Knudsen-prosessen

Knudsen-prosessen/Knudsenprosessen/Knudsen-Processen/Knudsenmetoden

Metode for fremstilling av kobberrik skjærstein ved blåsing av svovelrik, urøstet malm, samt konsentrat i konverter.

Ved K. ble svovelrike malmer med ca 25 % svovel og etter hvert flotasjonskonsentrat røstet og smeltet i en lukket, oksiderende prosess ved innblåsing av luft ved økende trykk i en konverter.(For nærmere beskrivelse av konverteren, se Knudsen-konverteren).

For å starte prosessen trengte man bare små mengder koks, resten gikk av seg selv i en varmegivende prosess. K. ga innsparinger både på tid, arbeid og ikke minste brennstoff^[1], et redusert støvtap og en rikere stein. Det ble beregnet at kostnadene for fremstilling av skjærstein (røsting+ skjærsteinsmelting) sank med 65 % etter at metoden var innført i Sulitjelma i 1905.^[2] Smelting av konsentrat ble aktuelt etter at man hadde begynt med flotasjon i 1907. Konsentratet ble i den første tid brikettert (se brikettering) før det ble satt på ovnen. Senere oppfant ing. Westly ved Sulitjelma-verket en metode for direkte innblåsing av konsentratet i konverteren.^[3]

Skjærsteinen fra K. var meget kobberrik^[4], og ble i flytende tilstand overført til en bessemerkonverter for videre blåsing til råkobber (se bessemering).

Kostnader pr tonn (1907) kr 4,38.^[5]

K. ble utviklet av direktør Julius Emil Knudsen gjennom eksperimentering i smeltehytta ved Sulitjelmaverket fra 1902. Eksperimentene viste at røstingen kunne foregå i en lukket ovn med tilførsel av trykkluft. Dermed unngikk man det betydelige støvtapet man hadde ved skjærsteinsmelting av røstet malm i sjaktovn. Ved å kjøre med redusert lufttrykk i begynnelsen, fikk "støvet" tid til å sintre til små kaker, eller med Knudsens egne ord: "…et dække eller laag på malmchargen, hvilket opfanger og forhindrer de finere partiklers undvigen. Først til aller sidst smelter dette laag, og senere er det kun slag, som af og til kastes ud af ovnen, og selv dette kan man særdeles vel reducere ved at regulere luftens pression."^[6]

Dette betydde ikke bare redusert støvplage for arbeiderne, men også en betydelig reduksjon i tap av kobber i malmen fra 18-20 % ved den tidligere metode med røsting, skjærsteinsmelting og bessemering, til 8-10 %.^[7]

Varmeoverskuddet til røste-/smelteprosessen ble generert ved forbrenning av svovel i malmen og omsetning av sulfider til oksider (særlig omsetningen jernsulfid (FeS)/jernoksid (FeO). K. forente altså kaldrøsting og skjærsteinsmeltingen i den tradisjonelle femtrinnsprosessen i én operasjon.^[8]

Konverteren ble klargjort for smelting ved at det først ble lagt i koks som ble antent under høyt lufttrykk til koksen var rødglødende. Deretter ble malmen sluppet på satsvis sammen med fluss (kvarts). Ekstra koks ble bare tilsatt ved behov. Når det nedsmeltede godset nådde dysenivået for innblåsningsluften, ble lufttrykket økt kraftig og konverteren dreiet slik at luften blåste gjennom badet. Smelting av en charge varte fra 5-6 timer. Vanligvis gikk bare slagget til videre separering, mens skjærsteinen i den første tiden gikk direkte til bessemer-konverteren^[9]. I beste fall kunne hele løpet med K. og bessemering ta ned mot 4,5 time.^[10] Etter en omlegging og utvidelse av hytta i 1912 gikk det flytende produktet fra Knudsen-konverteren til en flammeovn eller den ble omsmeltet i en waterjacketovn før skjærsteinen fra disse ovner gikk på bessemerkonverteren.^[11]

K. egnet seg ikke for svovelfattige malmer.^[12]

Selv om det var mulig å blåse videre til råkobber på 98-99% i Knudsen-konverteren, fant man ikke dette lønnsomt, trolig pga høyt Cu-innhold i slagget. "Knudsenmassen" gjennomgikk derfor en etterbehandling enten av hele chargen eller bare av slagget.^[13] Dette brakte kobbertapet i slagget ned mot akseptable 0,4 %, selv ved smelting som gav opp til 75 % Cu i skjærsteinen.^[14] Dette diskontinuerlige trekk gav opphav til kritikk av prosessen.^[15] Prosessen gav en rik skjærstein som igjen gav et godt utgangspunkt for blåsing til råkobber i en standard bessemerkonverter for kobberblåsing.^[16]

Metoden gav ikke mulighet for SO₂-fangst, noe som førte til store utslipp pga det store svovelinnholdet i malmen.

En ovn med forherd og generator krevde fire mann pr skift, pluss "…en formann som lett kunne ha oppsyn med to eller tre ovner".^[17]

Metallurgisk tolkning:

Ved K. og annen type pyrittsmelting ble kobberet oppkonsentrert i sulfid ved

at svovel og jern i svovelkis (pyritt) ble oksidert og enten ble forslagget eller avdrevet som gass etter følgende eksoterme reaksjon:

2 FeS (jernsulfid)+SiO₂(kvarts)+6 O=2 FeO•SiO₂(slagg)+2 SO₂.

Sluttproduktene fra smeltingen, skjærstein og slagg var for øvrig resultatet av en rekke kjemiske reaksjoner hvori inngår 1. oksidasjon av sulfider til oksider og svoveldioksid 2. vekselreaksjon mellom kobberets oksider og kobberets sulfid til metallisk kobber og svoveldioksid 3. sulfidisering av kobberet via svovelkis og oksidasjon av metalliske jern til jernoksid og 4. forslagging av jernoksidet med kvarts til slagg.^[18]

Varia:

- Metoden har sitt navn etter Sulitjelmas direktør fra 1897-1908, Julius Emil Knudsen, som kom fra stillingen som direktør ved Røros kobberverk hvor han bl.a. hadde ledet arbeidet med svovelkisproduksjonen ved verket.

Erfaringen fra forsøksperioden (1902-1905) førte bl.a. til at man fant det nødvendig å øke innblåsningstrykket for å kunne holde dysene åpne uten mekanisk oppstaking utenfra, noe som hadde vist seg å skade fôringen rundt dysene. Smelting etter den nye metoden startet i 1905 med en konverter for 12 tonn og en turbin på 400 Hk for drift av luftkompressoren. Året etter ble det installert en ny og større konverter for 25 tonn. Denne størrelsen synes ikke å ha blitt overskredet. Større konverter gav mindre vedlikehold og lavere brenselskostnader pr produsert enhet, samt en mer ensartet skjærstein.^[19]

Innføring av den nye smelteprosessen kom som et svar på Sulitjelma-verkets svake lønnsomhet som en følge av tyngende brennstoffutgifter i et marked med synkende kobberpriser rundt århundreskiftet. Produksjonen viste seg vellykket og patenter ble solgt i en rekke land over hele verden, bl.a. Serbia og USA. Vi står med dette overfor et av de første eksempler på eksport av moderne norsk teknisk know-how.

Det går fram av bedriftsarkivet at ledelsen hadde svært høye forventninger til forretningsmulighetene ved salg av patenter, ja, kanskje høyere enn til den tekniske utnyttelsen av ovnen i verkets tjeneste.^[20]

Til tross for suksessen med K., ble det ved Sulitjelma-verket parallelt også utviklet en annen produksjonslinje med utgangspunkt i oppredning ved flotasjon, se Elmore-prosessen. Ny Knudsen-konverter ble imidlertid montert så sent som i 1917 og var i drift helt til hytta (foreløpig) ble nedlagt i 1919. Da den nye smeltehytta var ferdig i 1929, baserte man skjærsteinsmeltingen på elektrisk smelting av flotasjonskonsentrat i Söderberg-ovn. Konsentratet som holdt opp 25-30 % Cu måtte ikke røstes, og K. var dermed overflødig.

- Man skal ikke se bort fra at den dynamiske ingeniør Knudsen var fascinert av de krefter som ble sluppet løs ved den prosess han hadde gitt sitt navn til. Han skriver: " Ved Knudsenprosessen piskes jo det smeltede bad af de indblæste kolde luftstraaler til de vildeste bølger, og skjærsten og slag og beskik­ningsmaterial hvirvles om hinanden, hvorved netop forslagningen af jernet og kobberskjærstenens koncentra­tion finder sted. Følgen er naturligvis at, naar chargen er færdigblæst, er alt saa sammenblandet, at det tager adskillig tid, inden skjærsten og slag udskilles godt fra hinanden."^[21]

- I årene 1898,1899 ble det gjort forsøk med pyrittsmelting i ovn ved Røros-verket uten at dette førte til noe.^[22]

- K. var en spesiell form for pyrittsmelting. Den vanlige metoden i utlandet var pyrittsmelting i sjaktovn. I det norske, tekniske miljø hadde man "de bedste Forhaapninger" til den nye prosess utviklet av ing. Knudsen .^[23] Den engelske metallurgen Edward Peters kommenterer imidlertid K. slik: "… [it] may prove very valuable to small operators, especially in isolated districts". Han er særlig kritisk til diskontinuiteten i prosessen, og uttrykker samtidig forundring over at metoden med denne svakheten har funnet fotfeste "…especially in this country where the trade unions seem determined to force the elimination of human intervention from all industrial processes."[!]^[24]