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2 mai 2014 5 02 /05 /mai /2014 17:17
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27 avril 2014 7 27 /04 /avril /2014 00:54
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30 juin 2013 7 30 /06 /juin /2013 02:05

 

Histoire d'un fer qui était acier :

le Ferrum Noricum  

 

 

 

C'est au début des années 1770 que les chimistes suédois découvrent la nature métallique du de la magnesia nigra, du manganèse,  considéré jusqu'alors comme une pierre. Depuis plusieurs années alors , les sidérurgistes européens discutent  de savoir si grâce à l'art, on peut faire de l'acier de n'importe quel minerai de fer, ou si au contraire l'emploi d'un minerai de fer spécial, la mine d'acier, est nécessaire.

En 1774, Bergman lit devant l'académie royale de Suède, sa dissertation sur les mines de fer blanches. Ces mines très abondantes dans les zones géographiques de production de l'acier d'Allemagne sont formées de spath ferrugineux, quelque fois altéré (weathered) et alors plus fin et de couleur brunâtre. Il  en écrit notamment "Tous les métallurgistes connaissent l'excellence de l'acier préparé avec le fer retiré des mines de fer blanches. Mais on ne sait sans doute pas que la manganèse qui y est mêlée est la cause de cette supériorité" (Bergman 1774, Dissertation sur les mines de fer blanches, trad. Guyton de Morveau, 236).

Bergman introduit ainsi un élément nouveau dans la discussion des métallurgistes européens qui discuteront dès lors,  de savoir si la présence de manganèse dans un minerai de fer  est nécessaire pour en tirer de l'acier. Il relancera alors une discussion qui perdure encore aujourd'hui chez les archéologues.

 

Après Bergman, et jusque dans  les premières années du  XIXème siècle ,  les opinions des métallurgistes resteront partagées . Les uns plaideront que l'acier ne contient pas de manganèse, les autres expliqueront que lors de l'affinage de la fonte tirée d'une mine d'acier , l'oxygène se combine avec le manganèse qui passe dans le laitier sous forme de manganèse oxydé, tandis que le carbone restant en partie dans le fer, le produit final est de l'acier.  Les  métallurgistes s'accorderont ensuite peu à peu sur le fait que les minerais manganèsiféres facilitent la production d'acier mais sans en apporter l'explication.

De l'annonce de Bergman en 1774 à la disparition de la fonte pour acier  quand apparaîtra le procédé Bessemer, le délai aura été trop court et les moyens d'investigation trop limités pour que les métallurgistes de l'époque puissent expliquer le rôle du manganèse. Après 1856, la fonte blanche lamelleuse dédiée à la fabrication de l'acier naturel  deviendra pour quelques années le spiegeleisen,  alliage de fer-manganèse désoxydant et désulfurant pour le nouvel acier et la question du rôle du manganèse dans la fabrication de l'acier "naturel" perdra tout intérêt

   

Ce sont les recherches de quatre métallurgistes du XIXème (Hassenfratz 1812, Karsten 1823-1838, Stengel 1828-1829) et Grüner 1876) prolongées par les travaux d' archéologues modernes  (Preszlinger 2008, Nau 2008, Fillery- Travis 2013), qui sont à  l'origine des compléments apportés ici à l'hypothèse précédente (Truffaut 2008, 251-271)

 

Parmi les quatre métallurgistes, - Hassenfratz a publié dans la Sidérotechnie, des notes prises au cours d'un voyage métallurgique en 1783 en Carinthie pour y étudier la fabrication de l'acier naturel , - Karsten a rendu compte à partir de 1823  dans de nombreuses publications de ses recherches sur l'élaboration de la fonte blanche lamelleuse et du rôle qu'y joue par le manganèse, - Stengel directeur de forge au Siegerland a livré son expérience  de la fabrication  de la fonte pour acier. - Grüner a été le premier historien de la métallurgie de la Carinthie, des bas fourneaux du IIèmesiècle BC (Cunnlife, 2001, 89) aux hauts fourneaux de la fin du XIXème.

 

Les trois archéologues contemporains ont étudié la structure et l'analyse microscopiques  de laitiers de bas fourneaux de l'Erzberg carinthien (Semlach-Eisner, Knappenberg et Altbergbau) produits entre le 2ème et le 4éme siècle AD (Cech 2008, 89). 

   

1. Les recherches sur le Ferrrum Noricum du XVIIIème et XIXème siècles

 

C'est au début des années 1770 que les chimistes suédois découvrent la nature métallique du manganèse, de la magnesia nigra considérée jusqu'alors comme une pierre. Depuis plusieurs années , les sidérurgistes européens discutent  alors de savoir si grâce à l'art, on peut faire de l'acier de n'importe quel minerai de fer, ou si au contraire l'emploi d'un minerai de fer spécial, la "mine d'acier", est nécessaire.

En 1774, Bergman lit devant l'académie royale de Suède, sa dissertation sur les mines de fer blanches. Ces mines très abondantes dans les zones géographiques de production de l'acier d'Allemagne sont formées de spath ferrugineux, quelque fois altéré (weathered) et alors plus fin et de couleur brunâtre. Il  en écrit notamment "Tous les métallurgistes connaissent l'excellence de l'acier préparé avec le fer retiré des mines de fer blanches. Mais on ne sait sans doute pas que la manganèse qui y est mêlée est la cause de cette supériorité" (Bergman 1774, Dissertation sur les mines de fer blanches, trad. Guyton de Morveau, 236).

Bergman introduit ainsi un élément nouveau dans la discussion des métallurgistes européens qui discuteront dès lors,  de savoir si la présence de manganèse dans un minerai de fer  est nécessaire pour en tirer de l'acier. Il relancera alors une discussion qui perdure encore aujourd'hui chez les archéologues.

 

Après Bergman, et jusque dans  les premières années du  XIXème siècle,  les opinions des métallurgistes resteront partagées. Les uns plaideront que l'acier ne contient pas de manganèse, les autres expliqueront que lors de l'affinage de la fonte tirée d'une mine d'acier, l'oxygène se combine avec le manganèse qui passe dans le laitier sous forme de manganèse oxydé, tandis que le carbone restant en partie dans le fer, le produit final étant de l'acier.  Les  métallurgistes s'accorderont ensuite peu à peu sur le fait que les minerais manganèsiféres facilitent la production d'acier mais sans en apporter l'explication.

De l'annonce de Bergman en 1774 à la disparition de la fonte pour acier  quand apparaîtra le procédé Bessemer, le délai aura été trop court et les moyens d'investigation trop limités pour que les métallurgistes de l'époque puissent expliquer le rôle du manganèse. Après 1856, la fonte blanche lamelleuse dédiée à la fabrication de l'acier naturel  deviendra pour quelques années le spiegeleisen,  alliage de fer-manganèse désoxydant et désulfurant pour le nouvel acier et la question du rôle du manganèse dans la fabrication de l'acier "naturel" perdra tout intérêt

 

Ce sont les recherches de quatre métallurgistes du XIXème (Hassenfratz 1812, Karsten 1823-1838, Stengel 1828-1829) et Grüner 1876) prolongées par les travaux d' archéologues modernes  (Preszlinger 2008, Nau 2008, Fillery- Travis 2013), qui sont à  l'origine des compléments apportés ici à une précédente hypothèse (Truffaut 2008, 251-271).

 

Parmi les quatre métallurgistes, - Hassenfratz a publié dans la Sidérotechnie, les notes prises au cours d'un voyage métallurgique en 1783 en Carinthie pour y étudier la fabrication de l'acier naturel , - Karsten a rendu compte à partir de 1823  dans de nombreuses publications de ses recherches sur l'élaboration de la fonte blanche lamelleuse et du rôle qu'y joue le manganèse, - Stengel directeur de forge au Siegerland a livré son expérience  de la fabrication  de la fonte pour acier. - Grüner a été le premier historien de la métallurgie en Carinthie

Les trois archéologues contemporains ont étudié la structure et l'analyse microscopiques  de laitiers de bas fourneaux de l'Erzberg carinthien (Semlach-Eisner, Knappenberg et Altbergbau) produits entre le 2ème et le 4éme siècle AD (Cech 2008,89)

1.  Les recherches des métallurgistes du XIXème siècle.

 

Hassenfratz est envoyé en 1783 par l'Administration Royale des mines française pour se renseigner sur la fabrication de la fonte pour acier naturel en Carinthie où il séjourne plusieurs mois.  De Hüttenberg à Wolfsberg, il  voit fabriquer  au haut fourneau la fonte blanche lamelleuse à partir des minerais locaux, prend de nombreuses notes qui correspondent  assez fidèlement  aux recommandations que donnera  Stengel en 1828.

 Mais Hassenfratz  se refuse à voir le manganèse jouer un rôle dans la fabrication de l'acier naturel d'Allemagne  et conclut trente ans plus tard que la fabrication de la fonte lamelleuse en Carinthie est encore "enveloppée de nuages que nous ne pouvons encore dissiper"  (Sidérotechnie 1812, I, §128).

Effectivement,  s'il semble avoir conservé de son voyage en Carinthie trente ans plutôt la description de nombreux hauts fourneaux produisant la fameuse fonte blanche lamelleuse,   il semble à lire en 1812,  la Sidérotechnie qu'il n'ait gardé trace aucune des analyses de laitiers que son ordre de mission lui demandait.  Après quelques pages  très théoriques sur la constitution des laitiers, il présente  un Tableau des analyses de vingt variètès de scories (Sidérotechnie 1812, II, §418).  Parmi celles-ci  quatre analyses de scories de hauts fourneaux carinthiens tirées du Registre du Conseil des Mines, attribuant aux scories carinthiennes .deux analyses sur les quatre fournies faussement attribuées, en tout cas incapables, pour reprendre  son expression de dissiper les nuages  enveloppant la fabrication de la fonte blanche lamelleuse.

 

Karsten visite la Carinthie en 1821et l'Erzberg de Hüttenberg. Il note qu'à Knappenberg, les dépôts d'anciens laitiers au sommet de la montagne, sur des sites rassemblants des petits fours à cuve à soufflage induit, démontrent l'ancienneté de l'extraction minière et la fusibilité du minerai  (Karsten1821, 312).

Les année suivantes, avec la collaboration  de  Stengel,  directeur de la forge de Hamm au Siegerland, il étudie la fabrication de la fonte blanche lamelleuse au haut fourneau . Karsten et Stengel publient leurs travaux  dans  deux mémoires  respectifs, Karsten en 1827: Influence de la température sur les propriétés des produits obtenus des minerais de fer fondus dans un haut-fourneau (Karsten, Annales des Mines1827), et Stengel en 1828:  De la formation de la fonte blanche  lamelleuse propre à la fabrication de l'acier (Stengel, Annales des Mines, 1828).

Leurs apports majeurs à l'étude de la fonte blanche lamelleuse  concernent :  - le mécanisme de sa formation  - sa teneur en carbone entièrement combiné au fer et au manganèse sous forme de carbures,  - le rôle du manganèse en partie réduit à basse température (<1200°C) sous forme de carbure, et pour la partie non réduite agissant comme puissant fluidifiant du laitier, - l'essai de Stengel montrant que sur charge pour fonte blanche lamelleuse très alourdie, le haut fourneau produit du fer doux et malléable et passe donc de la réduction indirecte à la réduction directe.

Les recherches de Karsten et Stengel sur la fabrication de la fonte blanche lamelleuse,  ont permis l'élaboration du spiegeleisen qui comme alliage  désoxydant et désulfurant a joué un rôle essentiel dans le premier développement du procédé Bessemer. Sa production, surtout en Prusse rhénane, passera de 21000 tonnes/an en 1840  à 211000 tonnes en 1865 (Revue Maritime et Coloniale 1869, 7) ;   mais, remplacé rapidement  par le ferromanganèse après 1875, sa durée de vie comme produit fût très courte. 

Les  publications de Karsten et Stengel ne nous sont connues que par leurs traductions françaises dans les Annales des Mines; elles mériteraient une relecture dans la langue originale. Les traductions  françaises de descriptions techniques et scientifiques  du procédé de fabrication de la fonte blanche lamelleuse sont en effet,  souvent difficiles à comprendre.

 

Louis-Emmanuel Grüner visite la Styrie et la Carinthie en 1876. Il bénéficie des appuis du Hofrät Tunner et de l'université de Leoben . Il visite le secteur de Hüttenberg dont il classe l'Erzberg avec le Styrien en tête des régions européennes pour la qualité et la quantité de minerai ; il en décrit l'histoire, - de la multitude de petits propriétaires du Moyen Age ouvrant  chacun une galerie pour en tirer quelques centaines de tonnes de minerai qu'ils allaient fondre, dans les vallées voisines,  - aux hauts fourneaux de1800 qui produisent 3 à 4 tonnes par jour de fonte blanche lamelleuse en consommant 1000 k/t de charbon de bois,  - et enfin, le développement  de la sidérurgie après la découverte du procédé Bessemer (Grüner Annales des Mines,1876)

 

 

2. Les travaux des archéologues contemporains.

 

Les archéologues contemporains: Prezlinger,  Nau et Fillery-Travis, proposent chacun leur interprétation du procédé de réduction directe à Semlach-Eisner,  Knappenberg et Altbergbau sans faire intervenir directement le manganèse, et surtout en contradiction avec la réputation de grande fusibilité attachée par Karsten et Stengel au minerai  pour fonte blanche lamelleuse : à Semlach-Eisner,  les mesures de Preszlinger montrent qu'il faut atteindre 1500°C pour que le laitier soit complètement fondu et à Knappenberg,  le laitier ne coule pas.

Le tableau 1 rassemble les données des auteurs sur les laitiers respectifs, analyse moyenne  du laitier L, et  analyses des trois phases observées sur lame mince ; olivine  Φo, vitreuse Φv, et wustite Φw. D'un site à l'autre, une certaine similitude   de composition existe entre ces trois phases .

Toutefois, le laitier  de Knappenberg qui n'a pas coulé soit par manque de fluidité , soit parce formé  en trop faible  quantité (Nau 2008, 277) , diffère sensiblement des laitiers  des deux autres sites et son analyse n'est pas cohérente avec celles  données par l'auteur  pour ses  deux phases olivine et vitreuse. On le recalcule sur la base de ces deux phases et  d'une analyse de sa  phase wüstite estimée à partit de celle de Semlach-Eisner.  Les valeurs corrigées de ses teneurs (SiO2 17%, FeO 60%, MnO 5%, K20 1%) semblent alors plus cohérentes avec celles de Semlach-Eisner et Altbergbau, renforçant ainsi  l'idée de similitude des procédés mis en œuvre sur les trois sites. 

L'analyse de phase présentée par Preszlinger pour le laitier de Semlach Eisner est la plus riche par les questions qu'elle  soulève : -importance (25% en surface)  et point de fusion élevé (1375- 1400°C)  de la phase wüstite,  -présence dans cette phase d'ions Fe+3 évoquant la présence de minerai cru non réduit, -concentration de K20 dans la phase vitreuse et point de fusion élevé de cette phase , situations relatives sur diagramme des trois phases et du laitier global…). Une réponse à ces questions  permettrait peut être  à des spécialistes  une nouvelle approche  du  procédé de fabrication. 

 

Une thèse récente traite  l'application de  l'étude des phases des laitiers aux études de provenance et à la distinction des procédés. Mais si cette thèse mentionne MnO elle n'étudie pas particulièrementles laitiers riches en MnO et K20 qui nous intéressent ici.  (Desaulty 2008, 36 tableau 5)  .MnO y est classé parmi les composants passant dans la scorie  en réduction directe, bien que "de très faibles quantités pourraient être réduites, notamment  sous la forme d’un carbure mixte de manganèse et de fer … " ([Dillmann 1998). En réduction indirecte,  MnO est classé comme composé partiellement réduit en fonction des conditions locales dans le fourneau (formation de sulfure de manganèse)…

 

Le tableau 1 reprend les résultats obtenus par les archéologues sur les trois sites. Ildonne également une estimation  des  points de fusion des laitiers  sur diagramme ternaire SiO2/(FeO+MnO+K20)/(Al2O3 + divers)  et rappelle les résultats de mesure et observations  des archéologues.

 

Tableau n°1

Ferrum-Noricum-11.jpg 

 

Le niveau élevé des points de fusion des laitiers  mesurés ou constatés sur les deux premiers sites  suppose des températures impossibles sinon très difficiles à atteindre au bas fourneau hors de la zone de combustion elle même. Ces températures élevées remettent-elles en cause les  appréciations de Karsten et Stengel  sur la fluidité des laitiers produits lors de l'élaboration au haut fourneau  de la fonte blanche lamelleuse ?

Cette contradiction n'est pas explicitement relevée dans notre première analyse de la fabrication  du Ferrum Noricum : Ferrum Noricum am Hüttenberger Erzberg: Besonderes erz oder besonderes Know-How? (Truffaut 2008, 251 ).

Le présent article se propose donc de  compléter cette première analyse. 

 

 

3. Le procédé d'élaboration du Ferrum Noricum.

 

Appliqués au cas de Semlach-Eisner, les résultats de recherches de  Karsten et Stengel, sur l'élaboration de  la fonte blanche lamelleuse, permettent d'améliorer l'hypothèse présentée en 2008 .

Rappelons que cette première  hypothèse repose dans un premier temps sur la formation au bas fourneau d'une fonte contenant à la fois  carbure de fer et carbure de manganèse, et dans un deuxième temps sur la transformation de cette fonte en acier par oxydation complète du carbure de manganèse et partielle  du carbure de fer.  

 

3.1. Le minerai de fer dédié .

           

Le minerai utilisé pour produire le Ferrum Noricum  est la forme altérée  (weathered) du  minerai spathique manganèsifére : sous la dénomination de  "mine d'acier", ce minerai a été utilisé  au XVIIIèmesiècle  et la première moitié du XIXèmepour produire la fonte blanche lamelleuse destinée à l'affinage en acier naturel. Dans la deuxième moitié du XIXème, avec un procédé légérement modifié, il est devenu le  Spiegeleisen, alliage de fer et de manganèse utilisé en fin de conversion Bessemer  pour désoxyder et désulfurer l'acier brut.

 

         C'est un minerai très pur en soufre et phosphore dans lequel  la somme FeO+MnO+SiO2 représente  en poids 90% ou plus du total.  Sur le diagramme ternaire SiO2/MnO/FeO (figure 2) sont situées les analyses de minerais spathiques manganèsiféres de différentes provenances signalées par Bergman dès 1774 (Guyton de Morveau 1785) :  Siegerland, Styrie, Carinthie, Thuringe, Alpes Souabes, Alpes Lombardes,  Alpes Françaises, Pyrénées.

Si la teneur du minerai en silice était inférieure à 20% environ , l'ajout d'un fondant siliceux  était  nécessaire.

     

Figure 2. Diagramme ternaire SiO2/FeO/MnO.

Analyses des principaux minerais de fer spathiques manganèsifères d'Europe,

dont  ceux de  Semlach-Eisner, Knappenberg, Altbergbau et Lohe).

  Ferrum-Noricum-2.jpg

 

3.2. Choix du diagramme ternaire adapté à la recherche

 

La figure 2 présente  sur le diagramme ternaire SiO2/FeO/MnO en un nuage elliptique des  points  représentatifs  des principaux  minerais spathiques manganèsifères parmi lesquels  les minerais traités au bas fourneau à Semlach-Eisner, Knappenberg, et Altbergbau .  

 S'il permet, de distinguer les minerais de fer spathiques manganèsiféres des autres minerais de fer,  le diagramme ternaire SiO2/FeO/MnO  n'explique pas pourquoi ces minerais sont particulièrement dédiés à la fabrication de la fonte blanche lamelleuse et ni  d'étudier leur comportement au bas fourneau de réduction directe.

 

Le transfert de la zone de dispersion des minerais  sur un diagramme ternaire élargi à tous les composants du minerai susceptibles de jouer un rôle dans le traitement au haut fourneau ou au bas fourneau des minerais de fer spathiques manganèsiféres, s'impose donc.

Comme un tel diagramme n'est pas disponible, nous utiliserons  le diagramme ternaire SiO2/FeO/Al2O3. élargi au système  SiO2/(FeO+MnO +K20)/(Al2O3 et autres éléments: CaO, MgO, TiO2, P205, …).Un tel système a  été utilisé  par l'archéologue Dietrich Horstmann pour étudier la production de fonte au Floszofen à l'époque médiévale  dans le Sauerland de la Mark.,( EAZ. Ethnogr. Archaol. Z 37, 1996, s 309-324).

 

       

Figure 3.

Diagramme ternaire SiO2/(FeO+MnO)/(CaO+MgO+Al2O3+TiO2+K20+P205+S)

d'après  Dietrich Horstmann

       Ferrum Noricum 3

   

Association de K20 aux autres éléments fluidifiants du laitiers  FeO et MnO

Mais  nous utiliserons ce diagramme  en associant K20 à FeO et MnO.

K20 joue un  rôle important en  fluidifiant les laitiers riches en silice  aux températures infé-rieures  à 1200°C, obtenus par réduction indirecte du minerai spathique manganèsifére au Floszofen et au haut fourneau.

Au bas fourneau, la fluidication du laitier est assurée par FeO et MnO qui n'y sont que par-tiellement réduit.

Au Floszofen, la réduction indirecte permet la réduction quasiment complète de FeO, la  réduction de MnO restant partielle.  La fluidication du laitier est assurée par MnO non réduit. Au haut fourneau en allure de fonte blanche lamelleuse, la teneur en SiO2 du laitier augmente  au-delà de 50%, tandis que la teneur du laitier en MnO diminue.  K2O intervient alors pour assurer la fluidification en formant avec SiO2 et MnO un silicate complexe proche de la Leucite 4 SiO2.SiO2.MnO qui  fond à 772° C (Mrazova, 2009, 227).

 

K20 détermine ainsi dans le diagramme ternaire  une zone de fusibilité  du couple SiO2-MnO inférieure à 1200°C lorsque la teneur en SiO2 est égale ou dépasse 50% (figure 3: zone limitée en bleu).

Malgré ce qu'en disait  Karsten qui jugeait la potasse sans intérêt pour sa recherche (Karsten 1827, 220), la présence de K20 est d'une grande importance pour la fabrication de la fonte lamelleuse au Floszofen et au haut fourneau

 

Figure 4    Diagramme SiO2/K20/Al203. Zone de fusibilité <1200°C (limite bleue)

 

      Ferrum-Noricum-4.png

MnO détermine de la même façon une zone de fusibilité du laitier <1200°C (limite rouge sur le diagramme SiO2/MnO/Al2O3), à mesure de la réduction de FeO lors du passage de la réduction directe à la réduction indirecte

 

 

Figure 5

Diagramme SiO2/MnO/Al2O3. Zone de fusibilité <1200°C (limite rouge)

  Ferrum-Noricum-5.png

 

 

FeO. La teneur en MnO du laitier de bas fourneau est le plus souvent inférieure  à 1%;  FeO est alors  l'agent fluidificateur du laitier. "Bulk chemical analysis slags usually shows that the iron content  in particular, that of iron  (II) oxide (FeO) ranges from 40 to 70%(with more than 50% being considered as high)…(Pleiner 2000, 252)

 

 

Figure 6. Diagramme SiO2/FeO/Al2O3 (d'après Serneels  1993, 17)

 

Ferrum-Noricum-6.png 

 

Contamination du laitier: effet de paroi. 

Serneels explique que parmi les constituants principaux d'un minerai SiO2 et Al2O3 restant constants,  les laitiers résultants de leur réduction devraient sauf  "contamination" présenter un rapport SiO2/Al203 constant (Serneels 1993, 17). 

Dans le cas présent, une contamination  par fusion des éléments siliceux de la paroi est  inévitable puisque le minerai utilisé  contient de l'oxyde de manganèse; il en résulte une évolution  du rapport SiO2/Al2O3 du minerai au laitier . A Semlach-Eisner où les fours étaient construits en argile mélangée  de quartz (Cech 2008, 71),  le rapport SiO2/Al203 évolue de 16 pour le minerai à 8 environ pour le laitier final, traduisant ainsi un enrichis-sement en silice. C'est aussi le cas pour les minerais de  Knappenberg et  Altbergbau. 

La présence de K20 dans le laitier explique également la facile contamination du laitier par le quartz  fourni par la paroi.

Il faut compter aussi sur l'ajout volontaire de quartz à la charge pratiqué dès la Tène finale: les forgerons de Hüttenberg  fabriquait le Ferrum Noricum dans un simple trou creusé dans le sol à partir d'un mélange de minerai et de quartz préalablement grillé  (Grüner 1876, 520-521). Dans ces conditions l'incorporation du quartz au laitier  devait être progressive.

       

 

Fluidité du laitier et nature de la production, guidesdes fondeurs

 Du premier âge du Fer au Moyen age, fluidité du laitier et production métallique (quantité et qualité) ont guidé le fondeur au bas fourneau  qui ignorait tout du manganèse et de la potasse que pouvait contenir le minerai de fer utilisé 

Situés sur le diagramme SiO2/(FeO+MnO+K20)/(Al203+ divers), les laitiers de minerais manganèsifères  sont toujours très fusibles qu'il s'agisse de "laitier primaire"  de bas fourneau (voir supra), de  laitier  de Floszofen ou  de laitier de haut fourneau .  

La composition du minerai de fer spathique manganèsifére  permet le passage d'une zone de fusibilité à l'autre (FeO, MnO, K20) et ainsi le passage continu d'un mode de réduction à l'autre.

La fluidité du laitier a été pour le fondeur  le premier  guide et le plus important ; un moment est venu où leur savoir faire  augmentant, les fondeurs ont  privilégié  la nature de la production métallique à la fluidité des produits.

Au Moyen Age, un  simple agrandissement du fourneau  avec augmentation du débit d'air soufflé a permis au Sauerland de la Mark le passage direct du Rennofen  au Floszofen, en évitant l'étape Stückofen (Truffaut 2012), le manganèse se révélant alors indispensable pour fluidifier le laitier (Knau  1998, 155, figure 8).

Au XIXème siècle,  Karsten rapporte le cas du Floszofen des Forges du Henneberg aisément transformé  en  Stückofen pour produire dsirectement des masses solides de fer malléable en évitant l'affinage, au prix d'une diminution de fluidité du laitier qui fondait  à 1350°C environ  (Karsten 1827, 485-486). A un fonctionnement en Stückofen correspon-dait une diminution de fluidité du laitier.

   

3.2. Le comportement du minerai de fer spathique au bas fourneau

       Comparaison avec le traitement au haut fourneau

 

Hétérogénéité du minerai de Semlach Eisner

Le minerai limonitique, forme altérée de la sidérite manganèsifère, était le seul  minerai utilisé par les premiers fondeurs. Sa structure microscopique  ((Prochaska 2008, 11), révèle une grande hétérogénéité portant sur ses trois composants  principaux: fer, silice et manganèse; cette hétérogénéité a des effets importants  lors du traitement du minerai  au bas fourneau

   

Figure 7

Minerai limonitique de Semlach Einer avec cristaux de quartz idiomorphes

  Ferrum-Noricum-7.png

La silice est présente dans la limonite de Semlach-Eisner  en cristaux de quartz  idiomorphes isolés, souvent importants. Le manganèse est présent dans la phase hydroxydée du minerai limonitique et quelquefois dans des phases indépendantes: il est présent dans des cavités et fissures plus ou moins remplies d’hématite spéculaire (glaszkopfartig),  ou en amas opaques dans la structure spéculaire (Keesman 2003, 154) où à Semlach-Eisner comme la pyrolusite  (Prochaska 2008, 12), (Nau 2008, 279, Abb.10),  (Filley-Travis , 2013, Abb. 15 droite ).

Une conséquence importante  de cette hétérogénité, est que certains morceaux de minerai, pauvres en silice et/ou  en manganèse sont impropres à la production de Ferrum Noricum au bas fourneau.

 

 

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30 juin 2013 7 30 /06 /juin /2013 02:03

Histoire du Ferrum Noricum (2)

Histoire d'un fer qui était acier :

         le Ferrum Noricum

3.3  La zone de réduction du bas fourneau .

 

Les dimensions de la zone de réduction du bas fourneau sont fixées

 - pour le  diamètre,  par la construction du bas fourneau.  

 - pour la hauteur, par le réglage du bas fourneau: rapport combustible /minerai et dans une moindre mesure celui de l'intensité de soufflage: Ces deux réglages  fixent la position du "point " ou "niveau de fusion".  Un excès de charbon ou une trop forte intensité de soufflage ont  pour effet de déplacer vers le haut ce niveau de fusion et donc de réduire le volume de la zone de réduction  (Karsten-Voltz, 1838).

 

Le "niveau de fusion" au haut fourneau et bas fourneau

Dans un haut fourneau dédié à la fabrication de fonte blanche lamelleuse, de hauteur donné, les zones de réduction et de fusion sont partagées par un "niveau de fusion" dont la position est fixée par le rapport C/M de la charge et dans une moindre mesure par l'intensité de soufflage. En dessous de ce "niveau de fusion" (approximativement l'isotherme 1200°C), le laitier se forme et s'écoule vers le creuset. Un excès de charbon ou une trop forte intensité de soufflage ont  pour effet de déplacer vers le haut le  niveau de fusion et donc de  réduire le volume de la zone de réduction. (Karsten-Voltz 1838, 468-469).

La notion de "point" ou "niveau de fusion" est due à Karsten et Stengel, expérimentateurs au haut fourneau. Elle est  transposable au bas fourneau : sur la coupe d'un bas fourneau en fonctionnement le" niveau de fusion" correspond  à l'isotherme 1200°C   (Pleiner 2000, 134, fig 33)

 

Acier primaire au bas fourneau  et fonte blanche lamelleuse au haut fourneau.

Selon Pleiner, la carburation du fer donnant l' "acier primaire"  se fait au bas fourneau au dessus de ce niveau de fusion donc dans la zone de réduction et subit dans la zone de fusion une oxydation partielle. La formation d' "acier primaire" requiert le respect de certaines dispositions:  "In the light of our knowledge , the manufacture of primary steel requires high-grade iron ore (a high Mn content is especially favourable) with a fuel-to-ore ratio higher than 1:1 (e.g. 1.5:1) while the iron should be protected against secondary reoxidation by suitable systems of air-ducts (Pleiner 1969a; Pelet 1992). Again a prolonged residence under conditions described above is extremely important." (Pleiner 2000, 137)

 

Karsten explique qu'au haut fourneau pour fabriquer de la fonte blanche lamelleuse,  on recherche des minerais de fer contenant des matières aisément fusibles comme MnO, plus la température est élevée dans la cuve du fourneau,  plus haut les  oxydes métalliques se réduisent  et le métal se carbure, avant que la charge ne soit descendue jusqu'au "point" ou "niveau de fusion" . En dessous du niveau de fusion , un certaine quantité de laitier très  fluide  grâce au MnO qu'il contient,  protége la fonte  de l'oxydation lors de son passage devant la tuyère (Karsten 1827, 213-215).

 

En augmentant la charge de minerai du haut fourneau, la fonte se refroidit et devient de la "fonte blanche grenue"   d'allure plus froide que la fonte blanche lamelleuse  et contenant  moins de manganèse et de carbone combiné que cette dernière.  Au bas fourneau, il est vraisemblable  que le fondeur de Ferrum Noricum applique spontanément un réglage donnant la fonte la plus froide, c'est-à-dire de de la fonte blanche grenue.

"Primary steel"  ou "Fonte blanche grenue ", se forment ainsi respectivement dans les  zones de réduction du bas fourneau ou du haut fourneau à une température inférieure à 1200°C

 

Réduction indirecte et directe au haut fourneau en allure habituelle de fonte lamelleuse.

 En cas de surcharge de minerai,  le  haut fourneau en allure habituelle  de fonte blanche lamelleuse produit de la fonte blanche grenue. En cas de surcharge extrême,  MnO ne se réduit plus et on obtient du fer malléable solide, au lieu de  fonte liquide.

 Le phénomène est décrit par Stengel qui l'a observé au cours de ses essais:

 " Il arriva qu'après une coulée, il resta dans le creuset une masse de fer affiné qu'on n'en put pas retirer. … On pratiqua un trou assez large dans le voisinage des étalages  pour pénétrer jusque dans l'ouvrage : le minerai qu'on en retira n'était point fondu ; les arêtes des morceaux n'étaient pas même arrondies, mais le fer était complètement  réduit jusque dans l'intérieur des masses, et il était si mou qu'on le coupait avec un couteau …". (Stengel 1828, 273).  Il y a donc un réglage limite  du niveau de fusion au-delà  duquel MnO ne peut plus se réduire,  le métal produit passe d'une fonte liquide à un  fer malléable  solide , le mode de réduction passe de  la réduction indirecte à la réduction directe,  le mode de fonctionnement du haut fourneau passe à celui de bas fourneau. Ce phénomène permet de comprendre le fonctionnement du bas fourneau de Semlach Eisner reconstitué  à partir de relevés archéologiques (Cech 2008).

 

Fonctionnement du bas fourneau type Semlach Eisner

La  figure 8 montre le fonctionnement d'un bas fourneau type Semlach Eisner. La zone de réduction comprise entre le niveau de chargement et le niveau de fusion a une hauteur de 70 cm environ.  La forme bulbaire du creuset, et la disposition des arrivées de vent, protègent de l'oxydation une fonte qui descend vers le creuset protégée par un laitier primaire très fluide. 

 

 

 

Figure 8. Fonctionnement du bas fourneau type Semlach Eisner.

 

Ferrum Noricum 8 final 

 

 

     

3.3.1. Laitier primaire et laitier final au bas fourneau

 

La hauteur totale du bas fourneau est d'environ  1.60 m  contre 4.50m pour le haut fourneau de Lohe;

sa  zone de réduction  a une hauteur de 0.80 m contre 3.10 m.

La hauteur et le volume  de la zone de réduction du bas  fourneau ne permet pas d'effacer comme au haut fourneau les effets de l'hétérogénéité du minerai.

 Certains morceaux  pauvres en silice et/ou manganèse descendent sous le  niveau de fusion  et ne fondent qu'au voisinage de la zone de combustion. 

Certains morceaux sont réduits en fonte blanche grenue dans la zone de réduction et libère des éléments scorifiables qui sous le niveau de fusion fondent rapidement en  donnant un laitier "primaire" très fusible qui descend directement vers le creuset en accompagnant  la fonte formée qu'il protège  partiellement de l'oxydation.

Ce laitier primaire pauvre en FeO est en équilibre avec la fonte produite 

 

3.3.2. Remarques sur la réduction du minerai spathique manganèsifère au haut fourneau: différences avec la réduction au  bas fourneau.  

 

En allure normale de fonte blanche lamelleuse,  le haut fourneau produit un laitier parfaitement réduit ne contenant plus que des traces de FeO (Karsten 1827, 219) . Ce laitier est en équilibre avec la fonte: aucun de ses composants n'est susceptible  de la décarburer et d'oxyder le manganèse qu'elle contient.  A Lohe en 1833, la fonte contient 4% environ de carbone et 5 à 7% de manganèse, tandis que le laitier est composé de 66% de SiO2, 26% de MnO, 7.5% de Al203 et seulement  des traces de FeO (Diday 1833, 147). Douze ans plus tard  le minerai du Stahlberg  contient 3.5% de SiO2,  44.4% de FeO et  10.3% de MnO. Il est consommé dans un haut fourneau de 4.50 m de hauteur (3.10 de cuve pour 1.40 d'étalages)  après grillage et ajout de fondant calcaire. Il donne une fonte à 5% de carbone entièrement combiné et autant de manganèse allié au fer. Grâce au manganèse le laitier  qui ne contient que 1.0% de FeO, est très fusible . (Houpeurt, 1845, 365)

 

Les dimensions de la cuve du haut fourneau  permettent une répartition radiale  du minerai  qui agit sur la répartition du gaz  et la distribution des zones de ramollissement et fusion du minerai (Gudenau 1980, 541). Il en résulte suivant  la hauteur et le rayon de la cuve une distribution dissymétrique  du minerai  qui favorise son  contact avec le gaz, son échauffement  et  sa réduction,  et donc un traitement beaucoup plus régulier de  l'ensemble de la totalité de la charge de minerai.

Au contraire, les dimensions de la cuve du bas fourneau ne permettent pas l'homogénéisation de  la charge de minerai  qui se présente au niveau de fusion, ou bien réduite en fonte liquide et  éléments scorifiables solides, ou bien  non réduite.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

Le passage de la réduction indirecte à la réduction directe au haut fourneau à l'occasion d'une marche en extrême surcharge de minerai  observé par Stengel permet de comprendre le fonc-tionnement du bas fourneau de Semlach Eisner.

Les morceaux de minerai dépourvus de silice et de manganèse se présentent au niveau de fusion tels que Stengel les décrits (voir supra, p.10): " le minerai… n'était point fondu ; les arêtes des morceaux n'étaient pas même arrondies, mais le fer était complètement  réduit (à l'état de fer malléable)  jusque dans l'intérieur des masses. …" (Stengel 1828, 273).

Dans la zone de fusion, ces morceaux ne fondent qu'à proximité  de la zone de combustion où le fer malléable qu'ils contiennent  est rapidement oxydé en FeO et peut être suroxydé.

 

 

3.3.3. La réduction du minerai de fer spathique manganèsifère au bas fourneau

 

Dans cette hypothèse réétudiée, la zone de réduction qui occupe la  partie supérieure du bas fourneau  est  comme au haut fourneau,  comprise entre le niveau de chargement  et  le "niveau de fusion",  en dessous duquel se forme le laitier et qui correspond sensiblement à l'isotherme 1200°C.

Les dimensions de la zone de réduction du bas fourneau empêchent que la réduction y soit complète 

Comme au haut fourneau (Karsten 1830, I, §317;  1828, 260), la fonte, contenant fer et manganèse réduits sous forme de carbures, se forme  entre 1100 et 1180°C°C sort liquide de la zone de réduction comme le montrent les reconstitutions expérimentales (Straube 1964, 25, fig. 10). Sort également de la zone de réduction du minerai qui a échappé à la réduction soit totalement, soit partiellement.

 

L'intervention du manganèse dans le procédé

Parmi les archéologues contemporains, la plupart limitent le rôle de l'oxyde de manganèse au bas fourneau à un passage direct dans le laitier qu'il rend moins oxydant que l'oxyde de fer, d'autres contestent sa réduction tout  en observant ses effets  (Truffaut 2008, Proceedings Huttenberg 2008, à paraître),  d'autres enfin constatent la réduction de l'oxyde de manganèse (inclusions de sulfure de manganèse) sans l'expliquer ou en évoquant  un mystérieux mécanisme catalytique (Cantelaube 2005, 285).

En fait, quelques années seulement après la découverte de la nature métallique du manganèse, Vergnies de Bouisschère, maître de forges  dans les Pyrénées ariègeoises confirmait que la forge catalane ne produisait  d’acier qu’alimentée avec de "belles mines spathiques noires... abondamment chargées de manganèse" (Picot de la Peyrouse, 276.). Quelques années plus tard, il écrivait  à un correspondant que pour traiter un minerai par la méthode catalane, il fallait que ce minerai soit bien fusible et  "porte en lui-même son fondant..qu' alors il se forme  au bas de la zone de réduction une voûte de  "mine agglutinée, qui s'étend aux deux tiers du feu. La flamme concentrée sous cette voûte fait tomber la fonte en larmes…" (De Dietrich 1785, lettre de Vergnies de Bouisschère du 4 août 1785 à de Dietrich).

Quarante ans après  Vergnies de Bouisschère,  Karsten écrivait  que "les minerais manganè-siféres étaient particulièrement disposés à donner de l’acier et que cela leur a valu le nom de mines d’acier,  par l’effet du mode de combinaison du carbone avec une forte dose de manganèse"  (Karsten 1830, §291).

L''avis des métallurgistes des XVIIèmeet XVIIIème observateurs du comportement du man-ganèse à la forge catalane ou au haut fourneau produisant à grande échelle  de la fonte blanche lamelleuse, confirme notre hypothèse de 2008 qui s'appuie sur des travaux archéologiques contemporains : c'est la formation dans la zone de réduction de  carbure mixte de manganèse et de fer suivie d'une oxydation partielle de ce carbure mixte dans la zone de fusion qui rend possible la fabrication du Ferrum Noricum au bas fourneau. .

Cette conclusion s'appuie sur plusieurs travaux d'archéologie expérimentale  dont les auteurs doutent souvent de la réduction du manganèse au bas fourneau  à cause de sa plus grande affinité pour l'oxygène que le fer (Truffaut 2008, à paraître).

La différence entre  haut fourneau en allure de fonte lamelleuse et bas fourneau consommant le même minerai spathique manganèsifère, est qu'au bas fourneau tout le FeO n'est pas réduit. FeO n'est présent dans les laitiers de haut fourneaux de Lohe ou de Hamm qu'à raison de quelques pour-cent, voir de traces.

Au bas fourneau de Semlach Eisner, le laitier final qui accuse une teneur en FeO de 55% est    incompatible avec une réduction de MnO. Mais ce laitier s'est formé sous le "niveau de fusion".  Dans la zone de réduction du bas fourneau une fonte contenant du manganèse métallique présent sous forme de carbure mixte (Fe,Mn)3C  peut se former comme le montre l'exemple de la forge catalane et d'autres. Dans cette zone les éléments scorifiables libérés par la réduction  et le minerai  non ou partiellement  réduits restent sous forme solide, incapables d'empêcher la réduction partielle de MnO.

 

 

3.4. La zone de fusion du bas fourneau

 

La forme du bas fourneau qui s'élargit au niveau des arrivées d'air et l'inclinaison des orifices de soufflage libère  le centre de cette zone de fusion où  s'écoule la fonte qu'une oxydation partielle  transforme en acier  (cette oxydation touche d'abord le carbure de manganèse, puis une partie du carbone restant). Les analyses des  produits métalliques découverts sur le site: bloom  ferritique et morceau de fonte  (Preszlinger 2008, 239-241), fragments de fonte blanche, grise, et truitée, acier hyper-eutectoïde (Birch, to publish, ,2)  correspondent d'ailleurs à des produits  intermédiaires entre la fonte blanche fusible pénétrant dans la zone de fusion et le Ferrum Noricum final . 

La fonte est accompagnée d'un laitier "primaire" très fluide qui se se forme très rapidement  sous le niveau de fusion à partir des matières scorifiables libérés par la formation de la fonte. Ce laitier  s'écoule vers le creuset en protégeant partiellement la fonte de l'oxydation

 Les produits finaux sont un bloom d'acier et un laitier "final"  à point de fusion élevé. Ce laitier final  se forme à partir de laitier  primaire,  et de minerai cru ou partiellement réduit (FeO et matières scorifiables). 

 

Manque de fusibilité du laitier final conséquence de l' hétérogénéité du minerai chargé.

Les archéologues constatent qu'au contraire du laitier primaire,  le laitier final est très peu fusible. La température du laitier final à Semlach-Eisner est  comprise entre 1260 et 1500°C (Prezlinger 2008, 235) et celle de Knappenberg estimée à 1375°C dans le tableau n°1. Cette température élevée indique que pour donner le laitier final, le laitier primaire a digéré dans la partie la plus chaude de la zone de fusion (zone de combustion  devant la tuyère,  frange c)  une certaine quantité de minerai est sorti  de  la zone de réduction cru ou partiellement réduit.

Cette part du minerai chargé, très peu fusible,  qui a traversé  la zone de réduction uniquement en s'y'échauffant  ou en n'y subissant qu'une réduction partielle reste donc à identifier.

 

L'analyse du minerai de Semlach Eisner, calculée d'après celle du laitier final  le situe sur le diagramme SiO2/MnO/FeO, entre les isothermes 1200 et 1300°C (figure 2), donc comme un minerai relativement fusible.  Mais à l'échelle du morceau la forte hétérogénéité du minerai (présence ou non de silice, d'oxyde de manganèse…)  donne  des résultats  d'autant  plus différents que cette hétérogénéité échappe pratiquement au fondeur  (Nau 2008, 272 & 279) : l'absence de silice et d'oxyde de manganèse dans un morceau deminerai déplace le point représentatif  de ce  minerai vers  les isothermes 1300-1400°C du diagramme.

 

 En conclusion, le minerai consommé aux bas fourneaux de Semlach-Eisner, Knappenberg et Altbergbau est formé de deux parts que les opérateurs,  antiques ou modernes ne peuvent séparer.  Une  part contenant à la fois FeO, SiO2 et MnO se réduit et fond facilement en donnant une fonte manganèsée à l'origine du Ferrum Noricum et un laitier très fluide. Une autre part constitué de minerai dépourvu de SiO2 et MnO, très peu fusible,  ne peut fondre qu'au niveau des zones de combustion . Le diamètre agrandi  de la partie basse du bas fourneau et  l'inclinaison des entrées d'air créent les conditions d'un appel du minerai partiellement ou  non réduit vers les zones de combustion dans la frange il peut fondre en s'écartant de l'axe central du bas fourneau (figure 2).

Le fer contenu l'est totalement sous forme FeO, soit qu'il s'agisse de minerai cru, soit qu'il s'agisse de minerai partiellement réduit.                                         

Ainsi, s'explique les températures de fusion élevées du laitier de bas fourneau déduites des résultats de Preszlinger : 1260-1500°CC, Nau 1425°C, ou Fillery-Travis : ces températures  élevées correspondent  à la fusion la fraction de minerai peu fusible, supplémentaire à celui strictement  nécessaire à la production du Ferrum Noricum .

Dans le cas de Semlach-Eisner la comparaison entre les valeurs mesurées par Preszlinger  et la température estimée sur diagramme de 1250° résulte du fait que le laitier essayé par Preszlinger est un laitier coulé et refroidi : la refusion  pour essai amène la phase la plus fusible du laitier à fondre la première  à partir de 1200°, la phase wüstite fondant la dernière entre 1480 et 1500°C.

 

Le tableau 9  résume le  schéma de fonctionnement du bas fourneau.

  Ferrum Noricum 9 bis

4. De la fonte blanche lamelleuse au Ferrum Noricum.

    Du haut  fourneau au bas  fourneau.

 

Formation dans la zone de réduction du bas fourneau d'une fonte contenant du manganèse sous forme de carbure mixte fer-manganèse.

Les résultats de la recherche interdiciplinaire menée en Carinthie à Semlach-Eisner depuis plusieurs années (Brigitte Cech, Die Produktion von Ferrum Noricum am Hüttenberg Erzberg, Wien 2008) permettent la vérification de ce mode de fonctionnement   du bas fourneau de Semlach Eisner. Ces résultats rendent  possible en effet  la comparaison  de l'expérience de Stengel  de marche en réduction directe (accidentelle) du haut fourneau de Hamm en 1828, à celle du bas fourneau de Semlach Eisner produisant par réduction directe à l'époque romaine le  Ferrum Noricum  à partir de minerais identiques  à ceux utilisés en 1826 au Siegerland pour fabriquer la  fonte blanche lamelleuse.

La composition de la fonte formée dans la zone de réduction du bas fourneau peut être assimilée à celle de la fonte la plus froide produite au haut fourneau en allure habituelle de fonte blanche lamelleuse;  cette  fonte blanche "grenue"ou " caverneuse", formée par une surcharge aussi grande que possible en minerai contient 1.79% de Mn% et 2.91% de C combiné (Karsten 1827, 219).

 

En alourdissant  à l'extrême la charge de minerai,  Stengel a obtenu au haut fourneau de Hamm la production  accidentelle  par réduction directe  de fer doux et malléable, c'est-à-dire  le passage de la marche en réduction indirecte à la marche en réduction directe.

Faute de pouvoir établir un bilan matière de l'opération,  nous considérerons que  l'augmentation de la charge de minerai nécessaire à la production de fer sans carbone a d'abord empêché la réduction de MnO et donc la formation de fonte dans la zone de réduction du haut fourneau. La composition du laitier a évolué vers celle donnée par Karsten  pour le laitier de surcharge  soit

[SiO2% = 38, (FeO+MnO) % = 50, (Al2O3 et divers)%= 12]

pour un point de fusion de 1250° environ.

 

Mais au bas fourneau la composition du laitier final est différente  surtout moins riche en silice. Le laitier final de Semlach-Eisner n'est ni fusible, ni fluide,

[SiO2= 25%, (FeO+MnO+K20) %= 64 et divers (Al2O3 et divers)%=11]

Il se ramollit  entre 1260 et 1290°C, est presque fondu à 1470-1480°C,  et ne l'est complètement qu'à 1480-1500°C. (Preszlinger 2008, 235).

Le déficit en silice du laitier final de Semlach Eisner (confirmé par celui des laitiers de Knappen- berg et Altbergbau -voir tableau n°1), semble donc une caractéristique de la fabrication du Ferrum Noricum au moins dans l'Hüttenberger  Erzberg qui demande explication.

 

3.3.3. La réduction du minerai de fer spathique manganèsifère au bas fourneau

 

Réduction partielle du minerai et production d'une fonte contenant du manganèse sous forme de carbure et du carbone entièrement combiné.

Dans cette hypothèse réétudiée, la zone de réduction qui occupe la  partie supérieure du bas fourneau  est  comme au haut fourneau,  comprise entre le niveau de chargement  et  le "niveau de fusion",  en dessous duquel selon Karsten se forme le laitier et qui correspond sensiblement à l'isotherme 1200°C. Les dimensions de la zone de réduction du bas fourneau empêche que la réduction y soit complète 

Comme au haut fourneau (Karsten 1830, I, §317; Stengel 1828, 260), la fonte, contenant fer et manganèse réduits sous forme de carbures, se forme  entre 1100 et 1180°C°C sort liquide de la zone de réduction comme le montrent les reconstitutions expérimentales (Straube 1964, 25, fig. 10). Cette fonte  sort liquide de la zone de réduction. En sort également du minerai qui a échappé à la réduction soit totalement, soit partiellement.

La plupart des archéologues contemporains, la plupart limitent le rôle de l'oxyde de manganèse au bas fourneau à un passage direct dans le laitier qu'il rend moins oxydant que l'oxyde de fer, d'autres contestent sa réduction tout  en observant ses effets  (Truffaut 2008, Proceedings Huttenberg 2008, à paraître),  d'autres enfin constatent la réduction de l'oxyde de manganèse (inclusions de sulfure de manganèse) sans l'expliquer ou en évoquant  de "mystérieux" mécanismes catalytiques (Cantelaube 2005, 285).

En fait, quelques années seulement après la découverte de la nature métallique du manganèse, Vergnies de Bouisschère, maître de forges  dans les Pyrénées Ariègeoises confirmait que la forge catalane ne produisait d’acier qu’alimentée avec de "belles mines spathiques noires... abondam-ment chargées de manganèse" (Picot de la Peyrouse, 276.). Quelques années plus tard, il écrivait  à un correspondant que pour traiter un minerai par la méthode catalane, il fallait que ce minerai soit bien fusible et  "porte en lui-même son fondant, qu'alors il se forme  (au bas de la zone de réduction du foyer catalan)  une voûte de  mine agglutinée, qui s'étend aux deux tiers du feu. La flamme concentrée sous cette voûte fait tomber la fonte en larmes…" (De Dietrich 1785, lettre de Vergnies de Bouisschère du 4 août 1785).

 

Quarante ans après  Vergnies de Bouisschère,  Karsten écrit  que "les minerais manganèsifères étaient particulièrement disposés à donner de l’acier et que cela leur a valu le nom de mines d’acier, par l’effet du mode de combinaison du carbone avec une forte dose de manganèse" (Karsten 1830, §291).

 

L''avis des métallurgistes des XVIIèmeet XVIIIème observateurs du comportement du manganèse à la forge catalane ou au haut fourneau produisant à grande échelle  de la fonte blanche lamelleuse, confirme l'hypothèse de 2008 qui s'appuie sur des travaux archéologiques contemporains : c'est la formation de  carbure mixte de manganèse et de fer dans la zone de réduction suivie d'une oxyda-tion partielle dans la zone de fusion qui y rend possible la fabrication du Ferrum Noricum au bas fourneau. Cette conclusion s'appuie sur plusieurs travaux d'archéologie expérimentale  dont les auteurs doutent souvent de la réduction du manganèse au bas fourneau  à cause de sa plus grande affinité pour l'oxygène que le fer (Truffaut 2008, à paraître).

 

La différence avec le haut fourneau en allure de fonte lamelleuse et le bas fourneau produisant du Ferrum Noricum est que tout le le FeO n'est pas réduit au bas fourneau.

Les  taux  de réduction de FeO et MnO  atteints au bas fourneau de Semlach-Eisner ne sont pas connus. Un calcul de simulation basé sur l'analyse  du laitier réellement produit indique que le taux de réduction global de (FeO+MnO) serait de l'ordre de 55%. Par comparaison,  les laitiers de haut fourneaux à Lohe ou Hamm  accusent des teneurs en FeO très faibles,  voisines de 1%.

Les éléments scorifiables libérés par la réduction  et le minerai  cru ou partiellement  réduit reste sous forme solide, et donc incapables de décarburer la fonte; l 'exemple  de la forge catalane  montre que  FeO doit être fondu et présent sous forme liquide pour pouvoir oxyder et  décarburer la fonte

 

 

3.4. La zone de fusion du bas fourneau

 

La forme du bas fourneau qui s'élargit au niveau des arrivées d'air et l'inclinaison des orifices de soufflage libère  le centre de cette zone de fusion où  s'écoule la fonte qu'une oxydation partielle  transforme en acier  (cette oxydation touche d'abord le carbure de manganèse, puis une partie du carbone restant).

Les analyses des  produits métalliques découverts sur le site: -bloom  ferritique et morceau de fonte  (Preszlinger 2008, 239-241), -fragments de fonte blanche, grise, et truitée, acier hyper-eutectoïde (Birch to publish, 2)  correspondent d'ailleurs à des produits  intermédiaires entre la fonte blanche fusible pénétrant dans la zone de fusion et le Ferrum Noricum final .

 

Cette fonte blanche fusible est accompagnée d'un laitier "primaire" très fluide qui se se forme très rapidement  sous le niveau de fusion à partir des matières scorifiables libérés par la formation de la fonte et s'écoule vers le creuset en protégeant partiellement la fonte de l'oxydation.

La composition de ce laitier primaire  est analogue à celle observée au haut fourneau produisant le même genre de fonte, c'est-à-dire qu'il ne contient pas ou sinon des traces de FeO (Karsten 1827, 219). Les produits finaux sont un bloom d'acier: le Ferrum Noricum, et un laitier "final" riche en FeO   à point de fusion élevé; la température du laitier final à Semlach-Eisner est comprise entre 1260 et 1500°C (Prezlinger 2008, 235) .

 Cette température élevée indique que pour donner le laitier final, le "laitier primaire" a digéré un "laitier secondaire" peu fusible formé   dans la partie la plus chaude de la zone de fusion (zone de combustion  devant la tuyère –frange c) à partir de minerai peu fusible, cru ou  réduit lors de son passage dans la zone de réduction . 

Pour comprendre le fonctionnement du bas fourneau de Semlach Eisner, il est donc nécessaire de caractériser  ces trois  laitiers primaire, secondaire et final.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Published by Edmondtruffaut
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