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18 septembre 2012 2 18 /09 /septembre /2012 16:49

 

8. La production de fonte au Floszofen dans la vallée de la Volme.

 

L’étude métallurgique du seul procédé  Floszofzen   ne permet pas de répondre à la question de savoir si le minerai du Sauerland de la Mark possédait des caractéristiques permettant le passage direct du procédé Rennofen au procédé Floszofen.   Il faut  pouvoir étudier le comportement du minerai lors de la réduction directe  puis indirecte, et  donc connaître  la composition chimique du minerai

 

Celle-ci est accessible grâce à un calcul effectué à partir de l’analyse  du laitier de Flosofen et des inclusions de fonte que ce laitier contenait ( Horstmann 1996, 317, Abb.9) . Comme l'a montré l'étude métallographique de  ces inclusions, les Floszöfen de la Volme produisaient une fonte hypoeutectique à eutectique contenant des lamelles de graphite .

 

8.1 Calcul du minerai d’après un laitier de Floszofen modèle.

A partir de l’analyse de ce laitier modèle (figure 15),  un calcul par itérations successives donne la composition chimique du minerai donnant  par réduction au Floszöfen, la fonte citée et ce laitier modèle.

Figure 15

Structure et analyse chimique d’un échantillon de laitier vitreux et de goutelettes de fonte incluses

 

 

           Sauerland 4 image 15      

      .

L’analyse chimique du laitier « modèle » classe celui-ci  dans la moyenne des laitiers de Flosöfen produits dans les vallées de la Volme, de la Loope et de la Kaltenbach.

Le calcul  du minerai dont provient ce laitier modèle suppose des hypothèses : -a Réduction partielle (20%) du manganèse contenu dans le  minerai (estimé à 5%), -b  Production de fonte à 3% de C, contenant donc  95.5% de Fe pour1.5% de Mn, -c Apports de SiO2, CaO, MgO, Al2O3 et K20  par les cendres du charbon de bois et la paroi du four . -d Faible  consomma-tion de combustible (rapport charbon de bois /minerai voisin de 1) correspondant à  un minerai facilement réductible.

 

La réduction au Floszöfen du minerai calculé donne un laitier "calculé" dont la composition chimique   est voisine de celle du laitier modèle .  

Les  teneurs en éléments scorifiables  du laitier "calculé" :  silice, chaux et magnésie, alumine, potasse sont plus ou moins nettement hors fourchette de la présentation statistique; le mode de calcul du minerai modèle  qui repose sur des hypothèses, d’une part de rendement de réduction en métal pour le fer et le manganèse, d’autre part d’apports par le minerai , le charbon de bois et la paroi  pour les éléments scorifiables, en est sans doute responsable.

Mais la situation du laitier "calculé" sur le diagramme  utilisé par Horstmann pour une présentation statistique   des  laitiers de Rennöfen, Floszöfen, Floszöfen avec ajout important de CaO, etc… correspond exactement aux échantillons de laitiers de Floszofen, recueillis par les archéologues (Horstmann  1994, Abb.27).

Situé sur le diagramme ternaire SiO2–Al203– (MnO+autres éléments) [extension de SiO2- Al203-MnO],  le laitier obtenu par réduction du minerai calculé est en limite d’un domaine de grande fusibilité des laitiers (1140°C) (Figure 16) 

 

Figure 16

 

Situation sur le diagramme SiO2-Al2O3-(MnO+autres éléments) du laitier modèle (point rouge)  et du laitier obtenu au Floszofen sans ajout de calcaire (point vert) et avec ajouts de calcaire faible (point bleu clair) ou important (point bleu)

  Sauerland-4-image-16-copie-1.jpeg

              

 Cette situation  expliquerait son aspect vitreux si sa teneur en silice était plus faible, 46%  par exemple. une teneur qui peut facilement être obtenue en ajoutant 4 k de CaO pour 100k de minerai  chargé, un  faible ajout de castine souvent pratiqué (Horstmann 1994, 4)  .

Mais l'explication la plus crédible de l’aspect vitreux du laitier modèle est sans doute  la présence de leucite (K20-Al2O3-4SiO2), signalée dans la structure sur lame mince  de laitiers de la région de Kierspe où la leucite se  présente soit  sous forme de cristaux de leucite pure, soit  de cristaux de coeutectique  MnO-K2O (Horstmann 1994 et Keesmann, 1999).   La leucite forme en effet avec SiO2 et Al2O3 des laitiers extrêmement fusibles pour des teneurs en SiO2 de plus de 50% et des teneurs  en Al203 de moins de 20%  (Mrazova 2009, 227).

 

 

8.3. Calcul du métal et du laitier obtenus par réduction au  Floszofen du minerai calculé avec ajout d’une quantité importante de CaO. Fabrication du « German Steel »

L’augmentation  de l’indice basicité du laitier CaO+MgO/SiO2  permet la réduction de MnO avec un rendement de 80% environ, le laitier restant bien fusible (Figure 16).

L’indice de basicité CaO+MgO/ SiO2 est égal à 1.4.  Pour cette valeur et une teneur en sili-cium de la fonte de 0.5, le rapport des teneurs en Mn%  du laitier et de la fonte est d'environ  0.2 (Dancoisne 1977, 22). La fonte   contient alors  11.5% de manganèse et  peut facilement être affinée en acier naturel. Selon toute vraisemblance,  cette fonte est celle dont l'affinage donnait le célèbre " German Steel "

 

8.4.  Réduction au  Rennofen du minerai calculé.

Mais avant d'être transformé en fonte par réduction indirecte, le minerai du Sauerland de la Mark a plusieurs siècles été réduit directement au Rennofen. La disposition d'une analyse "calculée" de ce minerai  permet  d'accéder à l'analyse du laitier  obtenu par sa réduction au Rennofen, 100 k de minerai calculé donnant  une loupe  de 30 k et un laitier  très fusible  de composition:

FeO:           56,4%

MnO:            9.4%

SiO2:           24.6%

CaO+MgO:   2.8%

Al2O3:          5.6

K20:              1.1

Ce laitier est situé  sur le diagramme du système   SiO2- (FeO+MnO)- (Al2O3 +autres éléments)  extension de  FeO-SiO2-Al203, de la figure 17.  Son point représentatif  s'inscrit dans le polygone de dispersion statistique des analyses de laitiers de Rennofen recueillis par les archéologues  (Horstmann 1994, abb. 27) dans une zone de grande fusibilité.

 

Figure 17

Réduction au Rennöfen du minerai calculé

Situation sur diagramme (FeO+MnO) -SiO2-(Al203+autres éléments)

du minerai calculé (point bleu) et du  laitier obtenu (cercle pointillés bleus).

 

 

  Sauerland-4-image-17.jpeg

 

7.4. Système SiO2- (FeO+MnO)-(Al203+ autres éléments ) : situation sur diagramme ternaire des laitiers obtenus par réduction du minerai calculé,  au Rennofen et  au Floszofen sans ou avec addition de CaO

 

Dans ce diagramme (figure 18),  Horstmann situe par zones de dispersion les analyses de laitiers de Rennöfen, de  Floszöfen sans ou avec ajout calcaire , des scories d’affinage de la fonte de Flozöfen et des scories d’affinage et des scories de fabrication de l’acier Osemund.

Sur ce diagramme sont reportées   les analyses des laitiers obtenus par réduction du minerai calculé, au Rennofen , et au Floszofen sans ou avec  ajout de CaO .

Cela montre surtout que le minerai calculé est susceptible d’être traité indifféremment au Rennofen, ou au Floszofen, sans ou avec une quantité significative de CaO, en  donnant  dans tous les cas comme on l’a vu plus haut un laitier très fusible

 

Figure 18

 

Diagramme ternaire (FeO+MnO)-SiO2- Autres éléments

Présentation statistique des analyses (d'après Horstmann 1994, Abb.27)

Situation des laitiers de réduction du minerai calculé au Rennofen (point rouge

et au Floszofen (points, vert sans CaO, et bleu avec CaO)

 

 

  Sauerland-4-image-18.jpeg

 

 

             

 

8.5  Conclusion.

 

La simulation de la réduction au Rennofen du minerai calculé porte en germe la réponse à la question de savoir pourquoi le développement de la métallurgie du fer au Sauerland de la Mark a échappé à l'étape  Stückofen  . Les recherches  de terrain des  archéologues n'ont pas permis de retrouver  traces de ce fourneau hybride producteur d'une loupe solide  de fer acièreux en même temps que  de fonte liquide.

Mais  ce débat est vide de sens pour le fondeur du 13ème siècle qui cherche à augmenter la production d'un bas fourneau qu'il a redimensionné  quand devient  possible  le rempla-cement du soufflage manuel par un soufflage hydraulique. Il constate simplement les  coulées de fonte liquide et d'unlaitier très fluide.  

Le passage du fonctionnement en Rennofen au fonctionnement en Floszofen, de la réduction directe à la réduction indirecte, s'est ainsi fait sans discontinuité opératoire du fait du simple effet d'un soufflage augmenté dans un fourneau agrandi. Les matières traitées minerai local et charbon de bois sont restées les mêmes  (les ajouts calcaires sont des améliorations  apportées avec le temps).

Le chapitre suivant expliquera  pourquoi  les caractéristiques propres au minerai du Sauerland de la Mark: teneur en manganèse et en K20 et valeur élevée du rapport SiO2/Al2O3(environ 4) 

 

Edmond Truffaut

Le fer du Sauerland (4)

www.manganeseandsteel.fr

Septembre 2012

 

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Published by Edmondtruffaut
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