Métallurgie du cuivre

La métallurgie du cuivre tire le métal du minerai chauffé avec du charbon de bois sous un fort courant d'air. Les minerais verts comme la malachite livrent leur cuivre en une seule étape ; les minerais sulfurés doivent d'abord être grillés puis fondus en un produit intermédiaire, la matte. Les plus anciennes traces analysées du procédé, des scories de Belovode en Serbie, datent d'environ 5000 av. J.-C.

Ce que c’est

Le cuivre fait partie des rares métaux qu’on trouve à l’état de métal dans la nature, en pépites et en minces feuilles : c’est le cuivre natif. On l’a martelé en perles et en alênes bien avant de savoir fondre un minerai. Mais le cuivre natif est rare. L’essentiel du cuivre se trouve dans des minéraux : la malachite vert vif et l’azurite bleue près de la surface, et plus bas des sulfures jaune laiton comme la chalcopyrite.

La métallurgie extractive sort le cuivre de ces minéraux. On chauffe ensemble minerai et charbon de bois en soufflant de l’air avec des soufflets ou des sarbacanes ; le charbon enlève l’oxygène lié au cuivre, et le reste de la roche fond en scorie. Le cuivre ainsi obtenu était coulé en outils et, allié à l’étain, devenait du bronze. Il compte parmi les premiers métaux tirés d’un minerai, des milliers d’années avant le fer.

Comment ça marche

La malachite, un carbonate vert, livre son cuivre en une étape. La chalcopyrite, un sulfure de cuivre et de fer, doit d’abord être grillée.

Dans un feu activé par un fort courant d’air, le charbon de bois qui brûle forme du monoxyde de carbone là où l’oxygène manque. Ce gaz arrache l’oxygène aux oxydes de cuivre ; quant à la malachite, elle se décompose en oxyde de cuivre dès qu’on la chauffe. Le cuivre apparaît alors en petits grains. Au-delà de 1 085 °C, ils fondent et se réunissent en gouttelettes, appelées billes, ou en une masse au fond du fourneau ou du creuset. Le reste du minerai, surtout de la silice et de l’oxyde de fer, fond en une scorie vitreuse, plus légère que le métal, qui reste au-dessus.

Les premières fontes laissaient une bonne part du cuivre prisonnière de la scorie, sous forme de billes. Au Levant sud, au Chalcolithique, au Ve millénaire av. J.-C., on réduisait le minerai dans des fours en fosse, on cassait la scorie refroidie pour en trier les billes, puis on les refondait ensemble dans un creuset avant de les couler.

Les minerais sulfurés se trouvent plus en profondeur et sont devenus plus tard la principale source de cuivre, mais le charbon seul ne peut en libérer le métal. On les grille d’abord, c’est-à-dire qu’on les chauffe avec beaucoup d’air : une partie du soufre part en dioxyde de soufre et le fer devient oxyde. La fonte du minerai grillé donne ensuite la matte, un mélange fondu de sulfures de cuivre et de fer, plus lourd que la scorie. On grille et on refond la matte, une ou plusieurs fois, jusqu’à ce qu’il reste peu de fer et de soufre et que le cuivre sorte. Des expériences fondées sur des sites de l’âge du Bronze dans les Alpes ont montré que deux cycles de grillage et de fonte de la matte éliminaient l’essentiel du soufre et du fer.

Comment faire

Les étapes suivantes reprennent un exercice de laboratoire universitaire de réduction directe de la malachite. Il faut une forge au charbon avec soufflerie, un creuset en argile-graphite et sa pince, du charbon de bois concassé un morceau de malachite d’origine connue et un thermocouple pour mesurer la température de la charge.

Préparer la charge. Concasser séparément la malachite et le charbon en morceaux de 3 à 5 mm et tamiser la poussière. Peser 90 g de minerai et 30 g de charbon, bien les mélanger et remplir le creuset. La malachite contient environ 57 % de cuivre en masse : cette charge renferme donc environ 52 g de cuivre.

Chauffer. Poser le creuset sur un lit de braises dans la forge et l’entourer de combustible pour qu’il chauffe de façon égale. Augmenter l’arrivée d’air et lire souvent le thermocouple. L’exercice de laboratoire retire le creuset du feu quand la charge atteint environ 1 250 °C et met en garde contre une température plus haute. Lors d’essais menés en Moravie en 2023 et 2024, la réaction a demandé environ une heure vers 1 200 °C.

Une fois le creuset refroidi, on trie le cuivre dans la scorie : un petit bouton et des billes éparses.

Récupérer le cuivre. Sortir le creuset à la pince et le laisser refroidir sur une brique réfractaire. Le vider et séparer le cuivre du charbon et de la scorie : un petit lingot, des billes dispersées, ou les deux. Peser le métal et comparer avec le cuivre contenu dans le minerai. Lors des essais moraves, une malachite presque pure a rendu en moyenne environ les deux tiers de son cuivre, et le métal était pur à plus de 99 %.

Sécurité. Outils, briques et sol doivent être parfaitement secs : de l’eau sous du métal ou de la scorie en fusion se change en vapeur et les projette. Un feu de charbon de bois dégage du monoxyde de carbone ; ne jamais fondre à l’intérieur. Ne jamais chauffer de chalcopyrite ni d’autres sulfures, qui dégagent du dioxyde de soufre, ni un minerai qu’on ne sait pas identifier : certains minéraux de cuivre contiennent de l’arsenic, dont les fumées sont toxiques.

Histoire et évolution

À Çatalhöyük, en Anatolie, des perles du VIIe millénaire av. J.-C. ont été martelées dans du cuivre natif. Une « scorie » verte trouvée sur le site a longtemps passé pour le plus ancien signe de fonte ; une étude publiée en 2017 a montré qu’il s’agit d’un minéral de cuivre brûlé par accident. La plus ancienne réduction connue à ce jour se trouve à Belovode, en Serbie, où des scories de cuivre analysées datent d’environ 5000 av. J.-C., l’époque des premiers objets en cuivre coulé. À Tal-i Iblis, dans le sud-est de l’Iran, des centaines de fragments de creusets attestent une réduction du cuivre en creuset à la fin du VIe ou au début du Ve millénaire av. J.-C.

L’arrivée d’air limitait la chaleur : les essais moraves avec des sarbacanes en sureau n’ont atteint que 1 000 à 1 100 °C, et l’équipe a dû finir au soufflet. À Abu Matar, près de Beersheba, des fragments réexaminés en 2024 indiquent des soufflets et des fours couverts de grands tessons de poterie, probablement le plus ancien témoignage de soufflets dans la région.

À l’âge du Bronze, les mineurs se tournent vers les minerais sulfurés. Au Mitterberg, dans les Alpes autrichiennes, les sites de fonte du IIe millénaire av. J.-C., surtout de l’âge du Bronze moyen, associent des aires de grillage, des fours souvent construits par paires en contrebas et des tas de scories.

Dans un four à réverbère, la flamme passe au-dessus de la charge et la voûte lui renvoie la chaleur ; le charbon ne touche jamais le minerai.

À la fin du XVIIIe siècle, la basse vallée de Swansea, au pays de Galles, est le centre mondial de la fonte du cuivre. Ses usines brûlent le charbon du bassin houiller voisin dans des fours à réverbère, où le feu brûle sur une grille à part et où seule la flamme passe sur le minerai ; elles traitent du minerai venu par mer de Cornouailles, puis du monde entier. Le procédé gallois grille et fond le minerai encore et encore pour concentrer le cuivre dans une matte, puis transforme la matte en cuivre brut, dit « blister ».

En 1880, Pierre Manhès et Paul David adaptent le convertisseur Bessemer à la matte de cuivre : l’air soufflé à travers la matte fondue en brûle le soufre et le fer et laisse du cuivre blister. La première raffinerie électrolytique commerciale de cuivre avait démarré à Pembrey, au pays de Galles, en 1869, sur des brevets déposés par James Elkington à partir de 1865 ; elle donnait un cuivre de grande pureté. En 1949, la société Outokumpu met en marche à Harjavalta, en Finlande, le premier four industriel de fusion éclair : un concentré sulfuré fin y brûle dans un courant d’air et se chauffe par sa propre réaction.