[INTRO. Bessemering er en metode for produksjon av metallisk kobber ved kraftig innblåsing av luft i en liggende trommel fylt med flytende skjærstein. Den nødvendige smeltevarme blir generert ved å utnytte reaksjonsvarmen fra oksidasjonen av jern og svovel i den inngående stein. Produktet blir kalt råkobber og holder ≈ 99 % Cu. Fordelene med bessemering var 1) langt bedre brenselsøkonomi 2) enkel drift og 3) en mye raskere prosess enn den gamle femtrinnsprosessen. Den nye prosessen ble introdusert i Norge ved Rørosverket i 1887.]
Bessemering/bessemeringen/bessemerprosess/kobberbessemering
Behandling av flytende skjærstein i konverter hvor steinen "blåses" i en kontinuerlig totrinnsprosess til råkobber med renhet på 98-99,5 % Cu,
Metoden hadde:"… som hensikt på en enkel og økonomisk måte å behandle svovelholdige kobbermalmer, ved å utelate den rekken av røsting og smelting som er vanlig;"
I første trinn, kalt slaggblåsing, fyller man på flytende skjærstein med 25-60 % Cu. Ved blåsing av trykkluft gjennom dyser inn i badet blir jernsulfid oksidert til jernoksid og svovel til svoveldioksid. Oksidasjonen gir et varmeoverskudd som holder smeltemassen flytende uten tilsetting av brensel (eksoterm prosess). Ved tilsats av kvarts (sand) blir jernoksidet overført til flytende slagg som etter en tids blåsing tippes av konverteren, mens svoveldioksidet går ut som gass. Det er viktig at slagget blir fjernet med jevne mellomrom for ikke å hindre oksidasjonen. Etter avslagging holder den tilnærmet jernfrie smelten ca 80 % Cu i såkalt hvitmetall. Prosedyren blir gjentatt flere ganger. I annet trinn, kalt kobberblåsing, blir luften satt på den samlede masse av nesten rent hvitmetall for å brenne bort svovelet som driver av som SO2 og man får råkobber med en renhet på 98-99,5 %.
Kobberet tappes i former ved å kjøre den bevegelige konverteren ned i riktig stilling. Beslutninger om slaggtapping, hhv. overganger mellom trinnene og avslutning av b. blir tatt på grunnlag av visuell observasjon av flammebildet i konverteren. Ved b. med basisk fôring var det også vanlig å legge tidsforbruket til grunn for vurderingene.
Råkobberet er ikke rent nok for alminnnelig bruk og går derfor vanligvis videre til raffinering i raffineringsovn (se flammeovnsraffinering), og/eller til elektrolytisk raffinering for å møte kravene til god elektrisk ledningsevne.
B. var en revolusjonerende forbedring av smelteprosessen og betydde et radikalt brudd med den gamle femtrinnsprosessen både teknisk/økonomisk, kjemisk og organisatorisk.
Teknisk/økonomisk betydde b. et brudd fordi prosessen var kontinuerlig, enklere og raskere, - flytende skjærstein ble konvertert direkte til metall i løpet av noen timer hvilket gav innsparinger mht. arbeid, brensel mm. Kjemisk fordi b. betydde en overgang fra en endoterm, dvs varmekrevende, brenselsfyrt prosess til en eksoterm prosess hvor den nødvendige varme til de kjemiske prosessene ble utviklet ved oksidasjonen av jern og svovel i skjærsteinen. Organisatorisk fordi prosessen forutsatte stordrift og sentralisering av smeltingen til store hytter.
Den enklere og raskere produksjon skyldtes ikke minst at man med b. kunne ta ut de gamle tidskrevende prosesstrinnene venderøsting, svartkobbersmelting og garing. Blåsetiden for konvertere i 1880-årene er angitt til 1,5 timer. For en syklus med slaggblåsing av tre charger og kobberblåsing i store konvertere er i moderne tid oppgitt 12-13 timer.
Når det gjelder energibehovet er det anslått at den nye metoden bare trengte en tredjedel av den gamle, eller 5 tonn koks pr tonn kobber mot 13-16 tonn med femtrinns-prosessen. Varmeutviklingen var spesielt stor under slaggblåsingen, og vanligvis måtte en sette til kaldt materiale for å unngå overoppheting (over 1250º C).
Kravet til stordrift medførte at tallet på kobberverk og smeltehytter ble sterk redusert. Når bortses fra den sterkt varierende driften ved Åmdalsverket i Telemark og enkelte andre små verk var norsk kobberproduksjon på 1900-tallet konsentrert til smeltehytta på Røros og til Fagerli-hytta, senere til Sandnes-hytta, ved Sulitjelmaverket. Se også nedenfor hvor utviklingen ved de to verkene behandles mer utførlig.
Optimal Cu-gehalt i skjærstein som går til b., er mellom 40-50 %. Er steinen for fattig, blir det for mye slagg og en uøkonomisk prosess. Er den for rik, blir det mindre jern og svovel, hvilket kan føre til at prosessen stopper opp pga for lav varmeproduksjon.
Den nye eksoterme konverterteknologien stilte også krav til produksjon av flytende skjærstein over flere måneder uten stans. De nye waterjacketovnene var langt bedre egnet enn de gamle murovnene til å møte kravet om kontinuerlig produksjon.
Overføring av flytende skjærstein kunne enten skje ved at steinen ble stukket direkte i en mobil konverter fra sjaktovnenes forherd før skinnegående forflytning til blåseposisjon, evt. til stasjonær konverter via renne, eller overføring i store øser/potter. Alle metoder gav akseptabelt varmetap i smelten ved overføringen.
Underveiskontrollen var noe forskjellig ettersom konverteren hadde den opprinnelige sure fôringen eller basisk fôring. Ved sur fôring baserte man vurderingene på tolkning av flammebildet, mens man ved basisk fôring bl.a. måtte ta ut prøver. Se nærmere under Manhés konverterprosess og Peirce-Smith-konverterprosess.
For å sikre kontinuerlig drift hadde hyttene flere konvertere (to, tre vanlig), slik at én alltid kunne stå klar etter at det var utført nødvendig vedlikehold på den, spesielt omfôring.
For å få et godt produkt måtte avgjørelsen om å avslutte blåsingen tas på nøyaktig riktig tidspunkt, her hadde man bare sekunder å gå på. (Se videre Olsens redegjørelse under Varia nedenfor).
Bessemerslagget holdt opptil 5 % Cu og gikk i retur til skjærsteinsmeltingen, evt. direkte tilbake til neste blåsing, eller til separat behandling.
Bruk av skjærstein som basis for den nye prosessen var gunstig fordi prosessen på dette trinnet bare hadde gitt minimale kobbertap samtidig som man gjennom forslagging var kvitt all bergart og mesteparten av jernet i malmen.
B. er alle andre, og tidligere, metoder overlegen pga. prosessutstyrets enkelhet og de lave driftskostnader. Prosessen er i seg selv også enkel, selv om den kjemisk er skarpt adskilt i to faser. Sørger man for tilstrekkelig tilgang på kvarts for avslagging, får man metallisk kobber hvis man blåser smeltet skjærstein i en kobberkonverter lenge nok.
Den franske oppfinneren, Pierre Manhés, fikk patent på metoden i 1882 (se Manhés konverterprosess). Manhés konverter hadde sur fôring. Rundt 1910 ble det utviklet en konverter med basisk fôring med mye lenger levetid (se Peirce-Smith-konverter).
Et viktig moment i konverterdriften var temperaturkontroll. Man skulle så rask som mulig opp til driftstemperatur 1200-1250 grader, men ikke gå over dette.
Metallurgisk tolkning
B. baserte seg helt på varmeutvikling ved eksoterme reaksjoner mellom løst jern og oksygen, eller løst svovel og oksygen. På grunn av affinitetsforholdene holder kobberet seg i begynnelsen av oksidasjonen til svovelet, mens jernet og det svovel som er forbundet med dette, oksideres. På den ene siden får man nå en rik sulfidisk kobberstein, Cu2S, eller hvitmetall, på den annen et jernrikt slagg. Ved den fortsatte oksidasjon (trinn 2) bindes svovelet i kobbersulfidet til oksygen og man får et tilnærmet rent kobber.
De sentrale likninger for de to trinnene er:
(I) Slaggblåsing: 1. Jernsulfid til oksid : 2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2
2. Forslagging til jernsilikat : 2FeO + SiO2 = Fe2SiO4
(II) Kobberblåsing:1. Oksidasjon av kobbersulfid: 2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2
2. Blåsing til metallisk kobber: 2Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2.
Ved konverteringen av skjærstein til metallisk kobber må luft tilføres i det sjiktet som inneholder sulfidsvovel, dvs. skjærstein, hhv. Cu2S. En liggende trommel med blestformer som lå på siden og over den smeltede kobberfase i bunnen, blir derfor en meget logisk reaktortype.
Prosessering med bruk av konverter ble tatt i bruk ved fire verk i Norge, Røros-, Sulitjelma- og Birtavarreverket i Kåfjord kommune i Nord-Troms og ved Åmdal verk i Telemark. Omtalen nedenfor begrenser seg til Røros- og Sulitjelmaverket. Når det gjelder Birtavarre-verket kjenner vi lite til forholdene i smeltehytta (anlagt 1899), bortsett fra at verket fikk utstyr for kobberbessemering i 1909 og elektrisk skjærsteinsmelting i 1919, samme året som verket ble nedlagt. For Åmdal gis i 1895 opplysning om at bessemeringen ved verket er innstilt.
B. ved Rørosverket.
De første konvertere ble installert og tatt i bruk i 1887 som svar den lønnsomhetskrise verket var kommet opp i. Produksjonsprisen på verkets kobber oversteg salgsprisen med god margin, i 1884 med kr 238, eller med 34 %. Det ble besluttet å satse på Manhés konverter, man ervervet patentet og installerte i 1887 tre konvertere med vogner og annet tilbehør. Verket var dermed et av de første i verden som satset på den nye teknologien.
Den første bessemering fant sted i november samme år. Franske fagfolk bisto ved installasjon og opplæring i den nye teknologien. I 1888 ble det også anskaffet waterjacketovn, for kontinuerlig levering av flytende skjærstein til konverteren, og i 1889 sto den første raffineringsovnen klar for produksjon av såkalt raffinadekobber som i den første tiden ble utstøpt i barrer på ca 7 kg.. I 1890 var produksjonen av bessemerkobber omtrent to tonn pr døgn.
God konverterdrift krevde kontinuerlig tilgang på større mengder smelte. Produksjonen ble konsentrert til smeltehytta på Røros. De gamle smeltehyttene, drevet med femtrinnsprosess var ikke bare blitt ulønnsomme, man trengte også all den malm verket kunne skaffe til den nye prosessen.
Moderniseringstiltakene gav store innsparinger i hyttedriften: Mens hytteutgiftene i perioden 1833-1867 (under femtrinnsprosessen) viste et gjennomsnitt på kr 440 pr tonn kobber, var de rundt århundreskiftet 1900 redusert til ca kr 270, eller med 39 %. Denne reduksjonen oppveide prisfallet på kobber.
Når man tar med flotasjon, som ble innført i 1926, lå nå hovedtrekkene ved hyttedriften fast til 1953 da driften i smeltehytta ble innstilt etter en brann.
Tre mann, to knekter og en formann, arbeidet ved konverteren som ble kjørt på skinner bort til skjærsteinsovnen for chargering.
B. ved Sulitjelmaverket
Waterjacketovn ble installert i 1894 ved det nystiftede Sulitelma AB. I 1897 ble en konverter satt i drift. Folk fra Røros ble utlånt for å forestå opplæringen til "kobberblåsere". Trolig stod den dynamiske direktør Julius Emil Knudsen sentralt i dette arbeidet. Han kom fra Rørosverket da han ble ansatt i 1897. Smeltehytta brant året etter og den nye hytta ble anlagt med fire skjærsteinsovner og to konvertere. Rundt 1910 gikk man over til blåsing i en Peirce-Smith-konverter med basisk fôring, en konvertertype man beholdt helt til hytta ble nedlagt i 1987.
Knudsen utviklet en spesiell metode for pyrittsmelting, den såkalte Knudsen-prosessen, som i årene fram til nedleggelsen av hytta i 1919 leverte det meste av skjærsteinen til b.. I 1929 ble ny hytte satt i drift. Produksjon av skjærsteinen til b. ble basert på elektrisk smelting av flotasjonskonsentrat. Råkobberet ble utstøpt som barrer økende fra ca 7 kg i 1890-årene til 1000 kg de siste tre tiårene før hytta ble nedlagt.
Den eksoterme b. var en forutsetning for stordrift på kobber i det brenselsfattige Sulitjelma.
Hovedtrekkene i produksjonen lå nå fast til hyttedriften ble innstilt i 1987.
For ytterligere opplysninger om utviklingen ved Røros og Sulitjelma, se verksbiografiene for de to verkene.
Varia:
- Genesis til kobberbessemeringen er ikke klarlagt, men kan ligge i en kombinasjon av kunnskap om Bessemers prosess for jernfremstilling (1855) og kjennskap til gamle erfaringer i Wales med produksjon av hvitmetall fra kobbersulfid med bruk av steinkullfyrte flammeovner.
- Innføringen av smelting med waterjacketovner og b. ved Rørosverket vakte oppsikt i samtiden. Bergkyndige fra inn- og utland kom for å studere de nye smeltemetodene, og bergmesteren skriver i sin beretning for 1890 at det synes nesten ufattelig at årets bortimot 8000 tonn malm kan nedsmeltes i bare to ovner.
- Introduksjonen av jernbessemering aktualiserte spørsmålet om forkortning av femtrinns-prosessen. Kunne man også blåse mellomproduktet skjærstein, liksom mellomproduktet råjern, til metall i en direkte prosess? De første forsøk ble igangsatt straks etter innføringen av bessemermetoden. Slaggblåsing på hvitmetall gikk uten store problemer, men kobberblåsingen var umulig fordi dysene ble tilstoppet i trinn to av kobber som størknet i møtet med den kalde innblåsningsluften. Løsningen lå i utformingen av konverteren: Manhé erstattet de vertikale dysene i bunnen med horisontale dyser litt høyere opp, slik at det ble plass for nydannet metall under dysenivået, se Manhés konverterprosess.
En entusiastisk samtidig av Manhé uttaler at kobberbessemeringen er det største fremskritt som har funnet sted i kobberets metallurgi i de siste århundrer. Prof. Johan H. L. Vogt følger opp og skriver at ”…denne proces […] uden sammenligning er det vigtigste fremskridt i hele dette aarhundrede inden kobberets metallurgi.”
- Det har vært gjort forsøk (så vidt vites bare i utlandet) på en ytterligere forkortning av smelteprosedyren ved å smelte malm ved b. direkte på skjærstein, og også direkte på sluttproduktet råkobber. Forsøkene har vært mislykkede fordi den store slaggmengden man får, raskt har tæret bort fôringen når denne har vært sur, og fordi prosessen har krevd for mye varme.
- Introduksjon av kobberbessemeringen faller i tid sammen med en økende bevissthet om de miljømessige konsekvenser av industriell aktivitet. Tyskland hadde kommet lengst på dette området og tyske kobberverk som ønsket å innføre metoden, måtte forholde seg til lovbestemmelser som krevde at svoveldioksidet straks skulle fanges opp og gå til svovelsyreproduksjon. Norge hadde ikke slik lovgivning, men fra Sulitjelmaverket kjenner en til miljøtiltaket "vegetasjonsbakking". Dette var aktuelt om sommeren i stille, disig vær hvor b. ble stanset av hensyn til stedets vegetasjon. Det er usikkert hvor langt tilbake dette går i tid, likeledes hvorvidt det opprinnelig var et frivillig tiltak. Senere, og helt til hytta ble nedlagt i 1987, stilte myndighetene i sin utslippstillatelse krav om to måneders stans om sommeren.
Metoder som utover på 1900-tallet ble utviklet for elektrisk gassrensing og intensivmetoder for svovelsyreinnvinning kom ikke i bruk ved kobberverkene på Røros og i Sulitjelma.
- Ingeniør Hagen ved Sulitjelmaverket opplyser at smeltehytta de første årene (etter 1929, jfr ovenfor) gikk alle dager, også søndag og de store helger. Da man etter hvert greide å smelte godsmengden på 6 dager i uken, sluttet man med dette. Den elektriske ovnen ble da "bakket", dvs holdt varm med redusert strøm og en manns betjening. Dette gjorde man også under ferier og andre arbeidsstopp.
- Kjell Lund Olsen, tidligere kobberblåser, opplyser at råkobberet skulle holde over 99 % Cu. Klarte de ikke dette, ble det bemerket fra ledelsen. Bessemerkobber var verkets salgsprodukt. Det ble sagt at kobberet fra Sulitjelma var verdens beste. Det gikk i den første tiden til Helsingborg Kopparverk for raffinering, senere til elektrolytisk raffinering i Hamburg.
Han opplyser også at arbeidet ved konverterne i Sulitjelma var mer preget av erfaringsoverført kunnskap enn ved andre verk som gjerne var mer teknologistyrt. Dette kan illustreres ved måten man avsluttet b. på. Her hadde man liten tid å gå på, +/-30 sekunder avgjorde om smelten skulle bli "underblåst" eller "overblåst".
Underblåst kobber inneholdt ennå for mye svovel og "bruste" på overflaten som mineralvann og det reiste seg små "vulkaner" som det tøt smelte ut av på overflaten. Disse kunne være opptil 15-20 cm høye og skapte i størknet tilstand problemer ved transporten når barrene skulle stables oppå hverandre. Overblåst kobber var helt livløst, men este opp under avkjøling slik at kobberbarren fikk form som en for godt hevet formkake. Den kunne ese opp så kraftig at barren revnet tvert over toppen. Overblåst kobber skapte samme type problemer ved transporten, som underblåst kobber. Til hjelp ved den viktige avgjørelsen om å avslutte hadde man ingen tekniske hjelpemidler, selv i 1980-årene. Ved andre verk brukte man klokke, ved Sulitjelma tok man beslutningen utelukkende på grunnlag av en vurdering av flammebildet. En blåsing tok ca 12 timer.
- Ole Sorken som arbeidet i Røroshytta fram til den brant ned i 1953, forteller: Det lå ei åpen renne helt innpå "brilla"[herden] foran skjærsteinsovnen. Renna var bare tetta igjen med stein og leire som de slo opp med et jern. Konverteren ble kjørt på plass under smelteovnen og tippa ned så tuten sto jevnt med renna slik at "sporrsteinen" [skjærsteinen] rant inn på kjelen. Arbeidet ble nøye overvåket, og så snart "sporrstenen" var tappa og det kom flytende slagg i renna, måtte de skynde seg "å klesse ti att en lerklomp forr å stenge." Det kunne gå to briller, eller ca. 2 tonn masse, på en konverter. Når konverteren var fylt ble det satt på luft.
Formannen passet på at arbeidet gikk sin gang. Det var han som bestemte når de kunne kjøre ned konverteren og skrape av slagget. De bikket konverteren ned slik at de så inn i den og brukte ei lang skrape og dro av slagget. Foran åpningen hadde de stående ei stor potte der slagget ble samlet opp. Det var greit å se når de kom ned på sporrstenen, de så det på fargen, dessuten var den tynnere enn slagget som la seg som ei hinne oppå.
Det var varmt å stå og skrape. Men verre var det med det skarpe lyset. Karene måtte ha mørke briller på. Etter avslaggingen kjørte de konverteren tilbake i utgangsstilling og forsatte blåsingen. Over konverteren var det montert en kappe for å ta ut røyk og varme. Fra taket kom det også en renne som ble brukt under tilsetting av kvarts og avfall som skulle smeltes om.
Knektene måtte sørge for å holde "nasan", dysene, på konverteren åpne. De ble tettet av jernoksid. Det var i alt 10—12 slike dyser på kjelen. Knektene gikk og stakk med halvannen meter lange stenger. Dette var hardt arbeid og når den ene ble sliten, tok den andre over. Slik holdt de på en time eller to i strekk. Ved ovnen var det "gørrvarmt" og en måtte være kjapp. Ble jernstangen stående for lenge, brant den fast.
Når flammene og gnistene som slo opp, hadde fått kobberfarve, ble konverteren kjørt ned og tømt. Massen, bessemerkobberet, ble tappet ned i 60 cm lange former av støpgods. Formene sto på en lang vogn som gikk på en skinnegang. Formannen kjørte fram vognen. Det rant sakte, men sikkert ned i formene. De måtte passe på at det ble nok i hver form. En mann sto bak konverteren og kjørte den ned så den fikk den riktige helling. Han dreide på et ratt og hadde mål på hvor stor dreining som skulle til for hver gang.
Sorken forteller også at det over smelteovnen var en silo som de hadde slaggpotter oppi. Det var kopperholdig slagg som var "skummet av" konverteren. Dette slagget ble smeltet på nytt. Det ble også oppsopet fra hyttegolvet. Når det sprutet fra ovnene, havnet verdifullt gods utenfor. En Edvard Hallgren lå mye under smelteovnen og konverteren og skrapte fram det som skulle smeltes om igjen.
- For å oppnå en så rask temperaturstigning som mulig ble det satt til litt kvarts ved starten av blåsingen, så mer og mer etter hvert som temperaturen steg. For ikke å gå over 1250 grader måtte man tilsette returgods. Dette var alltid potteskall fra skjærsteins- og slaggtappingene og oppsamlet sprut og søl fra konverterne og ovnen. Dette kunne være betydelige mengder, ofte større tilgang enn konverteren hadde behov for.
- En tysk kilde oppgir at man mange steder passet på å bruke gullholdig kvarts som tilsats for på denne måten å utvinne edelmetallet på en billig måte. Edelmetallene følger kobberet og blir utvunnet ved elektrolyse i siste trinn, se elektrolytisk kobberraffinering.
I Sulitjelma utnyttet man varmen i konverteren til å smelte kaldt kobberkonsentrat bl.a. når man hadde problemer med en elektrisk skjærsteinsovn. Opp til 6 tonn konsentrat kunne smeltes sammen med den flytende skjærsteinen. Man måtte imidlertid være forsiktig slik at ikke smeltebadet størknet.
- Det er antatt at bessemering sto for omkring 1/3 av verdens samlede kobberproduksjon allerede ved midten av 1890-årene. I spissen her gikk først og fremst USA, videre Chile, Spania, Italia og England.