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30 avril 2012 1 30 /04 /avril /2012 09:21
Le malentendu de Wolfsberg.
 
   
Comment est-on passé de longues années de discussions entre savants sur le phlogistique et les états métalliques du fer, à l'annonce en 1786 de la présence aussitôt discutée d'oxygène dans la fonte. Le malentendu est naît en 1783 à Wolfsberg, petite ville carinthienne, à l'occasion d'une mission   en Autriche  de futurs ingénieurs des mines français  chargés de récolter des informations sur la fabrication de la fonte donnant "l'acier d'Allemagne"
 
 .1783:  la mission de l'élève-ingénieur des Mines Hassenfratz en Carinthie
En 1783, les élèves-ingénieur des Mines, Jean-Henry Hassenfratz et Stoutz sont envoyés en rrnssion en Styrie et Carinthie par l'Administration Royale des mines Leur ordre de mission indique que la recherche française sur la conversion du fer en acier n'ayant pas eu tout le succès espéré, ils auront à "saisir les procédés usités en Styrie et Carinthie, renommées pour la conversion du fer en acier ", en observant la marche des hauts foumeaux, en envoyant par la voie de l'Ambassadeur, des échantillons de minerai fonte et acier et les analyses qu'ils en auront faites. Ils auront à observer les "fontes qui donnent l'acier d'Allemagne", à «essayer le produit, et dans le cas où ceux qu'on obtient de nos meilleurs fers ne puissent leur être comparés, ils étudieront si l'art n'a aucun moyen de faire dispa-raître cette différence par des changements dans les propor-tions des matériaux" (Grison 1996, 39).
La dernière phrase de l'ordre de mission est obscure : qu'entendait l'Administration des Mines par "changement dans les proportions des matériaux"? S'agissait –il  des matériaux composant la charge du haut fourneau produisant la fonte donnant l'acier d'Allemagne?  La publication en France relativement  récente (1774) du mémoire du métallurgiste suédois  Tobern Bergman  sur les mines de fer blanches qui contiennent du manganèse et donnent l'acier d'Allemagne,  est vraisemblablement  la cause de cette obscurité : le sujet est encore très nouveau.
Hassenfratz passe ainsi l'hiver 1783-1784, dans la petite ville de Woifsberg en Carinthie, con-traint d'en parcourir les environs sous 8 à 12 pieds de neige pour visiter mines et usines.
Si les rapports de cette mission sont aujourd'hui introuvables, nous verrons qu'ils ont été lus à l'époque et que les échantillons de fontes donnant de l'acier d'Allemagne sont  bien arrivés à Paris.
 
Les académiciens Monge et Lavoisier connaissaient Hassenfratz. En 1781, ce dernier ingénieur-géographe aux armées du roi, avait reçu sa formation scientifique de Monge, alors professeur de mathématiques et physique à l'école du génie de Mézières. Et avant le départ d'Hassenfratz pour l'Autriche, Monge avait présenté celui-ci à Lavoisier. Au cours de son voyage , Hassenfratz avait écrit longuement à Lavoisier à propos des mesures eudiométriques sur la qualité de l'air auxquelles il se livrait.
En 1784, à l'occasion de la lecture à l'Académie du mémoire dans lequel il prouve que l'eau n'est pas une substance simple et que l'air inflammable (l'hydrogène) y entre comme principe consti-tuant, Lavoisier indique  que Sage directeur de la première Ecole des Mines lui avait transmis une observation communiquée d'Allemagne par Hassenfratz et ses collègues: du fer rouge éteint dans l'eau donnait de l'air inflammable.
Les informations envoyées de Carinthie par Hassenfratz et ses collègues sont lues évidemment avec beaucoup d'intérêt à l'Académie, D'autant que celle-ci vient de recevoir une Dissertation chimique sur l'analyse du fer publiée à Stockholm en 1781  par Bergman.  M. Bertholet en a rendu compte dans le Journal des Savants d'octobre 1782 puis a transmis   le document à Grignon, correspondant de l'Académie . Celui l'avait alors  traduite et publiée à Paris en 1783
 
2. 1780. Bergman à l'origine de la rumeur
Publication en France de   "L'analyse du fer" du phlogisticien Bergman. Retombées en France de la publication de "l'analyse du fer". Les deux sortes de fontes blanches. Production au haut fourneau d'une fonte blanche tirée d'un minerai manganèsifére. Une recherche qui refuse  de considérer le manganèse présent dans certaines fontes.
"L'analyse du fer"   selon Bergman
Bergman et Grignon sont des phlogisticiens. Dans sa dissertation. Bergman distingue fonte acier et fer par leurs teneurs croissantes en phlogistique. Il y présente les différences entre le fer cru, (la fonte), l'acier et le fer (forgé ou doux) ; "différences dont les causes dépendent selon lui des différentes proportions de leurs principes et des substances étrangères qui s'y trouvent", et  cherche à déterminer la quantité de phlogistique qui entre dans le composition du fer par la quantité de fluide élastique qui s'en dégage par le moyen de l'acide vitriolique ; il observe que la quantité de phlogistique augmente de la fonte à l'acier et enfin au fer.  
Bergman cherche ensuite à déterminer l'effet des substances unies au fer dans ses différents états et l'influence que ces substances ont sur la teneur en phlogistique. Il "examine trois de ces substances:  manganèse, matière siliceuse et une matière présentant les caractéristiques du plumbago". Seule la dernière, en changeant le fer en acier puis en fonte a un effet contraire sur la teneur en phlogistique qui diminue du fer à la fonte.
A propos du manganèse dont le fer d'Eisenertz contient (selon lui) 30%, Bergman s'interroge.  Comment un métal combiné de près d'un tiers de substance étrangère si peu susceptible de passer à l'état métallique comme le manganèse, peut-il être susceptible lui-même des caractères de la métallicité? "L'on tire, il est vrai un régute de manganèse, mais ce n'est point un métal ductile" (Grignon 1783 note p. 82)
Pour Bergman, le plumbago est une substance complexe composée pour partie de soufre associé à une certaine terre métallique et pour l'autre partie d'une substance composée d'acide aérien et de phlogistique. La fonte qui en contient beaucoup a une teneur faible en phlogistique, le fer qui en contient peu est riche en phlogistique .
Enfin Bergman indique que l'attaque de la fonte par l'acide vitriolique étendu, produit un déga-gement d'air inflammable d'autant plus important que la fonte contient plus  de phlogistique.
Le volume d'air inflammable dégagé varie suivant:
  • l'origine de la fonte étudiée,
  • le réglage du rapport charbon de bois/minerai dans la charge du haut fourneau: un rapport élevé donnant une fonte chaude grise ou noire,  un rapport faible  une fonte froide et blanche, moins riche en phlogistique que la fonte grise
  • la présence de manganèse dans le minerai traité; une fonte contenant du manganèse donne un dégagement plus faible et contient donc moins de phlogistique qu'une fonte grise ou noire
Retombées en France de la publication  de "l'analyse du fer"
Les conclusions de Bergman/Grignon que les académiciens français ne peuvent ignorer,  surtout  s'ils sont antiphlogisticiens,  portent en germe le "malentendu de Wolfsberg", au centre duquel se trouve Hassenfratz.  A la fin de sa mission, celui-ci rend compte à son administration, dont on ignore la suite qu'elle  donne à son rapport aujourd'hui perdu. En même temps il tient informés Monge et Lavoisier des informations recueillies.
Commentaire du mémoire de Bergman par le Journal des Scavans en octobre 1782,  la même année publication par Lavoisier d'un Mémoire sur l'union du principe oxygine avec le fer, publi-cation en 1783 de la traduction du mémoire de Bergman, présentation  à l' Académie des Scien-ces par Lavoisier du mémoire de 1782: c'est sans doute alors  que trois académiciens français Vandermonde, Berthollet et Monge décident  d'opposer à Bergman et Grignon, une théorie antiphlogistique de la métallurgie du fer. Ils le feront dans leur  Mémoire sur le fer dans ses différents états  métalliques publié en 1786 .
Il leur faudra préciser la nature du plumbago que  Bergman n'a pas réussi à identifier .  La fonte, pauvre en phlogistique, en est très riche au contraire  du fer qui est pauvre en plumbago et  riche en phlogistique.  Il leur faudra aussi à l'instar de Bergman,  mesurer et comparer le dégagement d'air inflammable  à l'attaque acide (vitriolique)  d'échantillons de fonte, d'acier et de fer. Ils rencontreront  dans cette dernière démarche à une difficulté insoupçonnée.
Les deux sortes de fontes blanches.
A l'époque, forgerons ou scientifiques,  académiciens suédois ou français, tous ignorent  (le phénomène ne sera expliqué qu'une  quarantaine d'années plus tard),  que la  présence de manga-nèse blanchit la fonte ; autrement dit qu'une fonte peut être blanche, soit  par défaut de combus-tible lors de son élaboration,  soit parce qu'elle contient du manganèse.  Ils croient que le rapport charbon/ minerai et la température de fonctionnement du fourneau ont plus d'importance sur le type de fonte produite, blanche ou grise, que la nature du minerai  (Le Coze 2008, 1292).
Il faudra attendre 1826 pour que  le chimiste  Berzélius distingue  deux sortes de fontes blanches: celles provenant  de minerais de fer contenant du manganèse,  et celles résultant d'un manque de charbon lors de l'élaboration  (Berzélius /traduction Hervé  1826,59).  Dans le  cas d'une fonte blanche tirée d'un minerai de fer manganèsifére  la teneur en  carbone de la fonte blanche obtenue  est plus élevée que celle d'une  fonte grise (une analyse donne  4.5% de Mn, 3.9 % de C et 91.5% de Fe) et le carbone est entièrement combiné avec le fer et le manganèse.
Dans le cas, d'une fonte blanche par défaut de combustible,  la teneur en carbone est inférieure à celle d'une fonte grise mais également  combiné avec le fer (Karsten 1823, § 689).
 La production au haut fourneau d'une fonte blanche tirée d'un minerai manganèsifère.
 
La production au haut fourneau de fonte blanche lamelleuse "spiegeleisen"  destinée à la fabrication d'acier de forge dit "naturel" commence tardivement (18ème siécle)  dans les régions d'Europe riches en minerai de fer spathique manganésifère : Siegerland, Styrie, Carinthie , Harz, Thuringe, Franconie, Alpeslombardes, Alpes françaises. Elle s'arrête au milieu du 19ème avec l'invention de l'acier Bessemer .
 
Le spiegeleisen n'est pas connu en France. Jars et Duhamel en voit fabriquer en Styrie en 1756 mais la marche qu'ils peuvent y observer, n'est pas réglée ; en 1791, un article sur le Nouvel art d'adoucir le fer fondu de la Description des arts et Métiers (J-E Bertrand 1791, volume 15, 201)   distinguera les fontes "blanches par art", d'une sorte de fonte blanche qui reste toujours dure quelque soient les recuits auxquels on la soumet.  Plus tard, une seule fois le Journal des Mines évoquera la "fonte blanche rayonnée provenant des minerais manganésifères" (Eluerd 1993)
 
Le spiegeleisen contient  4-5% de C et 5 à 20% de Mn; refroidi, il présente  des facettes planes blanches et brillantes; quand la teneur en manganèse augmente, La surface des facettes s'agrandit.
 La fonte blanche rayonnée contient moins de Mn et de C  (Ledebur 1894).
 Son élaboration au haut fourneau oblige à un réglage précis du rapport charbon /minerai. Si celui-ci est trop élevé, la fonte est grise et donne un acier moins bon ; s'il est trop faible, la fonte est  blanche et ne permet pas de fabriquer de l'acier (Stengel 1829).
 
Mais dans leur recherche Vandermonde, Berthollet et Monge, écartent le manganèse qu'ils consi-dèrent comme  hors sujet. Ce faisant, ils négligent  un problème essentiel en comparant les résultats de l'attaque vitriolique des échantillons de fontes blanches parce qu'elles contiennent du manganèse qui ont été ramenées d'Autriche par Hassenfratz aux résultats obtenus sur des fontes grises d'autres provenances. Hors selon Lavoisier, les résultats obtenus par cette attaque vitriolique  ne valent que si  "on opère toujours avec le même acide et la même fonte, c'est-à-dire dans les mê-mes conditions opératoires et sur le même échantillon": une conclusion  qui invalide  la comparaison des résultats obtenus sur des fontes de provenances différentes .
 
Un résultat rapporté d'Autriche par Hassenfratz qui y découvre la production délibérée de fonte blanche  achèvera de les induire en erreur : les hauts fourneaux carinthiens .consomment très peu de charbon de bois, deux fois moins que les hauts fourneaux français . C'est cela sans doute qui l'amène  à conclure que les fontes autrichiennes sont blanches par défaut de combustible, plutôt que parce qu'elles contiennent du manganèse et à en convaincre les académiciens.
 
 2.1. La nature du plumbago.
 Pour Bergmann le plumbago est un principe indéterminé commun à la fonte, à l'acier et au fer; Vandermonde, Berthollet et Monge identifient le plumbago au carbone.
 
En 1780. pour Bergman, le plumbago est un principe commun à la fonte à l'acier et au fer qui varie en raison inverse de leurs teneurs en phlogistique;  "c'est une matière qu'il n'a pas réussi à déterminer". (Grignon 1783, 94) .
 
En 1786, Vandermonde, Monge et Berthollet (VBM dans ce qui suit) montreront que la plombagine  extraite des aciers et des fontes est une véritable combinaison du fer et du carbone, de même que la plombagine des mines d'Angleterre (avec laquelle on fait les crayons du même nom) est du charbon saturé de fer car lorsqu'on les brûle, il se dégage de l' air fixe, l'acide carbonique, et il reste un résidu ferrugineux incombustible (Lemay 1960, 438, Revue d'histoire de la pharmacie, n°167, 1960, 436-440)
 
3. La rumeur (1783) : la fonte est un mélange de fer pur et d'ethiops martial
 Lavoisier est responsable de la rumeur. La conclusion trop rapide d'une recherche sur la calcination humide du fer.  Une rédaction ambigüe. Une interprétation erronée. Une conclusion discutable, nscrite dans une recherche générale pour démontrer l'inexistence du phlogistique, une conclusion bientôt remise en cause.
 
Depuis Nicolas Lémery (Cours de chimie 1675), les chimistes savaient que la limaille d'acier recouverte d'eau se transformait  lentement en une poudre très fine aussi noire que de l'encre qui lui avait fait donner le nom d'éthiops. En 1781,  Lavoisier avait répété l'expérience, observé que la limaille de fer se transformait en éthiops martial en même temps que se dégageait une quantité considérable d'air inflammable, Ces résultats lui avaient permis de conclure que l'eau n'était pas une substance simple (Mémoires de l'Académie des sciences, 1781, p. 468).
 Depuis ses essais au grand verre ardent de M. Trudaine (1744), il savait que fonte de fer et  fer forgé se distinguaient par leur fusibilité. Là ou la fonte de fer se liquéfiait en quelques secondes, le fer forgé restait  intact.
 
L'histoire rend Lavoisier responsable de la rumeur selon laquelle la fonte de fer contiendrait de l'oxygène. Il écrit  dans le Mémoire sur l'union du principe oxygine avec le fer (1782):
 " la quantité d'air inflammable produite par la dissolution métallique de la fonte de fer mesure très exactement la quantité de principe oxygine qu'elle contient sous forme d'éthiops martial", et en conclut que " la plupart des fers du commerce sont un alliage de fer doux avec un peu d'éthiops martial. c'est-à-dire qu'ils contiennent presque toujours une petite portion de principe oxygine… il y a toute apparence que la fonte de fer est un mélange d'environ un huitième d'êthiops martial et de sept huitièmes de fer pur, autrement dit, qu'un quintal de fonte contient un peu plus de trois livres de principe oxygine…".
 
 La rédaction  est ambigüe. Faut-il comprendre la formule "selon toute apparence" comme l'expression d'une supposition ? Faut-il comprendre  que la fonte de fer ne contient que du fer pur et de l'éthiops martial  à l'exclusion d'autres composants comme le plumbago et le manganèse cités par Bergman. Les académiciens auteurs du Mémoire sur le fer… de 1786 qui utiliseront la méthode feront remarquer que les fontes noires laissent à l'attaque vitriolique un résidu noir au contraire des fontes blanches qui n'en laissent pas malgré des teneurs en carbone plus élevées: on ignore à l'époque  que le carbone présent dans les fontes blanches est combiné avec le fer et le manganèse en carbures mixtes qui réagissent à l'attaque acide en libérant des carbures d'hydro-gène qui se mélange au gaz inflammable.
Mais surtout l'interprétation de Lavoisier est erronée quand  il explique que la quantité de gaz inflammable dégagée par la dissolution du métal  mesure la quantité d'oxygène qui s'est fixée  sur le fer;,elle mesure en fait une quantité de fer dissous (Le Coze 2008, 778 &785) .
 
 Lavoisier écrit également  que  "cette quantité (d'air inflammable) est toujours la même, pourvu que l'on opère toujours avec le même acide et la même fonte, c'est-à-dire dans les mêmes condi-tions  opératoires et sur le même échantillon".  Cette  rédaction  suggère que le principe oxygine présent  dans la fonte de fer varie suivant les échantillons, donc suivant la nature  de la fonte et les conditions de sa fabrication : nature du minerai de fer utilisé (présence de manganèse) et rapport charbon de bois/minerai de la charge du haut fourneau  qui l'a fabriquée; il  jette ainsi le doute sur la comparaison de résultats obtenus sur des échantillons de provenances  différentes comme celle  à laquelle s'est livré Bergman ou celle à laquelle se livreront les auteurs du Mémoire sur le fer de 1786 ; appliquée à la fonte blanche  de Wolfsberg : elle signifierait que cette fonte blanche contient 22.5% environ d'éthiops martial noir!   
Lavoisier reviendra sur les conclusions sans doute précipitées de cette étude. Le Mémoire sur l'union du principe oxygine avec le fer, fait suite à des Considérations générales sur la dissolution des métaux dans les acides publiées la même année dans les Mémoires de l'Académie dans lesquelles il est plus réservé. Dans ces dernières, il désigne clairement son objectif et rensdeigne sur l'avancement de ses recherches: "L'existence du phlogistique n'est nullement prouvée , et on peut se passer de l'admettre pour expliquer tous les phénomènes de la physique et de la chimie. Mais à ce que j'ai à dire à cet égard n'a point encore atteint son point de maturité, et je suis obligé de rendre compte auparavant des recherches que j'ai faites sur les affinités du principe".
 
 4.  Débrouiller le mystère de la réduction des chaux métalliques.   
 Depuis les expériences qui ont abouti à son mémoire de 1775, Lavoisier sait que le phlogistique de Bergman n’existe pas.  Il a montré  par ses expériences sur l’oxyde de mercure per se  que l’air n’est pas un élément fondamental plus ou moins riche en phlogistique, mais un mélange des deux composants (Marie Christine de la  Souchère , La Recherche février 2011 , p. 93)
« La plupart des chaux métalliques ne se réduisent , c'est-à-dire ne reviennent à l’état de métal que par le contact immédiat d’une matière charbonneuse ou d’une substance quelconque qui contienne ce qu’on nomme le phlogistique. Le charbon qu’on emploie se détruit entièrement dans cette opération, lorsque la dose en est bien proportionnée ; d’où il s’en suit que l‘air qui se dégage des réductions métallique par le charbon n’est pas un être simple ; qu’il est en quelque sorte le résultat de la combinaison du fluide dans l’état d’air fixe on est point en droit d’en conclure qu’il existait dans cet état dans la chaux métallique avant sa combinaison avec le charbon. Ces réflexions m’on fait sentir combien il était essentiel pour débrouiller le mystère de la réduction des chaux métalliques de diriger toutes mes expériences sur celles qui sont réductibles sans addition . Les chaux de fer m’offraient cette propriétés, en effet de toutes celles soit naturelles  soit artificielles, que nous avons exposées au foyer de grands verres ardents, soit de M. le Régent, soit de M. Trudaine,  il n’en est aucune qui n’ait été réduite sans addition…(p.123 du document CNRS)
Mais ces expériences n’ont pas pu être menées sur les oxydes de fer qui se réduisent plus difficilement que l’oxyde de mercure.  : « Comme ces difficultés tenaient à la nature même du fer, à la qualité réfractaire de ses chaux, et à la difficulté de les réduire sans addition, je les ai regardées comme insurmontables… » (p. 124 du document CNRS)
(Mémoire sur la nature du principe qui se combine avec les métaux pendant leur calcination et qui en augmente le poids. Mémoire lu à la rentrée publique de Pâques 1775, relu le 8 août 1778)  
Débrouiller le mystère de la réduction des chaux métalliques semble donc essentiel à Lavoisier. Il s’agit de répondre au   succès que rencontre  la théorie du phlogistique auprès des hommes de l’art. Grâce au phlogistique,  « Les pratiques minières  et métallurgiques de réduction des minerais  trouvent une explication lumineuse » (Bensaude-Vincent 1993, 80). Pour retransfor­mer en métal  les chaux de fer, il suffit de les chauffer en présence d'une subs­tance riche en phlogistique, du charbon par exemple : l’opéra­tion est courante dans les fonderies pour extraire les métaux du minerai .
Les réactions des hommes de l’art seront quelquefois très vives : à Berlin, l’effigie de Lavoisier sera brûlé en place publique (De la Souchère 2011, 94).   
 En 1783, Lavoisier discute les opinions de Stahl dans des Réflexions sur le phlogistique, pour servir de suite à la théorie de la combustion et de la calcination, publiée en 1777. (Mémoires de l’Académie des sciences,  1783, p. 505).
Le point le plus difficile à argumenter reste  celui de la réduction des chaux métalliques : ce qui s’expliquait facilement dans le cas de l’oxyde rouge de mercure devient beaucoup plus difficile dans le cas de la chaux de fer qui  qui suivant les conditions dans lesquelles est menée la réduction absorbe plus ou moins de moins de phlogistique et donne de la fonte, de l’acier, ou du fer.
Sans doute le projet d’une recherche approfondie sur les différents états métalliques du fer prend-il corps au cours de cette année  qui est celle de la publication à Paris de l’Analyse du fer de Bergman traduite en français par Grignon.
Participent à la recherche trois académiciens, Vandermonde, Berthollet et Monge.  Parmi ceux-ci Berthollet vient de se rallier  aux idées de Lavoisier. Des expériences de laboratoire  ont confirmé ses doutes  sur la réalité du phlogistique ; il les expose en 1785 dans les conclusions d’un Mémoire  sur l'acide marin déphlogistiqué(Sadoun-Goupil 1977)
 
5.  Né de la la rumeur :  le Mémoire sur le fer de 1786
 Une réponse au phlogisticien Bergman. Les trois académiciens, Vandermonde Berthollet et Monge exposent dans leur Mémoire sur le fer de 1786 une théorie antiphlogistique de la métallurgie du fer Dans leur recherche, ils ne considèrent pas le manganèse dont l'influence sur la couleur de la fonte n'est pas connue à l'époque, mais travaillent sur des échantillons de fontes blanches de Carinthie (riches en manganèse) envoyées de Wolfsberg par Hassenfratz. Pour équilibrer les réactions, ils utilisent les conclusions de   Lavoisier sur la nature de la fonte : la fonte blanche par défaut de réduction contient encore de l'oxygène   
     
 Le Mémoire sur le fer dans ses différents états métalliques est à la fois, une réponse au livre de Bergman  Analyse du fer traduit par Grignon en 1783, et la première théorie antiphlogis-tique de la métallurgie du fer (Truffaut, manganese andsteel, 2011). Ses auteurs sont les académiciens Vandermonde, Berthollet et Monge (VBM dans ce qui suit)  qui comme   Lavoisier  ont senti que  ce domaine de la métallurgie du fer était un solide bastion des phlogisticiens.
Pour VBM, les variétés du fer proviennent des matières étrangères auxquelles le fer est allié. Malgré l'intérêt que présenteraient des recherches sur les propriétés que ces matières, notamment le manganèse,  apportent au fer, ils veulent dans une première démarche considérer le fer dans son état de pureté, c'est ­à-dire privé de toutes les substances métalliques étrangères.
Le premier résultat d'une telle démarche conduit à tester des échantillons de fonte de fer sans savoir si celle-ci contient ou non du manganèse puisque cette démarche retient  à priori  que la fonte n'est blanche que par défaut de combustible.
Mais VBM se trompent dans leur définition de la fonte blanche :"La fonte blanche est brillante dans sa cassure et cristallisée en larges facettes ; elle est plus dure & plus fragile que les autres"
(Mémoire sur le fer de 1786, p 134). Leur définition est celle d'une fonte blanche riche en  manganèse!
VBM se trompe également quand ils écrivent que le charbon est la seule cause de la couleur de la fonte. "Si dans la fusion de la mine on emploie le moins de charbon qu'il est possible, la fonte est blanche ; elle devient grise lorsque dans la charge du fourneau on a suffisamment augmenté les doses de charbon…" (Mémoire sur le fer de 1786, p. 135)
Ils se trompent encore quand ils disent  que la réduction des fontes blanches a été moins avancée que celle des fontes grises (et donc qu'elles contiennent encore de l'oxygène).
"Les fontes blanches dégagent généralement moins d'air inflammable que les fontes grises…La fonte grise que l'on obtient en forçant les doses de charbon dans la charge du fourneau & en augmentant le vent des soufflets, la réduction est plus avancée qu'elle ne l'est dans la fonte blanche pour laquelle la température dans le fourneau a été moins élevée et la quantité de charbon réducteur moins grande…"(Mémoire sur le fer de 1786, p. 168): une opinion confortée par les informations d' Hassenfratz de retour de Wolfsberg.
Par contre ils ont raison d'écrire que le dégagement de gaz inflammable augmente quand la teneur en  carbone  augmente et donc que la teneur en fer diminue: "Nous sommes donc en état  d'expli-quer  pourquoi l'acier à poids égal donne un volume moindre d'air inflammable que le fer doux par sa dissolution dans l'acide vitriolique. 1°. Puisqu'il contient du charbon qui n'est point dans le fer, il s'en suit qu'à poids égal il contient moins de matière métallique …"  (Mémoire sur le fer de 1786, p. 170).
Si leurs premiers postulats sont faux, leur dernière observation est juste,. Pourquoi alors ne pas l'appliquer à la fonte blanche par défaut de réduction et présence d'oxygène dans la fonte plutôt qu'une augmentation (réelle)  de la teneur en carbone ?
Faute de pouvoir contrôler la teneur en carbone des échantillons de fontes dont ils disposent, parce qu'à l'attaque acide ces échantillons ne laissent pas de résidu noir au contraire des fontes grises (Mémoire sur le fer de 1786, p. 176 ),  ils remplacent  le carbone  manquant par un composant autre que le fer : ce composant sera  l'éthiops martial  résultant d'un défaut de réduction du minerai de fer. La lecture de Lavoisier achèvera de les convaincre
"L'éthiops martial obtenu par Mrs Lavoisier et Meunier en calcinant du fer au moyen de la vapeur d'eau, est évidemment un état du fer, moyen entre la fonte blanche et la chaux"
(Mémoire sur le fer  de 1786, p. 184)                 
VBM concluent donc faussement  que:
La fonte est un régule dont la réduction n'est pas complète:
"Le fer coulé (la fonte)  doit être considéré comme un régule dont la réduction n'est pas complète et qui retient par conséquent une portion de la base de l'air phlogistiqué à laquelle il était uni dans
la mine sous la forme de chaux…nous regardons cette variation comme une première cause des différences que l'on observe obtenues de la même mine" (Mémoire sur le fer  de 1786, p.155),
Et qu'il y a deux causes de variétés dans les fontes:
"La première est la quantité de gaz déphlogistiqué qui reste unie au métal & qui dépend du degré auquel la réduction a été portée dans le fourneau . Moins il reste d'air déphlogistiqué plus la fonte approche de la nature du fer doux. C'est la base de l'air déphlogistiqué qui rend la fonte blanche fusible qui lui donne de la fragilité et qui lui communique la dureté en vertu de laquelle, elle est intraitable à l'outil. La seconde cause de variétés est la quantité de charbon que la fonte a pu absorber dans le haut fourneau". (Mémoire sur le fer de 1786, page 175).
En 1786, initié par les informations rapportées par Hassenfratz de la  petite ville de Carinthie, le malentendu de Wolfsberg est dès alors bien établi.
   
 .5.1.  Lavoisier a-t-il contribué au Mémoire sur le fer de 1786 ?   
  Lavoisier ne contribue pas directement à la rédaction du Mémoire sur le fer de 1786. Il continue ses recherches qui remettent rapidement en cause son opinion sur la composition de la fonte                                                               
Lavoisier ne signe pas le Mémoire sur le fer. Sans doute VBM et lui se sont-ils répartis les tâches? Lui-même est fort occupé à l'époque par la rédaction de son monumental Traité de Chimie élémentaire (700 pages) qui sera publié en 1789. Mais il continue ses recherches dont les résultats donneront lieu à la rédaction de deux mémoires dont les conclusions auraient pu amener les des rédacteurs du Mémoire sur le fer  à modifier leurs conclusions  :
   
- en 1783 : Sur l'action du feu animé par l'air vital sur les substances minérales les plus réfractaires. Lavoisier décrit dans ce mémoire  entre autres expériences, la réduction de minerais de fer plus ou moins manganèsiféres donnant dans le premier cas un nodule de fer carburé, dans le second cas un carbure mixte de fer et manganèse que la calcination transforme en oxyde noir s'il est très riche en manganèse. Cette expérience lui  montre que la séparation du fer et du manganèse n'est pas possible et que le régule produit contient un carbure mixte qu'il ne réussit pas  pas à identifier.
Lavoisier ne signe pas le Mémoire sur le fer. Sans doute VBM et lui se sont-ils répartis les tâches ? Lui-même est  fort occupé à l’époque par la rédaction de son monumental  Traité de Chimie élémentaire  (700 pages)  qui sera publié en 1789. Mais il continue ses  recherches dont  les résultats donneront lieu à la rédaction de deux mémoi-res sont les conclusions auraient pu être essentielles pour les rédacteurs du Mémoire sur le fer.
   
- en 1784-1785: Observations sur la combustion du fer, pour servir de supplément au mémoire publié en 1782, sur la combinaison du fer avec le principe oxygine. Dans ce mémoire, Lavoisier
rend compte d'une expérience de  calcination de limaille provenant de fer doux du commerce par l'oxygène libéré par l'oxyde rouge de mercure qui  transforme le fer de la limaille en ethiops en même temps que se dégage une petite quantité de gaz carbonique. La réaction est brutale. L'expé-rience  demande une grande adresse de l'expérimentateur, et  doit  être modifiée  dans le cas où une analyse de l'atmosphère résultante est recherchée.  
L'expérience permet à Lavoisier de constater la présence de matières charbonneuses dans le fer et plus encore dans l'acier. Au contraire de la combustion humide, la combustion sèche de la fonte montrerait que cette dernière est  composée de fer et de matières charbonneuses, plus ou moins de ces matières charbonneuse suivant que la fonte est, blanche par ce qu'elle contient du manganèse, grise, ou blanche par manque de combustible lors de son élaboration. 
  
Le premier de ces deux mémoires était sûrement connu en 1786 de VBM. Pourquoi écrire alors, qu'ils n'y considèrent pas le manganèse parce que "contraire à leur objet"! L'expérience de Lavoisier en 1784-85 remet en cause les conclusions de son mémoire de 1783 : à la sa sortie du haut fourneau la fonte ne contient pas d'oxygène. Publié tardivement par Lavoisier (Annales de Chimie 1789), le manuscrit peut ne pas avoir été connu de VBM.
 

 

5.2. Les apports de la mission en Autriche au Mémoire sur le fer :
       Echantillons de fontes blanches et marche des hauts fourneaux
 
Les fontes grises examinées par VBM proviennent de 4 régions différentes :  Nièvre (Guerigny), Pays de Liège (Couvin et la Platinerie) , et Bourgogne (Montcenis) ; les fontes blanches provien-nent de deux provinces autrichiennes : Styrie (Eisenertz),  Carinthie (Hüttenberg et Wolfsberg) , une fonte (très blanche) est de provenance inconnue La présence parmi les fontes  autrichiennes, d'une fonte de Wolfsberg  renseigne sur le nom de l'expéditeur: Hassenfratz qui a passé l'hiver 1783 à Wolfsberg  (Grison 1996. 49).

Cet échantillonnage  de fontes pose un problème de représentativité au moins géographique : toutes les fontes blanches proviennent d'Autriche, de régions où l'Administration des Mines a envoyé une mission à fin de recueillir des informations sur l'acier d'Allemagne.

Les académiciens qui ont pu lire le compte-rendu de la  mission et examiner les échantillons, écartent de façon assez étonnante de leur recherche l'acier naturel, parce que, disent-ils , ils ont ont préféré un autre ordre des travaux sur le fer :

"Dans quelques endroits de la France et en Allemagne, on retire immédiatement l'acier de la fonte par un affinage particulier et sans le faire passer auparavant à l'état de fer forgé … On l'appelle alors acier naturel tandis que celui qui résulte de l'opération que nous avons décrite se nomme acier de cémentation. Nous avons préféré la suite des travaux au moyen desquels le fer passe, d'une manière plus marquée, par les quatre états dans lesquels nous voulons le considérer, et dans la description que nous avons donné, nous n'avons eu intention que de faire sentir les opérations nécessaires pour le faire passer d'un état à l'autre" (VBM, 1786, 145).     

L'explication est à trouver dans leur façon de considérer  la fonte blanche, matière première dédiée de cet acier naturel: la teneur de carbone que l'acier doit contenir est plus élevée que celle de la fonte blanche
"Pour ce qui est de la matière charbonneuse, l'acier n'a aucune relation  avec la fonte parce que la quantité de charbon qu'il doit contenir pour être employé dans les Arts est plus grande que celle qui se trouve dans la plupart des fontes blanches & moindre que celle de certaines fontes grises" (Mémoire sur le fer, p. 156).
 
Il semble donc que la mission envoyée en Autriche par l'Administration des Mines n'ait pas envoyée en France toutes les analyses attendues ou espérées. Le rapport final ayant été perdu, la .Sidérotechnie parue trente ans plus tard aurait pu renseigner. Mais on y lit par exemple que  la fonte à cassure blanche et lamelleuse  contient un excès d'oxygène.que le peu de carbone qu'elle contient est brûlé par l'oxygène et le fer reste pur ou mélangé d'oxydule que pour en faire de l'acier il faut la cémenter, combiner du nouveau carbone  avec le métal pour enlever l'oxygène restant puis le carburer au niveau voulu pour en faire de l'acier..! (la Sidérotechnie, III. § 1069).
En fait, Hassenfratz apparait comme le défenseur attardée d'une théorie dépassée et  l'auteur  d'un véritable réquisitoire contre la contribution du manganèse dans la fabrication de l'acier.
Entre 1805 et 1807, il  avait d'ailleurs pris la tête des gardiens de la doctrine dans un débat sur le minerai de fer spathique.
On peut interpréter  le choix par VBM d'échantillons de fonte blanche d'origine géographique commune, Carinthie et  Styrie, comme le choix de fontes produites par des hauts fourneaux  habituellement réglés en allure froide. Encore fallait-il démontrer que dans ces régions, les hauts fourneaux étaient habituellement réglés en allure froide. C'est ce que fera Hassenfratz dans la Sidérotechnie; en défendant la théorie officielle il rendra un grand service à la brève histoire de la fonte blanche lamelleuse en donnant des indications précises sur les hauts fourneaux de Carinthie produisant ce genre de fonte en 1783.
 Le tableau en annexe donne la quantité de charbon de bois nécessaire à la fabrication d'une tonne de fonte dans huit usines autrichiennes selon Hassenfratz (La Sidérotechnie 1812) qui les a probablement  notées lors de son séjour à Wolfsberg en 1783 et transmises à Paris.
Pour comparaison, le tableau  donne également la quantité de charbon de bois (ou de coke) nécessaire à la fabrication d'une tonne de fonte relevées entre 1778 et 1874 dans dix-huit usines européennes. On voit que  la consommation de coke nécessaire à la fabrication de la fonte blanche autrichienne est significativement plus faible que celle nécessaire à la fabrication de la fonte grise européenne.  VBM en déduiront que la fonte blanche autrichienne étant plus froide que la fonte grise souffre donc d'un défaut de réduction et contient donc plus d'oxygène.
Les maîtres de forges autrichiens ont quant à eux observés depuis longtemps que le coût de fabri-cation  de l'acier d'Allemagne est sensiblement inférieur à celui de l'acier produit ailleurs en Europe à partir de fonte grise (le coût d'affinage est pratiquement le même dans les deux cas; une opération de cémentation ultérieure l'augmente encore). 

 

6. Conclusion.

 

La mission de l'Administration des mines avait échoué: la fonte de fer blanche dédiée à la fabrication de l'acier naturel contenait donc de l'oxygène. Il fallait selon VBM affiner la fonte grise en fer forgé et transformer ce dernier en acier par cémentation

En l'an Il de la Révolution, le malentendu de Wolfsberg est  bien établi. A la demande du Comité de Salut Public, Vandermonde, Monge et Berthollet rédigent un Avis aux ouvriers en fer sur /e fabrication de l'acier reprenant les conclusions de leur rapport de 1786. La même année, Monge publie  l'Art de fabriquer les canons dans lequel il cherche  à expliquer  le fonctionnement du haut fourneau par la théorie de la présence d'oxygéne dans la fonte, et à justifier le refus de considérer l'acier naturel autrichien obtenu par affinage d'une fonte  contenant encore de l'oxygène (Monge 1792, 39).

 

Jusqu'en 1812 et la Sidérotechnie, Hassenfratz, dans un regrettable entêtement, continuera à défendre la théorie de la présence d'oxygène dans la fonte, contre les contestataires qu'il dénigrera au besoin, avec l'appui  de l'Institut.

 

Mais les hommes de l'art contesteront dès le début du XIXéme siècle, la présence d'oxygéne dans la fonte; parmi eux  Georges Dufaud, maître de forges dans le Nivernais, élève de la première promotion de l'Ecole Polytechnique  avait remis en  cause dès  1806 la doctrine officielle (Truffaut 2000, 219-247):

"Convaincu par de nombreuses expériences que l'opinion de Monge, Berthollet et Vandennonde, sur l'affinage de la fonte, n'était pas exacte, il eut des discussions suivies avecle premier, qu'il réussit à convaincre. Ces savants célèbres prétendaient que la fonte était un métal imparfait com-biné avec une grande partie d'oxygène, ce qui, pour son affinage, c'est-à-dire pour son passage à l'état de fer malléable, rendait nécessaire son contact avec le charbon à l'état rouge. Pour lui, il disait, dans un mémoire imprimé en 1806, « que la fonte était du fer, plus du charbon et des terres de gangue imparfaitement vitrifiées et alors restant encore combinées avec le fer; que le contact de la fonte avec le charbon, à l'état rouge, n'était pas indispensable à son affinage, que le calorique suffisait pour débarrasser la fonte du charbon et des terres qui s'opposaient au rapprochement des molécules de fer qui en formaient la base" (Saglio 1893)

 

La théorie de la présence d'oxygène dans la fonte survivra au-delà de la Sidérotechnie.

Ce n'est que dans les années 1830 que l'on distinguera les fontes blanches par défaut de combustible de celles contenant du manganèse, et dans la fonte elle-même, le carbone libre du carbone combiné.

 

Annexe

 

Fabrication de fonte aux XVIII et XIXème siècles. Consommation de combustible

Parties de charbon de bois ou de coke consommées pour 100 parties de fonte

 

Usine

Pays

Parties de chabron

Référence

Fonte au bois

 

 

 

 

 

Treybach

Carinthie

123

Hassenfratz 1812

 

W8 de Marcher

Carinthie

95

Hassenfratz 1812

 

Eisenartz

Styrie

185

Hassenfratz 1812

 

Mossing          

Carinthie

150

Hassenfratz 1812

 

W 6 de Marcher

Carinthie

106

Hassenfratz 1812

 

Vordenberg

Styrie

107

Hassenfratz 1812

 

W2 de Marcher

Carinthie

130

Hassenfratz 1812

 

Neuberg          

Styrie

221

Hassenfratz 1812

 

Boigues Nièvre

France

190

Leducq 1834

 

Le Creusot (coke)

France

200

Leducq 1834

 

Saint Etienne (coke)

France

300

Leducq 1834

 

Charbon de bois

 

 

 

 

Müsen (1845)

Siegen

112

Houpeurt 1845

 

 

Styrie &

Carinthie

71                     

Gautier 1874

 

 

Norvège

143                   

Gautier 1874

 

 

Suède

121

Gautier 1874

Fonte au coke

 

 

 

 

 

 

Silésie

275

Gautier 1874

 

 

Belgique

238

Gautier 1874

 

 

France

239

Gautier 1874

 

 

Cleveland

 

Gautier 1874

 

 

Stattfordshire

302

Gautier 1874

 

 

Dowlais

148

Gautier 1874

Fonte au bois

 

 

 

 

 

 

Allevard (1778)

268

Benoît 1990

 

 

Allevard(1795)

272

Benoît 1990

 

 

Allevard(1813)

199

Benoît 1990

 

 

Allevard(1830)

102-111 

Benoît 1990

 

 

Edmond Truffaut Avril 2012 (revu octobre 2012)

 

 
   
   
 
     
   
 
      
  
 
 

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Published by Edmondtruffaut
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