Garing

Garing/garring/gahring/kobbergaring/kobbergahring (ty. Garmachen=gjøre ferdig, ren)

Raffinerende smelting hvor forurensningene, hovedsakelig jern, i svartkobber/råkobber ble forslagget og trukket av, eller gikk opp i røyk.

A) Tradisjonell g. av svartkobber på åpen herd. 

G. var den tradisjonelle kobberprosessens avslutning, (se femtrinnsprosessen). Først som garet var kobberet blitt alminnelig handelsvare. Mesteparten ble eksportert.

Ved g. ble svartkobberet med ca 90 % Cu raffinert til garkobber med 98-99 % Cu. Svartkobberet kom til g. i form av skiver. Skiveformen ga bedre brennstofføkonomi enn stykkformen.^[1]

G. foregikk i smeltehytta sammen med annen smelting, evt. som på Røros i ei separat garhytte som lå ved siden av. Kobberet ble smeltet ned i nokså grunne herder (se garherd) ved til dels sterk belgblåst. Foruten lufttilførselen var forbruk av trekull og tilsats av kvartsholdig materiale viktige styringsparametere for smelteprosessen. Bruk av mye trekull og sterk oksygentilførsel var nødvendig for å oppnå de nødvendige temperaturer. Hovedforurensningen, jern, som var lettere enn kobber, steg opp til overflaten i badet og dannet jernoksid i den sterke luftstrømmen fra belgene. Ved tilsatsen av kvarts, gjerne i form av sand, ble jernoksidet overført til flytende slagg. Andre forurensninger ble likeledes oksidert og forslagget (sink, bly, kobolt, nikkel, vismut), eller de drev av som gass (antimon, arsen, svovel). Slagget som inneholdt en god del kobber, ble trukket av flere ganger i løpet av smeltingen under betegnelsen krets og ble sendt tilbake til tidligere smeltetrinn sammen med andre kobberholdige produkter fra g..

Ved g. ble også en del av kobberet oksidert til kobberoksid, Cu₂O, som spilte en viktig rolle som "oksygenbærer" til forurensningene, og deres oksidasjon i smelten.

En tradisjonell g. kan prinsipielt inndeles i fire operasjoner: 1. Forvarming av herd 2. Nedsmelting av svartkobberet. 3. Driving/raffinering av smelten ved fjerning av slagg og avgassing. 4. Nedkjøling og oppskiving av garkobberet i herden.

I det praktiske smelteforløpet gikk 2. og 3. over i hverandre idet nytt svartkobber ble lagt i herden etter hvert som slagget ble strøket av. Det var viktig at herden hele tiden var full.

Beslutninger om korrigerende handlinger, evt. om å avslutte g. bygget på erfaringsbasert, visuell inspeksjon og observasjon, bl.a. av bruddflater etter prøveuttak av smelte og av farger på overflaten av badet. Det nedsmeltede svartkobberet gjennomgikk en hel skala av fargeforandringer fra brunrødt til vakkert blågrønt som var tegn på at kobberet begynte å bli rent, og det var tid for å avslutte eller "drive på gar". Kobberet ble som regel først gar inne ved bleståpningen(e).

Alt etter svartkobberets beskaffenhet tok en g. av 3-400 kg kobber fra 3 til 6 timer. Trekullforbruk kan ansettes til gjennomsnittlig ≈ 10 m³ pr tonn.^[2]

Av trinnene i den tradisjonelle femtrinnsprosessen ble g. ansett som den mest kompliserte.

Når g. hadde gått bra, kunne garkobberet trekkes av i tynne skiver med en høyrød farge. Overflaten var ujevn med noen svarte flekker og enkelte blærer (som vitnet om utskilling av gass ved avkjølingen). Undersiden var blankere, med en porøs og tagget overflate.

Kobbertapet (avbrannen) ved g. var høyt, rundt 10 % av inngående kobber i svartkobberet synes vanlig^[3].

G. i detalj:^[4]

Forvarmingen. Herden måtte tørkes og forvarmes før smelting for å unngå sprekkdannelser i fôringsmaterialet. Dette bestod av en blanding av finknust trekull (kullstubb) med mergel eller leire, gjerne magret med sand for å motvirke sprekkdannelser ved opphetingen. Blandingen, tilsatt vann som bindemiddel, ble strøket på som topplag i herden. Tørking og forvarming skjedde ved at det ble lagt glødende kullbiter i smeltegruben. Hvis g. ikke skjedde i forlengelse av tørring av herden etter innredningen, ble herden forvarmet ved forsiktig blest og gløding av det trekullet som svartkobberet lå innpakket i når det var klart til smelting.

Nedsmelting av svartkobberet. Når garmakeren anså herden for å være tilstrekkelig forvarmet, kunne nedsmeltingen begynne.^[5] Hastigheten på vannhjulet, og dermed blåsebelgenes ytelse, ble nå økt for å øke temperaturen. Av samme grunn var innblåsningsåpningen(e) anlagt med nokså spiss vinkel ned mot herden.^[6]

Driving/raffinering. Når den første satsen med svartkobber var smeltet ned, begynte drivingen. I hovedtrekk foregikk den satsvis med følgende handlingsmomenter i hver sats: 1. Blåsebelgene ble stanset. 2. Evt. frie kullbiter ble skrapet vekk. Slagget, som for en stor del hadde samlet seg foran innblåsningsåpningen, ble trukket av og ned på gulvet eller i en egen slaggrop (kretsgrop). 3. Nytt svartkobber ble fylt på. 4. Nytt trekull lagt i herden. 5. Blåsebelgene ble satt i gang.

Dette ble så gjentatt flere ganger til herden var full av garet kobber. Antallet avdrag avhang bl.a. av svartkobberets renhet og varierte normalt mellom 2-7. Fjerning av kullbiter og avtrekking av slagg ble foretatt med en slags krafse, en såkalt krykke.

Nedkjøling og oppskiving. Når g. var ferdig, ble belgene stanset. Etter at overflaten var tilstrekkelig renset for urenheter og såpass størknet at den tålte et forsiktig slag med en skyffel, var kobberet klart til oppskiving. Nedkjølingen ble påskyndet med bruk av vann.

Selve oppskivingen foregikk med bruk av brekkstenger som ble stukket inn under den størknede overflaten. Vann fra nedkjølingen rant ned i sprekken og lettet arbeidet med å skille skiven fra underliggende masse. Skiven ble så trukket av ved hjelp av tenger og ført direkte over i et kar (ved Røros kalt "garrtønne") ved siden av herden for en rask avkjøling før den ble lagt ut på gulvet. Slik ble kobberet trukket av skive for skive til herden var tom. Den første skiven, bl.a. kalt dekkplaten, hadde alltid slagg- og kullrester på overflaten. Den gikk derfor i retur, enten til ny g. eller til tidligere smeltetrinn. Den siste skiven ble kalt kobberkonge fordi garkobberet i bunnen, pga. kobberets høye spesifikke vekt, normalt var den reneste. Dessuten ville den siste skiven inneholde mesteparten av det gull og sølv som måtte befinne seg i smelten. Da edelmetallene ikke oksideres i smelte, lot de seg imidlertid ikke innvinne ved g., men forble innblandet i garkobberet.

Det oppskivede kobberet ble lagt i en stabel med de største nederst og de minste øverst, dvs man fikk en tilnærmet speilvendt form av smeltegruben.

Prosessen som her beskrevet synes å ha røtter langt tilbake i middelalderen, og samsvarer punkt for punkt med en beskrivelse av g. i Tyskland midt på 1500-tallet.^[7] I fremstillingen nedenfor er brukt betegnelsen den "tyske" metode i samsvar med samtidig språkbruk. "Garing" er også et ord med tydelige tysk opprinnelse.

G. ga en rekke kobberholdige biprodukter som i hovedsak ble behandlet ved retur til tidligere smeltetrinn.^[8]

Produkter som kunne gå i retur, foruten slagg og dekkeplate som nevnt, var kobber som hadde fulgt med røyken og avsatt seg i røykkanal og støvkammer mellom mantel og pipe^[9], eller kobberskorper/kobberklumper som hadde satt seg fast i herdinnredningen.

Dannelsen av kobberoksidet Cu₂O bidro, som nevnt, til oksidasjonsprosessene i smelten ved at oksidet blandet seg med det flytende kobberet og avgav oksygen til andre metaller og svovel.^[10] De oksiderte metallene steg opp til overflaten og ble avdrevet, mens utviklingen av svovelgasser kunne forårsake en sterk bevegelse/koking i smelten, noe som bidro til en mer effektiv raffinering.

G. pågikk til garmakeren på grunnlag av visuell observasjon av badets overflate vurderte at kobberet var tilstrekkelig rent, dvs at forslagging og avgassing av forurensninger ikke kunne drives lenger på en metallurgisk og økonomisk forsvarlig måte.^[11]

Smelten var da raffinert opp til 98-99 % Cu, men var normalt overgar, dvs garkobberet inneholdt litt oksygen bundet til kobber som kobberoksid noe som gjorde metallet litt sprøtt og dårlig egnet til mekanisk bearbeidelse som valsing, smiing og trådtrekking. For bruk til slike formål måtte oksygenet i kobberoksidet fjernes ved omsmelting i egne prosesser, se hammergaring og poling.  

Ordinært garkobber var rent nok for en rekke formål. Som regel kunne det utstøpes og brukes i legeringer, f.eks. til messing.

For prosesskontroll se probering.

Metallurgisk tolkning:

Forutsetning for raffineringen er at alle forurensninger (unntatt edelmetallene) i svartkobber oksideres lettere enn kobber. Jern og andre forurensninger oppløst i smelten forbinder seg med oksygenet i luft og i kobberoksidet Cu₂O og danner oksider, stiger opp til overflaten og strykes av som slagg.

Det utvikles knapt noe varme, slik at det kreves stor varmetilførsel fra forbrenning av trekol ved sterk tilgang på oksygen.^[12]

G. ved Røros hytte i 1847^[13]

- 2 herder er i bruk. Når man garer i den ene, innredes den andre.

- 2 personer garer 3 herder på 12-13 timer

- 2-3 slaggavdrag pleide å være nok for å få kobber av forsvarlig renhet, men enkelte ganger måtte det gjøres 5-6 avdrag.

-  Når siste  avdrag er gjort, og herden ”går på garr”, økes blesttrykket med 30 % og det gjøres prøveuttak som sedvanlig med en jernstang. Før prøveuttak stikkes en eller flere ganger en kjepp ned i herden gjennom bleståpningen i bakveggen for å frembringe gassdannelse og rørelse i kobberet slik at uttaket blir mer pålitelig.

- Dekkplatene holder vanligvis 75 cm i diameter og gares om. Ved oppskiving av en herd med 320 kg kobber får man mellom 23-30 skiver.

- Kretsen som holder 33,13 % kobber sendes tilbake til svartkobbersmeltingen.

- Noe kobber sendes til Leren valseverk for å smigares (se hammergaring) og valses.

B) G. av råkobber fremstilt ved bessemering

Råkobber med 98-99 % Cu ble garet/raffinert i en raffineringsovn av flammeovntype. Sikker kunnskap om bruk av flammeovn for raffinering av råkobber har vi bare fra Røros kobberverk. Ved Sulitjelma kobberverk ble råkobberet sendt til utlandet for raffinering. ^[14]

G. kan her sees som en tofaset prosess, først en oksiderende smelting (avdrivings-fasen), deretter en reduserende bearbeidelse av smelten, på grunn av ganske høyt innhold av Cu₂O i råkobberet^[15], med såkalt poling, evt med et lag kull/koks på toppen som bidrag til å skape et reduserende miljø.

Den oksiderende smeltingen foregår omtrent som for den tradisjonelle g.: Først blåses luft på badet, forurensninger som jern, sink, arsen, svovel m.fl. oksideres, forslagges og trekkes av, eller driver av som gass. I annen fase fjernes oksygenoverskuddet ved at det røres om i smelten med friskgrønne trestokker (poling) hvorved det utvikles hydrokarbongasser, som reduserer kobberoksidet til metallisk kobber. Produktet etter poling kalles raffinadekobber eller raffinert kobber, sjeldnere garkobber. Det inneholder under 1 % forurensninger og kan brukes til en rekke formål.

Det raffinerte kobberet ble ved Rørosverket støpt ut i barrer med standardvekt 7 kg frem til nedleggelsen av hytta i 1953.^[16] Utstøpingen foregikk ofte manuelt med øser.

Selv om man med de nye raffineringsovnene fikk et renere kobber enn det som var mulig ved hammergaringen i de gamle garherdene, gikk mye av raffinade­kobberet i andre land, som USA, videre til elektrolytisk raffinering for å møte kravene til god elektrisk ledningsevne.^[17],[18]  

Varia:

- Det synes som om svartkobber aldri har funnet anvendelse som arbeidskobber. Det måtte på en eller annen måte raffineres ved såkalt "brenning" (se nedenfor), g., evt. hammergaring for bruk til legeringer, mynt, takplater, skipsforhudning, kjeler osv.^[19] Omtale av garet kobber finnes bl.a. i middelalderens bergrett ved Rammelsberg (Harz).^[20]Den nye "tyske" metode som vi kjenner fra 1500-tallet, betegner heller ikke noe prinsipielt nytt, men er bare mer teknisk fullkommen. Fordelene med den "moderne" g. kan ikke fastslås med sikkerhet, men mye tyder på at den nye metoden var trekullbesparende og ga lavere avbrann, dvs tap av kobber, og kanskje var også sluttproduktet renere.^[21]

- Opplysninger om tidlig, og primitiv, raffinering ved svenske, kongelige anlegg fram til 1620 kan gi relevant informasjon for forholdene ved et tidlig verk som Kvikne (anlagt i 1630-årene), selv om det mest sannsynlig ble garet på "moderne, tysk" måte ved det kongelige verk, slik som ved senere norske verk.

- G. er kjent fra gruvemiljøet ved Falun fra midten av 1300 tallet.^[22] Mesteparten av svartkobberet ble allikevel på denne tiden eksportert ugaret fra Sverige.^[23] Kobberet ble smeltet ned i små hytter i åpne, trekullfyrte smieherder med et kobbertap på 12,5-20 %. Prosessen ble kalt "brenning", "lutring" o.lign og produktet ble betegnet som "brent” eller ”renset” kobber. I 1619 ble det anlagt et stort, sentralt garingsanlegg for "tysk" garing i Säter, noen mil sør-øst for Falun^[24]

- Smeltehytta ved Nustadfossen i Meråker (Selboverket) var etter alt å dømme den siste hytta hvor det ble garet på herd i Norge.^[25]

- Kobberet som ble utsmeltet ved "kobberverket" i Kopperåa i Meråker i første halvdel av 1300-tallet ble ikke garet^[26]. Så kan man spekulere på hva som skjedde med det, ble det eksportert og garet i utlandet?

- Arbeidet ved garherden kunne være en farlig arbeidsplass for garmakeren og hans knekt. Kom verktøyet i kontakt med kobbersmelten når slagget ble trukket av, kunne flytende kobber sprute rundt. Og blir det helt kaldt vann på flytende kobber, kastes det rundt omkring med et voldsomt smell med livsfare for dem som står i nærheten. Vannet som ble brukt ved avkjølingen før oppskiving ble derfor gjerne forvarmet hvis man hadde liten tid til å vente på naturlig nedkjøling. En måte å gjøre dette på var å legge vannet på en varm herdskyffel før det ble stenket på kobberoverflaten. En mer drastisk metode var å kaste vannet mot den varme veggen i herdens bakkant, slik at det så sprutet oppvarmet ned på overflaten.

Var det mye svovel i smelten, fikk gassdannelsen smelten til å "koke" slik at dråper av flytende smelte kunne sprute omkring.

- I Sverige var det ingen tradisjon for oppskiving av skjærstein og svartkobber fra herden. Godset ble levert i større og mindre utstøpte stykker.^[27] Man erkjente at den norske, eg. tyske, tradisjonen med oppskiving ga et lavere trekullforbruk ved g., men den krevde en ny metodikk: en ny måte å innrede herden på og et nytt håndlag^[28] – og det var ikke alltid så lett å få gjennomført.   

- Foruten g. i åpen herd, kjente man på kontinentet også til en annen metode ”das grosse Gahrmachen» eller g. i velvet flammeovn, såkalt Spleissofen, (se spleisovn). Mens  garherden var vanlig i de nordre og vestre delene av Tyskland (Harz, Manfeld osv) var bruk av spleisovn begrenset til de saksiske og ungarske bergverkene.^[29]

- Den svenske bergvitenskapsmann, Sven Rinman, bemerker at kobber uten fare kan utstøpes under varmt vann hvorved den da får en vakker rødfarge. Japanske kobber kom til Europa i smale stenger overtrukket med en tynn høyrød slagghinne visstnok fordi de var støpt under vann.^[30]

- I årene 1833-1840 ble det gjort gjentatte forsøk ved Røros kobberverk på å støpe ut garkobberet som "Klodse" for så vidt mulig å unngå "… Spild af denne kostbare Vare under Transporten fra Røros til Trondhjem.” Forsøkene har tydeligvis ikke vært vellykkede da vi ikke hører noe mer om dem.^[31]

- Garkobberet ble på Røros lagret i kobberbua "under 3 lås". Direktøren, bergskriveren og hytteskriveren hadde hver sin nøkkel. Låsen til kobberbua som ble bygd til den nye garhytta i 1840, finnes ennå. Denne låsen har også tre nøkler.^[32] Det har vært hevdet at denne sikkerhetsforanstaltning var rettet mer mot partisipantene enn for å forhindre vanlig tyveri. Garkobber var nok ikke så lett å omsette for en "simpel" mann. 

-  At gull og kobber opptrer sammen, viser opplysninger fra Falun hvor det gjennom 7-800 års drift i kobbergruvene også ble utvunnet 5000 kg gull.^[33]

- Røroskobberet, som hadde ord på seg som det beste, etter det ungarske, fikk hardere konkurranse etter Napoleonskrigene fra både russisk og svensk kobber fordi disse kom i tynnere plater. I 1817 fikk derfor garmakerne ordre om tynnere plater og omsmelting av »Dækspladerne«.^[34]

- Ved Rørosverket ble det rundt 1850 gjort forsøk med g. i gassflamme. Hytteskriver Johnsen vendte imidlertid tilbake til den gamle metode med den begrunnelse at denne ga ubedragelig "udvortes Kjendetegn paa Kobberets Bonitet". Forsøk med g. i flammeovn med gassgenerator ga garkobber i barrer og ikke revet av i skiver. Ifølge partisipantskapet var det ikke minste denne nye form som var årsak til de gamle kunders motvilje mot produktet.^[35] Disse historiene sier en del om den konservatisme som rådet i miljøet.

- Alternativ organisering og smeltemetodikk.

G. var på mange måter et tillegg til den egentlige kobberprosessen som så å si alltid ble gjennomført som en integrert prosess ved det enkelte verk/den enkelte hytte. Vi finner således mange eksempler på at g. ble utført et annet sted enn der svartkobberet var produsert. (Man sto selvfølgelig friere mht organiseringen når vekten av svartkobberet kun var ca 10 % av smeltemalmens vekt ved begynnelsen av forhyttingen). Ved de større verkene var det vanlig at utkanthyttene produserte svartkobber, mens g. ble foretatt ved sentralhytta. Desentraliseringen av hyttefunksjonen skyldtes som regel lokal mangel på trekull, mens sentraliseringen av g. kan ha vært motivert ut fra ledelsen ønske om å ha kontroll og oversikt over produksjonen av verkets verdifulle ferdigprodukt, samtidig som g. fungerte som markør for verkets sentrum.  Denne organiseringen var dominerende ved f.eks. både Røros kobberverk og Selbu kobberverk. Mer spesielt er at g. ble foretatt ved en fremmed hytte. Som eksempel kan nevnes at Tydal verk sendte sitt svartkobber til garing ved Leren Valseverk ved Trondheim hvor man for øvrig garet i flammeovn. Også Rørosverket sendte noe av sitt svartkobber til Leren som brukte garkobberet i sin plateproduksjon (som for øvrig krevde hammergaret kobber, se hammergaring). Også ved Tydalverkets nyoppførte hytte (1858) ved Seterå ble det garet i flammeovn i 1860-årene (hytta nedlagt i 1869). Når det ikke ble garet mer i flammeovn, kan det skyldes at temperaturen i alminnelighet ikke ble høy nok for smelting av det jernholdige svartkobberet. Dette kobberet krevde ofte temperaturer man bare kunne oppnå i en garherd med sterk blest og direkte kontakt mellom kull og gods.

Som brensel i garherden ble i all hovedsak brukt trekull, men det finnes også eksempel på at det av og til ble brukt torv^[36] – trolig pga trekullmangel.

- Det er lett å se likheten i teknikk og metode mellom g. og avdriving av bly i sølvmetallurgien. I begge tilfeller foregikk den oksiderende smeltingen i en herd hvor oppkonsentrasjonen av verdimetallet skjedde ved at urenhetene ble skummet av som slagg fra overflaten med bruk av krykke som avtrekksverktøy.

- Ved Røros kobberverk ble raffineringsovn tatt i bruk i 1889. Når bortsees fra flotasjon, som ble innført på 1920-tallet, lå nå hovedtrekkene i hyttedriften fast fram til hytta brant i 1953.

- Ved Sulitjelmaverket var sluttproduktet utstøpte barrer i alle år fra 1897, da konverteren ble satt i drift, til hyttedriften ble innstilt i 1987.^[37]. Barrevekten var fram til 1957 på 120-150 kg, fra 1957 økt til 650 kg.^[38]