ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПУТНИКИ
Как его добывают
Из всех металлов люди больше всего пользуются железом. Из него делают почти все машины.
Железные вещи тебе чуть не каждую минуту попадаются под руку: то гвоздь, то булавка, то нож или молоток. Только эти вещи называются не железными, а стальными. А другие железные вещи - например, сковородку или кочергу - называют чугунными. Почему это так, ты скоро поймешь. Но могу тебе сразу же сказать: ты много железных вещей держал в руках, а чистого железа никогда не видал. Совсем-совсем чистое железо - это большая редкость. Его ученые, как и алюминий, с большим трудом могут получить в лаборатории. А иногда чистое железо прилетает на землю из космоса.
Падающие звезды видел? Это ведь не звезды, а кусочки небесных тел, иногда совсем маленькие, иногда большие. Когда они попадают в воздух, окружающий землю, то раскаляются, начинают светиться, потому и кажется, что звезда летит. Эти кусочки небесных тел, падающие на землю, называют метеоритами. Иногда они бывают из чистого железа. Но чаще и небесное железо соединено с другими веществами. Так что совсем чистое железо только в музее и увидишь. А в земле железо всегда с какими-нибудь примесями, всегда оно с чем-нибудь соединено.
Добывают железо из земли в таких местах, где его много скопилось. Иногда приходится глубоко копать землю, пока доберешься до железа. А иногда оно и близко от поверхности земли.
У нас на Урале есть гора, называется Магнитная. Ты знаешь, вероятно, - около нее построен огромный Магнитогорский завод. Так эта гора почти вся из железной руды.
Место, где добывают железо или другие металлы, называется рудник. Только я неправильно сказал, что в руднике добывают железо. В руднике добывают руду. Рудой называют металл вместе с камнями, глиной и кислородом. Ты уже знаешь, прочитав про алюминий, сколько нужно хлопот, чтобы получить из руды металл. С железом это тоже непросто.
Надо восстановить железо - освободить его.
Как восстанавливают железо
Строят огромную круглую печь. Она сложена из кирпича, а снаружи еще обшита стальными листами. Такую печь в дом не поставишь: Она сама высотой с десятиэтажный дом. Называется эта печь доменной или просто домной.
Чтобы выплавить из руды железо, нужен каменный уголь. Не простой каменный уголь, а специально приготовленный для домны. Его размалывают и прогревают в печах без воздуха. Такой прогретый уголь называется коксом. Он не черный, а светло-серый. Кокс трудно загорается, зато уж как разгорится, то дает очень сильный жар, и дыма от него нет.
В домну засыпают железную руду и кокс слоями. Сперва кокс, потом слой руды, потом опять кокс и опять руду. Так до самого верха печи. И еще отправляют в домну камень - известняк. Он нужен, чтобы руда легче и быстрее плавилась.
Домна не снизу загружается, как обыкновенная печь, а сверху. И нужно ей каждый день несколько поездов руды и кокса!
Руду и кокс засыпают в тележки и поднимают на канатах. Как дошла тележка с коксом до самого верха домны, там открывается заслонка. Тележка опрокидывается, и кокс сыплется внутрь печи.
Поползла пустая тележка вниз, а в это время другая наверх едет - с рудой. И тоже опрокидывается в печь. Эта канатная дорога к верхушке домны - электрическая.
А как такую печь затопить? Спросишь на заводе - засмеются. Скажут: домну не затапливают - ее задувают. Когда домну построили, прежде чем сыпать в нее первые тележки кокса, в самый низ печи насыпали дрова. А уже потом кокс. И на кокс - руду. Потом в домну начинают вдувать очень горячий воздух, такой горячий, что дрова загораются и поджигают кокс. Потому и говорят, что домну задувают.
Домну как задуют, так она несколько лет без всякого перерыва работает, днем и ночью.
Горит в домне кокс. И чем глубже опускается руда, тем жарче в печи. В нижней части домны так жарко, что руда плавится. Железо, камень, глина - все, из чего руда состоит, становится жидким. А кокс, пока горит в домне, вытягивает из руды кислород.
Тяжелыми каплями падает металл в самый низ печи. А камни и глина легче металла. Поэтому они сверху плавают.
Внизу домны два отверстия: одно повыше, другое пониже. Они накрепко забиты. Каждые два часа верхнее отверстие пробивают. Из него вытекает шлак. Так называют расплавленные камни и глину, в которых уже не осталось железа.
А нижнее отверстие пробивают реже - обычно каждые четыре часа. Из этого отверстия, когда его пробьют, вырывается металл.
Ослепительно яркая струя огня - вот как выглядит металл, когда его выпускают из домны. Во все стороны разлетаются искры. Такой жар идет от расплавленного металла, что близко стоять невозможно.
Какой же это металл выпускают из домны? Чистое железо? Казалось бы, так должно получиться. Ведь кислород из него вытянул кокс, от камней и глины освободились. А все-таки чистого железа не получилось!
Дело в том, что железо вобрало в себя часть вещества, из которого состоит кокс, - углерода. Значит, получилось не чистое железо, а железо с примесью углерода.
Так чего ради трудились? Зря? Не зря! Железо с кислородом ни для какого дела не годится, оно очень непрочное. А из сплава железа с углеродом можно сделать много вещей. Называется это железо с примесью углерода
Чугун
У чугуна есть недостаток - он хрупкий. Конечно, не такой хрупкий, как стекло. Уронишь кусок чугуна на пол - он не разобьется. А вот ударишь его посильнее молотом - разлетится на куски. Поэтому из чугуна делают только такие вещи, по которым не приходится сильно ударять.
Еще раз о домне
Давай-ка сообразим, что нужно для выплавки чугуна в домне. Железная руда, кокс, известняк… Всё? Нет, не всё. Еще нужны воздух и вода.
Стоят близ каждой доменной печи четыре круглые башни. В эти башни накачивают воздух и там греют его газом. Горячий воздух идет по трубам из башен в домну. Ведь кокс без притока воздуха не может гореть. А впустишь в домну холодный воздух, она остынет, руда не будет плавиться. Вот и накачивают в печь очень горячий воздух, чтобы жарче горел кокс и печь не остывала.
Воздух нужен, чтобы греть домну, а вода - чтобы охлаждать ее. Не внутри, конечно, а снаружи. Самый стойкий кирпич не выдержит такого сильного жара, как в доменной печи. Если печь не охлаждать снаружи, она развалится.
Угадай-ка, чего больше всего по весу нужно, чтобы из руды выплавлять чугун? Ты, вероятно, подумал, что больше всего надо руды - железо ведь тяжелое, да и камни не легкие.
Но, оказывается, вовсе не руды идет больше всего в домну. И не кокса. Воды по весу нужно больше, чем руды и кокса. Магнитогорскому заводу, например, чтобы охлаждать доменные печи, нужно больше воды, чем всей Москве - миллионам ее жителей и десяткам заводов.
А все же и не воды нужно больше всего. Никогда бы ты не догадался. Больше всего по весу идет в домну того, что почти ничего не весит, - воздуха! Чтобы выплавить одну тонну чугуна, вдувают в домну несколько тонн горячего воздуха. Для дыхания одних только магнитогорских домен нужно больше воздуха, чем для дыхания всех людей на земле.
Куда девается жидкий чугун
К доменной печи, когда пора выпускать из нее расплавленный чугун, подъезжает по рельсам огромный ковш. Его везет паровоз. Ковш подставляют под струю жидкого металла. А из ковша жидкий чугун можно разлить по небольшим формам, чтобы он в них застыл. Такие застывшие куски чугуна называют чушками. Их грузят в вагоны и отвозят на заводы, которые изготовляют чугунные вещи или части машин.
Как делают чугунные вещи
Тебе, конечно, приходилось делать пирожки из песка. Набьешь деревянную или жестяную формочку сырым песком, перевернешь ее, поставишь на землю, осторожно снимешь формочку - и готов песочный пирожок.
Вот почти так же делают чугунные вещи. Готовят формы из глины с песком и коксом. Они получаются крепкие. А пока готовят формы, чугунные чушки опять расплавляют в небольшой печи. Когда расплавится чугун, его льют в приготовленные формы. Это и называется литьем, потому что чугун льют в формы. Когда он застынет, вынимают из формы готовый утюг или какую-нибудь часть будущей машины.
У нас на Урале есть завод, где работают замечательные мастера. Они какую хочешь форму могут сделать. Зальют в нее металл - и получится чугунная лошадь или чугунные фигурки людей. Каслинский завод на весь мир знаменит своим искусством.
А для чего еще нужен чугун
Чугунные вещи изготовляют только литьем, потому что чугун хрупкий - ни молотом его нельзя ковать, ни на станке обтачивать. А нам нужно очень много вещей и машин, которые неудобно изготовлять литьем. И нужно, чтобы они не были хрупкими.
Значит, одним чугуном не обойтись.
Ты помнишь, что хрупок чугун потому, что в нем растворился углерод из кокса. Надо часть углерода выгнать из чугуна, тогда он не будет хрупким. Получится железо, которое можно и молотом обрабатывать, и на станках обтачивать.
Сорт железа, в котором углерода гораздо меньше, чем в чугуне, называется
Сталь
Это главный сорт железа, самый нужный нам. На изготовление стали идет весь чугун, кроме небольшой его части, из которой делают чугунные изделия.
Как варят сталь
Сталь варят в печах, не таких высоких, как домна, а всего двухэтажных. Печи широкие, и стоят по нескольку в ряд. В каждой печи можно бы разместить квартиру в три комнаты. Называется такая печь мартеновской или просто мартен.
Греется печь горючим газом, смешанным с воздухом. Газ горит в печи длинными, очень жаркими факелами.
Все твердые материалы, нужные для варки стали, подвозит машина с хоботом, как у слона. Только хобот этот стальной. И прицеплена к нему стальная корзина. Машина хоботом сует корзину в печь и вываливает в нее немного железной руды, известняк и другие минералы, нужные, чтобы выгнать из чугуна вредные примеси.
А еще заваливают в печь старые, отслужившие свой век стальные вещи, части машин, куски рельсов - словом, то, что называют ломом.
Вот для этого ты с товарищами и собираешь железный лом. Он в мартеновской печи начнет вторую жизнь, станет новой сталью.
Когда все эти твердые материалы расплавятся в печи, тогда начинается главное: подъезжает огромный ковш с жидким чугуном. Его выливают в печь.
И вся эта смесь - чугун, руда, известняк, стальной лом - варится несколько часов.
В печах есть маленькие окошечки. Заглянешь в них - и видно, что внутри печи делается. Но смотреть на кипящую сталь можно, как и на солнце, только через темные очки, а то глаза испортишь.
Это очень красиво. Бушует тяжелое жидкое пламя, переливается волнами, поднимается столбом, опадает и вздувается огромными пузырями.
Пока кипит металл, большая часть углерода, который был в чугуне, выгорает.
Когда сталь готова, ее, как и чугун из домны, выливают в большой ковш. А из ковша сталь разливают по высоким узким формам - изложницам. В этих формах она застывает. Получаются слитки стали такие тяжелые, что их только сильным краном можно поднять.
Есть еще и другой способ варить сталь - в больших сосудах, по форме похожих на груши. Сосуды снаружи стальные, а внутри выложены кирпичом. В конвертеры - так называются эти сосуды - заливают жидкий чугун и продувают его очень сильной струей воздуха. Большая часть углерода соединяется с кислородом воздуха и уходит из чугуна. Получается сталь.
Поначалу конвертеры делали небольшими. За один раз они давали стали гораздо меньше, чем мартеновская печь, да и сталь получалась хуже: в ней оставались вредные примеси, которые были в чугуне. Такая сталь не для всех изделий годилась. Постепенно конвертеры подросли, и ученые нашли способ получать в них сталь лучшего качества.
Теперь большую часть стали, вместо того чтобы варить в мартеновских печах, варят в конвертерах.
Этот способ по имени его изобретателя, инженера Бессемера, называют бессемеровским процессом.
Нам нужны разные сорта железа
Я уже говорил, что чистое железо - большая редкость. Химики могут приготовить его лишь долгим и сложным путем.
Но чистое железо нам ни к чему. Это очень непрочный материал - из него никакой полезной вещи не сделаешь. Прочность ему придают примеси. Одну из этих примесей ты уже знаешь - углерод. Если его много в железе, металл называют чугуном, если мало - сталью.
Чугун и сталь - главные сорта железа.
Но и сталь-то нам нужна разная. Для космической ракеты одна, для часовой пружины другая, для перочинного ножа третья.
Иногда нужна сталь очень твердая, иногда гибкая, а иногда такая, чтоб ее можно было остро отточить.
Как получают нужный сорт стали?
Пока сталь варится, в нее добавляют другие металлы - то один, то другой, то помалу, то побольше. Такие приправы - их называют присадками - друзья железа, верные его спутники.
Вот, например, нужна очень крепкая сталь. Тогда в нее добавляют
Марганец
Ты знаешь черный порошок, который продается в аптеке - марганцовокислый калий? Кинешь в стакан с водой несколько крупинок порошка, вода становится розовой. Побольше бросишь - станет лиловой. Тебе, наверное, приходилось промывать так называемой марганцовкой царапину, чтобы не загрязнилась, или полоскать ею горло, когда болит.
Это лекарство приготовлено из металла - марганца. Его в земле много. Он всегда есть и в железной руде. А оттуда попадает в чугун и в сталь. Но чтобы сталь была прочнее, в нее нужно еще марганца добавить. Сталь с марганцем может служить очень долго. И, главное, не боится никаких ударов, даже самых сильных. Интересно, что сам-то марганец хрупкий - от легкого удара крошится. А сталь он делает крепче.
Хорошо, значит, теперь у нас есть сталь, которая не расколется, хоть бей ее стопудовым молотом.
А какая нужна сталь, например, для подводной лодки? Такая, чтобы не ржавела.
Тут надо тебе рассказать, откуда берется
Ржавчина
Ты видел достаточно ржавых гвоздей, ножей и других железных вещей. А вот отчего железо ржавеет, может, и не знаешь.
Я уже говорил, что у железа есть могучий враг - кислород. Огромные доменные печи и приходится строить для того, чтобы выгнать из железной руды кислород.
Но вот беда. Человек, если у него есть враг, борется с ним или хотя бы старается не встречаться. А железо стремится к своему врагу - жадно поглощает кислород из воды и воздуха. И от этого заболевает.
Сперва на поверхности чугуна или стали появляется рыжая сыпь. Потом она проникает в глубь металла. Железо теряет прочность, крошится - и тут ему приходит конец. Оно уже никуда не годится, можно на свалку выбрасывать. А потом со свалки его отправляют в мартеновскую печь. Помнишь, я говорил, что вместе с чугуном и рудой в мартен загружают и железный лом? Этот лом - стальные и чугунные вещи, погибшие от ржавчины.
Особенно быстро ржавеет мокрое железо.
Алюминий ведет себя иначе. Приходилось тебе видеть новую алюминиевую кастрюлю или ложку и рядом старую? Вероятно, видел. Не знаю только, заметил ли, в чем между ними разница. Новая блестит, как серебряная, а старая не блестит, и цвет у нее немного изменился - она стала темнее.
Это все тот же кислород виноват. Он на воздухе соединяется с алюминием. Но только с его верхним слоем. Вот в чем его отличие от железа! Алюминий с кислородом, или, как говорят, окись алюминия, образует тонкую прочную пленку на поверхности металла. И эта пленка не пускает кислород дальше, в глубь алюминия. Металл потерял блеск, зато стойко будет сопротивляться ржавчине, не то что железо. Это очень важное качество алюминия. Если б он насквозь ржавел, нельзя было бы из него самолеты строить.
Знаешь, как много железных вещей гибнет от ржавчины? Если в городе за год появилась, скажем, тысяча новых стальных вещей или машин, то за этот же год тут выбросили триста стальных вещей и машин, погибших от ржавчины.
Когда на заводе или в совхозе заржавела машина или какая-нибудь ее часть, это сразу можно заметить и заменить ее.
А если бы подводная лодка в плавании заржавела? Ведь вода могла бы просочиться сквозь больную сталь, и тогда лодке не всплыть.
Нет, такого не будет. Не заржавеет подводная лодка. Не позволит
Хром
Это тоже металл. Самый твердый из всех металлов.
Ему много дела нашли. Ты его на ногах носишь - кожу для ботинок, чтобы дольше носились, пропитывают раствором, в котором есть хром. Такую кожу и называют хромовой.
Но это не главное.
Хром не только кожу, но и сталь делает крепче. Его немного подбавят в сталь, когда она варится, такой получается твердый сплав, что из него танки можно делать. И броню для боевых кораблей. И стволы пушек.
А если побольше хрома прибавить, тогда получится сталь для подводных лодок. Она не ржавеет. И поэтому называется
Нержавеющая сталь
Вот здорово! Почему же тогда совсем не избавиться от ржавчины? Варить бы всю сталь с хромом и не знать заботы. Или еще иначе можно: готовую стальную вещь сверху покрывать тонким слоем хрома. Такой способ есть - это так называемое хромирование стали.
Но нельзя так со всей сталью поступать. Получится очень дорогой металл. Добыть хром из руды да приготовить его так, чтобы можно было со сталью соединить, обходится недешево. А кроме того, очень твердая сталь годится не для всякого дела.
Есть и другие способы предохранить сталь от ржавчины. Например, покрыть стальную вещь масляной краской. Краска не пропустит к стали ни воды, ни воздуха. Борта теплоходов и других кораблей обычно покрывают снаружи масляной краской. И зорко следят, чтобы краска нигде не сошла. Отколупнется где-нибудь немного краски - и в этом месте появится ржавчина, которая начнет разъедать сталь.
А когда с завода отправляют какие-нибудь машины, их густо покрывают смазочным маслом. Оно тоже не пропускает ни воздух, ни воду. Но масло годится только на время, пока машина в пути. Когда надо ее в работу пускать, приходится масло стирать или смывать.
Впрочем, есть и еще один способ сделать сталь нержавеющей. Покрыть ее тонким слоем металла не такого твердого, как хром. Лучше всего для этого подходит
Никель
Большую часть нержавеющей стали делают с никелем. Этот металл по цвету похож на серебро, только с желтоватым оттенком. Можно поверхность стали покрыть пленкой никеля. Так делают, например, никелированные чайники, кофейники.
Но чаще добавляют никель в сталь, когда она варится. Такую сталь ржавчина никогда не съест.
Те из вас, кто бывал в Москве, наверное, видели, как украшена нержавеющей сталью станция метро «Площадь Маяковского». Нержавеющая сталь, соединенная с хромом или никелем, вероятно, есть и у тебя дома. Из такой стали делают ложки, вилки. И ножи делают. Только если они с хромом, остро наточить их трудно. Это потому, что хром твердый. Нержавеющие вилки и ложки довольно легкие, по цвету они немножко темнее серебра. А если есть у вас дома ложки и вилки потяжелее, похожие на серебряные, то они уже из другого сплава, без стали: из никеля, меди и цинка. Такой сплав часто называют «новое серебро». Никель идет для изготовления разных вещей, деталей машин. Только редко пользуются чистым никелем; гораздо чаще сплавляют его со сталью, иногда с медью.
Но и никель не поможет нам всю сталь делать нержавеющей. Еще дороже хромовой стали получится. Да и не хватит никеля - не очень много удается его добывать.
Чем резать сталь
Стальным перочинным ножом ты легко чинишь карандаш. Легко не только потому, что нож острый: отточи остро деревянную щепку - ею все равно карандаш не очинишь. Сталь гораздо тверже дерева, потому и режет его без труда.
А чем резать сталь? Ведь части будущих машин приходится обтачивать на станках, чтобы придать им нужную форму. Щепкой карандаш не очинишь, а специальными стальными ножами - их называют резцы - сталь можно резать. Только сталь для резцов нужна не простая, а тверже той, которую она режет.
Но одной твердости мало. Когда на станке обтачивают стальную деталь, она быстро вращается. Резец трется о деталь и от трения очень сильно нагревается. А горячий резец становится мягким. И уже не может резать.
Поэтому сталь для резцов нужна не только очень твердая. Она еще не должна размягчаться от сильного нагрева.
Как сталь делают твердой, ты уже знаешь - прибавляют в нее марганец, хром, и еще кремний. Потом увидишь, что и другие металлы придают стали большую твердость. А для того чтобы резцы не размягчались, когда сильно нагреваются, в сталь прибавляют редкие металлы, обычно даже не один, а несколько разных металлов.
Редкие металлы
Редкими называют не только металлы, которых в земле очень мало, а и те, которые трудно добывать. Одни никак не хотят отделиться от минералов, в которых содержатся. Другие так запрятались, что их и обнаружить нелегко. Приходится выдумывать всякие хитрые, очень сложные способы - как найти нужный металл и как извлечь его из руды. Иной раз, чтобы получить один килограмм редкого металла, приходится добывать десятки тысяч килограммов руды. Бывает и так, что редкие металлы содержатся не в руде, а вкраплены крохотными кусочками, величиной с песчинку, в камни. Такие металлы тоже очень трудно добывать.
Из семидесяти металлов пятьдесят пять редких. И, узнав их свойства, люди почти все редкие металлы заставили работать, для каждого нашли важное дело.
Но сейчас нам с тобой нужны те редкие металлы, которые помогают резать сталь и делают ее еще крепче, чем сталь с хромом.
Таких металлов немало, первый из них
Титан
В сказаниях древних греков титанами называли богатырей, вступивших в борьбу с богами.
И очень метко ученый, который первым нашел титан, дал металлу это богатырское имя.
Титан на вид неприметный - тусклый, светло-серый. В земле его много, но еще сто лет, после того как его открыли, не удавалось получить чистый металл без примесей. Потому его и называют редким.
Титан довольно мягкий, а покроешь совсем тонким слоем этого металла броню танка - и она становится намного прочнее.
Титан легко выдерживает очень высокую температуру. Поэтому и его добавляют в сталь, из которой изготовляют резцы, - в инструментальную сталь.
Титан - металл не только на редкость прочный, но и удивительно стойкий. Его трудно «вывести из себя»: чтобы расплавить титан, требуется температура выше полутора тысяч градусов. Такой жар и вообразить себе трудно. И еще - титан ржавчины не боится! Даже кислота его не разъедает. Это очень ценное свойство - можно титаном покрывать стенки сосудов, в которых хранят кислоты.
Титан очень легкий, почти такой же легкий, как алюминий, да еще в шесть раз прочнее его. Где требуется легкость вместе с прочностью? Правильно, в авиации. Из сплавов титана делают те части современных сверхзвуковых самолетов, на долю которых выпадает самая большая работа. Поэтому титан часто называют металлом нашего времени.
Но его называют и металлом будущего - титан очень нужен космосу: его используют, чтобы строить спутники и космические ракеты.
Да и на земле ему дел хватает. Кузов автомобиля из титанового сплава не ржавеет, в два раза легче, чем кузов из листовой стали, и гораздо прочнее. Пока таких кузовов не делают - это будет возможно, когда ученые найдут более дешевый способ получать титан и его сплавы.
Удивительно ведет себя сплав титана с никелем. Если измять, искорежить деталь, сделанную из этого сплава, а потом нагреть ее, то металл «выздоровеет»: расправится и примет прежнюю форму, безо всякого ремонта станет таким, каким был раньше. Представляешь, как легко выправлять погнутые в авариях кузова машин, если делать их из сплава титана с никелем? Но это - тоже пока дело будущего.
Открыли еще много полезных свойств титана.
Белила делают из металлов. Сперва их приготовляли из соединений свинца. Но свинцовые белила вредны для здоровья - они ядовитые. Потом стали делать белила из другого металла - цинка. Цинковые белила не ядовиты. Но самые лучшие белила получаются из двуокиси титана. Они не только безвредны, но и не темнеют от времени. Много замечательных старинных картин так потемнели, что их с трудом рассмотришь. Это из-за свинцовых белил. Очень жаль, что тогда не знали о титане.
А видел ты вещи из белой резины? Она белая потому, что в нее прибавлен титан.
А как сделать бумагу непрозрачной? Прибавить в нее титан.
А как сделать стекло тугоплавким? Прибавить титан.
Вот какой полезный металл!
Но мы с тобой далеко ушли от того, о чем начали говорить: чем резать сталь.
Значит, можно делать резцы из стали, в которую прибавлен титан. Титан - один из главных металлов, которые трудятся в металлургии. А как быть, если нужно резать сталь, в которую прибавлен хром? Ты помнишь, что хром самый твердый изо всех металлов, потому его и прибавляют в сталь для танков.
В сталь для резцов тоже можно прибавить хром. Но этого мало. Нужно сплавить сталь с несколькими другими металлами, тогда можно сделать резцы, которые самую твердую хромовую сталь будут резать.
Один из металлов, который вместе с титаном прибавляют в сталь, называется
