Outokumpu Oy:n Harjavallan tehtaassa vuonna 1949 kehitetty liekkisulatus oli ensimmäinen kaupallinen, hienojakoiselle vaahdotusrikasteelle tarkoitettu autogeeninen sulatusmenetelmä.
Juttu on ilmestynyt Kemia-lehdessä 9/2004 osana Suuret suomalaiset kemian keksinnöt -sarjaa. Liekkisulatus sijoittui AIV-rehun ja ksylitolin jälkeen kolmanneksi äänestyksessä, jossa lehden lukijat valitsivat alan merkittävimmät suomalaiskeksinnöt.
Pekka T. Heikura
Diplomi-insinööri Petri Brykin (1913–1977) johdolla syntynyt, luonnontieteen ja insinööriosaamisen nerokkaasti yhdistänyt keksintö kuului vuosisadan tärkeimpiin kemiallisen metallurgian innovaatioihin koko maailmassa.
Liekkisulatusta voidaan yhä pitää paitsi suomalaisen teknologian myös suomalaisen kulttuurin keskeisenä lähettiläänä maailmalla.
Keksinnön kehityshistoriaa ja maailmanvalloitusta tutkineen Tuomo Särkilahden mukaan se perustui kumoukselliseen tekniikkaan, joka sekä energiankäytön että ympäristön kannalta osoittautui aiempia kuparinvalmistusmenetelmiä ratkaisevasti edistyksellisemmäksi.
Metallurgian alalla liekkisulatusta on verrattu atomipommin kaltaiseen hätkähdyttävään teknologiseen edistysaskeleeseen.
Mutkikas tapahtumaketju
Liekkisulatuksen metallurginen tapahtumaketju on hyvin monimutkainen.
Pelkistetysti prosessi on seuraava: normaaliin sulfidisten rikasteiden käsittelyyn kuuluvat eksoterminen reaktio eli pasutus ja endoterminen reaktio eli sulatus siirretään tapahtumaan yhdessä uuniyksikössä.
Tällöin rikasteeseen sisältyvien raudan ja rikin palamisessa syntyvä lämpö voidaan käyttää hyväksi sulatuksessa.
Ratkaisu näyttää teoriassa yksinkertaiselta, kuten kaikki erinomaiset keksinnöt.
Käytännössä sen kehittäminen ideasta tuotantovaiheeseen kesti neljä vuotta, ja toiset neljä vuotta kului uuden teknologian lastentautien nujertamiseen, vaikka työssä puursivat maan parhaat asiantuntijat.
Liekkisulatus ratkaisi sekä Outokummun että koko maan energiaongelmat. Kun lämpö saatiin palavasta rikasteesta, ulkopuolista energiaa ei enää tarvittu.
Keksintö siirsi kuparinjalostuksen kokonaan uuteen aikakauteen ja herätti ymmärrettävästi heti valtavaa kansainvälistä kiinnostusta.
Energiakriisi pakotti innovoimaan
1940-luvulla tehty kehitystyö oli aikaansa nähden tieteellisesti ja teknisesti harvinaisen kunnianhimoista.
Outokumpu oli Valion ohella yksi harvoista suomalaisista suuryrityksistä, jotka jo ennen sotia olivat kiinnostuneita luonnontieteeseen perustuvasta tutkimus- ja kehitystoiminnasta.
Sodanjälkeisissä oloissa Outokummun oli pakkokin keksiä uusi, energiaa säästävä sulatusmenetelmä, kun sähkön hinta nousi ja saanti vaikeutui.
Tilanne uhkasi vakavasti Harjavaltaan siirretyn kuparisulaton kannattavutta ja toimintaedellytyksiä.
Ratkaisuksi valittiin uuden, energiaa säästävän metallurgisen prosessin kehittäminen. Outokummulla oli onnekseen hallussaan kaikki työhön tarvitut teknologiset, tieteelliset ja taloudelliset valmiudet.
Pohjana professori Väinö Sihvosen tutkimustyö
Tutkijaryhmä aloitti työnsä Harjavallassa vuosina 1945–1946.
Sen johdossa olivat Porin tehtaiden metallurgisen osaston päällikkönä toiminut diplomi-insinööri Petri Bryk ja Harjavallan tehtaan isännöitsijä, yli-insinööri John Ryselin.
Kolmas jäsen oli vuorineuvos Eero Mäkinen, joka teki päätöksen kehitystyön aloittamisesta ja jolla oli myös laaja tieteellinen koulutus.
Työn lähtökohtana oli professori Väinö Sihvosen palamisteoria. Sihvonen oli Teknillisen korkeakoulun ensimmäinen, vuonna 1936 virkaan astunut fysikaalisen kemian ja sähkökemian professori.
Jo vuoteen 1934 mennessä hänellä oli tuhatkunta koetta sisältävä tutkimusaineisto, jonka pohjalta hän muotoili hiilen hapetusilmiöt sisältävän kokonaisteorian. Sen ansiosta oivallettiin, että luonnostaan hitaiden kemiallisten reaktioiden nopeutta voitaisiin lisätä.
Petri Bryk oli professorin entinen oppilas, joka oli saanut päästötodistuksensa Sihvosen osastosta vuonna 1938. Harjavallassa Bryk ryhtyi ennakkoluulottomasti soveltamaan opettajansa teoriaa käytäntöön.
Tuloksena oli laitteisto, jossa monimutkaiset palamis- ja sulamisreaktiot oli ensi kerran yhdistetty yhdeksi ja samaksi kokonaisuudeksi.
Kiivas aikataulu
Laitteiston testaus saatiin alkuun vuonna 1947 Harjavaltaan pystytetyssä koesulatossa.
Saman vuoden syksyllä Outokummun hallintoneuvosto myönsi varsinaiseen tuotantoon tarkoitetun liekkisulaton rakentamiseen yli 200 miljoonaa markkaa, ja urakka käynnistyi välittömästi.
Vaikka koetehtaasta oli saatu monipuolisia tuloksia, varsinaisen uunin kokoa ja muotoa määriteltäessä jouduttiin turvautumaan ”todennäköisyysnäkokohtiin”. Reaktiokuilun korkeudeksi arveltiin riittävän kahdeksan metriä.
Vaikeinta oli päättää halkaisijan koko.
Jos se valittaisiin liian pieneksi, kaasun nopeus nousisi liian suureksi. Palaminen tapahtuu tällöin alauunissa ja muodostuu liikaa pölyä.
Jos taas halkaisija on liian suuri, lämpötalous kärsii, rikaste ei ehkä pääse syttymään ja palaminen huononee.
Koesulatosta oli kuitenkin saatu pohjaa arvioille: kuilun yhden neliömetrin poikkipinta-ala vastaa 50 tonnin sulatustehoa vuorokaudessa.
Kun tähtäimessä oli uuni, joka tuottaisi 24 000 tonnia kuparia vuodessa, reaktiokuilun halkaisijaksi tuli yläosassa 3,5 ja alaosassa 2,1 metriä.
Sulaton rakennusaikataulu oli uuvuttavan kireä. Lehdistölle tiedotettiin, että uusi menetelmä saataisiin käyttöön jo vuoden 1948 aikana.
Amerikasta tilatut erikoistiilet kuitenkin myöhästyivät ja saapuivat Harjavaltaan vasta 12. maaliskuuta 1949. Sen jälkeen työ jatkui ripeästi, ja sulatto oli valmis käynnistettäväksi 20. huhtikuuta.
Vaikeuksien kautta voittoon
Uuden laitoksen alku oli kuitenkin masentava. Vaikka tekniikka oli periaatteessa valmis, autogeeninen sulatus ei lähtenyt toimimaan.
Alkoi kuukausia ja jopa vuosia kestänyt, ajoittain hermoja raastanut taistelu toimivan laitteistoratkaisun löytämiseksi.
Prosessin käynnistyksessä ratkaiseva oli hetki, jolloin ”syöttö laitettiin päälle” eli rikaste päästettiin reaktiokuiluun. Kun se ei onnistunut toivottuun tapaan, myös jatko kangerteli.
Ongelmaan löytyi lopulta ratkaisuksi sveitsiläisen Gebrüder Bühlerin toimittama kolakuljetin.
Muitakin lisälaitteita oli hankittava. Vuoteen 1953 mennessä pulmat oli yksi toisensa jälkeen selvitetty ja tekniikka saatu toimimaan moitteettomasti.
Seuraavana vuonna Outokumpu saattoi vihdoin rehellisesti sanoa hallitsevansa autogeenisen sulatuksen kokonaisuudessaan.
Yhden liekkiuunin vuoden yhtämittainen, keskeytymätön käyttö onnistui vuonna 1957. Outokummun tutkimustoiminnan ensimmäinen ja samalla koko yhtiön historian merkittävin saavutus oli valmis.
Suomalaissampo maailmanmenestykseen
Liekkisulatuksen autogeenisessä eli omavoimaisessa prosessissa on katsottu olevan jotakin samaa kuin itsestään käyvässä koneessa.
Menetelmää on myös nimitetty energiasammoksi, joka vapauttaa kuparinsulatuksen voimansaannin rajoitteista.
Sammon takojille, Petri Brykille ja John Ryselinille, myönnettiin vuonna 1954 Suomen kulttuurirahaston suurpalkinto, miljoona markkaa. Ryhmän kolmas jäsen Eero Mäkinen oli kuollut edellisenä vuotena.
”Suomalainen menetelmä” oli siihen mennessä tehnyt Outokummun ja Suomen teknologian tunnetuksi kautta maailman.
Petri Bryk, liekkisulatuksen keskeisin kehittäjä ja koko Outokummun metallurgisen tutkimuksen henkilöitymä, oli jo vuonna 1949 nimitetty yhtiön päämetallurgiksi suoraan toimitusjohtajan alaisuuteen.
Suomalaiskeksintö patentoitiin tuoreeltaan myös maailmalla. Vuosien varrella prosessi on hiottu huippuunsa, se on muuttunut arkipäiväksi ja kuuluu nykyään alan perusteknologiaan.
Metallurgien uskollista työjuhtaa voidaan verrata päättyneen vuosisadan tärkeimpään massatuotteeseen, autoon. Asiantuntijat hallitsevat liekkisulatuksen yhtä vaivatta kuin kuka tahansa autolla ajamisen.
(Kuva Outokumpu) Petri Bryk (vas.) ja John Ryselin paiskaavat kättä maailman ensimmäisessä liekkisulatusuunissa, joka käynnistyi Harjavallassa huhtikuussa 1949.
Happirikastus uusi edistysaskel
Liekkisulatusmenetelmän ”luonnonmukaisuus” päättyi vuonna 1971, kun Outokummun Harjavallan tehtaassa otettiin käyttöön happirikastus.
Liekkiuuneihin ryhdyttiin syöttämään luonnollisen ilman sijasta ilmaa, johon oli lisätty teollisesti valmistettua happea. Uunit saivat 21 prosentin sijasta ensin 30, pian 45 ja lopulta 80 prosenttia happea.
Happirikastus oli uusia kaivoksia avanneelle ja rikastemääriään lisänneelle yhtiölle kätevä keino tehostaa sulatusta ja metallien tuotantoa entisestään.
”Happikulttuuriin” siirtymällä Outokumpu sai ainutlaatuisen tilaisuuden hallita uunin olosuhteita ja säätää jo muutenkin hyvin toiminutta sulatusta.
Happiteknologia kohotti liekkisulatuksen kansainvälisen arvostuksen yhä korkeammalle.
Liekkisulatus oli antanut Outokummun teknologialle kasvot ja yritykselle identiteetin. Uusi keksintö osoitti, että yhtiö kykeni säilyttämään paikkansa alan innovatiivisimpien joukossa.
Aiheesta enemmän
Särkikoski, Tuomo: Tiedon liekki. Kuinka Outokumpu loi keksinnön ja teki siitä kulttuurin. Outokumpu Oyj ja Suomen Tekniikan Historia 1999.
