Міцна і водночас витончена

ЗАВДЯКИ їй фортепіано виграє чарівні звуки, реактивний літак створює звуковий удар, годинник цокає, мотор гуде, хмарочос зноситься аж до неба, а висячий міст продовжує висіти. Хто ж вона така?

Це сталь. Вона просто незамінна на великих будовах. Кораблі-велетні, виготовлені з неї, борознять усі моря та океани. Стальні трубопроводи, завдовжки сотні кілометрів, несуть із далеких свердловин нафту й газ. Однак на цьому роль універсального металу в нашому щоденному житті не закінчується. Подумайте, наприклад, про зміцнені сіткою стальних кордів шини автобуса, яким їдете на роботу, або стальні троси, на котрих підіймається та опускається ліфт у вашому будинку. А що сказати про стальні шарніри ваших окулярів чи стальну ложечку, якою помішуєте чай? Цей витончений, але міцний метал має неймовірно широку сферу застосувань. Як його виготовляють і завдяки чому він настільки корисний для людини?

Вуглець і кристалічна структура

Сталь — це сплав, або поєднання, двох зовсім не підхожих партнерів — заліза та вуглецю. У порівнянні з іншими металами чисте залізо м’яке і тому непридатне для тяжкої роботи. А вуглець взагалі належить до неметалів. Алмази та сажа з димаря — то просто різні форми цього елемента. Проте якщо невелику частину вуглецю додати до розтопленого заліза, то отримаємо матеріал, що зовсім не нагадує вуглець і є набагато міцнішим, ніж залізо.

Таємниця сталі криється в її кристалічних структурах. Чи ви знаєте, що залізо теж має кристалічну будову? * По суті, вона притаманна всім твердим металам, і саме завдяки їй вони легко піддаються обробці та мають блиск й інші характерні властивості. Але цим роль кристалічної решітки заліза не вичерпується.

Вплив кристалічної структури на сталь

Щоб отримати сталь, до розплавленого заліза додають різні домішки. Коли цей сплав твердне, залізо розчиняє інші речовини, тобто поглинає їх і утримує всередині своєї кристалічної решітки. Інші метали реагують так само. Чим же тоді вирізняється залізо?

Унікальність заліза полягає в тому, що під дією високої температури можна змінити тип його кристалічної решітки, а воно й надалі залишатиметься твердим. Завдяки цьому розташування атомів у цій решітці змінюється від більш щільного до менш щільного й навпаки. Уявіть собі, що ви сидите у добротно побудованому домі, стіни якого рухаються в сторони, а підлога вверх і вниз. Щось подібне відбувається в кристалічній решітці заліза, коли метал сильно нагрівають (але не до температури плавлення), а потім охолоджують.

Якщо ж у цей час присутній вуглець, тоді твердий сплав може стати м’яким, а м’який — твердим. Металурги використовують цю особливість і досягають відповідної твердості металу за допомогою різних термічних обробок, таких, як гартування, відпускання та відпалювання *. Але й це ще не все.

Коли додати інші речовини, наприклад марганець, молібден, нікель, ванадій, кремній, свинець, хром, бор, вольфрам або сірку, то сталь виходить не лише тверда чи м’яка, але й міцна, пружна, ковка, нержавіюча, придатна  для механічної обробки, гнучка, магнітна, немагнітна тощо. Подібно як пекар для випічки різних сортів хліба підбирає відповідні складники й температуру, так і металурги, щоб виготовити тисячі видів сталі з найрізноманітнішими властивостями, використовують різні домішки та належну термічну обробку. Стальні рейки успішно перевозять товарні поїзди, що важать по 12 000 тонн, а стальний підшипник завбільшки з голівку шпильки підтримує балансир годинника.

Виробництво сталі в минулому й сьогодні

Багато століть тому ковалі виготовляли із заліза різне начиння та зброю. Вони виявили, що виплавлене залізо (залізо, добуте із залізоносної породи, або руди) мало домішки, котрі надавали металу міцності та твердості. Крім того, вони зрозуміли, що гартування залізних знарядь у воді робило їх ще твердішими. Сьогодні на зміну горну коваля прийшли величезні печі, а гігантські прокатні стани замінили молот і ковадло. Але в сучасних процесах метал проходить ті самі стадії, через які його пропускали в старі часи м’язисті ковалі. Вони 1) розплавлювали залізо, 2) додавали різні домішки, 3) охолоджували сталь і 4) формували її й піддавали термічній обробці.

Зверніть увагу на кількість сировини, поданої в рамці. Хоча вона здається вражаючою, але металургійний завод спокійно справляється з нею за один день. Територія заводу справді величезна, там височіють гори руди, які він із ненаситністю пожирає.

Дивовижний метал набирає різних форм

Застосування сталі неймовірно різноманітне, іноді її можна побачити у зовсім несподіваних місцях. Наприклад, під кришкою рояля. Розміщені там струни виготовлені з одного із найміцніших видів сталі, і завдяки їм народжується чудова музика. Із сталі Гадфільда, що містить домішки марганцю, роблять велетенські дробарки каменю. Ця сталь від важкої роботи лише загартовується й стає міцнішою. А з нержавіючої сталі виливають хірургічні скальпелі, роблять винні бочки та морожениці. Зі сталі виробляють стільки речей, скільки у вас волосся на голові,— всіх і не перелічиш.

Кожного року у світі виплавляють майже 800 000 000 тонн цього металу. Але без заліза, яке, виявляється, належить до найпоширеніших на землі елементів, не можна було б отримати й грама сталі. Оскільки вугілля та вапняку на нашій планеті теж не бракує, майбутні покоління, мабуть, також матимуть більш ніж достатньо сталі.

Отож, коли ви наступного разу шитимете металевою голкою чи закидатимете спінінг, користуватиметеся розвідним гайковим ключем чи відкриватимете ворота сталевої решітчастої огорожі, подорожуватимете автомобілем чи оратимете рівні борозни в полі, подумайте про незвичайне поєднання заліза й вуглецю, завдяки якому можете все це робити.

[Примітки]

[Рамка на сторінці 23]

Що потрібно для виробництва 10 000 тонн сталі

6500 тонн вугілля

13 000 тонн залізної руди

2000 тонн вапняку

2500 тонн сталевого брухту

1 500 000 000 літрів води

900 000 кубічних метрів повітря

 [Рамка/Ілюстрації на сторінках 24, 25]

Виробництво сталі

Деякі деталі упущено для спрощення малюнка.

Виплавлення сталі відбувається за дуже високих температур. Скористаймося ж термометром як дороговказом і здійснімо подорож від початку й аж до кінця виготовлення сталі.

▪ 1400°C. У герметичних камерах величезних печей нагрівають до високої температури кам’яне вугілля. При цьому виділяються й випаровуються небажані речовини, а залишається чорна речовина — кокс, що служить джерелом палива та вуглецю, необхідних для подальших процесів.

▪ 1650°C. У доменну піч засипають кокс, залізну руду та вапняк, які натрапляють там на вогненне море та потоки розжареного повітря. Під час горіння коксу виділяється неймовірно багато тепла, під дією якого небажані речовини в руді поєднуються з вапняком і утворюють побічний продукт — шлак. Розплавлений метал осідає на дно печі, а шлак, що залишається на поверхні чавуну, випускають у ківш. Рідкий чавун також зливають у ковші, які везуть свій розжарений товар до наступної станції.

▪ 1650°C. У 9-метровий грушоподібний апарат, що називається кисневим конвертором, завантажують 90 тонн ретельно відібраного брухту. З величезного ковша на брухт ллють рідкий  чавун, від чого розлітаються снопи іскор, а тоді в конвертор опускають охолоджувану водою трубку, що називається фурмою. З фурми із свистом вихоплюється потужний струмінь чистого кисню, від якого невдовзі метал починає кипіти, як суп на плиті. Відбуваються хімічні реакції. Менш як за годину конвертор закінчує свою роботу й 300 тонн рідкої сталі, або плавки, зливають у транспортні ковші. Додають відповідні домішки, і розтоплена маса тече до розливних машин. Сталь починає набирати форми.

▪ 1200°C. Розпечені до червоного сталеві зливки стискують дедалі сильніше між валками, поки не буде досягнуто відповідної товщини. Внаслідок такої суворої обробки метал стає настільки твердим, що вже більше не піддається формуванню.

▪ Кімнатна температура. Сталь уже розлили, порізали, піддали холодній та гарячій прокатці і навіть провели її травлення (очистили у кислотній ванні). Її неодноразово нагрівали, але зрештою температура остаточно впала до нормальної. Рідка сталь, або плавка, перетворилася у штабелі сталевих листів. Незабаром у майстерні з них виготовлять вентиляційні канали для адміністративного будинку.

Оскільки основні частини апаратів, у яких виробляють сталь, виготовлені з того самого металу, чому ж тоді в процесі роботи вони не плавляться? Тому що печі та ковші зсередини викладені цеглою із вогнетривкого матеріалу. Кисневий конвертор захищений метровим шаром такої цегли. Однак вона також зазнає руйнівної шкоди від неймовірно високої температури, тому її регулярно замінюють.

[Схема]

(Повністю форматований текст дивіться в публікації)

1. ВИРОБНИЦТВО ЧАВУНУ

1400°C Кам’яне вугілля → Коксові печі

↓

1650°C Вапняк

Залізна руда → ДОМЕННА ПІЧ

↓

Рідкий чавун

2. ВИРОБНИЦТВО СТАЛІ ↓

1650°C Брухт

Вапно і флюси

Кисень

↓

КИСНЕВИЙ КОНВЕРТОР

3. ОХОЛОДЖЕННЯ ↓

БЕЗПЕРЕРВНА РОЗЛИВКА

Блюм

Заготовка

Сляб

4. ЗАВЕРШАЛЬНІ РОБОТИ ↓

1200°C Прокатка сталі (бруси або балка)

Оцинковування

Холодна прокатка

Гаряча прокатка

Кімнатна температура

[Ілюстрація]

Зверніть увагу на величину людей.

[Відомості про ілюстрацію, сторінка 23]

Всі фотографії на сторінках 23—25, окрім годинника: з люб’язного дозволу Bethlehem Steel