Gå direkte til indholdet

Gå til Indhold

Stål — stærkt og dog smidigt

Stål — stærkt og dog smidigt

 Stål — stærkt og dog smidigt

DETTE MATERIALE er en væsentlig bestanddel af mange ting, lige fra ure til jet- og bilmotorer samt bærende konstruktioner til højhuse og hængebroer. Det giver desuden vellyd fra sig i klaverer. Hvad er det?

Det er stål. Dette materiale er uundværligt til vældige bygningsværker. Store skibe af stål krydser verdenshavene. I stålrør transporteres olie og gas over lange afstande. Stål optræder flere steder i hverdagen end vi måske tænker over. Der er for eksempel stålbælter i dækkene på busser, og de fleste elevatorer hænger i stålkabler. Mange briller har hængselsled af stål, og det meste bestik er også af stål. Ja, dette holdbare og dog så smidige metal har tusinder af anvendelsesmuligheder. Hvordan fremstiller man stål? Og hvad gør det så brugbart?

Kulstof og krystalstrukturer

Stål er en legering, en blanding af to vidt forskellige grundstoffer, nemlig jern og kulstof. I forhold til andre metaller er rent jern blødt og mangler derfor slidstyrke. Kulstof er et ikkemetallisk grundstof som kan optræde i så forskellige former som diamanter og sod. Men hvis smeltet jern får tilsat en smule kulstof, fremkommer der et materiale som har helt andre egenskaber end kulstof og er langt stærkere end rent jern.

Stålfremstilling afhænger allermest af krystalstrukturen. Var du klar over at jern er opbygget af krystaller? * Det gælder alle metaller i fast form, og det er krystalstrukturen der er afgørende for metallets støbelighed, glans og andre egenskaber. Jernkrystaller er derudover kendetegnet af en særlig egenskab.

Krystalstrukturen i stål

Under fremstillingen af stål bliver smeltet jern blandet med andre materialer. Under hærdningen opløser jern de øvrige stoffer ved at optage og binde dem i sine krystaller. Det sker også i andre metaller, men jern er noget for sig.

Det usædvanlige ved jern er at det selv i fast form ændrer krystalstruktur når det udsættes for varme. Jernkrystaller kan derfor ændres fra en forholdsvis lukket struktur til en mere åben, og fra en åben struktur til en lukket. Forestil dig at skillevægge og etageadskillelser i et velkonstrueret hus kan flyttes frem og tilbage. Sådan kan man illustrere hvad der foregår i jernkrystaller når metallet varmes op til en temperatur lidt under smeltepunktet og bagefter køles af.

Hvis der tilsættes kulstof, kan opvarmning og afkøling blødgøre en hård legering og hærde en blød legering. Stålværkerne udnytter dette fænomen til at give produktet den rette hårdhed ved hjælp af teknikker som bratkøling, anløbning og udglødning. * Men der er mere endnu.

Når der tilsættes andre grundstoffer, såsom mangan, molybdæn, nikkel, vanadium, silicium, bly, chrom, bor, wolfram og svovl, indvirker det ikke kun på hårdheden. Det har også  betydning for hvor stærkt, modstandsdygtigt, bøjeligt, korrosionsbestandigt, bearbejdeligt, smidigt, magnetisk eller umagnetisk stålet bliver. Ligesom en bager tilpasser ingredienserne og ovntemperaturen til det brød han skal bage, varierer stålværkerne legeringen og temperaturen alt efter hvilken af flere tusind typer stål de skal fremstille. Stål er et uovertruffent alsidigt materiale. Skinner af stål kan holde til togstammer med en vægt på 12.000 tons, mens uroen i et ur holdes på plads af lejer på størrelse med et knappenålshoved.

Produktionsmetoder gennem tiderne

For flere hundrede år siden smedede man redskaber og våben af jern. På et tidspunkt opdagede datidens smede at jern udsmeltet af malm indeholder urenheder der gør metallet stærkt og hårdt. De fandt også ud af at emnet bliver hærdet hvis man køler det i vand. I dag har store højovne erstattet grovsmedens esse, og kæmpemæssige valseværker har fortrængt hammer og ambolt. Men de grundlæggende trin i fremstillingen er de samme som dengang de muskuløse smede svang hammeren: Man smelter råjernet, tilsætter materialer, nedkøler stålet og former og varmebehandler det.

Læg mærke til de mængder der er angivet i rammen. Der er tale om imponerende mængder, men det er hvad et stålværk forbruger på en enkelt dag. Anlægget optager et betragteligt areal der omfatter oplagringsplads til de bjerge af mineraler som de umættelige ovne fortærer.

Et metal med mange muligheder

Hvor nyttigt et materiale stål er, fremgår af hvor mange forskellige steder det finder anvendelse. For eksempel er en del af de velklingende strenge i et flygel lavet af en særlig stærk type stål. Til fremstilling af knusemaskiner benyttes Hadfield-stål, som bliver hårdere med brugen. Rustfrit stål bruges til skalpeller, gæringstanke og ismaskiner. Lige så lidt som vi orker at tælle vores hovedhår, overkommer vi at opregne de mange anvendelsesmuligheder stål har.

Den årlige verdensproduktion af stål andrager knap 800.000.000 tons. Ikke et gram af det kunne blive til uden jern, som heldigvis er et af de hyppigst forekommende grundstoffer på jorden. Eftersom der også findes rigelige mængder kul og kalk, ser det ud til at stål vil være tilgængeligt i mange år endnu.

Næste gang du syr med en metalnål, fisker med krog, bruger en skruenøgle, åbner leddet i et hegn, kører i bil eller pløjer en mark, så tænk på den enestående blanding af jern og kulstof der gør dette muligt.

[Fodnoter]

^ par. 6 Et krystal er en grundenhed med plane sider og regelbundet opbygning af et eller flere grundstoffers atomer.

^ par. 10 Ved bratkøling sænkes stålets temperatur hastigt, mens afkølingen foregår trinvis ved anløbning og udglødning.

[Ramme på side 23]

Så meget bruges der til at fremstille 10.000 tons stål

6.500 tons kul

13.000 tons jernmalm

2.000 tons kalk (calciumkarbonat)

2.500 tons skrot

15.000.000 hektoliter vand

80.000 tons luft

 [Ramme/diagram på side 24, 25]

Hvordan man fremstiller stål

Nogle detaljer er udeladt af hensyn til overskueligheden

Stålproduktion kræver stærk varme. Lad os følge med i fremstillingen af et parti stål idet vi registrerer temperaturen undervejs.

1350 °C. I kæmpestore ovnes lufttætte kamre fjernes uønskede partikler fra kul. Det færdige produkt er koks, som på et senere trin bruges til brændsel der afgiver kulstof.

1650 °C. Koks, jernmalm og kalksten kommes i en højovn og udsættes her for flammer og stærkt ophedet luft der forbrænder koksene. I den svidende hede binder uønskede bestanddele i jernmalmen sig til kalken og danner et biprodukt der kaldes slagge. Det lægger sig på overfladen af det flydende råjern og tømmes over i en separat beholder. Det underliggende hvidglødende metal overføres til næste proces med en transportvogn.

1650 °C. Halvfems tons omhyggeligt sorteret skrot fyldes i en iltblæst konverter,  en 9 meter høj pæreformet beholder. Støbeskeen hælder det flydende råjern over skrottet, og der opstår et fyrværkeri af gnister idet et vandkølet rør, en såkaldt lanse, sænkes ned over blandingen. Gennem røret blæses ren ilt ned i metallet og får det til at boble som spilkogende suppe. Der foregår en række kemiske reaktioner, og på mindre end en time er dette led i processen færdigt. En ladning stål, en såkaldt charge, på 300 tons, bliver hældt i beholdere og legeret med andre materialer. Metallet hældes nu i støbeforme.

1200 °C. Det rødglødende stål valses til det får den ønskede tykkelse. Samtidig hærdes metallet til formfast gods.

Stuetemperatur. Nu er stålet støbt, udskåret, varmvalset, koldvalset og bejdset (renset i syrebad). Det har været varmet op flere gange, men er nu endelig kølet til stuetemperatur. Det flydende stål er blevet til stålplader der kort efter anvendes til fremstilling af kabelkasser som skal monteres i en kontorbygning.

Hvad er grunden til at de mange ståldele i et stålværk ikke også smelter? Det skyldes at indersiden af højovne, beholdere og støbeskeer er foret med ildfaste sten. I en iltblæst konverter er beklædningen en meter tyk. Stenene tager dog skade af den voldsomme varme og skal med mellemrum skiftes ud.

[Diagram]

(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)

1. FREMSTILLING AF RÅJERN

1350 °C Kul → Koksovne

1650 °C Kalksten

Jernmalm → HØJOVN

Smeltet jern

2. FREMSTILLING AF STÅL

1650 °C Skrot

Kalk og flusmidler

Ilt

ILTBLÆST KONVERTER

3. AFKØLING

KONTINUERT STØBNING

Luppe

Metalbarrer

Plader

4. FÆRDIGBEHANDLING

1200 °C Stålet valses (stænger eller bjælker)

Galvanisering

Koldvalsning

Varmvalsning

Stuetemperatur

[Illustration]

Bemærk hvor små mennesker er i forhold hertil

[Kildeangivelse på side 23]

Alle fotografier på side 23-25 med undtagelse af uret: Med venlig tilladelse af Bethlehem Steel