Ārkārtīgi izturīgs, tomēr bezgala smalks

AR TĀ palīdzību klavieres rada mūziku, reaktīvās lidmašīnas rēcot šķeļ gaisu, pulksteņi tikšķ, motori rūc, debesskrāpji izslejas augstu jo augstu un iekārtie tilti savieno upju krastus. Par ko ir runa?

Par tēraudu. Tērauds ir lielu konstrukciju neatņemama sastāvdaļa. No tā ir būvēti okeāna laineri, kas šķērso visas pasaules jūras. Nafta un gāze no to tālajām ieguves vietām līdz pārstrādes vietām un patērētājiem plūst pa tērauda caurulēm. Taču ar šo materiālu mēs sastopamies ļoti bieži arī ikdienā. Piemēram, autobusiem var būt riepas ar tērauda kordiem, un dzīvojamo māju lifti ir iekārti tērauda trosēs. Tāpat briļļu rāmjiem ir tērauda eņģītes. Un, ļoti iespējams, arī tējkarote, ar ko jūs šorīt samaisījāt tēju, bija no tērauda. Tērauda izmantošanas veidiem nav gala. No tā veido gan milzīgas, izturīgas konstrukcijas, gan arī ļoti smalkas detaļas. Kā tiek iegūts tērauds, un kāpēc tas ir tik noderīgs?

Ogleklis un kristālrežģi

Tērauds ir divu pilnīgi atšķirīgu elementu — dzelzs un oglekļa — sakausējums. Tīra dzelzs, salīdzinot ar citiem metāliem, ir samērā mīksts materiāls, un tāpēc nav noderīga tad, ja izstrādājumam jāiztur liela slodze. Savukārt ogleklis ir nemetālisks. Dimanti un kvēpi ir oglekļa dažādas formas. Ja dzelzij pievieno nedaudz oglekļa, rodas materiāls, kas ļoti atšķiras no oglekļa un ir daudz izturīgāks par dzelzi.

Tērauda izgatavošanas procesā svarīga nozīme ir vielu kristāliskajai uzbūvei. Vai jūs zinājāt, ka dzelzij ir kristāliska uzbūve? Patiesībā visiem metāliem cietā stāvoklī ir šāda uzbūve, un tāpēc tie ir apstrādājami, tiem piemīt spīdums un vēl vairākas metāliem raksturīgas īpašības. Bet dzelzs kristālrežģim ir kāda interesanta iezīme.

Dzelzs kristāliskā uzbūve un tērauds

Tērauda iegūšanas procesā izkausēta dzelzs savienojas ar citiem elementiem. Savienojumam sacietējot, dzelzs izšķīdina citus materiālus un iekļauj tos savā kristālrežģa struktūrā. Tāda īpašība piemīt arī citiem metāliem. Bet kas ir īpašs dzelzī?

Dzelzs ir neparasta tāpēc, ka, siltuma ietekmē mainoties tās kristālrežģim, tā saglabā cietu formu. Šī īpašība ļauj dzelzij izplesties un sakļauties. Iedomājieties, ka jūs sēžat lieliski uzceltas mājas istabā un pēkšņi sāk attālināties sienas, ceļas augstāk griesti, bet grīda noslīd zemāk. Kaut kas līdzīgs notiek dzelzs kristālu iekšienē, kad metāls tiek sakarsēts līdz augstai temperatūrai — bet ne izkausēts — un tad atkal atdzesēts.

Ja šo procesu laikā ir klāt ogleklis, tad ciets sakausējums var kļūt mīksts, bet mīksts — ciets. Tāpēc tērauda ražotāji var iegūt dažādas cietības tēraudu, izmantojot tādus termiskās apstrādes procesus kā rūdīšana, atlaidināšana un atkvēlināšana. * Bet tas vēl nav viss.

Piekausējot tēraudam tādus elementus kā mangānu, molibdēnu, niķeli, vanādiju, silīciju, svinu, hromu, boru, volframu vai sēru, mainās ne tikai tērauda cietības pakāpe, bet arī stiprība, nodilumizturība, plastiskums, spēja pretoties  korozijai, apstrādājamība, magnētisms, kā arī citas īpašības. Tieši tāpat kā maiznieks, lai izceptu dažādas maizes šķirnes, izmanto dažādas izejvielas un cep atšķirīgos krāsns režīmos, arī metalurgi maina sakausējuma sastāvu un termiskos apstrādes procesus, lai ražotu tūkstošiem tērauda veidu. Piemēram, no viena veida tērauda izgatavo dzelzceļa sliedes, pa kurām var braukt 12 000 tonnu smags preču vilciens, bet no cita veida tērauda izgatavo pulksteņa balansa asi kniepadatas galviņas lielumā.

Tērauda ražošana senatnē un mūsdienās

Jau izsenis amatnieki no dzelzs ir pagatavojuši darbarīkus un ieročus. Viņi atklāja, ka no rūdas iegūtajai dzelzij ir piemaisījumi, kas metālam piešķir stiprību un cietību. Tāpat viņi atklāja, ka, rūdījot dzelzs darbarīku ūdenī, tā cietība vēl vairāk palielinās. Mūsdienās kalēja smēdi ir nomainījušas metalurģiskās rūpnīcas, kurās ēzes vietā ir rūpnieciskās krāsnis, bet laktas un vesera vietā ir varenas velmēšanas mašīnas. Tomēr muskuļoto kalēju amata noslēpumi nav aizmirsti, jo mūsdienu tēraudražošanas pamati būtībā neatšķiras no tiem laikiem. Pirmkārt, dzelzi kausē, otrkārt, pievieno dažādas piedevas, treškārt, ļauj tēraudam atdzist un, ceturtkārt, piešķir vajadzīgo formu un termiski apstrādā galaproduktu.

Ielogojumā var redzēt, kāds iespaidīgs materiālu daudzums ir vajadzīgs metalurģiskajai rūpnīcai. Un to visu rūpnīca var ”apēst” vienā dienā! Rūpnīcas plašajā teritorijā slejas veseli izejvielu kalni, kas gaida savu kārtu, lai pazustu tās iekšienē.

Kur gan tik neizmanto šo apbrīnojamo metālu!

Tērauda izmantošanas iespējas ir neaptverami plašas. Piemēram, paverot flīģeļa vāku, var redzēt no īpaši izturīga tērauda pagatavotas stīgas. Bet gigantiskās drupinātājmašīnās izmanto Hedfīlda mangāntēraudu, kas darba procesā kļūst vēl stiprāks. No nerūsējošā tērauda izgatavo ķirurgu skalpeļus, vīna tvertnes un saldējuma ražošanas mašīnas. Nevar pat uzskaitīt visus tērauda izmantošanas veidus.

Ik gadus pasaulē tiek saražots gandrīz 800 000 000 tonnu tērauda. Nevienu kilogramu tērauda nevarētu iegūt bez dzelzs, kas ir viens no biežāk sastopamākajiem elementiem uz Zemes. Tā kā akmeņogles un kaļķakmens arī ir lielā daudzumā, tad ar tērauda ražošanu vismaz tuvākajā nākotnē nebūs grūtību.

Nākamreiz, kad šūsiet ar metāla adatu, piestiprināsiet āķi pie makšķerauklas, lietosiet uzgriežņu atslēgu, noņemsiet ķēdi, lai atvērtu vārtus, brauksiet ar autobusu vai arsiet tīrumu, atcerieties tēraudu — neparasto dzelzs un oglekļa savienojumu.

[Zemsvītras piezīme]

[Papildmateriāls 23. lpp.]

Kas vajadzīgs 10 000 tonnu tērauda izgatavošanai

6500 tonnu akmeņogļu

13 000 tonnu dzelzs rūdas

2000 tonnu kaļķakmens

2500 tonnu tērauda lūžņu

1 500 000 kubikmetru ūdens

80 000 tonnu gaisa

 [Papildmateriāls/Attēli 24., 25. lpp.]

Tērauda ražošana

Dažas detaļas uzskatāmības dēļ ir izlaistas

Tērauda ražošanas procesā tiek izmantotas augstas temperatūras. Izsekosim šim procesam un paskatīsimies, kas notiek dažādās temperatūrās.

▪ 1400°C. Lielās krāsnīs hermētiski noslēgtās kamerās tiek karsētas akmeņogles, iztvaicējot nevajadzīgās vielas, bet saglabājot pašas akmeņogles. Iegūtā gabalainā masa ir kokss, kas pēc tam noder par kurināmo un oglekļa avotu.

▪ 1650°C. Kokss, dzelzs rūda un kaļķakmens tiek iekrauti augstā šahtveida krāsnī, ko sauc par domnu, kurā ir ļoti augsta temperatūra. Koksam sadegot, rodas milzīgs karstums, un nevēlamās vielas no dzelzs rūdas savienojas ar kaļķakmeni un veido sārņus. Derīgās vielas kļūst šķidras un nosēžas domnas dibenā. Sārņi, kas peld dzelzs virspusē, tiek nolieti vienā konteinerā, bet čuguns (dzelzs ar augstāku oglekļa saturu nekā tērauds) tiek izliets citā un nogādāts tālāk.

▪ 1650°C. Konverterā — 9 metrus augstā bumbierveidīgā krāsnī — tiek iekrautas 90 tonnas  īpaši atlasītu metāllūžņu. Pēc tam tiek ieliets verdošs čuguns, kas izraisa veselu dzirksteļu spietu. Konverterā tiek ievadīta furma — ūdens dzesēta caurule, pa kuru ar virsskaņas ātrumu ieplūst tīrs skābeklis. Šķidrais metāls, ko caurpūš ar skābekli, sāk vārīties gluži kā zupa katlā — intensīvi noris vairākas ķīmiskas reakcijas. Nepilnas stundas laikā konverterā ir iegūts 300 tonnas tērauda, ko izlej lejamkausā, kur tam pievieno vēl vairākus elementus. Pēc tam sākas tērauda liešana — ugunīgajai masai piešķir formu.

▪ 1200°C. Lai iegūtu vajadzīgo biezumu, kvēlojošais tērauds tiek velmēts. Smagajās velmēšanas iekārtās tērauds kļūst tik ciets, ka tas vairs nepakļaujas tālākai veidošanai.

▪ Istabas temperatūra. Tērauds ir ticis izliets, sagriezts, tas ir izgājis auksto un karsto velmēšanu un beigās vēl ir apstrādāts ar skābi. Apstrādes gaitā tas ir ticis uzkarsēts vairākas reizes. Beigu beigās tērauds iegūst istabas temperatūru. No kausētā tērauda ir izgatavotas tērauda loksnes. Metālapstrādes cehā no šīm loksnēm pagatavos caurules biroju kompleksam.

Tā kā lielākā daļa mašīnu metalurģiskajā rūpnīcā arī ir no tērauda, kāpēc tās nesakūst, kausējot tēraudu? Tāpēc, ka krāšņu un lejamkausu iekšpuse ir izoderēta ar karstumizturīgiem ķieģeļiem. Piemēram, konverterā izolācijas slānis ir vienu metru biezs. Bet ar laiku pat šie ķieģeļi karstuma ietekmē bojājas, un tos ik pa laikam jānomaina.

[Shēma]

(Pilnībā noformētu tekstu skatīt publikācijā)

1. ČUGUNA IEGŪŠANA

1400°C Akmeņogles → Koksa krāsnis

↓

1650°C Kaļķakmens

Dzelzs rūda → DOMNA

↓

Čuguns

2. TĒRAUDA IEGŪŠANA ↓

1650°C Metāllūžņi

Kaļķi un kušņi

Skābeklis

↓

KONVENTERS

3. ATDZESĒŠANA ↓

NEPĀRTRAUKTĀ TĒRAUDA IZLIEŠANA

Blūmi

Sagataves

Slabi

4. FORMAS PIEŠĶIRŠANA ↓

1200°C Velmēšana (stieņi vai sijas)

Galvaniskais process

Aukstā velmēšana

Karstā velmēšana

Istabas temperatūra

[Attēls]

Ievērojiet, cik sīki izskatās cilvēki

[Norāde par attēla autortiesībām 23. lpp.]

Visas fotogrāfijas 23.—​25. lappusē, izņemot pulksteni: Courtesy of Bethlehem Steel