Hutumiwa Kutengeneza Vitu Vigumu na Vyepesi

KITU hicho hufanya piano iweze kutokeza muziki, ndege zitokeze kishindo wakati zinapopita kizuizi cha sauti, saa zitokeze milio yake, injini zingurume, orofa ndefu ziweze kujengwa, nacho huzuia madaraja yanayoning’inia yasiporomoke. Ni nini hicho?

Ni chuma cha pua. Chuma cha pua ni kifaa muhimu sana katika majengo makubwa. Meli kubwa sana ambazo husafiri kwenye bahari zote za dunia zinatengenezwa kwa kifaa hicho. Mafuta na gesi kutoka katika visima vya mbali hupelekwa kwa umbali wa mamia ya kilometa kwa mabomba yaliyotengenezwa kwa chuma cha pua. Lakini madini hayo yenye matumizi mengi yanahusika katika maisha yetu kwa njia nyingi zaidi kila siku. Fikiria, kwa mfano, magurudumu yenye nyuzi za chuma ya basi unalosafiria unapoenda kazini, au kamba ya chuma inayoinua na kushusha lifti katika orofa unamoishi. Namna gani bawaba za chuma za miwani yako na kijiko cha chuma ambacho unakorogea chai yako? Maelfu ya vitu, vigumu na vyepesi, vinatengenezwa kwa madini hayo yenye kudumu. Madini hayo yanatengenezwaje, na ni nini kinachofanya yawe yenye matumizi mengi hivyo?

Kaboni na Fuwele

Chuma cha pua ni mchanganyiko wa vitu viwili ambavyo havielekei vingeweza kuchanganywa yaani, chuma na kaboni. Chuma safi si ngumu ikilinganishwa na madini mengine, kwa hiyo, vifaa vinavyotengenezwa kwa chuma safi havina nguvu sana. Kaboni si metali. Almasi na masizi ni aina mbalimbali ya kaboni. Lakini kiasi kidogo cha kaboni kinapochanganywa na chuma kilichoyeyushwa, kitu tofauti sana na kaboni na chenye nguvu sana kuliko chuma hutokezwa.

Utengenezaji wa chuma cha pua unategemea hasa kitu kinachoitwa fuwele. Je, ulijua kwamba chuma kimeundwa kwa fuwele? * Madini yote yaliyo magumu yameundwa kwa fuwele, na fuwele hizo ndizo zinazofanya madini yaweze kubadilishwa umbo kwa urahisi, kung’aa, na yawe na hali nyinginezo. Lakini fuwele za chuma zina hali moja ambayo madini mengineyo hayana.

Jinsi Fuwele Zinavyoathiri Chuma cha Pua

Chuma kilichoyeyushwa kinachanganywa na vitu vingine vya asili, chuma cha pua kinapotengenezwa. Mchanganyiko huo unapoganda, chuma humumunyua vitu vile vingine. Hiyo inamaanisha kwamba chuma huvifyonza vitu hivyo na kuviingiza katika miundo yake ya kifuwele. Madini mengine hayana tabia hiyohiyo. Kwa nini chuma ni cha kipekee?

Chuma ni tofauti kwa sababu muundo wake wa kifuwele unaweza kubadilishwa kwa kupashwa moto kabla ya chuma chenyewe kuyeyuka. Kwa njia hiyo, muundo wa fuwele za chuma unaweza kubadilishwa kutoka hali ya kufungwa hadi hali ya kufunguliwa kisha kufungwa tena. Jiwazie ukiwa ndani ya nyumba iliyo imara, ambamo kuta husogea kutoka upande mmoja hadi mwingine na sakafu huinuka na kushuka. Hali kama hiyo inatokea ndani ya fuwele ya chuma, chuma kinapopashwa moto sana, bila kuyeyushwa, kisha kupozwa.

Kaboni ikiwepo mabadiliko hayo yanapotokea, mchanganyiko ulio mgumu unaweza kuwa laini, au mchanganyiko laini unaweza kuwa mgumu. Kwa hiyo, watengenezaji wa chuma cha pua wanaweza kufanya chuma cha pua kiwe na ugumu fulani wanaotaka kwa kupoza mchanganyiko huo kwa haraka au polepole. Lakini si hayo tu.

Vitu vya asili kama vile—manganizi, nikeli, vanadium, silikoni, risasi, kromiamu, boroni, wolframi, au salfa—vinapochanganywa na chuma, vinatokeza chuma cha pua chenye hali mbalimbali. Kinaweza kuwa na ugumu mbalimbali, chenye nguvu, kinaweza kubadilishwa umbo kwa urahisi, kinaweza kufulika, kukinza kutu, kunyumbuka, chenye sumaku na bila sumaku,  na hali nyinginezo. Kama vile mwokaji anavyotumia vitu na halijoto tofauti-tofauti anapooka mikate mbalimbali, ndivyo watengenezaji wa madini wanavyotumia vitu na halijoto tofauti-tofauti ili kutengeneza maelfu ya aina mbalimbali za vyuma vya pua vyenye matumizi mengi yasiyo na kifani. Magari-moshi yanayobeba mizigo yenye uzito wa tani 12,000 husafiri kwa usalama juu ya reli za chuma cha pua, na beringi ya chuma cha pua yenye ukubwa wa kichwa cha pini, hutegemeza gurudumu la kusawazisha la saa.

Kutengeneza Chuma cha Pua Zamani na Siku Hizi

Wahunzi walitengeneza vyombo na silaha za chuma miaka mingi iliyopita. Waligundua kwamba chuma kilichoyeyushwa (chuma kilichotokana na mawe ya madini) kilikuwa na uchafu ambao ulikifanya kiwe kigumu na chenye nguvu. Waligundua pia kwamba kupoza kwa haraka chombo cha chuma katika maji kulikifanya kiwe kigumu hata zaidi. Siku hizi majoko makubwa ya kuyeyusha yamechukua mahali pa majiko ya wafua-chuma; na viwanda vikubwa vimechukua mahali pa nyundo na jiwe lake la kufulia chuma. Hata hivyo, watengenezaji wa chuma cha pua wa siku hizi wanafuata utaratibu uleule ambao mfua-chuma mwenye nguvu alifuata zamani. (1) Wanayeyusha chuma, (2) wanachanganya na vitu vingine, (3) wanaacha chuma cha pua kipoe, na (4) wanatengeneza vitu mbalimbali na kuvipasha moto na kuvipoza.

Ona kiasi kinachohitajika katika sanduku lililoonyeshwa. Hata ingawa kiasi hicho ni kikubwa sana, bado kiwanda cha chuma cha pua kinaweza kutumia kiasi hicho kwa siku moja tu. Kwenye eneo kubwa sana la kiwanda kuna kiasi kikubwa mno cha vitu vinavyotumika katika utengenezaji wa chuma cha pua.

Madini ya Ajabu Yenye Matumizi Mengi

Chuma cha pua kina matumizi mengi yasiyo ya kawaida. Utakipata chini ya kifuniko cha piano kubwa. Muziki mzuri hutokezwa kwa kamba ya chuma katika piano, ambayo imetengenezwa kwa mojawapo ya vyuma vyenye nguvu zaidi. Mashine kubwa za kuponda mawe hutengenezwa kwa chuma cha pua cha Hadfield chenye manganizi nyingi, ambacho huzidi kuwa kigumu zaidi kadiri kinavyoponda mawe magumu. Kisu cha daktari-mpasuaji, chombo cha divai, na mashine za aisikrimu, vyote hutengenezwa kwa chuma cha pua. Kama ambavyo nywele zako hazihesabiki, matumizi ya chuma cha pua hayahesabiki.

Karibu tani 800,000,000 za chuma cha pua hutengenezwa ulimwenguni pote kila mwaka. Haingewezekana kutengeneza hata gramu moja bila chuma, ambacho ni mojawapo ya vitu vya asili vya kawaida zaidi duniani. Kwa kuwa makaa ya mawe na mawe ya chokaa pia ni mengi sana, inaonekana kwamba chuma cha pua kitapatikana kwa muda mrefu.

Kwa hiyo, unaposhona kwa kutumia sindano au kuvua samaki kwa kutumia kigurudumu cha uzi na ndoana, au unapotumia spana au kufungua lango la chuma, au unaposafiri kwa gari, au unapolima kwa kutumia jembe linalokokotwa, kumbuka mchanganyiko wa ajabu wa chuma na kaboni ndio unaokuwezesha kufanya hivyo.

[Maelezo ya Chini]

[Sanduku katika ukurasa wa 23]

Vitu vinavyohitajika ili kutengeneza tani 10,000 za chuma cha pua

Tani 6,500 za makaa ya mawe

Tani 13,000 za mawe ya madini

Tani 2,000 za mawe ya chokaa

Tani 2,500 za mabaki ya chuma cha pua

[Lita bilioni 1.5] za maji

Tani 80,000 za hewa

 [Sanduku/Picha katika ukurasa wa 24, 25]

Jinsi Chuma cha Pua Kinavyotengenezwa

Mambo mengine hayaonyeshwi ili ieleweke vizuri zaidi

Joto linahitajika ili kutengeneza chuma cha pua. Acheni tuone jinsi chuma cha pua kinavyotengenezwa tukitumia pimajoto kama kiongozi.

▪ [1400°S]. Makaa ya mawe yanapookwa katika majoko makubwa yaliyomo katika vyumba ambamo hewa haiwezi kuingia, makaa yenyewe hubaki na vitu visivyotakikana huvukizwa. Vipande vyenye masizi vinavyotokezwa vinaitwa makaazi-mawe, navyo vitatokeza joto na kaboni baadaye.

▪ [1650°S]. Makaazi-mawe, mawe yenye chuma, na mawe ya chokaa hutiwa katika joko lenye moto na hewa yenye joto kali sana. Makaazi-mawe huungua, na katika joto hilo kali, vitu visivyotakikana katika mawe yenye chuma hushikamana na chokaa na kuwa mavi-chuma. Vitu vyote huyeyuka na kushuka chini jokoni. Mavi-chuma yanayoelea juu ya chuma huondolewa. Chuma kioevu humwagika kwenye mapipa ya behewa la gari-moshi ambayo hupeleka kioevu hicho chenye moto mkali kupindukia hadi kituo kinachofuata.

▪ [1650°S]. Tani 90 za mabaki ya vitu vilivyotengenezwa kwa chuma cha pua huangushwa ndani ya chombo chenye urefu wa [meta tisa] chenye umbo la parachichi, kinachoitwa joko la kwanza la hewa. Kijiko kikubwa humwaga chuma kioevu kwenye mabaki ya chuma cha pua. Cheche nyingi hutokezwa  wakati mrija unaopozwa na maji, unaoitwa mkuki, unaingizwa ndani ya chombo hicho. Hewa inatoka katika mkuki kwa kishindo na kwa kasi inayozidi kasi ya sauti. Hewa hiyo inafanya madini hayo yachemke kama tu supu kwenye jiko lenye moto. Utendaji wa kemikali unaanza. Kwa muda unaopungua saa moja, joko litakuwa limemaliza kazi, na tani 300 za chuma kioevu cha pua, humwagika kwenye vyombo vya kusafirisha. Vitu vya kuchanganya vinaongezwa. Chuma hicho kioevu cha pua chenye moto sana hutiririka kwenye kalibu. Chuma cha pua kimeanza kupata umbo.

▪ [1200°S]. Chuma cha pua kilicho chekundu kwa sababu ya moto hushinikizwa hadi kiwe chenye unene unaotakikana. Ushinikizaji huo unafanya chuma cha pua kiwe kigumu sana hivi kwamba umbo lake haliwezi kubadilika tena.

▪ Halijoto ya kawaida. Chuma cha pua kimesubuliwa, kimekatwa, kimeshinikizwa kwa moto na kwa baridi, na kusafishwa kwa asidi. Kimepashwa moto mara nyingi. Hatimaye, hupoa kabisa. Chuma kioevu cha pua, kimekuwa marundo ya mabati. Punde si punde, wahunzi kwenye karakana watayatumia kutengeneza vifereji vya waya katika jengo fulani la ofisi.

Kwa kuwa sehemu kubwa za kiwanda cha chuma cha pua zimetengenezwa kwa chuma, kwa nini haziyeyuki kazi inapoendelea? Kuta za ndani za majoko, mabehewa ya gari-moshi yenye mapipa na kuta za vyombo vya kusafirishia chuma zimefunikwa kwa matofali yanayokinza joto. Ndani ya joko la kwanza la hewa kuna kuta za matofali zenye unene wa meta moja. Hata hivyo, matofali hayo yanaathiriwa pia na joto hilo kali kupindukia na hubadilishwa kwa ukawaida.

[Mchoro]

(Ona mpangilio kamili katika nakala iliyochapishwa)

1. KUTENGENEZA CHUMA

2500°F Makaa ya mawe → Coke ovens

↓

3000°F Mawe ya chokaa

Mawe yenye madini → JOKO

→

Chuma kioevu

2. KUTENGENEZA CHUMA CHA PUA ↓

3000°F Mabaki ya chuma

Chokaa na “flux”

Oksijeni

↓

JOKO SAHILI YA OKSIJENI

3. KUPOZA ↓

KUMIMINA KATIKA KALIBU

Vipande vya chuma

Nondo za chuma

Bamba

4. KUKAMILISHA ↓

2200°F Kushinikiza chuma cha pua (mikuo)

Kupaka zinki

Kushinikiza chuma baridi

Kushinikiza chuma moto

Halijoto ya kawaida

[Picha]

Ona ukubwa wa watu

[Picha katika ukurasa wa 23]

Picha zote kwenye ukurasa wa 23-25 isipokuwa saa: Courtesy of Bethlehem Steel