Puddlage

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Le puddlage est un ancien procédé d'affinage de la fonte, consistant à la décarburer dans un four à réverbère à l'aide de scories oxydantes pour obtenir du fer puddlé à partir de fonte. La faible teneur en carbone du fer puddlé contribue à sa ductilité et à l'amélioration de ses propriétés mécaniques. Contrairement à la fonte, riche en carbone et cassante, il n'est pas fragile et résiste bien aux chocs. Ces propriétés recherchées ont fait du fer puddlé un matériau de choix durant la révolution industrielle avant l'essor des aciers.

Le mot puddlage vient du verbe anglais to puddle qui signifie « brasser ». La méthode est mise au point par Henry Cort en 1784, puis significativement améliorée par Samuel Baldwin Rogers et Joseph Hall au XIXe siècle. La fonte est chauffée à très haute température dans un four à réverbère. Le puddleur, l'ouvrier chargé de l'opération, active la réaction en brassant cette fonte à l'aide d'un long crochet appelé « ringard ». Une fois suffisamment affinée, la loupe est extraite du four, pour être cinglée par martelage, puis est forgée ou laminée en barres.

Le puddlage supplante les procédés antérieurs au charbon de bois car, en ne consommant que de la houille, il permet la fabrication de fer en grande quantité. Les arches de la gare de l'Est et la tour Eiffel à Paris sont ainsi réalisées en fer puddlé produit par la Société des Aciéries de Pompey. Après avoir été largement employé tout au long du XIXe siècle, le fer puddlé s'efface progressivement devant l'acier, plus performant et plus compétitif dès que les convertisseurs sont mis au point.

Un puddleur coulant le laitier hors du four de puddlage après avoir extrait les boules de fer (vers 1919).

Genèse du procédé[modifier | modifier le code]

En 1709, Abraham Darby, en mettant au point le haut fourneau à coke, affranchit la production de la fonte de la faible disponibilité du charbon de bois[1]. Cependant, la transformation de la fonte en acier, ou en fer, ne sait pas encore se passer du charbon de bois, un combustible très pauvre en dérivés du soufre, un élément particulièrement nuisible pour les aciers. En 1895, le métallurgiste allemand Adolf Ledebur résume ainsi le problème :

« Dans le courant du XVIIIe siècle, la consommation de fer prenait une certaine extension tandis que le déboisement, qui s'étendait de plus en plus, rendait le combustible végétal plus cher et plus rare. On était donc obligé de rechercher le moyen d'employer pour l'affinage, comme on l'avait fait pour la production de fonte, le combustible minéral au lieu du charbon de bois. Les feux d'affineries ne se prêtaient pas à cette substitution qui mettaient en contact le fer avec une matière toujours plus ou moins sulfureuse. Il fallait donc disposer de fours où le métal ne touchât pas le combustible solide et fût exclusivement soumis à l'action d'une flamme. Du même coup on pouvait employer la houille à l'état cru, ce qu'on avait depuis longtemps réalisé dans les fours à réverbère appliqués à la fusion de différents métaux.

C'est en poursuivant cette idée que l'Anglais Cort imagine en 1784 le procédé d'affinage auquel on a donné le nom de « puddlage » du mot anglais to puddle qui signifie « brasser »[L 1]. »

— A. Ledebur (1895). Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer, p. 366.

Le puddlage sec[modifier | modifier le code]

Vue en coupe verticale (en haut) et en plan (en bas) d'un four à réverbère utilisé pour le puddlage :
A : Tisard ; B : Voute réfractaire ; C : Tirants ; D : Grille ; E : Porte de travail ; F : Laboratoire et Sole ; G : Plaque de maintien ; H : Autel.

Le four à réverbère est connu dans la métallurgie des métaux les plus fusibles. L'idée d'étendre son principe à l'affinage de la fonte apparaît pour la première fois dans le brevet que Peter Onions dépose le [note 1]. Mais la mise au point du procédé, qu'il mène aux Dowlais and Cyfarthfa Ironworks, échoue et, le , William Reynolds, le directeur de l'usine, lui ordonne d'abandonner les essais[2].

Le , l'Anglais Cort dépose le brevet d'un four à réverbère légèrement différent[2]. La sole sur laquelle est réalisé le travail est un tas - soigneusement constitué - de matières réfractaires quartzeuses et de sable. La combustion du carbone présent dans la fonte, qui se fait par un courant d'air, est lente et doit être activée par des manipulations de la masse métallique. Malgré cela, la durée de la réaction entraîne une forte consommation de charbon ainsi qu'une oxydation importante du fer[L 2]. Ce procédé montre d'autres limites :

  • constituée essentiellement de silice, la sole ne réagit pas avec le silicium de la fonte. Or ce silicium doit être oxydé pour obtenir un fer malléable à chaud[note 2]. Seules les fontes pauvres en silicium, les fontes blanches, sont adaptées à ce procédé[note 3],[T 1] ;
  • l'oxydation du métal amène à une consommation de plus de deux tonnes de fonte blanche pour produire une tonne de fer[T 1] ;
  • l'oxyde ferreux (FeO) produit au cours de l'oxydation de la fonte se mélange avec le sable de la sole. Cet oxyde ayant une température de fusion de 1 369 °C, la sole devient pâteuse et se dégrade rapidement[T 1].

Le procédé de Cort est nommé « puddlage sec » car la fonte blanche est peu visqueuse à chaud, et la sole, peu fusible, produit peu de laitier. Il permet l'obtention de fer en quantité mais sans réduire significativement les coûts : son avantage se limite donc au combustible. Celui-ci peut être du charbon de mauvaise qualité, voire de la tourbe, du lignite ou du bois[L 2].

Le puddlage gras[modifier | modifier le code]

Tel que mis au point par Cort, le puddlage sec n'est adopté que par « les usines qui ne pouvaient s'approvisionner en charbon de bois et Cort meurt en 1800 sans avoir tiré parti de son invention »[L 2].

En 1818, Samuel Baldwin Rogers invente la sole supportée par une plaque de fonte refroidie à l'eau (d'autres adopteront ultérieurement la sole refroidie à l'air[T 1]). S'il est « incontestable qu'un refroidissement énergique […] augmente la consommation de combustible, cette dépense est moindre que celle qu’entraîneraient les réparations fréquentes d'un four moins bien rafraîchi[L 3] ». En effet, si la voute réfractaire ne dure que six mois, une sole en fonte peut servir près de trois ans[P 2]. Cette amélioration reste cependant trop marginale pour que Rogers en tire profit[3].

Vers 1830, après quelques expérimentations, Joseph Hall reprend la sole refroidie mais la couvre d'un garnissage réfractaire oxydant à base d'oxydes de fer (Fe2O3). Il systématise cette innovation dans l'usine qu'il vient de fonder à Tipton[T 2]. En effet, l'espèce oxydante (Fe-III et Fe-II, ou Fe3+ et Fe2+) nécessaire à l'oxydation du carbone de la fonte en monoxyde de carbone (CO) vient de ce garnissage en contact avec le métal fondu encore relativement visqueux, au lieu d'être l'oxygène provenant du courant d'air circulant à la surface du bain[4] : le processus est plus rapide et la production d'un four triple par rapport à l'ancien procédé. Le garnissage de Hall, appelé bull dog, est essentiellement composé d'oxydes de fer issus de puddlages précédents et grillés. La rapidité de la réaction permet de réduire significativement la consommation de combustible et les pertes de fer par oxydation[L 2].

Principaux constituants de quelques garnissages de fours (en % du poids, Σ ≤ 100 %)[5]
Nom du garnissage FeO Fe2O3 MnO2 SiO2 TiO2 CO2 PbSO4 CaO Al2O3 MgO Résidus insolubles et eau
Bull dog (laitier et battitures grillés) 4 64 16 11 1
Minerai violet (pyrites transformées en hématite par grillage[6]) 95 1 2
Terre de poterie (blackband manganésifère du North Staffordshire[T 3]) 47 2,54 3 31 1 1 14

Ces améliorations sont fondamentales. Le procédé amélioré et breveté par Hall en 1839, appelé « puddlage gras » ou « bouillant », par opposition à la méthode primitive de Cort, se répand rapidement :

« Dans les voyages métallurgiques de MM. Dufrénoy, Coste et Perdonnet, on voit (1re édition) qu'en 1823 l'usage des soles en sable était encore général. Vers 1820 on commence à substituer des scories pilées au sable. En 1829, on constate çà et là des soles en fonte, mais les auteurs ajoutent qu'en puddlant directement sur la fonte (sans couche de riblons ou de scories), les résultats étaient défectueux. Enfin, en 1837 (2e édition), les soles en fonte sont d'un usage général[G2 1]. »

— E.-L. Gruner, Traité de métallurgie, p. 168, note de bas de page

Avec une composition d'oxydes adaptée, le procédé est en outre assez efficace en déphosphoration et permet d'utiliser des minerais de fer phosphoreux, courants en Europe. Mais il ne parvient pas à transformer économiquement les fontes très chargées en soufre et en phosphore, en un fer convenable[P 3]. Chaque maître de forges s'emploie à perfectionner, empiriquement et avec plus ou moins de bonheur, le réactif mis sur la sole[L 4].

Le procédé[modifier | modifier le code]

Décarburation de la fonte en phase liquide[modifier | modifier le code]

La décarburation de la fonte en phase liquide nécessite l'oxydation du carbone excédentaire contenu dans la fonte sous forme de carbure de fer (cémentite) ou de carbone dissous. L'oxydation d'une partie du carbone de la fonte en monoxyde de carbone (CO) (et éventuellement, mais dans une moindre mesure, en CO2) se réalise selon deux principaux mécanismes chimiques distincts à deux endroits particuliers du four, avec différents agents oxydants (accepteurs d'électrons : O2, Fe2+ et Fe3+) :

– En haut du four, par réaction avec l'oxygène de l'air circulant à la surface du bain de fonte liquide (puddlage sec et puddlage gras) :

2 C + O2(gaz) → 2 CO(gaz)
2 CO(gaz) + O2(gaz) → 2 CO2(gaz)

– En bas du four, par réaction privilégiée du carbone dissout dans la fonte avec une couche de scories broyées, ou de minerais grillés, riches en oxyde de fer(II) (FeO) et en oxyde de fer(III) (Fe2O3) dont le lit recouvre et protège la sole du four (réaction surtout favorisée par le puddlage gras) :

C + FeO(solide) → CO(gaz) + Fe(liquide)[4]
CO(gaz) + Fe2O3(solide) → CO2(gaz) + 2 FeO(solide)
CO(gaz) + FeO(solide) → CO2(gaz) + Fe(liquide)

La durée accrue du puddlage sec provoque également l'oxydation par l'oxygène de l'air d'une partie importante du fer (~ 50 %) présent dans la fonte :

2 Fe + O2 → 2 FeO

Au départ de deux tonnes de fonte blanche, une tonne de fonte est ainsi sacrifiée (oxydation en FeO) pour obtenir seulement une tonne de fer métal. Cette quantité importante de FeO produite en cours d'opération de puddlage participe elle aussi à son tour à l'oxydation du carbone de la fonte, tant pour le puddlage sec que pour le puddlage gras. L'ajout volontaire, dès le départ, d'oxydes de fer sur le lit de la sole du four dans le cas du puddlage gras augmente significativement la contribution de la réaction d'oxydation du carbone par FeO et marqua un progrès important pour le procédé.

Le brassage manuel du bain liquide (puddlage sec) et le raclage du mélange pâteux de fonte et d'oxydes de fer sur la sole du four (puddlage gras) permettent le plus efficacement possible de tirer profit simultanément des deux réactions d'oxydation du carbone et surtout de les accélérer en s'affranchissant de la limitation de la vitesse de transfert des réactifs (carbone réducteur et O2 + FeO oxydants)[note 4].

Ces deux réactions d'oxydation du carbone (respectivement par O2 et Fe2+) produisent essentiellement du monoxyde de carbone (CO) gazeux[7],[4],[note 5]. Le CO étant un puissant gaz réducteur (diagramme d'Ellingham), son oxydation ultérieure en CO2 peut également contribuer à réduire en fer métallique une partie des oxydes de fer présents dans le système[note 6].

Dans le cas du puddlage gras, les oxydes de fer (FeO, Fe2O3 ou Fe3O4) intervenant dans la conversion de la fonte en fer puddlé proviennent pour une partie dès le départ des matériaux tapissant la sole du four. Ce peut être un mélange de scories issues d'opérations de puddlage précédentes, de minerai de fer, et de chaux ajoutée comme fondant (flux) ou comme laitier pour extraire en phase liquide des impuretés (contenant surtout du phosphore et du soufre) présentes dans la fonte.

Dans le puddlage sec, comme dans le gras, une fraction importante de l'oxyde de fer provient également de la réaction d'oxydation du fer métal contenu dans la fonte liquide par l'oxygène de l'air présent à la surface du bain de fonte. Dans les deux cas, le bain s'enrichit en oxydes de fer au fil du temps, au fur et à mesure que la production de fer puddlé progresse.

Si l'on compare les similitudes et les différences entre les réactions chimiques de décarburation de la fonte se déroulant dans le puddlage sec et le puddlage gras, le tableau ci-dessous donne un aperçu général de la nature et de la répartition spatiale des espèces chimiques oxydant le carbone de la fonte :

Nature des espèces oxydantes actives pour la décarburation de la fonte et leur répartition dans le four de puddlage
Espèce chimique oxydant le carbone de la fonte Localisation

dans le four

Puddlage

sec

Puddlage

gras

O2 : oxygène de l'air en surface du bain  Oui  Oui
FeO produit par l'oxydation du fer par l'O2 atmosphérique dans la masse  Oui  Oui
Fe2O3 et FeO rajoutés au départ sous forme de scories sur la sole  Non  Oui

Le but du brassage du bain liquide et du raclage de la sole du four est de répartir de la façon la plus homogène possible les espèces oxydantes (O2, FeO et Fe2O3) dans le bain pour améliorer leur contact avec le carbone de la fonte liquide. Un meilleur mélange des réactifs a pour effet d'augmenter la vitesse des réactions d'oxydation du carbone et de favoriser son élimination sous forme de monoxyde de carbone (CO) gazeux avec les fumées du four.

Rhéologie du bain liquide[modifier | modifier le code]

Diagramme fer–carbone (Fe – C) montrant la courbe liquide/solide (en rouge) permettant d'expliquer l'évolution de la viscosité du bain quand la teneur en carbone diminue au fur et à mesure de la progression de l'affinage.

Le comportement rhéologique du bain en fusion se modifie considérablement au fil du temps lors de l'élimination progressive sous forme de CO gazeux du carbone dissout dans la fonte liquide et de la lente conversion de la fonte en fer.

Au début, dans le cas du puddlage sec, la fonte liquide riche en carbone est très fluide, sa viscosité diminue encore jusqu'à atteindre la composition du mélange eutectique (température de fusion de l'eutectique Fe – C : ~ 1148 °C à 4.3 % m de carbone), puis réaugmente au fur et à mesure que le bain s'enrichit en fer (Fe) à point de fusion plus élevé (la courbe rouge liquide/solide remonte significativement quand la teneur en carbone diminue en dessous de la valeur de celle de l'eutectique). De façon concomitante, une partie du fer s'oxyde également en FeO au contact de l'oxygène de l'air, ce qui contribue aussi à rendre le mélange plus pâteux. La température du four restant constante, à la fin de l'opération de puddlage, la viscosité du mélange (Fe – C – FeO) augmente considérablement et le bain en fusion devient nettement plus difficile à brasser.

Dans le cas du puddlage gras, il en va de même, mais la présence initiale de scories riches en oxydes de fer (Fe2O3 et FeO) sur la sole du four nécessite dés le départ un raclage plus énergique (ou plutôt, un "labourage" du lit de scories) afin de pouvoir bien mélanger la fonte et les scories oxydantes.

Les opérations de brassage et de raclage nécessitaient de fournir un effort mécanique important et étaient épuisantes pour les ouvriers également exposés à la chaleur intense du four.

Les différentes opérations[modifier | modifier le code]

Le travail du puddleur comporte cinq étapes : (1) la préparation de la sole (plancher) du four, (2) le chargement du four, (3) l'opération de puddlage proprement dite (brassage du bain et raclage/labourage de la sole), (4) l'extraction des produits finaux (scories et fer), et (5) le cinglage et le martelage du fer puddlé obtenu pour en extraire les scories restantes.

Préparation de la sole[modifier | modifier le code]

La première étape du puddlage gras consiste à couvrir la sole d'un matériau réagissant avec la fonte utilisée. Trois composants sont utilisés :

  • des oxydes provenant ordinairement de puddlages précédents ou du minerai de fer hématique. Ce mélange, préconisé par Hall, est grillé puis enrichi par du fer oxydé. L'objectif est de disposer d'une réserve suffisante de substance oxydante (ici les ions Fe2+ et Fe3+ présents dans les oxydes de fer, accepteurs d'électrons) capable de réaliser rapidement l'oxydation du carbone et du silicium de la fonte[L 5] ;
  • des minéraux basiques, comme la chaux (CaO), qui vont permettre de réaliser l'extraction en phase liquide fondue d'impuretés indésirables comme le phosphore et le soufre, sont également recommandés[note 7],[L 6] ;
  • des fondants, comme le spath fluor (CaF2), qui abaissent le point de fusion des scories et permettent d'avoir un laitier suffisamment fluide pour garantir un bon contact avec la fonte[L 6].

Les deux derniers composants sont des améliorations du procédé de Hall. Les mélanges réalisés varient en fonction des fontes utilisées et de la qualité du fer recherché. Les mélanges sont réalisés empiriquement et sont parfois secrets, si bien que « on a proposé et tenté d'ajouter un grand nombre de substances dont l'effet ne pouvait qu'être absolument opposé au but que l'on poursuivait[L 4] ».

Cette couche de scories et d'oxydes est chauffée jusqu'à la fusion. Puis le puddleur baisse le feu pour qu'elle se solidifie en une croûte protégeant la sole en fonte refroidie[L 7].

Chargement du four[modifier | modifier le code]

Les gueuses de fonte sont alors chargées sur cette couche d'oxydes. Le puddlage gras pouvant se faire sur sole basique, il est possible de traiter des fontes riches en silicium ou en phosphore. Les qualités du produit final ont également leur importance dans le choix des fontes à affiner. Pour produire de l'acier, des fontes riches en manganèse (les spiegeleisen) sont indispensables car cet élément retarde la décarburation[L 8],[G2 2]. Les fontes grises, riches en silicium, vont rendre la scorie acide en produisant de la silice (SiO2) : elles limitent donc la déphosphoration[L 8]. Les fontes blanches, pauvres en silicium, sont les plus faciles à décarburer.

L'opération de puddlage (brassage et raclage)[modifier | modifier le code]

Évolution chimique de la charge pendant le puddlage.

Dès que la fonte commence à fondre, le puddleur intervient. Son travail commence lorsqu'il constate l'apparition de petites flammes bleues sortant de la surface liquide, caractéristiques de la combustion du carbone. Il fait alors baisser la température du four en limitant le tirage de la cheminée et commence à brasser la fonte pour la mettre en contact avec les matières de la sole[T 4]. L'ensemble des opérations « exige des efforts musculaires rudes et dans des conditions fatigantes[P 4] »[P 5]. Il demande aussi un évident savoir-faire :

« … le travail de l'ouvrier consiste […] à labourer la fonte et les scories à l'aide d'un fort ringard, recourbé à angle droit à son extrémité ; c'est l'outil appelé « crochet ». On mêle ainsi les particules métalliques aux éléments oxydés et les expose tous deux à l'influence de l'air. Pour opérer le brassage, on n'ouvre pas la porte de travail elle-même. L'ouvrier éprouverait une chaleur trop vive, et le four lui-même serait refroidi. On se contente d'introduire les outils par une simple ouverture de 0,10 à 0,15 m de côté, pratiquée dans le bas de la porte mobile, et facile à clore…

À mesure que le fer s'épure, il devient moins fusible[note 8] ; il faut donc, pour continuer le brassage, graduellement relever la température, en rouvrant peu à peu le clapet de la cheminée.

À la place du crochet, l'ouvrier se sert assez souvent d'un ringard à biseau, appelé palette, ou rabot, qui permet de détacher de la sole les parties refroidies, ou devenues fermes, qui tendent à y adhérer[G2 3]. »

— M.L. Gruner, Traité de métallurgie, p. 171 § 404

La décarburation de la fonte provoque un bouillonnement, correspondant au dégagement de monoxyde de carbone. Lorsque celui-ci cesse, on peut encore pousser la décarburation jusqu'à obtenir du fer, en procédant aux tours de fer, c'est-à-dire en retournant la masse ferreuse pour en compléter la conversion[L 9].

L'extraction des produits[modifier | modifier le code]

Lorsque le puddleur l'estime affinée, il partage la masse métallique en quelques boules. Celles-ci sont pressées dans le four pour les purger des scories[L 9].

L'extraction de ces boules hors du four doit être immédiatement suivie d'un martelage ou laminage pour en extraire les dernières scories[note 9] et donner une forme exploitable, généralement des barres[8]. Pendant cette phase, le comportement du métal chaud permet de juger sa qualité : une forte teneur en soufre le rend cassant, l'émission de flammèches bleues traduit une décarburation insuffisante, etc. Si nécessaire, le fer peut revenir au four pour un traitement complémentaire[L 10].

Une fois le four vide, la sole est inspectée et éventuellement réparée. Dans le cas d'un revêtement basique, le laitier est saturé en oxydes de soufre et de phosphore : il est alors chauffé jusqu'à l'état liquide puis coulé hors du four.

Cinglage et forgeage du fer[modifier | modifier le code]

Pendant le cinglage, la « scorie coule en abondance, les particules métalliques se soudent de plus en plus[L 10] ». Pour obtenir ce résultat, il est nécessaire que l'opération de puddlage aboutisse à un laitier à bas point de fusion, ce qui amène à limiter leur teneur en magnésie ou en chaux. Le laitier ne peut alors être qu'essentiellement siliceux, ce qui dégrade l'efficacité de l'oxydation du carbone, du phosphore et du soufre, ou contenir des fondants, comme le spath fluor[L 11]. À l'issue du cinglage, on obtient des barres de fer brut. L'oxydation de leur surface est d'autant plus importante que le travail à chaud s'est prolongé[L 10].

Un bon cinglage est donc indissociable du puddlage. En 1783, soit un an avant de breveter l'affinage au four à réverbère, Cort dépose un brevet concernant un laminoir cannelé, capable de travailler le métal sans l'étirer[P 6],[note 10].

Une fois travaillé, le fer brut est découpé en petites barres qui sont triées selon leur qualité. Elles sont empilées en paquets oblongs ou en trousses, disposés à angles droits. Il est possible de disposer les morceaux de fer brut en fonction de leur qualité. Par exemple, on va disposer des fers résistant à l'usure en périphérie si le paquet est destiné à devenir un rail. Réchauffés dans un four, ces paquets se soudent et sont laminés pour devenir des barres de fer marchand[P 8].

Le fer puddlé est donc souvent qualifié de « fibreux ». Il consiste en effet en une matrice de fer où restent présentes les scories de puddlage et l'oxydation formée sur la surface des morceaux de fer brut pendant le cinglage[9]. Le forgeage des paquets oriente ces impuretés de façon à limiter leur nocivité[P 9]. Il faut pour cela des forgeages répétés et des outils puissants : c'est l'ère des marteaux-pilons, qui sont à la fois capables de parfaire le cinglage et de forger avec précision de grandes pièces[P 10].

Expansion et disparition du puddlage[modifier | modifier le code]

Le fer puddlé[modifier | modifier le code]

Le puddlage permet l'obtention de fer, aux caractéristiques supérieures à la fonte : le pont du Carrousel de 1834 correspond à l'apogée des ponts en fonte. Le pont Britannia, inauguré seize ans après et construit en fer puddlé, repousse les limites de la construction métallique de manière spectaculaire[10].

À une époque où les fluctuations de la qualité de la fonte brute issue d'un haut fourneau sont mal comprises, le puddlage est intéressant. En effet, la solidification de la fonte facilite le tri des gueuses avant leur affinage par puddlage[note 11]. La lenteur de l’opération de puddlage facilite son contrôle et garantit la réussite de l'affinage, à condition que le puddleur soit compétent[11]. Enfin, une disposition judicieuse des morceaux de fer brut dans le paquet avant la forge améliore la tenue des pièces fabriquées[P 9].

Mais le fer puddlé reste un matériau hétérogène. Le forgeage étire les inclusions d'oxydes et de laitier en des fibres orientées dans un sens bien précis, alors que la matrice de fer est isotrope[12]. Sollicité perpendiculairement à ces fibres, il se rompt facilement[13].

L'adoption du fer va également susciter un important effort de recherche sur la corrosion, phénomène auquel échappaient la fonte et la pierre utilisées jusque-là[T 5]. Par contre, sa faible teneur en carbone en fait un matériau insensible à la trempe[T 6] : il s'avère donc particulièrement adapté au rivetage à chaud[14].

Enfin, le procédé va être adapté à la production d'acier. Les premiers essais datent de 1836 et, en 1850, les premiers aciers puddlés sont obtenus. Pour y réussir, la présence d'oxyde de manganèse, qui fluidifie la scorie et contrecarre son enrichissement en oxydes de fer, est essentielle. L'affinage étant moins poussé et le laitier ne pouvant être trop basique ou infusible, il est nécessaire d'employer des fontes de qualité, sans phosphore ni soufre. L'hétérogénéité de l'acier puddlé en fait un produit très inférieur à l'acier fondu au creuset. Mais sa production va temporairement dépasser celle de tous les autres aciers car l'acier puddlé peut se vendre 3 à 4 fois moins cher que n'importe quel acier fondu. L'acier puddlé reste cependant un produit marginal : au maximum, moins de 5 % de la production des fours à puddler concerne l'acier[note 13],[15].

Stagnation puis disparition du procédé[modifier | modifier le code]

graphique des productions
La transition du fer à l'acier en Grande-Bretagne et en France.

Gustave Eiffel construit sa tour en fer puddlé en 1889. Le procédé va donc survivre à l'apparition des convertisseurs Bessemer et Thomas, inventés respectivement en 1855 et 1877. En effet, la lenteur de l'opération permet un bon contrôle de son avancement, ce qui garantit la qualité du métal obtenu même si, à la même époque, la production d'acier vient de dépasser celle du fer en Grande-Bretagne[16].

Mais le puddlage reste gourmand en énergie : alors que le convertisseur n'utilise que la chaleur issue de la combustion d'éléments indésirables (silicium, carbone et phosphore), le puddlage demande une refusion de la charge. En outre, le rendement thermique d'un four à puddler ne dépasse pas 7 %[note 14], les fumées s'échappant du four sans transférer leur chaleur à la charge. Les essais d'installations de récupérateurs de chaleur de Siemens buttent sur leur encrassement[L 12].

L'invention du convertisseur Martin-Siemens qui est lui aussi un four à réverbère, mais doté de récupérateurs de chaleur, provoque l'abandon progressif du puddlage au cours de la première moitié du XXe siècle[11]. En effet, ce four travaillant le métal à l'état liquide exige moins de main-d'œuvre et de combustible, tout en permettant l'élaboration d'aciers de qualité[note 15].

En 1870, la production de fer correspond à 7 fois celle de l'acier en France et 5 fois en Grande-Bretagne. Mais à partir de cette date il ne se construit presque plus de fours à puddler. En 1910, les proportions se sont inversées : la production de fer ne vaut même plus un cinquième de celle de l'acier dans ces deux pays[16].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. On relève cependant un brevet déposé le par Thomas et George Cranage, des forges de Colebrook Dale, et décrivant de manière précise un procédé de puddlage. Mais si au moins un témoignage oral a pu confirmer qu'un puddlage y a bien été réalisé, rien ne permet d'expliquer pourquoi le procédé n'a connu aucune expansion[P 1].
  2. Un fer contenant 1 % de silicium se casse de manière fragile vers 600 °C.
  3. Les fontes blanches, contenant peu de silicium, sont les plus faciles à décarburer. Mais elles sont aussi plus résistantes et difficiles à obtenir que les grises, ce qui en fait des fontes chères.
  4. En absence d'advection stimulée par l'agitation mécanique de la matière, le transfert des réactifs l'un vers l'autre serait beaucoup plus lent car limité par le processus de diffusion en phase liquide (diffusion due au gradient de concentration des solutés dans le bain).
  5. Une certaine quantité de CO2 peut éventuellement aussi se former dans une moindre mesure en fonction du temps de résidence du CO dans le bain de fonte, de sa probabilité de contact avec les granulats d'oxydes de fer et de la teneur en oxygène encore présent dans les gaz de combustion du four à réverbère et de l'air circulant au dessus de la partie du four utilisée pour l'opération de puddlage proprement dite.
  6. Cependant, le CO2 peut aussi réagir avec le carbone pour donner deux molécules de monoxyde de carbone selon l'équilibre de Boudouard, d'où la prééminence du CO dans le système :
    C(s) + CO2 (g) ⇌ 2 CO(g).
  7. L'oxydation du phosphore en pentoxyde de phosphore (P2O5) permet d'extraire ce composé soluble dans un laitier basique et ainsi d'en débarrasser le fer puddlé. Le soufre (sulfure, thiosulfate, sulfate…) est plus difficile à éliminer : plusieurs produits conviennent : magnésium, soude, carbure de calcium… mais nécessitent tous un laitier fortement basique.
  8. Le taux de carbone du mélange diminuant, la température restant constante dans le four, la température de fusion étant du type eutectique, la température de fusion du mélange augmente, provoquant une augmentation de la viscosité.
  9. On cingle la loupe pour en ôter les impuretés. Cette opération est distincte du forgeage, qui vient généralement après, et qui a pour objectif de donner une forme géométrique à la masse de métal.
  10. Cort propose donc un laminoir adapté au cinclage. Cet outil est plus productif que les marteaux mais cingle moins bien le métal. En 1865, Percy constate que ce laminoir a été abandonné pour le cinglage, les puddleurs recourant à nouveau aux marteaux[P 7].
  11. Après refroidissement, la séparation d'une gueuse de la grappe coulée dans le sable se fait en cassant le métal solidifié dans le chenal d'amenée de la fonte. La morphologie de la cassure renseigne alors le fondeur sur la qualité de la fonte coulée.
  12. L'écrasement de la barre provoque des déformations qui sont perpendiculaires à la fibre du métal. L'essai étant réalisé sous la température de forgeage du fer puddlé, le fer n'a pas pu se ressouder, ce qui a provoqué la désagrégation de la structure fibreuse de la barre.
  13. En 1864, en France, il se produit 1 213 000 t de fonte, 791 000 t de fer, 24 552 t tonnes d'acier puddlé et d'acier naturel (en faible proportion), 6 977 t tonnes d'acier de cémentation et 6 750 t d'acier Bessemer. En Ariège, le quintal de fer puddlé et laminé se vend 30-36 Fr, l'acier puddlé 35-40 Fr, l'acier fondu 130 Fr.
  14. Pour comparaison, au début du XXe siècle, le rendement thermique d'un haut fourneau atteint 70 % et 25 % sur les fours Martin-Siemens[T 7].
  15. En 1906, le fer puddlé coûte de 10 à 20 % plus cher que l'acier le moins cher. Quant à l'acier obtenu par cémentation de fer puddlé, il coûte 3 fois plus cher que l'acier obtenu au convertisseur Martin-Siemens[17].

Références[modifier | modifier le code]

  1. p. 366
  2. a b c et d p. 367
  3. p. 371
  4. a et b p. 388
  5. p. 372
  6. a et b p. 387-389
  7. p. 383-384
  8. a et b p. 383
  9. a et b p. 386
  10. a b et c p. 387
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  12. p. 377-381
  1. a b c et d p. 347
  2. p. 350
  3. p. 66
  4. p. 351
  5. p. 413
  6. p. 409
  7. p. 384
  1. p. 168
  2. p. 175
  3. p. 171
  1. Tome 3, p. 54-56
  2. Tome 4, p. 17
  3. Tome 4, p. 35
  4. Tome 3, p. 60
  5. Tome 4, p. 24-25
  6. Tome 3, p. 45
  7. Tome 1, p. LXIII
  8. Tome 4, p. 114-115
  9. a et b Tome 4, p. 488-532
  10. Tome 4, p. 82
  • Autres références
  1. (en) R.A. Mott, « Dry and wet puddling », Transactions of the Newcomen Society, vol. 49, no 1,‎ , p. 153–158 (ISSN 0372-0187, DOI 10.1179/tns.1977.011)
  2. a et b (en) Richard Hayman, The shropshire wrought-iron industry c1600-1900 : A study of technological change, University of Birmingham, (lire en ligne), p. 88-89
  3. (en) « Famous person of Blaenau Gwent : Samuel Balwyn Rogers », Ebbw Vale, 1984 - 2011
  4. a b et c (en) Merton C. Flemings et David V. Ragone, « Puddling: A new look at an old process », ISIJ International, vol. 49, no 12,‎ , p. 1960–1966 (ISSN 0915-1559 et 1347-5460, DOI 10.2355/isijinternational.49.1960 Accès libre, lire en ligne, consulté le )
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  6. Corbion 2003, § Purple Ore
  7. (en) Jean Philibert, Alain Vignes, Yves Bréchet et Pierre Combrade, Métallurgie, du minerai au matériau. Voir pp. = 74–75, 125–127, 177–178., Paris, Dunod, , 1177 p. [détail des éditions] (ISBN 2-10-006313-8)
  8. E. L. Gruner et C.-R. Lan, État présent de la métallurgie en Angleterre, Dunod éditeur, (lire en ligne), p. 411-412
  9. (en) Hilary Bauerman, F.G.S (ill. J. B. Jordan), A treatise of the Metallurgy of Iron, Londres, Crosby Lockwood and Son, coll. « Weale's scientific & technical series / Mining and metallurgy », , 6e éd. (1re éd. 1868) (lire en ligne), p. 496-497
  10. Michel Cotte, « Ponts métalliques (repères chronologiques) », Encyclopædia Universalis (consulté le )
  11. a et b 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, , § Puddlage
  12. (en) Albert Sauveur, The metallography of iron and steel, Londres, McGraw-Hill Book Company, , 440 p. (lire en ligne), chap. III, p. 3
  13. (en) Henry Bessemer, Sir Henry Bessemer, F.R.S. An autobiography, (lire en ligne), chap. XV
  14. « Tour Eiffel - Narrations », OTUA - Office Technique pour l'Utilisation de l'Acier (consulté le )
  15. Samson Jordan, Métallurgie du fer et de l'acier : études pratiques et complètes sur les divers perfectionnements apportés jusqu'à ce jour dans la fabrication de ces deux métaux, Librairie Centrale des Arts et Manufactures, , p. 319-328
  16. a et b (en) Peter King, « The Production and Consumption of Bar Iron in Early Modern England and Wales », Economic History Review, vol. 58, no 1,‎ , p. 1-33 (lire en ligne)
  17. (en) Bradley Stoughton, Ph.B., B.S., The Metallurgy of Iron and Steel, New York, McGraw-Hill Book Company, , 509 p. (lire en ligne), p. 63-64

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) Merton C. Flemings et David V. Ragone, « Puddling: A metallurgical perspective », Historical Metallurgy, vol. 43, no 2,‎ , p. 103–108 (ISSN 2755-0249, lire en ligne, consulté le )
  • (en) The Real Wrought Iron Company, « Working with puddled wrought iron », sur realwroughtiron.com (consulté le ) : « Wrought iron is the traditional material of the blacksmith. Due to the siliceous slags combined with its fibrous structure, it resists corrosion far better than modern steels or pure irons, as is amply shown by the survival of much of our heritage of wrought ironwork, in many cases centuries old. It is neither necessary nor recommended to galvanise or zinc spray wrought iron. »
  • Jean Le Coze, « Histoires de fontes. Question de vocabulaire: que signifie le mot «fonte» ? », Comptes Rendus Chimie, Elsevier BV, vol. 10, no 9,‎ , p. 850–855 (ISSN 1631-0748, DOI 10.1016/j.crci.2007.03.015)
  • Jean Le Coze, « Histoires de fontes. Les descriptions du XVIIIe siècle. Partie I: Sur la production des fontes », Comptes Rendus Chimie, Elsevier BV, vol. 11, no 10,‎ , p. 1289–1300 (ISSN 1631-0748, DOI 10.1016/j.crci.2008.05.007)
  • Jean Le Coze, « Histoires de fontes. Les descriptions du XVIIIe siècle. Partie II: Sur les diverses conceptions de l'affinage des fontes au bas foyer », Comptes Rendus Chimie, Elsevier BV, vol. 11, nos 11-12,‎ , p. 1584–1603 (ISSN 1631-0748, DOI 10.1016/j.crci.2008.05.005)
  • Jean Le Coze, « Histoires de fontes. Les descriptions du XVIIIe siècle. Partie III: Propositions pour l'interprétation physicochimique de l'affinage des fontes au bas foyer », Comptes Rendus Chimie, Elsevier BV, vol. 12, nos 1-2,‎ , p. 297–318 (ISSN 1631-0748, DOI 10.1016/j.crci.2008.05.006)

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