[INTRO. Tradisjonell metode for fremstilling av metallisk kobber gjennom en serie pyrometallurgiske operasjoner, to røstinger og to smeltinger pluss en avsluttende raffinering, kalt garing. Den svært ressurs- og tidkrevende prosessen var nærmest enerådende som produksjonsmetode i Norge gjennom 250 år fram til moderniseringen av kobberindustrien satte inn i slutten av 1880-årene.]
Femtrinnsprosessen/femtrinns-prosess/femtrinnsprosess/5-trinnsprosess/
Betegnelse på den tradisjonelle metoden for fremstilling av kobber ved prosesstrinnene kaldrøsting, skjærsteinsmelting, venderøsting, svartkobbersmelting og garing.
F. var nærmest enerådende som produksjonsmetode fra Kvikne kobberverk ble etablert i 1630-årene til moderniseringen av kobberindustrien satte inn i slutten av 1880-årene, dvs over en periode på 250 år.
F. foregikk vanligvis ved ett og samme hytteanlegg.
Kaldrøstingen: Gløding av svovelrik kobbermalm i den hensikt å forberede malmen for skjærsteinsmeltingen ved a) å fjerne unødig svovel b) å omdanne sulfider i malmen, først og fremst jernsulfid (FeS2) til jernoksid (Fe2O3) for forslagging. Kobbertapet var lavt/ubetydelig.
Skjærsteinsmeltingen: Konsentrasjonssmelting for fremstilling av det svovelholdige mellomproduktet skjærstein. Ved skjærsteinsmeltingen ble størstedelen av jernet i malmen forslagget sammen med bergarten, mens kobberet ble konsentrert i en tung sulfidsmelte sammen med en del jern og eventuelt andre metaller. Viktig for skillet sulfid-slagg var svovelets chalkofile, "kobberkjære", karakter. Svovelet fungerte som metallsamler og "beskyttet" kobberet mot forslagging ved dannelsen av kobbersulfid. Dette gav også et lavt kobbertap i slagg, anslagsvis 2-4 % av kobberet i malm.
Venderøstingen: Trinnvis røsteprosess i et anlegg hvor skjærstein glødes og flyttes fra bås til bås (vendes) i en kontinuerlig prosess i den hensikt 1) å avdrive sulfidsvovelet i steinen som svoveldioksid 2) å danne kobber- og jernoksid som ved svartkobbersmeltingen reduseres til metallisk kobber, hhv forslagges. Kobbertapet høyt.
Svartkobbersmeltingen: Kullfyrt sjaktovnsmelting av venderøstet skjærstein i den hensikt 1) å redusere kobberoksidet i venderøstverket til metallisk kobber og 2) å forslagge jern– og andre oksider i verket ved tilsetting av kvarts. Kobbertapet høyt. Kobbergehalt i svartkobber gjennomgående rundt 90 %.
Garingen: Oksiderende smelting i herd hvor forurensningene, hovedsakelig jern, i svartkobber ble forslagget eller gikk opp i røyk. Kobbertapet høyt (ca 9 % av Cu-gehalten i den opprinnelige malm.). Kobbergehalt i garkobber 98-99 %.
Hammergaringen: Smelting av garkobber under reduserende forhold i herd i den hensikt å fjerne oksygenoverskuddet i kobberet for derved å gjøre det smidig og velegnet for bearbeidelse i smie eller valseverk. Kobbergehalt i hammerkobber over 99 %.
F. kan, skissemessig, betraktes fra forskjellige synsvinkler: praktisk/organisatorisk, metallurgisk og operasjonelt.
Praktisk/organisatorisk (hva var produksjonslinjen?): Trinnene i f..
Metallurgisk: Oksiderende trinn (røstetrinnene + garing) alternerende med reduserende trinn (skjærsteinsmelting (delvis), svartkobbersmelting + hammergaring.
Operasjonelt (hva var hensikten?):
A) Klargjøring for smelting (røstetrinnene).
B) Oppkonsentrasjon (skjærsteinsmelting –>18-25 % Cu; svartkobbersmelting ->90 % Cu.
C) Raffinering (fjerning av gjenværende forurensninger): Garing, hammergaring.
Prosessen kan beskrives som logisk, omfattende, arbeidsintensiv, kostbar og tidkrevende. Den befinner seg på et til dels lavt teknologisk nivå, medfører et nokså betydelig tap av kobber og har mange repetetive elementer.
Logisk. Prosessen var logisk i den forstand at trinnene til sammen utgjorde en syklus med en tydelig indre prosessteknisk sammenheng tilpasset de produksjonstekniske midler som stod til rådighet, også ved små verk.
F. var generelt et system i god logisk balanse med seg selv. Vi ser derfor at forsøk på å forstyrre denne balansen i form av tids-, arbeids-, kull- eller kobberbesparende behandling på et trinn forplantet seg og ofte førte til store tap i senere trinn. Tiltak som gav store gevinster med etterfølgende små tap, for ikke å snakke om rene vinn-vinn tiltak, synes umulig. Også seriøse forsøk på metodiske endringer ble rammet av denne metallurgiske "jernlov". Det var denne klare logikken, eller intimiteten, i forholdet mellom trinnene og mellom prosess og teknologi som ga et rimelig godt utbytte av nesten rent kobber basert på til dels lavprosentlig malm, og prosessen et langt liv i kobberutvinningens tjeneste.
Omfattende, arbeidsintensiv og kostbar. At prosessen var omfattende, fremgår allerede av hvordan den var organisert i en rekke på fem trinn med vekslende innhold, dels utenfor smeltehytta (røstingene), dels innenfor. Godset måtte bearbeides mange ganger før man fikk metallisk kobber. De fem trinnene er således en illustrasjon på hvordan en komplisert metallurgi, som kobbermetallurgien, måtte bli en omstendelig, arbeidskrevende og kostbar prosess uten vår tids teknologiske nivå, kjemiske kunnskap og tilgang på energikilder som koks og elektrisitet.
Et anslag over antallet arbeidsmomenter fra malmen ble pukket før kaldrøsting til ferdig garkobber lå på lager gir et kvantitativt bilde av arbeidsinnsatsen ved f.. Et noe skjønnsmessig, men forsiktig anslag gir i alt 32 momenter. Som utfyllende opplysninger vedr. arbeidsvolumet ved f. kan tilføyes at røstingene krevde døgnkontinuerlig tilsyn over lang tid, opptil 3 måneder for kaldrøstingen og 6 uker for venderøstingen. Smeltingen foregikk for det meste i små og lite effektive krumovner som forutsatte stadig etterfylling av malm, trekull og fluss og utstikninger og håndtering av små volumer. Det ga høy arbeidsinnsats og høye arbeidskostnader pr. produsert enhet. Prosessen kjennetegnes også med dårlig brensel- og varmeøkonomi sett med våre øyne. En beregning fra Røros kobberverk fra 1740 viser at forbruket av trekull i en uke var ca 750 m3, eller produksjonen ved 12 kolmiler, ved smelting av 160 tonn smeltemalm som ga ca. 8000 kg kobber, hvilket gir ≈93 m3 trekull pr tonn garkobber. Trekullforbruket varierte imidlertid sterkt. Røros lå, ifølge disse tallene, lavt, andre kilder viser det dobbelte og over forbruket her.
Samtiden var selvfølgelig klar over disse svakheter. Veien mot rent kobber av malm var lang, kronglete og kostbar og innlagt med enkelte rundkjøringer (se repetetive elementer nedenfor). Prosjektmakere og andre med ideer og forslag til å rette ut veien og/eller begrense antallet repetisjoner via "snarveier", eller ved, bokstavelig talt, å smelte prosesstrinn sammen, fikk derfor til dels stor oppmerksomhet.
Tidkrevende. Lange røstetider og smeltinger av små volumer gav i seg selv lang produksjonstid pr produsert enhet. Av mer indirekte art, men av større betydning for tidsbruken enn disse rent produksjonstekniske forhold var at verkenes drift i f.s tid i så høy grad var undergitt geografiske og naturmessige forhold (verket spredt over store områder med svak infrastruktur og lange transporttider; sviktende malm- og kulltilførsel ved dårlig sledeføre; røsting helst om vinteren av hensyn til vegetasjonen; elva fryser til og vannhjulet stopper osv). I tillegg var man ofte avhengig at et godt samarbeid med bøndene, spesielt for trekullforsyningen (mange eksempler på aksjoner hvor bøndene ikke leverer og forstyrrer produksjonen). For de mange små og mellomstore verk var det i seg selv et problem at man stadig måtte vente på å få tilstrekkelige mengder inngangsmateriale før et prosesstrinn kunne iverksettes (smådriftsulempene). Verkene stod altså overfor en rekke logistiske utfordringer som de langt på vei ikke var herre over. De skapte stadige driftsforstyrrelser i den mangeleddete produksjonen og førte til en langsom produksjonsprosess. Det er angitt en gjennomsnittlig produksjonssyklus under f. på noe over 1 år, dvs fra malmen er brutt i fjellet til garkobberet foreligger ferdig til uttransportering. En sen 1800-talls kilde angir at produksjonstiden for garkobber fra skjærstein alene tok 1,5 måned.
Den tidkrevende produksjonsprosessen skapte også problemer av driftsøkonomisk art. Store deler av verkets flytende kapital (malm/mellomprodukter) var i kortere eller lengre tid uproduktiv, "død kapital". Det var heller ikke uvanlig at verkene fikk likviditetsproblemer "mens de ventet", hvilket gjerne gikk ut over arbeidere og bønder som ikke fikk utbetalt lønn/godtgjøring.
Lavt teknologisk nivå. F. tilhører for det meste vannhjulenes og de små krumovnenes periode i norsk bergverksdrift. (Se svartkobberovn for nærmere omtale av ovnen og dens plass i norsk kobberindustri). Utover disse elementære hjelpemidler og enkelt håndverktøy ble f. gjennomført uten spesielle tekniske innretninger av noen art. På energisiden var trekullet så å si enerådende når bortsees fra spredt bruk av steinkull, og på slutten av perioden bruk av koks.
Kobbertapet. Omfattende målinger utført ved bergskolen i Falun i 1820-årene gav som resultat at 23,1 % av malmens metallgehalt gikk tapt i prosessens gang. Brutt ned på det enkelte trinn finner vi det største tapet ved garingen med nærmere 40 % av samlet tap, dernest tapet ved venderøsting og svartkobbersmelting samlet med ca 50 % (fordelingen ikke kjent), mens tapet ved kaldrøsting og skjærsteinsmelting lå i området 10 % av samlet tap. Kobbertapet vekslet altså sterkt fra trinn til trinn, og økende med økende kobbergehalt i godset. En opplysning fra Norge støtter funnene i Falun: Basert på et sammendrag av produksjonstabellene ved alle Roros-hyttene i 1847 (Røros, Tolga, Eidet, Lovise, Foldal) var prosesstapet rundt 27 % Cu. Det synes dermed som man kan anslå samlet kobbertap i prosessen til ≈ 25 %.
Vi vet ikke hvor lenge man har vært klar over tapet eller hvor omfattende det var. Det er grunn til å tro at det har vært kjent lenge og at man har arbeidet med forbedringer. I så fall har trolig tapet vært enda større tidligere.
Repetetive elementer. Disse karakteristiske trekk ved f. var av forskjellig art. Her kan først nevnes at et dominerende trekk ved f. var returprinsipppet ved behandling av slagg fra de to siste smeltinger, mens øvrige biprodukter enten gikk i retur til tidligere smeltetrinn, eller til omsmelting på samme trinn. Dette innebar at en del kobber og kobberholdig gods gikk inn i et vedvarende produksjonskretsløp. Inn i denne sammenheng kan vi også sette at smelting av skjærstein og svartkobber ikke var mer spesielt enn at ovnene kunne brukes om hverandre etter noen enkle modifikasjoner og at det ble brukt trevirke med samme dimensjoner og kvaliteter ved kaldrøsting og venderøsting. Det mest iøynefallende trekk er allikevel det dobbelt sett røsting/smelting hvor malm i to adskilte operasjoner (kaldrøsting, venderøsting) oksideres i fast tilstand, hvoretter røstingene etterfølges av to smeltinger (skjærsteinsmeltingen og svartkobbersmeltingen) hvor jern fjernes som oksid i silikatslagg. Hele prosessen bygger på utnyttelse av kobberets affinitet til svovel og jernets til oksygen. En forfatter har uttrykt det slik at kobbersmelting er som å produsere jern to ganger. Generelt kan disse repetitive elementer forstås som en side ved den lavteknologiske produksjonen under f..
F. var en usedvanlig suksesshistorie som aldri syntes å ta slutt. Metoden er gjenkjennelig i kilder langt tilbake i middelalderen, (kanskje har den røtter i antikken) og var i vanlig bruk i europeisk kobberindustri til rundt 1900, dvs over en periode på ca 900 år. Mer eller mindre velfunderte forsøk på snarveier og sammenkoblinger av prosesstrinn på den lange veien fra malm til rent kobber resulterte i beste fall bare i modifiseringer av den etablerte prosess, de ble aldri prinsipielle. Prosessen hadde langt på vei vist seg å være den eneste mulige gitt det malmgeologiske grunnlag, de allmenne forutsetninger på teknologi- og energisiden og de bristende kunnskaper om kjemiske lover og realiteter, eller om man vil "det metallurgiske imperativ". Det var selvfølgelig rom for metodiske justeringer og tilpasninger av typen kaldrøsting i bås eller i store frittliggende hauger, reduksjon/økning av antallet vendinger under venderøstingen, smelting i høyovner i stedet for krumovner, hva slags fluss skulle brukes, justering av herdstørrelsen, oppskiving eller utstøping av smelten i blokker, arbeidsordningen ved ovnene, rutiner for behandling av biprodukter/krets osv. Denne metodiske utvikling i form av "de små steg" foregikk hele tiden og gav resultater. Det er anslått at produktiviteten pr arbeider økte fra 0,3 tonn garkobber pr arbeiderårsverk ved begynnelsen av 1700-tallet til 0,5 tonn ved begynnelsen av 1800-tallet. Dette betyr i så fall en produktivitetsøkning på 66 % - med prinsipielt samme teknologi.
VARIA
- Et anslag viser at 100 kg malm med 5 % Cu gir 4,4 kg garkobber, og 65 kg slagg, dvs 15 ganger vekten av utvunnet kobber.
- Det fantes alternativer til f.. I Wales ble kobber, visstnok fra slutten av 1600-tallet, fremstilt ved oksiderende smelting og bruk av steinkull i flammeovner, altså uten å gå veien om karbotermisk reduksjon i sjaktovner som i den tysk-svensk-norske tradisjon.
I nyere tid ble direkte overgang fra kobbersulfid (i skjærstein) til metall mulig da man i 1880-årene begynte å overføre flytende skjærstein til såkalt blåsing i konverter (Manhés prosess).
- Rinman gir i sitt bergverksleksikon (1789) en beskrivelse av hvordan man i Bristol produserte kobber i steinkullfyrte flammeovner. Her blir malmen, pukket til valnøttstørrelse, i første trinn satt inn i ovnen og røstet under svak ild i 3-4 timer. Deretter økes varmen til malmen begynner å smelte. Den urene skjærstein stikkes ut, størkner, slås i biter og settes igjen på ovnen hvor den på ny røstes med svak varme for deretter å bli nedsmeltet og utstukket. Denne syklusen gjentas 8-12 ganger i samme ovnen til alt slagg og alt svovel er fjernet. Sluttproduktet (svartkobberet) blir så til slutt garet i samme ovn. Altså hele f. i en og samme ovn! Rinman viser i sin artikkel til Schlüters verk Gründlicher Unterricht von Hüttewerken fra 1738.
Det er vanskelig å avgjøre om den "engelske" metode alt i alt var mer økonomisk og effektiv enn vår "tyske". Om begge metoder kan sies at de var godt tilpasset de lokale produksjonsforhold. I England var det god tilgang på steinkull, men vanskelig med trekull, og malmene var langt "bløtere", dvs mindre jernholdige, enn våre. Da kunne man få god smelting også med de lavere temperaturer man oppnådde i en flammeovn.
- At f. kunne være krevende viser følgende opplysninger fra Selbuverket: Av smelterapportene for perioden 1713-1726 fremgår at kobberutbyttet bare utgjorde ca 1,6 % av den smeltede malm. Det påpekes at forklaringen kan være mangel på erfarne hyttefolk (verket ble tatt opp i 1713), og at metodene var mindre utviklet den gang. Det lå i alle fall igjen så mye kobber i de såkalte «utkjørselsslaggene», at slaggdyngene ved Selbo Hytte med fordel kunne smeltes om igjen omkring 110 år senere. (Rolseth 1945:37).
- På 1800-tallet ble gjort enkelte forsøk på å ta i bruk nye metoder. Av størst interesse er Sindings metode (utviklet rundt 1850), som var en våtveismetode for utvinning av restkobberet i "skallet" etter den såkalte kjernerøstingen. Metoden ble først og fremst tatt i bruk ved Folldals kobberverk, men også ved nordgruvene under Røros kobberverk og ved Killingdal gruver ble det arbeidet med denne metoden. Forsøk på utvinning av kobber med våtveis sementering og bruk av flammeovn til røsting (flammeovnsrøsting), smelting (flammeovnsmelting) og raffinering (flammeovnsraffinering) er eksempler på metoder som bare fikk marginal betydning.
- F. synes å ha lagt klare føringer for organiseringen av hytteområdet. De samme elementene går igjen fra hytte til hytte, og terrenget på hytteplassen har blitt bevisst brukt for å lette godstransporten mellom de mange trinnene.
- Ved en vurdering av den generelle uforanderlighet som preget prosessteknikken under f., bør man også ta i betraktning den konservatisme som rådet i bergverksmiljøet. Dette var en kontraproduktiv kraft av betydelig styrke. Den stoppet mange lovende reformforsøk, og motviljen kunne like gjerne komme nedenfra som ovenfra. Som eksempel kan her vises til kampen mot innføring av høyovner ved Røros kobberverk i 1. halvdel av 1800-tallet, se høyovn, eget Varia-punkt.
På slutten av sitt verk om Stora Kopparberget skriver Sten Lindroth [etter gjennomgangen av garingen som fremdeles var i full gang rundt 1860]: "Så ger garningens historia lika övertygande bevis som någonsin hyttebruket vid Stora Kopparberget för den seghet, med vilken gamla tillverkningsformer och fäderneärvd teknik dröjde kvar inom svensk koppar-hantering." Norske erfaringer gir grunn til å trekke samme konklusjon.
- Selbu kobberverks smeltehytta ved Nustadfossen i Meråker var den siste hytta hvor det ble fremstilt kobber etter full f.. Hyttedriften ble stanset i 1894. Ved Rørosverket ble den siste garherden revet etter en hyttebrann i 1888.
- F. med kaldrøsting osv. var i bruk også ved tidlig fremstilling av nikkel.