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Sommaire |
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 Historique |
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Construction
du bas fourneau |
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Chimie
du bas fourneau |
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Fonctionnement |
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Résultats |
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Contacts |
Sommaire
On a
la preuve que la production du fer par la méthode directe de réduction, dans des
bas fourneaux débute environ 1000 ans avant notre ère au Moyen-Orient. Cette
technique se diffuse ensuite vers le nord au centre de L'Europe par le Caucase
et vers l’ouest, à travers les Balkans vers l'Italie et l’Espagne. En 500 avant
J.C., le fer est un métal commun au Nord des Alpes alors que les premiers objets
en fer atteignent seulement les îles britanniques et la Scandinavie. A la
période gallo-romaine la réduction du fer était bien contrôlée dans toute
l’Europe. Au cours du Haut Moyen Age, la qualité des produits forgés atteint des
sommets.
En Wallonie, vers 1480, apparaissent les premiers haut fourneaux qui supplantent
les bas fourneaux et font baisser considérablement le prix du fer. Les savoirs
techniques associés aux bas fourneaux disparaissent d’autant plus rapidement
qu’un grand nombre des secrets de fabrication se transmettaient par voie orale
de maître à disciple. C’est pourquoi nous sommes dans l’ignorance du mode
opératoire mis en œuvre par les habitants de notre région il y a deux mille ans,
et que chaque année nous tâtonnons.
Construction du bas fourneau :
Nous avons opté pour une
construction légère et très isolée. Le fait de n’utiliser aucun mortier nous
permet de monter le bas fourneau très rapidement (voir schémas et photos
ci-dessous).
L’empilement de briques
réfractaires non scellées permet d’obtenir un carré de 33 cm intérieur sur
une hauteur 60 cm. Cet ensemble de briques est surmonté de deux boisseaux de
cheminée portant la hauteur à 140 cm. Le scellement des briques au mortier
réfractaire n’apporte rien et impose un long temps de séchage.
L’ensemble est ceinturé de béton cellulaire de 15 cm d’épaisseur assurant
une isolation suffisante pour éviter tout risque de brûlure : la température
des parois est de l’ordre de 30 à 40 °C lors du fonctionnement.
Enfin, par sécurité, nous cerclons le tout avec du fil de fer afin de
maintenir l’ensemble.
Cette année, nous utilisons 2 tuyères. Elles sont placées à travers un bloc
de béton cellulaire ce qui règle le problème de son calage. Il est très
facile de percer ce trou dans le béton cellulaire. Une tuyère n’a pas besoin
de sortir de plus d’une vingtaine de centimètres à l’extérieur du béton
cellulaire. Il faut absolument prévoir un fer à béton d’une longueur
supérieur de 30 cm de celle des tuyères afin de pouvoir déboucher ces
dernières en cas de besoin.
La porte basse doit permettre l’écoulement de la scorie. On doit pouvoir la
boucher avec un morceau de béton cellulaire.
Notre bas fourneau peut être schématisé de la manière suivante :
La
partie de la cheminée où débouche les tuyères de ventilation est à la
température maximale, de l’ordre de 1300 °C. La température diminue
régulièrement lorsqu’on se déplace vers le haut (le Gueulard) ou vers le bas.
Au
dessus de 800 à 900°C le charbon brûle avec l’oxygène de l’air pour donner du
monoxyde de carbone (CO). Le minerai ainsi que le métal déjà formé sont très
perméables au monoxyde de carbone. Ce dernier imprègne donc le minerai présent
dans toute la cheminée et réduit (« prend » les atomes d’oxygène à) l’oxyde de
fer.
Le
fer ne passe par un stade liquide, mais reste pâteux voire solide. Si la
température dépassait les 1500 °C, il y aurait risque de fondre le métal obtenu
et d’y dissoudre automatiquement une grande quantité de carbone. Le produit
obtenu est alors la fonte. A l’époque gallo-romaine, cette fonte ne pouvait ni
être travaillée, ni être transformée en acier.
Les réactifs de notre expérimentation.
Le minerai provient de l’ancienne mine du val de fer à Neuves-Maisons près de
Nancy. A cette occasion, nous remercions les bénévoles de l’atelier mémoire
ouvrière de Neuves-Maisons qui nous fournissent chaque année le minerai
nécessaire à nos expérimentation. Sur le plan géologique, il s’agit d’un minerai
de type oolithique (sédiment marin de faible profondeur déposé en couches
continues et relativement épaisses) appelé "Minette". La teneur en fer de ce
minerai est de l’ordre de 35 % (la teneur du minerai brésilien actuellement
utilisé à Pont à Mousson est de 65 %). Le combustible est du charbon de bois .
Il y a une dizaine d'années, les métallurgistes pensaient que la Minette ne
pouvait pas avoir été utilisée avant l'avènement du haut fourneau, du fait d'une
trop forte teneur en phosphore. C’est Marc Leroy (laboratoire d’archéologie des
métaux à Jarville) qui a montré en 1994 que la Minette était utilisée dans les
bas fourneaux dès l'époque gallo-romain.
Fonctionnement du bas fourneau :
Chaque tuyère est reliée à une soufflerie. Nous utilisons un modèle d’aspirateur
traîneau qui a la particularité d’éjecter l’air aspiré par le manche. On
commence par réaliser un feu que nous alimentons régulièrement en charbon de
bois. Il faut environ une heure pour remplir les 130 cm de hauteur avec du
charbon. Parfois des fissures se forment et des gaz s’enflamment sur la
périphérie sans que cela ne soit nuisible au fonctionnement.
Lorsque le bas fourneau est totalement rempli de charbon porté au rouge, nous
introduisons une couche de 3 cm de minerai soit environ 2 kg. Ce minerai est
concassé en morceaux de la taille d’une petite noix.
Au fur et à mesure de la descente des produits dans la cheminée, nous complétons
par une couche de 20 cm de charbon (entre 15 et 20 litres, soit de 2,5 à 3 kg)
suivi de 3 cm de minerai, ceci jusqu’à épuisement de notre stock de charbon de
bois qui, cette année, est de 80 kg.
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Après 5 heures d'expérimentation nous sommes à cours de charbon. Nous pensons que le four pourrait fonctionner 3 heures de plus mais nous ne cherchons pas à en obtenir le maximum pour l'instant. Par la porte basse, nous perçons la poche de scorie liquide ce qui produit un écoulement qui impressionne toujours les spectateurs. Ces derniers sont souvent persuadés que c'est le fer qui coule.
Nous démontons la structure de béton cellulaire dont une grande partie pourra
resservir. La chaleur étant très intense, nous ne pouvons pas récupérer la
dernière rangée : des coulées de scorie l'ont soudée aux briques réfractaires.
Nous abattons enfin l'empilement de briques afin d'extraire les massiots.
Nous obtenons deux massiots, un à chaque sortie de tuyère, d'un poids total de
6 kg. Un massiot est une éponge de fer qui présente une partie centrale assez
compacte et une périphérie formée par une dentelle de fer dans laquelle est
piégée une partie de la scorie. Les scories sont un agglomérat de composés
divers, dont des oxydes de fer non réduits, dans un état vitreux, ce qui
explique qu'elles sont cassantes.
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Photographie de l'un des massiots. |
Coupe du massiot |
Les clichés métallographiques de la partie centrale, réalisés par M Jacques KESSLER du laboratoire de métallurgie appliquée du Lycée LORITZ, ainsi que les mesures de dureté montrent que le métal obtenu est constitué de ferrite et de perlite et contient donc très peu de carbone dissout dans la structure (contrairement à ce que l'on obtient avec un haut fourneau). Dans l'échantillon de cette année, nous n'avons pas de trace visible de phosphore, alors qu'il y en avait très peu dans l'échantillon prélevé sur le massiot obtenu en 2001.
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| structure de "Widmanstäeten" dendrites de ferrite sur matières perlitiques |
clair : ferrite cristallisé sombre et contours nets : perlite aspect gris vitreux et bords irréguliers : scories |
Image au microscope
Cliquer sur l'image pour la taille réelle
Liens :
http://www.ac-nancy-metz.fr/ia57/noveant/village/fer/fer3.html
http://www2.ac-rennes.fr/cst/doc/Dossiers/routefer/techniques/basfour.htm
http://www.univ-tlse2.fr/utah/fer/index.html
http://users.win.be/W0080404/sidarcheo2.htm
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