Four à réverbère

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Principe du four à réverbère. Schéma effectué à partir de la planche XXIV de l'ouvrage Description de l'art de fabriquer des canons de Gaspard Monge(18 pluviôse an 2 : 6 février 1794.

Un four à réverbère est un four où la chaleur est réfléchie (réverbérée) par la voûte du four. Dans ce type de four, le combustible (charbon, gaz, fuel, etc.) est brûlé dans une chambre différente de celle des matières traitées. Ainsi, on limite les interactions indésirables entre la combustion et les matières à traiter.

Ces fours au principe très ancien ont fait l'objet de perfectionnements aux XVIIIe et XIXe siècles afin d'améliorer notamment les procédés de transformation métallurgique. Une des premières applications est le puddlage de la fonte, procédé essentiel de la première révolution industrielle. Ces fours ont été, et sont utilisés, dans l'industrie métallurgique, la cuisson des céramiques et la chimie.

Historique[modifier | modifier le code]

Le terme de fourneau de réverbère est mentionné dans les traités de chimie ou de sculpture du XVIIe siècle pour désigner un four à fondre les émaux ou à décomposer les substances en laboratoire, et dans lequel la flamme n'est pas appliquée directement au produit à chauffer mais réverbérée par une voûte.

En métallurgie, le four à réverbère tel que nous l'entendons aujourd'hui apparaît en Grande-Bretagne, et plus précisément à la limite du pays de Galles et de l'Angleterre, dans le dernier tiers du XVIIe siècle. Il est dès ce moment-là caractérisé par la séparation entre chauffe et produit à chauffer et par une haute cheminée permettant d'activer le foyer par tirage naturel. Le combustible privilégié est la houille. Il est utilisé à la fois pour la métallurgie extractive (réduction des minerais de cuivre ou de plomb, raffinage du plomb argentifère) et pour refondre la fonte de fer (notamment de vieux canons) pour produire des objets moulés.

Il est utilisé en France pour la réduction du plomb dès les années 1730, probablement avec une chauffe au bois ; les températures plus faibles que l'on obtient de cette manière expliquent sans doute que l'on ne l'ait pas alors utilisé pour la fonte.

À partir de 1750, le four à réverbère est associé aux hauts fourneaux au coke pour produire de grosses pièces en fonte (artillerie, corps de cylindres) dans des usines comme Carron (Écosse) ou Bersham (Pays de Galles). En 1775, la Marine française fait venir un maître de forge britannique, William Wilkinson, pour construire un four à réverbère pour la fabrication d'artillerie en fonte de fer : ce sera la fonderie d'Indret. Des fours du même type sont par la suite construits à Ruelle, en Angoumois, et au Creusot (Bourgogne).

Constitution[modifier | modifier le code]

Les fours à réverbère ont connu diverses formes. Les premiers étaient un perfectionnement des fours à cuve. Ils permettaient l'utilisation de combustibles comme le bois qui produisent des flammes. Dans les fours à réverbère primitif, les flammes occupent toute la cavité du four et les matières à chauffer sont placées au milieu. L'amélioration du four à réverbère a consisté à séparer les combustibles des matières à chauffer et en particulier à réaliser la chauffe sur un côté du four. Ainsi, les combustibles et les matières à chauffer sont séparés. En plus de l'amélioration de la chauffe, cela évite de mélanger les matières métalliques avec les combustibles et donc de polluer ou de modifier le métal. Le four à réverbère est donc constitué d'un foyer où est brûlé le combustible, et d'un laboratoire où l'on place les métaux ou les minerais.

Constitution d'un four à réverbère du XVIIIe au XIXe siècle[modifier | modifier le code]

schéma du four à réverbère :
a : grille
a1 : tisard
b : autel
c : laboratoire
d : rampant
e : cheminée
f : porte permettant de charger le four en matière première à traiter
Schéma tiré de Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer de Adolf Ledebur 1895.

Un four à réverbère est constitué des éléments suivants :

  • Le foyer :
    • la grille sur laquelle sont posés les combustibles solides. Cette grille est absente si l'on utilise des combustibles gazeux ou liquides.
    • Le cendrier en dessous de la grille pour récupérer les cendres.
    • Le tisard : ouverture munie d'une porte permettant de placer le combustible sur la grille.
  • Le laboratoire :
    • L'autel parfois appelé le pont ou le grand autel (Grüner)
    • Sole
    • Porte ou ouverture : munie d'une paroi amovible, elle permet d'introduire les matières métalliques. Elle permet également d'intervenir sur ces matières (dans le cas du puddlage par exemple).
  • L'évacuation des gaz :
    • Le rampant : canalisation située immédiatement après le laboratoire permettant la circulation des gaz.
    • Le registre : sorte de clapet qui équipe parfois le rampant permettant ainsi de réguler le flux gazeux.
    • La cheminée : elle permet l'évacuation des gaz. Ses dimensions sont extrêmement importantes puisqu'elles conditionneront le « tirage ». La plupart des fours à réverbère n'étant généralement pas équipé d'appareil de soufflage, c'est le tirage de la cheminée qui détermine l'efficacité du four. Il peut y avoir une cheminée par four mais dans les ateliers comportant plusieurs fours, il peut y avoir une cheminée commune pour l'ensemble des fours.

La chaleur créée par la combustion passe au-dessus de l'autel, passe à travers le laboratoire en suivant la voûte et est ensuite évacuée par le rampant et la cheminée.

Four à réverbère utilisé pour le puddlage. Sur la coupe verticale, on distingue l'autel séparant le foyer du laboratoire avec sa sole en fonte. Sur le plan coupe, on voit le tisard et la porte permettant d'intervenir dans le four, le rampant et la cheminée à droite)
Schéma tiré de Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer de Adolf Ledebur 1895.

La grille[modifier | modifier le code]

La grille est présente uniquement dans les fours utilisant des combustibles solides : charbon, bois. Elle permet de supporter le combustible. L'écartement des barreaux et leurs formes permettent l'écoulement des cendres dans la partie inférieure appelée le cendrier, où il sera aisé de les retirer. Cet espace permet également la circulation de l'air.

Les grilles peuvent être horizontales, inclinées ou à gradins. La grille horizontale présente le grand désavantage d'un chargement manuel discontinu. Il faut que le « chauffeur » ouvre le ringard pour charger le four. Cette ouverture entraînant un refroidissement du four. Grüner mentionne une expérience de comparaison entre la conduite d'un four par différents opérateurs. Le résultat montre une différence de 25 % de consommation de combustible entre les divers opérateurs. Les grilles inclinées ou à gradins peuvent être alimentées automatiquement par un dispositif placé à l'extérieur du four permettant l'écoulement du charbon par gravité ou par l’action d’une personne.

L'autel[modifier | modifier le code]

L'autel est le muret qui sépare la sole (donc les matières à traiter) du combustible. Il existe parfois une certaine ambiguïté sur la définition exacte de cette partie. Gaspard Monge dans son ouvrage sur la fabrication des canons la définit comme : « ...la partie du fourneau sur laquelle on pose la masse du métal » et non pas comme la séparation. Grüner l'appelle dans son traité de métallurgie le pont ou le grand autel. L' autel (ou le petit pont) étant une petite digue qui sépare la sole du rampant. Cette séparation existe dans le cas où la sole est concave et évite ainsi que le métal liquide s'écoule dans le rampant.

L'autel est exposé à de fortes températures, il est donc fabriqué en matériaux réfractaires. Il peut être éventuellement équipé de moyens de refroidissement. Sa hauteur dépend de son utilisation. Quand on veut protéger le métal de la flamme et éviter ainsi une action chimique qui modifierait sa nature, il est construit plus haut. Mais en contrepartie, le four perd de son efficacité calorifique.

La sole[modifier | modifier le code]

La sole est également fabriquée en matériaux réfractaires. Sa nature, sa forme, ses dimensions dépendent étroitement de l'utilisation du four.

Pour le puddlage, à partir de 1818, la sole est faite en fonte refroidie par une circulation d'eau. Elle est recouverte de scorie basique qui améliore l'affinage de la fonte.

La sole est plate quand le four est uniquement utilisé pour le réchauffage. Elle est creuse (ou concave) quand le four est destiné à la fusion du métal. La forme peut être rectangulaire, si l’opérateur n’a pas d’action à mener pendant le chauffage ou ovale s'il doit intervenir (cas des fours de puddlage).

Dans certains cas, on utilise la chaleur résiduelle après la sole en équipant le four d'autres soles ou en faisant passer le flux dans des chaudières à vapeur.

« ...Pour faire cette expérience, plaçons des morceaux de charbons rouges dans un tube de grès. Chauffons ce tube sur toute sa surface extérieure au moyen de morceaux de charbon rouges disposés dans un fourneau en terre muni d'un dôme (fourneau à réverbère). » (Leçons élémentaires de chimie de l'enseignement secondaire des jeunes filles page 46).

La voûte[modifier | modifier le code]

Utilisation en métallurgie[modifier | modifier le code]

Le four à réverbère peut être utilisé pour plusieurs types d'opération comme le grillage (en) (chauffage de matière solide comme les minerais), le réchauffage ou la fusion.

Sidérurgie[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Puddlage et Procédé Martin-Siemens.

En sidérurgie, le four à réverbère a été utilisé pendant tout le XIXe siècle dans le procédé de puddlage, qui transforme la fonte en fer en travaillant sur un métal chauffé jusqu'à devenir pâteux. Le procédé est abandonné au début du XXe siècle, lorsque les convertisseurs permettent à la fois l'élaboration de l'acier en fusion.

Au début du XXe siècle, le procédé Martin-Siemens apparait. Il permet d'affiner la fonte en fusion, permettant l'élaboration d'acier de bonne qualité. En 1950, plus de la moitié de l'acier mondial est élaboré par ce procédé, qui disparait dans les années 1980 lors de la généralisation du convertisseur à l'oxygène.

Métallurgie des métaux non ferreux[modifier | modifier le code]

Le four à réverbère sert au grillage comme à la fusion du minerai. Dans ce dernier rôle, il concurrence le haut fourneau. En effet, il permet la fusion de minerai très fins, comme ceux issus des usines d'enrichissement de minerai, sans qu'ils soient entraînés par les gaz. Depuis la fin du XXe siècle, à cause de contraintes écologiques, le four à réverbère disparait progressivement, remplacé par d'autres procédés comme la fusion flash (en)[1].

Métallurgie extractive du cuivre[modifier | modifier le code]

graphe temporel des parts de divers procédés
Évolution des procédés utilisés dans la métallurgie extractive du cuivre, par rapport au nombre de fonderies les utilisant dans le monde.

Au début du XXIe siècle, la fusion flash assure plus de 60% de la production de cuivre. Elle s'impose face au four à réverbère, d'abord à cause de considérations écologiques, puis à cause des économies d'énergie qu'elle permet. Pendant le choc pétrolier de 1973, elle le supplante définitivement[2].

Comme le four à réverbère brûle essentiellement des hydrocarbures, il réalise une fusion dans un milieu pauvre en oxygène libre. La matte est peu oxydée, et contient donc peut de cuivre, entre 40 et 50 %. Le rendement est faible car le bain étant peu agité, les échanges de chaleur sont moins efficaces. Par contre la séparation entre le métal et le laitier est bonne : le laitier, qui contient moins de 0,6 % de cuivre, n'est pas retraité. Enfin, les fumées issues de la combustion des hydrocarbures sont abondantes et contiennent moins de 1 % de SO2 : cette concentration est trop faible pour assurer une désulfuration économique, et trop importante pour être relâchée dans l'atmosphère[3].

Au début du XXIe siècle, le four à réverbère ne survit que dans quelques usines. Ainsi, sur les 30 fours à reverbères opérant en 1984, seuls 10 fonctionnent encore en 2002[3].

Une configuration type d'un four à reverbère de la fin du XXe siècle est celle de ceux utilisés à la fonderie d'Onahama (Japon) : 2 fours de 9,73 x 33,55 x 3,69 m et 11,1 x 33,27 x 4,0 m, produisant 1 000 tonnes/jour de matte à 43 % de cuivre, et autant de laitier, à 0,6 % de cuivre. Ces fours sont alimentés par du minerai concentré de cuivre et du laitier de convertisseur Peirce-Smith en quantité équivalente. Le gaz est désulfuré dans une unité produisant du gypse[3].

Utilisation en chimie[modifier | modifier le code]

Les manuels de chimie du XIXe siècle mentionnent pour des expériences l'utilisation de four à réverbère de laboratoire.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. [PDF](en) « Historical review of air emission from the smelting operations », SARA Group,‎ , p. 3-6 ; 3-7
  2. (en) Janne M. Korhonen et Liisa Välikangas, « Constraints and Ingenuity: The Case of Outokumpu and the Developement of Flash Smelting in the Copper Industry » [PDF]
  3. a, b et c (en) William G. I. Davenport, Matthew J. King, Marc E. Schlesinger et A. K. Biswas, Extractive Metallurgy of Copper, Elsevier,‎ , 4e éd. (ISBN 0-08-044029-0, lire en ligne), p. 403-405

Bibliographie[modifier | modifier le code]

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