Métallurgie du fer

La métallurgie du fer extrait le métal du minerai chauffé avec du charbon de bois dans un petit fourneau d’argile alimenté en air par des soufflets. Ce bas fourneau produit normalement une masse solide et pauvre en carbone, la loupe, que le forgeron compacte puis forge.

Ce que c’est

Une loupe brute est une éponge de fer et de scories. Des heures de forge en font une barre.

Très abondant dans l’écorce terrestre, le fer ne s’y trouve presque jamais à l’état de métal, mais dans des minerais sous forme d’oxydes : hématite rouge, magnétite noire, minerai brun des marais. La réduction consiste à arracher l’oxygène de ces minerais pour garder le métal.

Pendant près de trois mille ans, l’outil de ce travail a été le bas fourneau, un four d’argile d’environ un mètre de haut où le charbon de bois brûle sous le vent des soufflets. Il produit une loupe, une masse spongieuse de fer mêlé de scories. Martelée à chaud, elle devient du fer forgé, tenace et facile à travailler. Il a fourni socs, clous et épées jusqu’à l’arrivée du haut fourneau en Europe, à la fin du Moyen Âge.

Comment ça marche

Devant la tuyère, le charbon brûle et chauffe le fourneau. Plus haut dans la cuve, faute d’oxygène, il forme du monoxyde de carbone, un gaz qui enlève l’oxygène de l’oxyde de fer en remontant à travers la charge. Le minerai perd son oxygène par étapes, et la réaction devient rapide au-delà de 900 °C environ.

On consolide d’abord la loupe chaude par des coups légers ; on peut la réchauffer entre deux séries de frappes.

Le fourneau travaille vers 1 100 à 1 200 °C et produit normalement une loupe solide, pauvre en carbone. Le fer pur fond à 1 538 °C, mais un fer riche en carbone peut fondre aux températures du bas fourneau. La silice et les autres minéraux du minerai se combinent avec une partie de l’oxyde de fer pour former une scorie riche en fer, qui peut devenir fluide vers 1 180 °C selon sa composition. La scorie descend près de la tuyère, la buse d’argile qui amène l’air, tandis que les grains de métal s’agglomèrent juste en dessous en une loupe. Le fondeur évacue la scorie par une arche à la base, ou elle s’accumule dans une fosse sous le fourneau.

La loupe sort du fourneau incandescente, poreuse, chargée de scories et de charbon. Si elle est fragile, les premiers coups doivent être légers, parfois donnés au maillet de bois. On peut aussi la laisser refroidir puis la réchauffer avant de la compacter ; le martelage immédiat au blanc n’est pas indispensable. Les chauffes et les passes de forge successives compactent le métal et expulsent une grande partie des scories. La perte de poids dépend de la loupe et du travail de forge. Le carbone est généralement peu abondant et inégalement réparti : une même loupe peut contenir du fer doux et des zones d’acier.

Comment s’y prendre

Voici les grandes lignes d’une petite réduction, pas un plan coté. Il faut de l’argile mêlée de sable et de paille, du minerai, beaucoup de charbon de bois, des soufflets et une équipe pour la journée.

Préparer le minerai. Le griller dans un feu ouvert pour chasser l’eau et le rendre cassant, puis le concasser en morceaux d’un centimètre environ. Casser le charbon à deux centimètres et tamiser la poussière pour que les gaz circulent dans la charge.

Monter la cuve. Sur un sol sec, élever un cylindre d’argile d’environ un mètre de haut et de 25 à 30 cm de diamètre intérieur, aux parois épaisses de plusieurs doigts. Prévoir un trou en bas pour la tuyère et une arche que l’on peut ouvrir puis refermer à l’argile. Laisser sécher plusieurs jours, puis finir avec un petit feu intérieur.

Préchauffer et charger. Remplir la cuve de charbon et envoyer de l’air jusqu’à ce qu’elle rougeoie sur toute sa hauteur. Dans les essais du WIRG, les charges comptent environ 1 kg de minerai et 1 kg de charbon, ajoutés toutes les 10 à 15 minutes, pour un total annoncé de 15 à 20 kg de chacun. Cela représente 15 à 20 charges doubles, soit environ 2,5 à 5 heures à ce rythme, sans imposer cinq heures de chargement continu. La durée annoncée d’environ cinq heures inclut la combustion finale ; le préchauffage se fait à part. Prévoir du charbon supplémentaire pour le préchauffage et la dernière charge de charbon seul : le total des charges doubles ne couvre pas tout le combustible.

Régler le vent. Surveiller la température et la descente des charges, puis ajuster l’air pour maintenir la réduction et l’écoulement de la scorie. L’absorption de carbone dépend du rapport charbon/minerai, de l’atmosphère du fourneau, du temps de séjour et de la chimie des scories. Un débit d’air plus élevé ne suffit pas à prédire la formation de fonte : certains essais ont donné un fer moins carburé avec davantage d’air. Évacuer la scorie selon son accumulation ; le WIRG signale une première évacuation après environ trois heures.

Extraire et compacter. Une fois la dernière charge consumée, ouvrir la façade et sortir la loupe à la pince. Si elle est fragile, commencer doucement, par exemple au maillet de bois, puis renforcer les coups lorsqu’elle tient mieux. Il est aussi possible de la laisser refroidir et de la réchauffer avant le compactage. La remettre à la forge entre les passes jusqu’à obtenir une barre cohérente.

Sécurité. Un bas fourneau dépasse 1 100 °C. La scorie liquide cause des brûlures profondes et des incendies. Travailler dehors sur un sol nu et sec, loin de l’herbe sèche, avec du sable sec à portée. Garder les outils et le sol de coulée secs. Ne jamais laisser l’eau toucher les scories chaudes ou liquides ni pénétrer dans le fourneau chaud : sa vaporisation brutale peut provoquer une explosion. Porter bottes de cuir, gants, tablier et lunettes, et ne jamais se tenir devant l’arche de coulée. Le gueulard rejette du monoxyde de carbone : garder le visage à distance et ne jamais travailler en intérieur. L’argile ou le minerai humides peuvent éclater à la chaleur.

Histoire et évolutions

On a travaillé le fer avant de savoir le réduire. Certains des plus anciens objets en fer ont été martelés dans des météorites, qui contiennent du nickel. Des indices situent des réductions anciennes en Anatolie, dans l’actuelle Turquie, mais le lieu et la date de l’invention restent incertains. À Kaman-Kalehöyük, des fragments datés d’environ 1800 av. J.-C. contiennent déjà de l’acier, et leur carbone très variable fait penser à des forgerons qui tâtonnaient encore. Vers 1250 av. J.-C., le roi hittite Hattusili III évoque dans une lettre la fabrication de « bon fer ».

Vers 1200 av. J.-C., l’usage du fer s’élargit au Proche-Orient, à des rythmes différents selon les régions. La réduction était déjà connue auparavant. Vers 1100 av. J.-C., il est courant à Chypre et au Levant ; la majeure partie de l’Europe l’utilise à partir de 800 av. J.-C. environ, et vers 500 av. J.-C. le bas fourneau est connu de la Méditerranée à la Scandinavie. Contrairement au cuivre et à l’étain du bronze, le minerai de fer se trouve presque partout.

Soufflets en pots : en pompant les deux peaux tour à tour, on garde un vent continu.

L’Afrique a développé ses propres traditions, avec des fourneaux en Nubie dès le VIIe siècle av. J.-C. et en Afrique de l’Ouest au plus tard au VIe. La Chine a sans doute appris la réduction en bas fourneau de l’ouest vers le VIIIe siècle av. J.-C., avant de passer très tôt à des fourneaux assez chauds pour couler de la fonte liquide.

En Europe, les loupes pèsent environ deux kilos pendant des siècles. Les fourneaux romains, qui pouvaient atteindre deux mètres de haut, donnent des loupes de 10 à 15 kg, et vers 1500 les marteaux hydrauliques travaillent des loupes de 100 kg et plus. Le haut fourneau de Lapphyttan, en Suède, fonctionnait déjà dès le milieu du XIIe siècle. Les hauts fourneaux se sont diffusés davantage au cours des siècles médiévaux suivants et produisaient de la fonte en quantité vers 1500 ; les bas fourneaux ont ensuite reculé progressivement. Les forges catalanes d’Espagne et du sud de la France fonctionnaient encore au milieu du XIXe siècle.