Ένας Σκληρός Εργάτης με Λεπτή «Κράση»

ΧΑΡΗ σε αυτόν το πιάνο παράγει μουσική, τα αεριωθούμενα αεροπλάνα σπάζουν το φράγμα του ήχου, τα ρολόγια χτυπούν, οι μηχανές λειτουργούν, οι ουρανοξύστες υψώνονται ως τον ουρανό και οι κρεμαστές γέφυρες παραμένουν κρεμασμένες. Τι είναι;

Είναι ο χάλυβας. Ο χάλυβας αποτελεί βασικό υλικό σε μεγάλα κατασκευαστικά έργα. Τεράστια πλοία φτιαγμένα από χάλυβα διασχίζουν τους ωκεανούς. Χαλύβδινοι αγωγοί μεταφέρουν πετρέλαιο και αέριο σε απόσταση εκατοντάδων χιλιομέτρων από μακρινές πηγές. Ωστόσο, υπάρχουν πολύ περισσότεροι λόγοι για τους οποίους αυτό το πολύχρηστο υλικό αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της καθημερινής ζωής. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, τα ελαστικά με χαλύβδινο σκελετό που έχει το λεωφορείο το οποίο παίρνετε για τη δουλειά σας ή το συρματόσχοινο που ανεβοκατεβάζει τον ανελκυστήρα στην πολυκατοικία σας. Τι θα πούμε για τις χαλύβδινες αρθρώσεις που έχουν τα γυαλιά σας και το χαλύβδινο κουτάλι με το οποίο ανακατεύετε το τσάι σας; Αυτό το ανθεκτικό και ωστόσο «λεπτό» μέταλλο έχει χιλιάδες χρήσεις. Πώς παράγεται, και τι είναι αυτό που το κάνει τόσο χρήσιμο;

Άνθρακας και Κρύσταλλοι

Ο χάλυβας είναι κράμα, ή αλλιώς μείγμα, δύο ανόμοιων στοιχείων που συνδυάζονται​—του σιδήρου και του άνθρακα. Ο καθαρός σίδηρος είναι μαλακός, ως μέταλλο, και επομένως ακατάλληλος για υπερβολικά απαιτητικές εφαρμογές. Ο άνθρακας είναι αμέταλλο χημικό στοιχείο. Τα διαμάντια και ο καπνός που βγαίνει από την καμινάδα είναι απλώς διαφορετικές μορφές αυτού του συγκεκριμένου στοιχείου. Αλλά αν μια μικρή ποσότητα άνθρακα αναμειχθεί με λιωμένο σίδηρο, το αποτέλεσμα που προκύπτει είναι ένα υλικό πολύ διαφορετικό από τον άνθρακα και πολύ πιο ισχυρό από το σίδηρο.

Καθοριστικό ρόλο στην παραγωγή χάλυβα παίζουν οι αποκαλούμενοι κρύσταλλοι. Γνωρίζατε ότι ο σίδηρος αποτελείται από κρυστάλλους;a Στην πραγματικότητα, αυτό αληθεύει για όλα τα στερεά μέταλλα, και αυτή η κρυσταλλική δομή είναι που τους δίνει ελατότητα, στιλπνότητα και άλλα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Ωστόσο, οι κρύσταλλοι του σιδήρου κάνουν κάτι περισσότερο.

Η Επίδρασή τους στο Χάλυβα

Κατά την παραγωγή του χάλυβα, ο λιωμένος σίδηρος αναμειγνύεται με άλλα στοιχεία. Καθώς αυτό το μείγμα στερεοποιείται, ο σίδηρος διαλύει τα άλλα υλικά, στην πραγματικότητα απορροφώντας τα και δεσμεύοντάς τα μέσα στις κρυσταλλικές του δομές. Και άλλα μέταλλα έχουν ίδια συμπεριφορά. Τι το ιδιαίτερο συμβαίνει με το σίδηρο;

Ο σίδηρος είναι ασυνήθιστος επειδή η κρυσταλλική του δομή μπορεί να μεταβληθεί με τη θερμότητα ενόσω παραμένει στερεός. Αυτό το χαρακτηριστικό επιτρέπει στους κρυστάλλους του σιδήρου να μεταβάλλονται από μια σχετικά κλειστή διάταξη σε πιο ανοιχτή και κατόπιν να επανέρχονται στην προηγούμενη κατάσταση. Φανταστείτε ένα καλοχτισμένο σπίτι του οποίου οι τοίχοι κινούνται στα πλάγια και το πάτωμα ανεβοκατεβαίνει ενώ εσείς κάθεστε στο σαλόνι. Κάτι παρόμοιο συμβαίνει μέσα στους κρυστάλλους του σιδήρου όταν αυτό το μέταλλο εκτίθεται σε υψηλή θερμοκρασία χωρίς να λιώνει και έπειτα ψύχεται.

Αν υπάρχει άνθρακας στη διάρκεια αυτών των μεταβολών, τότε ένα σκληρό κράμα μπορεί να μαλακώσει ή ένα μαλακό κράμα μπορεί να σκληρύνει. Οι παραγωγοί χάλυβα το εκμεταλλεύονται αυτό και ρυθμίζουν τη σκληρότητα του προϊόντος τους με θερμικές κατεργασίες όπως είναι η βαφή, η επαναφορά και η ανόπτηση.b Ωστόσο, υπάρχουν και άλλες δυνατότητες.

Όταν ο χάλυβας αναμειγνύεται με άλλα στοιχεία​—όπως το μαγγάνιο, το μολυβδαίνιο, το νικέλιο, το βανάδιο, το πυρίτιο, ο μόλυβδος, το χρώμιο, το βόριο, το βολφράμιο ή το θείο​—δεν γίνεται μόνο σκληρός ή μαλακός αλλά και ισχυρός, ανθεκτικός, ελατός, αδιάβρωτος, ευκατέργαστος, εύκαμπτος, μαγνητικός, μη μαγνητικός—​και ο κατάλογος δεν τελειώνει. Όπως ακριβώς ένας αρτοποιός προσαρμόζει τα υλικά του και ρυθμίζει τη θερμοκρασία του φούρνου για να φτιάξει διαφορετικά είδη ψωμιού, έτσι και οι μεταλλουργοί χρησιμοποιούν μια ποικιλία από κράματα και θερμικές κατεργασίες για να παραγάγουν χιλιάδες διαφορετικά είδη χάλυβα τα οποία έχουν πολλαπλή χρησιμότητα. Χαλύβδινες σιδηροτροχιές συγκρατούν με ασφάλεια φορτηγά τρένα 12.000 τόνων, ενώ χαλύβδινα έδρανα στο μέγεθος κεφαλιού καρφίτσας κρατούν τον τροχό αντιστάθμισης του ρολογιού.

Χαλυβουργία​—Παλιά και Σύγχρονη Μέθοδος

Πριν από αιώνες, οι μεταλλοτεχνίτες έφτιαχναν σκεύη και όπλα από σίδηρο. Ανακάλυψαν ότι ο λιωμένος σίδηρος (σίδηρος ξεχωρισμένος από μεταλλοφόρα πετρώματα τα οποία αποκαλούνται σιδηρομεταλλεύματα) είχε προσμείξεις που έδιναν στο μέταλλο δύναμη και σκληρότητα. Έμαθαν επίσης ότι η βαφή κάποιου σιδερένιου εργαλείου στο νερό το έκανε ακόμη σκληρότερο. Σήμερα τεράστιες υψικάμινοι έχουν αντικαταστήσει το παραδοσιακό καμίνι του σιδερά, και γιγαντιαία εργοστάσια έλασης μετάλλων έχουν αντικαταστήσει το σφυρί και το αμόνι του. Αλλά οι σύγχρονοι μεταλλουργοί ακολουθούν τα ίδια βασικά βήματα που ακολουθούσαν και οι γεροδεμένοι σιδηρουργοί του παρελθόντος: (1) Λιώνουν το σίδηρο, (2) τον αναμειγνύουν με άλλα υλικά, (3) αφήνουν το χάλυβα να ψυχθεί και (4) του δίνουν μορφή και τον υποβάλλουν σε θερμική κατεργασία.

Παρατηρήστε τις ποσότητες στο διπλανό πλαίσιο. Μολονότι είναι εντυπωσιακές, ένα χαλυβουργείο μπορεί να τις απορροφήσει όλες μέσα σε μία μόνο ημέρα. Οι εγκαταστάσεις του καταλαμβάνουν μια τεράστια περιοχή όπου υπάρχουν πανύψηλοι σωροί από μέταλλα τα οποία ικανοποιούν την ακόρεστη όρεξή του.

Θαυμάσιο Μέταλλο με Πολλές Χρήσεις

Η χρησιμότητα του χάλυβα είναι φανερή σε πολλά ασυνήθιστα μέρη. Θα τον βρείτε κάτω από το καπάκι ενός πιάνου με ουρά. Οι χορδές του, κατασκευασμένες από τα πιο ισχυρά είδη χάλυβα, παράγουν ωραία μουσική. Ο μαγγανιούχος χάλυβας Χάτφιλντ χρησιμοποιείται για την κατασκευή γιγαντιαίων μηχανημάτων θρυμματισμού βράχων, και όσο περισσότερο καταπονείται σπάζοντας ογκόλιθους τόσο πιο ανθεκτικός γίνεται. Ο ανοξείδωτος χάλυβας χρησιμοποιείται σε χειρουργικά νυστέρια, δοχεία κρασιού και παγωτομηχανές. Οι εφαρμογές του χάλυβα είναι αμέτρητες σαν τις τρίχες του κεφαλιού σας.

Κάθε χρόνο, παράγονται περίπου 800.000.000 τόνοι χάλυβα σε όλο τον κόσμο. Ούτε ένα γραμμάριο χάλυβα δεν θα ήταν διαθέσιμο αν δεν υπήρχε ο σίδηρος, ο οποίος συμβαίνει να είναι ένα από τα στοιχεία της γης που συναντώνται σε πολύ μεγάλη αφθονία. Εφόσον και ο γαιάνθρακας και ο ασβεστόλιθος είναι διαθέσιμοι σε μεγάλες ποσότητες, φαίνεται ότι θα υπάρχει επάρκεια χάλυβα για αρκετό καιρό στο μέλλον.

Έτσι λοιπόν, την επόμενη φορά που θα ράψετε με μια μεταλλική βελόνα ή θα πετάξετε το αγκίστρι για να ψαρέψετε ή την επόμενη φορά που θα χρησιμοποιήσετε ένα γαλλικό κλειδί ή θα ανοίξετε μια εξώπορτα ασφαλισμένη με αλυσίδα ή την επόμενη φορά που θα ταξιδέψετε με αυτοκίνητο ή θα οργώσετε ένα χωράφι, να θυμάστε το εκπληκτικό μείγμα σιδήρου και άνθρακα που σας δίνει τη δυνατότητα να τα κάνετε όλα αυτά.

[Υποσημειώσεις]

[Πλαίσιο στη σελίδα 23]

Υλικά που απαιτούνται για την παραγωγή 10.000 τόνων χάλυβα

6.500 τόνοι γαιάνθρακας

13.000 τόνοι σιδηρομεταλλεύματα

2.000 τόνοι ασβεστόλιθος

2.500 τόνοι υπολείμματα χάλυβα

1.500.000.000 λίτρα νερό

80.000 τόνοι αέρας

[Πλαίσιο/Εικόνες στη σελίδα 24, 25]

Πως Παράγεται Ο Χάλυβας

Μερικές λεπτομέρειες παραλείπονται για να απλοποιηθεί η απεικόνιση

Στη χαλυβουργία η θερμότητα είναι απαραίτητη. Με ένα θερμόμετρο για οδηγό, ας ακολουθήσουμε την πορεία του χάλυβα προς την τελική του μορφή.

◼ 1400°C. Τεράστιες κάμινοι θερμαίνουν το γαιάνθρακα σε αεροστεγείς θαλάμους, εξατμίζοντας τις ανεπιθύμητες ουσίες χωρίς όμως να αναλίσκονται τα κομμάτια του. Τα μαύρα μεγάλα τεμάχια που προκύπτουν ονομάζονται κοκ, και προσφέρουν θερμότητα και άνθρακα​—τα οποία θα χρειαστούν αργότερα στην πορεία.

◼ 1650°C. Το κοκ, το σιδηρομετάλλευμα και ο ασβεστόλιθος ρίχνονται σε μια υψικάμινο, όπου συναντούν ένα τείχος από φλόγες και υπερθερμασμένο αέρα. Το κοκ καίγεται και, λόγω της τεράστιας θερμότητας που δημιουργείται, το ανεπιθύμητο υλικό του σιδηρομεταλλεύματος ενώνεται με τον ασβεστόλιθο, σχηματίζοντας ένα υποπροϊόν που ονομάζεται σκουριά. Τα υπόλοιπα υλικά υγροποιούνται και κατακάθονται στον πυθμένα της υψικαμίνου. Η σκουριά, που επιπλέει πάνω στο σίδηρο, διοχετεύεται σε ένα δοχείο για να απομακρυνθεί. Το τήγμα του σιδήρου χύνεται σε βαγόνια-τορπίλες που μεταφέρουν το καυτό τους φορτίο στον επόμενο σταθμό.

◼ 1650°C. Ενενήντα τόνοι προσεκτικά επιλεγμένων υπολειμμάτων μετάλλου ρίχνονται σε ένα δοχείο ύψους 9 μέτρων το οποίο έχει σχήμα αχλαδιού και είναι γνωστό ως η βασική κάμινος οξυγόνου. Μια τεράστια «κουτάλα» χύνει τον καυτό υγρό σίδηρο πάνω στα μέταλλα κακής ποιότητας, δημιουργώντας έντονο σπινθηρισμό καθώς ένας υδρόψυκτος αγωγός που ονομάζεται αυλός κατεβαίνει μέσα στο δοχείο. Από τον αυλό διοχετεύεται ένας υπερηχητικός πίδακας καθαρού οξυγόνου, πράγμα που σύντομα κάνει το μέταλλο να βράζει σαν σούπα πάνω στη φωτιά. Λαβαίνουν χώρα χημικές αντιδράσεις. Σε λιγότερο από μία ώρα, η κάμινος έχει ολοκληρώσει το έργο της, και μια φουρνιά 300 τόνων υγρού χάλυβα χύνεται μέσα στις «κουτάλες» μεταφοράς. Προστίθενται κράματα. Το πυρωμένο υλικό κυλάει μέσα στις μηχανές χύτευσης. Ο χάλυβας αρχίζει να παίρνει σχήμα.

◼ 1200°C. Ο πυρακτωμένος χάλυβας πιέζεται όλο και πιο δυνατά ανάμεσα σε κυλίνδρους ωσότου επιτευχθεί το επιθυμητό πάχος. Αυτή η απαιτητική διαδικασία κάνει το μέταλλο σκληρό​—τόσο σκληρό ώστε δεν επιδέχεται περαιτέρω διαμόρφωση.

◼ Θερμοκρασία δωματίου. Ο χάλυβας έχει χυτευτεί, έχει κοπεί, έχει περάσει από θερμούς και ψυχρούς κυλίνδρους, και ακόμη έχει καθαριστεί με οξέα. Έχει θερμανθεί επανειλημμένα. Τελικά η θερμοκρασία πέφτει οριστικά. Ο υγρός χάλυβας έχει μετατραπεί σε πολλά φύλλα χάλυβα. Στη συνέχεια, κάποιο μεταλλουργείο θα φτιάξει από αυτόν σωληνώσεις για ένα συγκρότημα γραφείων.

Εφόσον τα βασικά μέρη ενός χαλυβουργείου είναι κατασκευασμένα από αυτό το ίδιο μέταλλο, γιατί δεν λιώνουν όταν ακολουθούν αυτή τη διαδικασία; Οι εσωτερικές επιφάνειες στις καμίνους, στα βαγόνια-τορπίλες και στις «κουτάλες» είναι επιστρωμένες με πλίνθους από άκαυστο, πυρίμαχο υλικό. Μια επίστρωση πάχους ενός μέτρου από αυτό το υλικό προστατεύει τη βασική κάμινο οξυγόνου. Αλλά και αυτές οι πλίνθοι φθείρονται από την υπερβολική ζέστη και πρέπει να αντικαθίστανται τακτικά.

[Διάγραμμα]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

1. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΣΙΔΗΡΟΥ

1400°C Γαιάνθρακας → Κάμινοι παραγωγής κοκ

↓

1650°C Ασβεστόλιθος

Σιδηρο-μετάλλευμα → ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ

↓

Τήγμα σιδήρου

2. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΧΑΛΥΒΑ ↓

1650°C Υπολείμματα μετάλλου

Ασβέστης και συλλίπασμα

Οξυγόνο

↓

ΒΑΣΙΚΗ ΚΑΜΙΝΟΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ

3. ΨΥΞΗ ↓

ΣΥΝΕΧΗΣ ΧΥΤΕΥΣΗ

Πλινθώματα

Ράβδοι

Πλάκες

4. ΦΙΝΙΡΙΣΜΑ ↓

1200°C Έλαση χάλυβα (σε ράβδους ή δοκούς)

Γαλβάνισμα

Ψυχρή Έλαση

Θερμή Έλαση

Θερμοκρασία δωματίου

[Εικόνα]

Παρατηρήστε το μέγεθος των ανθρώπων

[Ευχαριστίες για την προσφορά της εικόνας στη σελίδα 23]

Όλες οι φωτογραφίες στις σελίδες 23-25 εκτός από το ρολόι: Ευγενής παραχώρηση από Bethlehem Steel