду и известняк засыпают в доменную печь. Оказавшись в пламени огня и в окружении горячего воздуха, кокс сгорает, повышая температуру в печи. Различные примеси из железной руды соединяются с известью, образуя побочный продукт — шлак. Расплавленные элементы оседают на дно печи. Шлак всплывает над железом, и его отводят в специальный контейнер. Выплавленное таким образом железо, или чугун, разливают в чугуновозы, и этот раскаленный груз катят по рельсам к следующему пункту, для прохождения другого производственного цикла.

▪ 1 650°С. Девяносто тонн тщательно отобранного металлолома погружают в кислородный конвертер — агрегат грушевидной  формы, высота которого 9 метров. Огромный ковш заливает металлолом раскаленным чугуном, затем начинают продувку. В конвертер погружают охлаждаемую водой трубу, называемую фурмой. Искры сыплются в разные стороны, когда из фурмы с ревом вырывается стремительный поток чистого кислорода. От этого металл вскипает, как суп на плите. Происходят химические реакции. Меньше чем через час 300 тонн готовой жидкой стали, которую называют плавкой, сливают в транспортировочные ковши. Вводят легирующие добавки. Начинается процесс отливки. Стали придают форму.

▪ 1 200°С. Еще раскаленную докрасна сталь обжимают между валками, придавая ей желаемую толщину. Эта тщательная прокатка делает металл настолько твердым, что он становится неподатливым для дальнейшей обработки.

▪ Комнатная температура. Стали придали форму, нарезали, подвергли горячей и холодной прокатке и даже травлению (очистке в кислой ванне). Ее несколько раз нагревали и охлаждали. Наконец столбик ртути на термометре окончательно остановился. Жидкая сталь, или плавка, превратилась в листовую сталь. В цехе металлоизделий из нее скоро сделают кабельные или вентиляционные трубы для офисного здания.

Если основные части сталеплавильного оборудования делают из этого же металла, то почему оно не плавится во время работы? Внутреннюю поверхность печей, чугуновозов и ковшей выстилают кирпичом, сделанным из огнеупорных материалов. Толщина такого слоя в кислородном конвертере составляет около 1 метра. Но кирпичи тоже долго не выдерживают такого жара, и их приходится периодически заменять.

[Схема]

(Полное оформление текста смотрите в публикации)

1. ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

1 400°С Уголь → Коксовые печи

↓

1 650°С Железная руда

Известняк → ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

↓

Жидкий чугун

2. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ ↓

1 650°С Металлолом

Известь и флюс

Кислород

↓

КИСЛОРОДНЫЙ КОНВЕРТЕР

3. ОХЛАЖДЕНИЕ ↓

НЕПРЕРЫВНОЕ ЛИТЬЕ

Блюм

Сутунка

Сляб

4. ЧИСТОВАЯ ПРОКАТКА ↓

1 200°С Прокатка стали (разные виды проката)

Гальванизирование

Холодный прокат

Горячий прокат

Комнатная температура

[Иллюстрация]

Какими маленькими кажутся люди.

[Сведения об иллюстрации, страница 23]

Все фотографии на страницах 23—25, кроме фотографии часов: Courtesy of Bethlehem Steel