Bas fourneau

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Fabrication d'acier dans un bas fourneau au Moyen Âge.

Le bas fourneau est un four à combustion interne qui a servi, au début de l'âge du fer, à transformer le minerai de fer (hématite, limoniteetc.) en fer métallique.

Historique et terminologie[modifier | modifier le code]

Formes primitives[modifier | modifier le code]

Le terme « bas fourneau » s'est répandu par opposition au haut fourneau[note 1] quand celui-ci a été inventé. Contrairement à ce que son nom semble souligner, ce n'est pas la hauteur qui le distingue du haut fourneau puisqu'il existait des bas fourneaux plus hauts que les hauts fourneaux[note 2], mais sa température. Leur différence essentielle tient au produit obtenu : le bas fourneau est un fourneau à loupe, obtenue par réduction directe, par opposition au fourneau de coulée obtenue par fusion.

Dans sa forme la plus primitive, on appelle « bas foyer » le bas fourneau consistant en un trou dans le sol d'environ 30 cm de diamètre, rempli de charbon de bois et de minerai. Le feu est souvent attisé au moyen d'un soufflet en peau. Au bout d'environ dix heures, on en tire une loupe incandescente de la taille du poing, grossier mélange de fer plus ou moins réduit et de scories[SF 1].

L'évolution vers le bas fourneau plus efficace a consisté à surélever la construction et à munir sa base d'une ouverture latérale pour l'alimentation en air. Une courte cheminée facilite le rechargement du four pendant son fonctionnement, tout en activant le tirage. Des températures de 1 000 à 1 200 °C sont ainsi atteintes et les scories, devenues liquides, peuvent être extraites par l'ouverture[2].

La teneur en fer de ces scories diminue lorsque la température augmente. On attise alors le feu en renforçant le tirage naturel par augmentation de la hauteur en adossant, par exemple, la construction à un talus. De même, des soufflets permettent une alimentation en air plus efficace et mieux contrôlée. Ces « bas fourneaux à tirage naturel » et « à soufflets »[SF 1] produisent une loupe pesant de quelques kilos à plusieurs quintaux au bout de 4 à 20 h.

Bas fourneaux tardifs[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Forge catalane et Stückofen.

Le bas fourneau est, pendant tout le Moyen Âge, un procédé nomade, qu'on édifie en fonction des affleurements de minerai et de la disponibilité du combustible[3] mais, au début du XIIIe siècle, des fourneaux plus efficaces apparaissent. Ceux-ci, en utilisant l'énergie hydraulique pour souffler l'air de combustion, deviennent plus gros et valorisent mieux le combustible. Ces « fours à masse » sont des bas fourneaux dont la cuve est conservée : l'extraction de la loupe se fait par une grande ouverture à la base du four. Un exemple abouti de ce type de four est le Stückofen[note 3],[4], de section carrée et maçonné, qui s'élève à 4 m au Moyen Âge, jusqu'à atteindre 10 m au XVIIe siècle pour ceux de Vordernberg en Styrie, alors un centre de production de fonte d'Europe centrale[5]. Capables d'atteindre des températures de l'ordre de 1 600 °C, ces fours pouvaient fondre partiellement ou totalement le métal. Appelés dans ce dernier cas Flussofen (c'est-à-dire « fours à fondre »), ce sont d'authentiques hauts fourneaux produisant de la fonte en fusion[SF 2]. Cette évolution, du bas fourneau vers un four à masse si élaboré qu'il peut produire de la fonte en fusion, se produit en Europe en divers endroits, du XIIe siècle au XVe siècle[SF 3].

Mais si le procédé indirect, c'est-à-dire la conversion de la fonte en acier, permet la production de grande quantité de métal, l'activité devient très capitalistique, les outils sont peu flexibles et les besoins en bois et en minerai, ainsi que la disponibilité de l'énergie hydraulique sont critiques. En 1671, les bas fourneaux de Putanges, en Normandie, sont vendus en bloc pour 500 livres, pour être remplacés par un haut fourneau loué 1 200 livres par an[3]. Cette contrainte explique la survivance de bas fourneaux perfectionnés, comme la forge catalane qui, en France ne disparait qu'au début du XIXe siècle, lorsque le procédé Thomas se généralise[6]. De même, les premiers colons américains ont utilisé la forge catalane, beaucoup moins complexe à construire que des hauts fourneaux et les forges associées, pour l'affinage de la fonte que ceux-ci produisent[7]. Dans le sud des États-Unis, ce procédé a survécu jusque vers le milieu du XIXe siècle[8].

Description[modifier | modifier le code]

Le bas fourneau se présente comme une cheminée de taille humaine (un ou deux mètres de haut) en briques et en terre cuite, dans laquelle on dispose en alternance une couche de minerai de fer et une couche de charbon de bois. Lorsque l'on met le feu, le charbon de bois produit du monoxyde de carbone (gaz CO) qui vient réduire le minerai : le fer est présent dans le minerai sous forme oxydée Fe3O4 ou Fe2O3, par réaction avec le CO, il se forme du fer :

Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Le tirage du fourneau est assuré soit par ventilation naturelle, soit par des soufflets, généralement manuels. Les impuretés qui accompagnent le minerai forment la scorie ou laitier qui s'écoule au bas du fourneau ou dans une fosse ménagée en dessous de sa base (« fourneaux à cuve » à usage unique).

Dans le bas du fourneau s'accumule un solide spongieux, composé de métal et de scorie, que l'on appelle « loupe » ou « massiau ». Le métal obtenu par ce procédé est très hétérogène. La loupe peut être composée de fer et d'acier contenant de 0,02 % à 2 % de carbone.

Cette loupe est d'abord nettoyée et éventuellement séparée en morceaux de qualité comparables. Elle est ensuite cinglée, par martelage répété, afin de retirer la scorie et de rendre le métal homogène. Il reste quand même des inclusions de scories dans la matrice métallique. Après ce long processus on obtient un bloc de métal qui pourra être mis en forme par le forgeron pour fabriquer outil (soc de charrue, serpe, cerclage de roue…) ou arme.

Limites du bas fourneau[modifier | modifier le code]

Le bas fourneau transforme le minerai en une masse de fer spongieuse, la loupe. En effet, d'après le diagramme d'Ellingham, la réduction des oxydes de fer est possible à partir de 900 °C, alors que le point de fusion du fer pur est de 1 535 °C. La réduction sans fusion du métal, plus économique au niveau énergétique, présente cependant de nombreux inconvénients :

  • la réduction ne s’opère efficacement qu'en surface du produit, qui est alors chimiquement très hétérogène ;
  • la séparation entre la gangue du minerai et le métal est très difficile ;
  • l'accès au fer nécessite la démolition du fourneau.

La gangue du minerai, partiellement réduite au cours de la réaction, devient une masse de scories. Certains minerais présentent la possibilité de générer des scories suffisamment liquides pour qu'une partie puisse s'écouler hors du fourneau. Dans d'autres cas, une addition de fondant, comme la castine, peut favoriser l'écoulement des scories.

L'impossibilité d'atteindre des températures suffisantes à la fusion du fer, qui permettrait l'évacuation sous forme liquide du fer et des scories, ainsi que leur séparation par décantation, est essentiellement due au faible débit d'air injecté dans le four. La production de chaleur est alors insuffisante pour compenser les pertes thermiques de l'ensemble. Ce n'est que lorsque le soufflage d'air sera réalisé mécaniquement, notamment grâce à l'utilisation de l'énergie hydraulique, que la température de fusion du fer pourra être atteinte. C'est le haut fourneau, que les Anglais appellent « blast furnace », c'est-à-dire four à air insufflé, par opposition à « bloomery », qui se réfère à la masse métallique obtenue[note 4].

La loupe, chimiquement hétérogène et très chargée en impuretés, doit être longuement cinglée par le forgeron pour obtenir un métal de qualité. Homogénéiser la teneur en carbone et chasser les impuretés requiert un savoir-faire complexe : c'est ainsi que sont nées les réputations des armes anciennes, comme les katana.

Bas fourneaux dans le monde[modifier | modifier le code]

En Afrique, les premiers bas fourneaux remontent à 2500 av. J.-C. Les populations originaires du Sahara notamment les Noks connaissaient déjà cette technique.

En Europe, les premiers bas fourneaux sont apparus vers 1200 av. J.-C. Si les premiers bas fourneaux ne produisaient guère plus d'un kilogramme de fer par campagne, ceux-ci grossirent jusqu'à être capable d'atteindre une quinzaine de kilos.
L'usage de l’énergie hydraulique dans de gros fours est attesté, notamment dans certains monastères en France et en Suède dès le début du XIIIe siècle[9]. Des documents comptables prouvent aussi son utilisation en Angleterre en 1408[10]. Dans ces configurations, la loupe peut alors atteindre 300 kg, et si de hautes températures sont possibles jusqu'à atteindre la fusion du métal, le procédé reste « froid ». En effet, l'accroissement de température, en favorisant la diffusion du carbone du charbon de bois dans le fer, produit une fonte qu'on ne sait encore pas bien décarburer.

Vers la fin du Moyen Âge, le four évolua vers le haut fourneau dans une large moitié du nord de l'Europe. La réduction directe au bas fourneau a cependant été pratiquée jusqu'au XIXe siècle dans le sud de l'Europe, dans les « forges catalanes » de la région pyrénéenne.

L'Asie exportait, à partir de centres de productions situés en Inde et en Ouzbékistan, des lingots de wootz, un acier obtenu par affinage d'une loupe produite dans un bas fourneau.

Au Japon, l'acier japonais traditionnel, le Tamahagane, était produit dans un tatara, un bas fourneau dont l'évolution s'est fait pas un accroissement de la surface, sans augmentation de la hauteur. La faible hauteur du tatara s'explique par l'utilisation de sable ferrugineux comme minerai, qui n'offre qu'une faible perméabilité gazeuse au chargement du four[11].

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Le terme « bas fourneau » est donc un rétronyme technologique.
  2. Par exemple, dans le Sauerland, au XIIIe siècle, sont apparus de petits hauts fourneaux, qui ont évolué directement à partir du bas fourneau sans passer par le stückofen. Cette particularité est due à la présence de silice, et surtout d'oxyde de manganèse(II) et d'oxyde de potassium, dans le minerai. Ces éléments, présents naturellement dans des proportions particulières, facilitent la fusion du fer et du laitier[1].
  3. Littéralement le « four à morceau (de fer) ».
  4. Le terme « bloomery » se réfère donc au bloom. Mais en français, le mot bloom désigne uniquement un semi-produit sidérurgique de forme et de composition chimique précises, alors qu'en anglais, ce mot désigne à la fois la loupe et le bloom.

Références[modifier | modifier le code]

  1. Edmond Truffaut, « Le fer du Sauerland », sur www..manganeseandsteel.fr,‎ septembre 2012.
  2. [PDF] (de) Matthias Zwissler, Roman Landes, « Untersuchungen zu Rennfeuererzeugnissen, Rennfeuersymposium der IGDF Internationale Gesellschaft für Damaszenerstahlforschung e.V. in Polle »,‎ 20 août 2005 (consulté en 8 février 2013).
  3. a et b J. Levainville, L'Industrie du Fer en France, Paris, Armand Colin, coll. « Armand Colin » (no 19),‎ 1922, 210 p. (lire en ligne), p. 20 ; 42.
  4. (de) Robert Durrer, Grundlagen der Eisengewinnung, Berne, Verlag Francke AG,‎ 1947, p. 56-58.
  5. (de) Otto Johannsen, Geschichte des Eisens, Düsseldorf, Verlag Stahleisen mbH,‎ 1953, 3e éd. (Pour le compte du Verein Deutscher Eisenhüttenleute).
  6. Emmanuel-Louis Grüner, Traité de métallurgie — métallurgie générale, t. second, procédé de métallurgiques, chauffage et fusion, grillage, affinage et réduction, Dunod,‎ 1878 [détail des éditions] (lire en ligne), I, p. 257.
  7. (en) William F. Durfee, « American Industries since Columbus », Popular Science Monthly, vol. 38,‎ décembre 1890, p. 165 (lire en ligne).
  8. (en) Julius H. Strassburger, Blast Furnace-theory and Practice, Gordon and Breach Science Publishers,‎ 1969 (ISBN 978-0-677-10420-1, lire en ligne), p. 4.
  9. (en) A. R. Lucas, 'Industrial milling in the ancient and Medieval Worlds' Technology and Culture 46 (2005), 19.
  10. (en) R. F. Tylecote, A History of Metallurgy, 76.
  11. Maurice Burteaux, « Le tatara », Soleil d'acier,‎ 1er octobre 2004.
  • Jacques Corbion (préf. Yvon Lamy), Le savoir… fer — Glossaire du haut fourneau : Le langage… (savoureux, parfois) des hommes du fer et de la zone fonte, du mineur au… cokier d'hier et d'aujourd'hui, 5,‎ 2003 [détail des éditions] (lire en ligne)
  1. a et b Tome 1, 40 ; p. 418-419.
  2. Tome 1, p. 2138, 2139, 2171 ; Tome 2, p. 331.
  3. Tome 1, p. 2430.

Liens externes[modifier | modifier le code]