Svartkobbersmelting

[INTRO. Ved svartkobbersmeltingen ble venderøstet såkalt ’verk’ smeltet i sjaktovn under reduserende forhold. Pga den betydelige forslaggingen som fant sted, spesielt av jern, var svartkobber et høyt anriket smelteprodukt med ca 90 % metallisk kobber. Denne smeltingen var nest siste trinnet i femtrinnsprosessen for fremstilling av (nesten) rent kobber.]

Svartkobbersmelting/ sortkobbersmelting/sortkobbersmeltning/svartkopparsmelting/kopparbruk

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.

Ved venderøstingen ble mesteparten av svovelet fjernet så man i svartkobbersmeltingen vesentlig hadde oksider. Svartkobbersmeltingen ble derfor vesentlig en reduksjonsprosess hvor kobberoksid gjennom kontakt med kull og karbonrike ovnsgasser ble utredusert til metallisk kobber, mens jernoksidet for en stor del ble avbundet med kvarts til slagg. Trekull fungerte som brensel og reduksjonsmiddel. S. foregikk, liksom skjærsteinsmeltingen, i sjaktovner, men ved høyere temperatur, enten i en modifisert skjærsteinsovn, eller i en egen ovn med noe trangere sjakt og mindre herd. Se svartkobberovn for nærmere omtale.

Sammen med andre utreduserte metaller dannet det seg så et mer eller mindre forurenset mellomprodukt, svartkobber, som i tidligere tider jevnlig holdt rundt 90 % Cu, men som med bedrede metoder kunne komme opp i 96 % Cu. Resten var for det meste jern, svovel og sink.^[1] Små rester av gjenværende svovel etter venderøstingen, bandt seg ofte til kobberet og dannet såkalt sporstein (se nedenfor) som gikk i retur.

S. foregikk ved relativt høy temperatur og med et stort forbruk av trekull. Kobbertapet i slagg var betydelig. Man regner at slagget holdt 1-2 % Cu, og at kobbertapet i venderøsting og s. til sammen utgjorde ca halvparten av det samlede kobbertap ved framstillingen av kobber med den tradisjonelle femtrinnsprosessen.^[2] Det silikat- og kobberrike slagget gikk for det meste til omsmelting som fluss og for utvinning av kobberet.^[3]  

Svartkobberet ble trukket av i skiver som gikk til raffinerende smelting ved garing.^[4],[5] Ved noen mindre verk og enkeltstående hytter ble kobberfremstillingen avsluttet med s., mens garingen ble utført ved andre verk, eller hytter.

Selve smelteprosessen forløp omtrent som for skjærsteinsmeltingen med påsetting av trekull, røstverk og fluss, i tillegg diverse returgods (svartkobberslagg, krets fra garherden, røstet sporstein o.a.) fra toppen av ovnen. Smelteren sørget først for at det dannet seg en passe lang nese på bleståpningen, både for å beskytte åpningen mot heten og for å kunne styre luftstrømmen i smelterommet og dermed temperaturen i smeltemassen i herden. Utbytte svartkobber av påsatt venderøstverk varierte nok en god del, men kan jevnt over ha ligget på 20-30 % dvs at 70-80 % av verket ble forslagget, dannet jernsu o.l..

Når herden var full av kobber, ble det stukket ut. Utstikkshyppigheten varierte noe etter hvor høy temperaturen var i ovnen, hvor stor herden etter hvert var blitt i løpet av smeltekampanjen og hvor rik malmen var. Spredte, norske kilder indikerer at det jevnlig ble stukket ut 2 ganger i døgnet, dvs i hvert skift, og at ovnen ble ominnredet en gang i uka. Arbeidsordningen samsvarte dermed godt med den som ble praktisert ved skjærsteinsmeltingen. Kanskje bød analog rytme i arbeidet ved de to ovnene på logistiske og praktiske fordeler.

Før utstikk ble det gjerne foretatt en enkel probering, ofte med bruk av jernspett. Hvis kobberet festet seg dårlig til spettet, var det "tørt", dvs det hadde vært for høy temperatur under smeltingen. Satte kobberet seg tykt og rikelig på spettet, var det tegn på godt venderøstverk og god smelting. Ved utstikningen fulgte det gjerne med litt sporstein (se nedenfor) og noe slagg^[6].

Generelt var god slaggdannelse og separasjon viktig for å få fjernet jernet. Forslagging av jernet var, ved siden av dannelsen av metallisk kobber, det viktigste som skjedde ved s..

Utstikksherden lå på siden av ovnen, og det ble stukket på vanlig måte ved at smelteren åpnet utstikksåpningen med et jernspett. Etter utstikk ble åpningen tettet med en leireklump el.lign. Etter siste utstikking ble ovnen rengjort og klargjort for neste smelting. De urene ovnsproduktene i ovnen som nesen og jernsua i bunnen, diverse klumper av seigslagg og halvsmeltet gods gikk for det meste til omsmelting.^[7]

Sporstein spilte en viktig rolle for skillet svartkobber/slagg og var dermed et ønsket biprodukt ved s.. Den var lettere enn svartkobberet, men tyngre enn slagget og la seg både i smelte- og utstikksherden som et tynt, "beskyttende" mellomsjikt mellom kobber og slagg og bidro til god separasjon av fraksjonene. Var det lite, eller ingen sporstein i utstikksherden, måtte medfølgende slagg umiddelbart fjernes ved utøsing etter utstikket for å forhindre at svartkobberet satte seg fast i dette. Med litt sporstein i herden kunne svartkobber, sporstein og slagg lettere skilles fra hverandre etter avkjøling.

Sporstein ble vanligvis dannet ved at det var satt på for svakt røstet (dvs lett svovelholdig) venderøsteverk, men det kunne også bli satt urøstet, rik malm, eller skjærstein på s. for å sikre sporsteinsdannelse. Det er anslått at sporstein utgjorde 5-6 % av den utstukkede kobbermengde^[8], men dette tallet varierte. For kobberinnholdet i steinen varierer opplysningene sterkt fra 37-80 % Cu.

Sporsteinen gikk gjerne tilbake til ny og kraftig venderøsting, opp til 18 brenninger er nevnt, før ny smelting. Alternativt kunne sporstein samles opp og settes direkte på separat smelting, evt. i en egen ovn for smelting av returer, en såkalt kretsovn (ikke kjent fra kobbersmeltingen i Norge).

Spørmålet om smelterprofesjonen var atskilt på skjærsteinsmelter og svartkobbersmelter, kan besvares med et både-og. Ved større hytter med store venderøsteanlegg, som Røros-hytta, var det trolig egne svartkobbersmeltere, mens en slik spesialisering er lite tenkelig ved mindre hytter hvor man bare hadde en, eller to ovner som var både skjærsteins – og svartkobberovn.

Metallurgisk tolkning.

Ved s. foregikk karbotermiske reaksjoner hvor venderøstegods med kobberoksid (CuO) og jernoksid (Fe₂O₃) ved smelting med trekull i sjaktovn ble redusert til svartkobber med ≈ 90 % Cu, for øvrig jern, svovel og enkelte andre forurensninger.

Ved smeltingen ble kobberoksidet redusert til metallisk kobber etter følgende likning:

CuO + CO = Cu + CO₂.

Jern (II) oksidet (FeO) ble ved tilsats av kvarts (SiO₂) forslagget til fayalitt, Fe₂SiO_4, som utgjorde hoveddelen av slagget.  

Metallurgisk sett var kjernen i s. at jernet hadde større affinitet til oksygen enn kobber. Jernet forbant seg til kvarts som oksid, mens kobberet ble redusert til metallisk kobber.

Gjenværende svovel i røsteverket forbant seg til kobberet som Cu₂S (sporstein).

Ved smeltingen ble også noe jern redusert inn i kobberet. Dette ble fjernet i slagg etter reaksjon til FeO ved den oksiderende garingen.^[9]

Varia

- På grunn av mangler i det norske kildegrunnlaget, bygger mange av opplysningene om smelteprosedyrer mm på svenske kilder. Spesielt mye gir Sten Lindroths stort anlagte og veldokumenterte verk fra 1955 om Stora Kopparbergets historie. Den store likheten i malmgrunnlag og prosessenes hovedtrekk gir imidlertid en del detaljopplysninger rimelig grad av troverdighet også for norske forhold. En del svenske forhold er imidlertid ikke trukket inn i fremstillingen da de anses være spesifikt svenske. Her er en del ugjort i norsk bergverksforskning. På norsk side savnes opplysninger om ovnenes produksjonskapasitet, arbeidsordninger ved smeltingen, skiftordninger, hvor mange påsett pr skift o.lign.

Mer allment kan det påpekes at slike ’hvite flekker’ i det norske kildegrunnlaget også gir et terminologisk tomrom. Vi mangler således faglige, norske termer f.eks. for "dalkar" = seigslaggklump; "förverk" = halvsmeltet gods som satt høyt oppe i kobberherden; "bränngods" = svartkobber smeltet ved for høy temperatur; stövelgods =gods som setter seg tykt og rikelig på smelterens spett før utstikning; lorthilla = tykk, seig, jernholdig masse som legger seg mellom kobberet og slaggen i smelteherden, og som kommer av for sterkt røstet gods, osv. Det er lite sannsynlig at det ikke fantes fagtekniske ekvivalenter i bruk ved norske verk - hvis man da ikke brukte de svenske termene. Se for øvrig Fagordlister.

- Hastverk er lastverk, også i tidligere tider. En svensk bergmann hisset seg i 1661 kraftig opp over slurv og dårlig arbeid ved kobberfremstillingen. Særlig ille var det i tiden før markedene når svartkobberet fra Stora Kopparberget ble solgt til garmakerne i Avesta. Bergmennene fikk det da travelt med å produsere mest mulig, fortest mulig. Både kaldrøsting og venderøsting ble avsluttet for tidlig, og ved s. »...samkas och sopas ihop både lijkt och olijkt, och spares inge kohl, på det ungnen går heeter...". Svartkobberet inneholdt etter slik smelting ofte både skjærstein og urene masser mekanisk innblandet i store stykker. En del av svartkobberet var så jernholdig at det gnistret liksom jern i masovnen når det ble garet. Kan nå slikt kalles kobber, spørres det indignert.^[10]

Det er ingen grunn til å tro noe annet enn at dårlig arbeid og tidvis tidspress var innslag også i norsk kobberindustri.  

- Bruk av koks til s. blir i et historisk perspektiv helt marginal, fordi introduksjonen av koks som brensel i smeltingen i tid falt sammen med at den gamle femtrinnsprosessen  med venderøsting, s. og garing gikk over i historien, og fordi mange av de gamle verkene sent på 1800-tallet enten var nedlagt eller hadde gått over til kisproduksjon.

Koks stilte, som importprodukt, krav til moderne transportfasiliteter som jernbane. Det nye brenselet ble således tatt i bruk ved Rørosverket og Selbuverket så snart jernbanen kom dit i 1878, hhv 1881.

- Det egentlige hyttebruket ble tradisjonelt ansett som avsluttet med s.. og ’svartkobbersmelting’ ble brukt i betydningen ’kobberfremstilling’.

- Ved en del kontinentale verk ble det lagt inn en ekstra omgang med røsting og smelting, såkalt ’konsentrasjonssmelting’, etter skjærsteinsmeltingen, slik at man fikk i alt syv trinn i stedet for fem i kobberprosessen. De ekstra trinnene ble bl.a. lagt inn når skjærsteinen var sterkt forurenset av arsen og antimon, eller når den var spesielt kobberfattig. Mellomproduktet ble kalt konsentrasjonsstein.

- Omreisende prosjektmakere var stadig på farten med spektakulære metoder for full omveltning av kobberproduksjonen. Særlig synes første halvdel av 1700-tallet å ha vært en travel tid for fantasifull eksperimentering på det praktisk-metallurgiske området. I Sverige reiste således en tysker med navn Hunger rundt i 1735 med et hemmelig pulver som skulle gi en økning av kobbermengden i smelteovnen. En Paul Köppen påsto han kunne fremstille svartkobber med bare en smelting.^[11] Vi vet ikke noe mer om disse herrene – kanskje dro de over til Norge og prøvde lykken der?

- Veien til kobberet var lang og ressurskrevende under femtrinnsprosessen. Både i Sverige og i Norge ble det gjort enkelte forsøk på å ta noen ’snarveier’. Fra Røros kjenner vi således til forsøk på å smelte svartkobber av skjærstein direkte uten venderøsting, og både ved Rørosverket og Selbuverket kjenner vi til forsøk på å la spesielt rik malm gå direkte til vendrøsting og s. uten å gå om kaldrøsting og skjærsteinsmelting. Ingen av forsøkene kan ses å ha satt varige spor.

- Godt svartkobber hadde en sterk rødfarge. En poetisk, svensk forfatter som hadde sett en utstikning skriver at svartkobberet rant ut "…liksom blodet från en avskuren åder…"^[12]

- I Norge ble svartkobberet skivet opp fra herden. Dette var en ’tysk’ metode. I Sverige ble svartkobberet støpt ut i firkantete sandformer og brakt til garingen enten hele, eller noe oppdelt. Oppdelingen foregikk med øks som ble hugget ned i "kopparstycket" i sandforma og sto der til det var størknet. Bitene ble kalt "kopparlappar" eller "stycker". De firkantde, tykke skivene kunne f.eks. være 1 ½ alen, eller ca 90 cm svensk mål, og var "…af några skippunds vigt.."^[13] (min 300 kg) og må ha vært svært tunge og uhåndterlige. Svenske forfattere med kjennskap til den norske oppskivingen berømmer denne metoden fordi skivene i forhold til "styckerna" var langt lettere å smelte, og med mindre kullforbruk ved den etterfølgende garingen. Som en skriver: "Det kommer bare an paa haandlaget, og at stikherden redes derefter, nemlig med saa meget stubb i forhold til leren at kobberet godt lar sig sprite (at ta ut i paa overflaten størknede lag efter at være besprøjtet med vand)"^[14] Dette måtte forklares for et svensk publikum.

I Sverige ble bare garkobberet skivet opp, da fra smelteherden.