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7 février 2012 2 07 /02 /février /2012 09:39

    Le fer du Siegerland

Histoire d’un fer qui était acier

 

 

« Das lebhaft glänzende, silberweisze groszblättige Spiegeleisen besitzt oft eine deutlich krystallinische struktur…. »( Bruno Kerl Handbuch 1861)

 

 

 

Le Siegerland qui porte le nom de la rivière Sieg  qui le traverse  couvre aujourd’hui le  district de Siegen-Wittgenstein à l’extrême sud-est du Land de Rhénanie du nord-Westphalie.

Il est limité au Nord par le district de Soest  qui couvre l’antique Sauerland.

Siegerland et Sauerland  sont des régions de moyenne altitude, qui géologiquement font partie du massif schisteux rhénan. D’ouest en est, la ligne de partage des eaux les séparent.Les rivières du Sauerland s’écoulent vers le Nord et la Rhur, celles du Siegerland s’écoulent vers le sud et la Sieg.

A mesure de l’utilisation croissante de l’énergie hydraulique pour commander les soufflets des fourneaux, ceux-ci ont quitté les hauteurs et les usines métallurgiques se sont installées de plus en plus bas dans les vallées. Au Sauerland, les usines ont  rejoint la vallée de la Rhur, affluent du Rhin qu’elle rejoint à  Duisbourg. La Rhur a donné  son nom au Rhur Gebiet, grande région industrielle  productrice de charbon et d’acier à partir du XVIIIème siècle. Au Siegerland, les usines ont rejoint la vallée de la Sieg.

   

      Siegerland corr figure 1

 

 

 Figure n°1

Carte schématique de l’est du Massif schisteux Rhénan

Avec le Siegerland (Siegen), le Sauerland (Altena) et  le Rhurgebiet.

 

   

L’extraction du fer   a commencé au Siegerland vers 600BC et la dernière mine a été fermée en 1965.

 

C’est vers 800 AD que l’extraction du fer aurait commencé au Sauerland;  comme au Siegerland, les fourneaux ont avec le temps quitté les hauteurs et les usines métallurgiques se sont installées de plus en plus près de la rivière Rhur.  

Au nord du Sauerland, s’étend la grande plaine allemande du nord ; la Rhur qui rejoint le Rhin à Duisbourg a donné  son nom au Rhur Gebiet,  grande région industrielle  productrice de charbon et d’acier à partir du XVIIIème siècle.

 

   

Historiquement les productions du fer et de l’acier du Siegerland et du Sauerland ont été plus ou moins associées au XVIIème siècle lorsque les ressources naturelles du Sauerlaznd , minerai de fer et bois ont été épuisées. A partir du XVIIIème, le Siegerland riche en minerai de fer spathique manganèsifère, est devenu la seule patrie du spiegeleisen, d’abord fonte pour acier d’abord, ensuite matière première de l’acier puddlé puis alliage désoxydant indispensable à la fabrication de l’acier Bessemer .  

 

  La réduction directe en Siegerland.

 

Les premiers sites de réduction du fer au Siegerland sont datés de 600BC (Krasa 1931,1287). L’archéologue J.W.Gilles a fouillé  plusieurs sites  datés de 400BC au XVème siècle. Les résultats des fouilles (scories contenant des oxydes de fer et de manganèse, datation grâce aux céramiques…) ainsi que des documents découverts au cours de recherches historiques parallèles, lui ont permis de retracer l’histoire de la métallurgie du fer dans cette région jusqu’à la fin du Moyen Age (Gilles1956, 60). Un des sites les plus anciens qu'il ait fouillé est celui d'Engsbach dont il a donné un croquis du four et la composition des scories. A partir de ces éléments , nous avons simulé une opération de réduction directe dans le fourneau d'Engsbach a été simulée à partir d'un minerai d'un site voisin (Hamm) 

   

Engsbach. Analyse des scories de réduction directe.

 

SiO2 %            22.9

Ca0+MgO %      I.9

FeO%              53.1

MnO%             11.9

Al2O3%             3.5

.

 

Simulation d’une opération de réduction directe à Engsbach

 

Par hypothèse, cette réduction directe est effectuée dans un bas fourneau (domed furnace) du type Engsbach (Pleiner 2000,158). Le four est  rempli successivement  de la quantité de charbon de bois nécessaire à l’opération, puis de la quantité correspondante de minerai de fer spathique manganèsifére (figure 2).

 

    Siegerland corr figure 2

 

                       Figure 2 Four d'Engsbach (Pleiner 2000, 1158)

 

 

Le débit d’air (tirage naturel) est réglé de telle façon que l’opération se déroule en deux étapes :

1. grillage réducteur du minerai portant celui-ci à une température légèrement inférieure à 1100°C   permettant la formation de nodules de fonte manganèsée,

2. formation du bloom  et de la scorie à une température supérieure à 1100°C  

 

Faute de connaître la composition du minerai traité à Engsbach, on suppose que celui-ci a la même composition que celui du site voisin de Hamm . La réduction directe du minerai de Hamm donne une scorie analogue à celle d’Engsbach. On calcule le métal formé au cours de la première étape (analyse et poids) soit 62 kilogs de nodules de fonte manganèsée  à 5% de C et 17% de Mn,  liquide à  partir de 1100°C.

Au cours de la seconde étape, sous l’effet d’une augmentation du débit d’air induit la température s’élève au dessus de 1100°C., en même temps qu’intervient une  réoxydation partielle des nodules de fonte  affectant d’abord le manganèse et le carbone et ensuite seulement le fer. Le bloom et de la scorie se forment.

En estimant que la réoxydation porte sur la moitié de la fonte formée en première étape,  le résultat final est un bloom d’acier à 1% de carbone donc solide et  une scorie  pâteuse.

On ajoute alors 30 kilos de silice pour rendre cette  scorie  comparable à celle d’Engsbach, qui elle, est très fusible (voir figure 3)

Cette addition de silice peut d’ailleurs être  pour l’opérateur un moyen d’épurer le bloom avant extraction ou juste à sa sortie dans un foyer spécial (Pleiner 2000, 215)

 

Il paraît difficile  de régler un procédé reproductible sur  le schéma précédent dans lequel le fondeur n’est guidé que par la fluidité de la scorie ? Le risque est grand d’obtenir d’une opération à l’autre des blooms de composition très  différentes.

Un moyen plus efficace paraît être  de sortir le bloom de fonte avant réoxydation pour   le traiter dans une seconde opération au cours de laquelle la fonte sera affinée, comme  au Magdalensberg (Pleiner 2000, 231) ou à Ponte di Val Gabbia (Fluzin 2003, 139).

 

Minerai de Hamm et scorie d’Engsbach.

Simulation de la réduction directe du minerai de Hamm

Effet d’un ajout de silice sur la fluidité de la scorie calculée

Figure n° 3

  Siegerland-corr-figure-3.jpeg

 

 

Le Siegerland à l’époque mérovingienne.

 

A la fin du premier millénaire, l’expansion  franque partie du Limburg (région Liège-Maestricht-Aix la Chapelle) vers la Westerwald et  la région de la Dill, atteint le Siegerland ; à cette époque les Francs avaient besoin du fer de  cette dernière région  pour alimenter leurs nombreuses guerres (Fickeler 1954,19). Le fer y était toujours produit par réduction directe. Mais copiés sur ceux de l’armée romaine avec lesquelles les Francs avaient combattu les profils des  bas fourneaux  avaient évolué vers les fours à cuves  de 150 cm de hauteur et 60 cm de diamètre.  Le laitier était coulé, et le  procédé, qui imposait sans doute un ajout de silice à la charge, rendait inévitable une réoxydation partielle du métal réduit. La loupe de métal obtenue était hétérogène, constituée de fer doux  et d’acier plus dur. Dans une deuxième opération, cette  loupe  était forgée en barres. L'étude métallographique des armes réalisées avec ce métal composite a révélé leur redoutable efficacité (Salin 1955, 163).

Le Siegerland au Moyen Age.

Dès 1311, on actionnait au Siegerland les soufflets alimentant les fourneaux  à l’aide de roues à eau ; les forgerons quittaient les montagnes pour installer au bord des rivières leurs fours de réduction directe. L’existence de foyers d’affinage de type wallon y est attestée à partir de 1350 et des documents prouvent qu’en 1440, on y connaissait le haut fourneau (Gilles 1956, 60-62).

C’est donc vers 1350 qu’au Siegerland serait intervenu le passage de la réduction directe à la réduction indirecte, du four à masse au haut fourneau.

En même temps la production d’acier se développe. Selon J.F.Belhoste, le Stahlberg à Müsen est déja mentionné en 1079 ;  un forgeron spécialisé pour l’acier  est signalé à Siegen en 1289 et un texte de 1311 mentionne l’existence d’un Masshütte (Belhoste 1999). 

 

Le Siegerland au début du XVIIIème.

 

L’activité minière  reste anarchique au Siegerland  jusqu’en 1559, année de  promulgation d’un règlement minier  le  « Nassau-Katzenellenbogische Bergordnung » par Guillaume de Nassau. 

Au XVIIIème, un arrêté du souverain décide que  la fonte et l’acier brut fabriqués au Siegerland doivent être vendus  uniquement aux forges du pays et non à l’extérieur (Ress 1965,121). Non pas ou non plus ? Cet arrêté visait t’il l’exportation de ces produits vers le Sauerland voisin déficitaire dès avant la guerre de trente ans par épuisement de ses ressources naturelles en bois et minerai de fer ? 

 

En tout cas, dans les années 1810,  le Siegerland fournit de la fonte, du fer et peut être de l’acier  au  Sauerland qui produit et exporte de la quincaillerie. Malgré la façon anarchique dont les minières sont exploitées (sauf à Müsen), la fonte du Siegerland et le fer qu’on en tire sont  excellents à cause de la qualité des minerais  (Thuillier  Mais en 1815, la crise catastrophique qui prive de ses débouchés le  Sauerland  quand les produits anglais bon marché envahissent l’Europe, se répercute au Siegerland.

Au cours des décades suivantes,  la demande mondiale d’acier explose. Sous administration prussienne, le Siegerland devient l’une des régions sidérurgiques les plus actives d’Europe. La production européenne de spiegeleisen décuple  passant de 21000 tonnes en 1840 à 211000 en 1865. (Revue Maritime et Colonial 1869,7)

L’administration prussienne qui avait négligé la région en 1815-1820 y est ensuite très présente  sur  le plan technique avec son représentant, Karsten, « Conseiller supérieur et intime des mines de Prusse ».  C’est ainsi qu’à l’initiative de Karsten, le Siegerland maîtrisera successivement, le procédé de fabrication du spiegeleisen comme fonte pour acier , le puddlage du spiegeleisen pour fabriquer l’acier puddlé , et enfin l’utilisation du spiegeleisen comme après 1856 alliage désoxydant du nouvel acier Bessemer en fin de conversion.

Le Pays de Siegen, le Siegerland devient la patrie du spiegeleisen qui ne fut fabriqué en France qu’en 1854 à l’usine de Saint-Louis à Marseille.

   

Fabrication du Spiegeleisen au Siegerland.

1. La fabrication du spiegeleisen comme fonte pour acier.

 

Karsten  sait que  la  fabrication de l’acier par affinage de la fonte est une opération  difficile, nécessitant  l’emploi d’une fonte spéciale, elle-même difficile à élaborer.

La meilleure fonte à acier est la fonte miroitante à grandes lames appelée spiegeleisen, obtenue à partir de minerais très fusibles, très manganèsiféres. C’est une fonte blanche à 5% de carbone, entièrement combiné et 5 à 7% de manganèse. Elle est très fluide  et se solidifie  lentement. Très pure, elle ne contient à côté du manganèse aucune substance nuisible.

La fonte blanche lamelleuse, fonte à acier tirée des minerais de fer spathique de la montagne du Stahlberg à Müsen (spiegeleisen), est la plus appréciée : c’est  la variété de fonte qui contient le maximum de carbone entièrement combiné. Sa délicate élaboration au haut fourneau explique les essais qu’engage alors Stengel, un métallurgiste du Siegerland souvent cité par Karsten, pour en régler la fabrication (Stengel 1828, 245sq.).

 

Les  fabriques d'acier du Siegerland utilisent à l’époque plusieurs variétés de fonte : -fonte grise donnant un bon acier, -fonte truitée (nebeneisen), - fonte blanche à petits grains, -fonte rubanée qui à la coulée se présente en deux couches bien séparées, l’une grise et l’autre blanche et enfin la fonte lamelleuse entièrement blanche, le spiegeleisen.

Les hauts fournistes  maîtrisent mal le passage de l’une à l’autre de ces variétés

Les recherches de Stengel  montrent que  trois paramètres interviennent pour fixer la nature de la fonte : - la composition de la charge de minerais et fondants,  - le rapport entre les poids de la charge de mine et celle de charbon de bois, - le débit de soufflage. Le tableau n°1  extrait d'un mémoire de Karsten de 1823 résume l’effet du  paramètre principal, le rapport mine/charbon,  sur la nature et la composition de la fonte  obtenue et la composition des laitiers.

 

 

 

 

Nature de la fonte

Grise

Lamelleuse

Blanche

par excès de mine

Charges de mine pour une

charge de charbon de bois

2

5

8

Nature et composition

 du mélange de minerai

14 parties Spathique manganèsifère

pour  9 parties Fer oydé manganèsifère

Fonte

 

 

 

Mn%

7.42

4.49

1.79

Si%

1.31

0.55

tr

C %

 

 

 

           Graphite

2.37

 

 

           Combiné

2.08

5.14

2.91

Soufre %

0.001

0.002

0.010

Laitiers

 

 

 

SiO2%

49.57

48.39

37.80

Al2O3%

9.00

6.66

2.10

MgO%

15.15

10.22

8.60

FeO%

4.00

6.00

21.50

MnO%

25.84

33.96

29.20

Fluidité 

pâteux

Très fluide

Froid, pas fluide

 

 

Nature de la fonte et composition des produits des hauts fourneaux de Hamm

 

(d’après Karsten 1823 et 1838)  

 

Tableau n°1.

 

Stengel ignore comment le manganèse intervient dans le processus de formation de la fonte blanche lamelleuse au haut fourneau,  mais croit que  sa présence dans le minerai est nécessaire. Il pense que le manganèse peut intervenir dans le processus mais n’a pas l’air de trop savoir comment

Karsten et lui s’entendent sur le rôle essentiel tenu  par le laitier  dans le haut fourneau  produisant de la fonte pour acier. L’oxyde de fer est d'abord réduit en fer qui passe ensuite à l'état de fonte blanche lamelleuse (La fonte au dessus de la tuyère est blanche).  Puis suivant la viscosité  du laitier,  les nodules de fonte descendent plus ou moins vite dans l'ouvrage : un laitier bien fluide  entraîne rapidement les nodules de fonte qui n’ont pas le temps de refroidir et restent en fonte blanche  (la formation de graphite par passage de la fonte blanche à la fonte grise est le résultat d'un lent  refroidissement  des nodules de fonte lors de leur traversée   de la couche de laitier.   Si le laitier est fluide, leur descente est rapide et la fonte reste blanche, si au contraire le laitier est visqueux, leur descente est lente et on  constate un dépôt de graphite à l'interface métal-laitier. La teneur en FeO du laitier de fonte lamelleuse  est basse (6%). C’est à l’oxyde de  manganèse MnO que le laitier devra sa fluidité.  

On imagine la difficulté, alors que les moyens de contrôle et d’analyse sont très rares voir inexistants, à maintenir la régularité nécessaire à la  fabrication du spiegeleisen: régularité du minerai (densité en vrac, teneurs en fer et manganèse), et du  charbon de bois  (densité en vrac,  teneur en humidité,  granulométrie)  chargés au volume.

 

Au cours des essais, Stengel fait de nombreuses observations sur la façon dont s’opère au haut fourneau la réduction d’un minerai de fer manganèsifére ; les morceaux de minerai qui se présentent dans l’ouvrage contiennent des nodules de fonte blanche : le manganèse est donc réduit dans la cuve du haut fourneau à température relativement basse ; la carburation de la fonte intervient dans la cuve ; la formation d’un laitier très fluide permet une descente rapide de la fonte  dans le creuset sans qu’elle puisse s’oxyder sous l’action du vent  au niveau de la tuyère et la fonte peut conserver  une partie du manganèse réduit dans la cuve … 

Au cours d’un essai de marche en déficit de combustible, il observe après une coulée, la présence dans le  fourneau d’une masse de fer pur solide  qu'on ne peut extraire qu’en  pratiquant dans les  étalages une ouverture assez large pour pénétrer jusque dans l'ouvrage.

 

Karsten avait donné l’explication en interprétant les difficultés des fondeurs de Styrie rencontrés par Jars et Duhamel en 1756 à maîtriser le floszofen (Duhamel 1786,).

 

« La fonte blanche obtenue par un juste dosage de charbon et de minerai,

 et à une chaleur convenable, se distingue essentiellement de celle qui provient d'un haut fourneau dont l'allure est très dérangée. Les floss tendres ou caverneux qu'on tâche d'obtenir en Styrie dans les usines de Vordenberg, appartiennent à cet espèce de fer cru; ils contiennent 3.25% de carbone combiné avec toute la masse de fer ; mais ces proportions ne sont pas constantes, elles dépendent entièrement de la marche du fourneau et diminuent à mesure qu'il se dérange davantage. Il s'ensuit donc que la quantité de carbone contenue dans ce régule va toujours en décroissant depuis les floss durs et les floss caverneux ou tendres, jusqu'à une espèce

de fonte aciéreuse ou même d'acier tendre, que souvent on est obligé de faire sortir du fourneau en grosses pièces solides » (Karsten 1823,§689).

 

Un mémoire de Stengel décrit. la fabrication de l’acier comme un art empirique (Stengel 1829)

La formation d’une loupe d’acier  de 400 livres par affinage d’une série de 7 charges de 30 à 80 livres de fonte truitée pour les premières et ensuite de spiegeleisen se fait en huit heures .  Le rendement en acier est de 75% dont 66% d’edelstahl, de qualité supérieure pour une consommation de charbon de bois de 2500 kilos.

La teneur en manganèse qui s’oxyde avant le carbone, baisse à mesure que l’opération se poursuit et l’acier final n’en contient plus ; il passe entièrement dans les scories. Ce qui fait dire à Stengel, que le manganèse ne doit pas être considéré comme un élément de l’acier mais comme une substance qui exerce une influence utile pendant et sur sa formation.

 

 

En 1833 et 1845,  deux  élèves-ingénieurs de l’Ecole des Mines de Paris  font un voyage d’études dans les usines à fer du  Siegerland  et les mémoires qu’ils rédigent à leur retour livrent quelques informations supplémentaires sur la la fabrication du spiegeleisen et son affinage en acier naturel. .

Diday rapporte qu’à l’usine de Lohe, on produit 6-8 tonnes par jour par fourneau. La fonte contient 4% de C et 5-7% de Mn. Le laitier contient 26% de MnO et des traces de FeO. La consommation de charbon de bois est de 1152 kilos par tonne de fonte. Le dessus de la gueuse de fonte blanche lamelleuse à grandes lames est parfois un peu gris auquel cas on fait varier l'épaisseur de cette couche grise en modifiant le ratio mine / charbon de bois.

Douze ans plus tard, Houpeurt  apporte une information supplémentaire sur la campagne du haut fourneau produisant du spiegeleisen. Les premières semaines de marche du haut fourneau  permettent la montée en température du réfractaire : la fonte obtenue est grise  bien que la teneur en carbone soit la même que celle du spiegeleisen mais le carbone est combiné d’autre façon.

Houpeurt s’interroge sur les effets du manganèse : moins réductible que le fer, il ne semble pas avoir d’autres effets  qu’être  très utile à la formation des fontes blanches… on pense qu’il favoriserait la fixation du carbone … qu’il agit simplement comme fondant.  En tout cas, il est loin d’être indispensable et on peut obtenir des fontes blanches de minerais non manganèsés.

Son compte-rendu est visé par Le Play qui sera le professeur de Métallurgie de l’Ecole des Mines de Paris de 1848 à 1854 et d’autres ingénieurs réputés :  Guenyveau, Cordier, Berthier et Garnier. Et dans sa rédaction,  Houpeurt veut sans doute ménager leurs  opinions. 

En 1845, les élèves de l’Ecole des Mines qui ont fait le voyage, les professeurs qui ont visé leurs mémoires  les lecteurs des Annales des mines, connaissent les différents procédés de fabrication de l’acier d’Allemagne.

Ils savent que le manganèse, sans entrer dans la composition de l’acier naturel, joue un rôle essentiel dans sa fabrication, comme fluidifiant du métal et de la scorie, comme désulfurant et parce que, ralentissant la décarburation, il permet à l’aciériste de saisir plus facilement la fin de l’affinage. Mais sur ce dernier point, l’explication fait défaut, et les «professeurs», prudents, ne veulent pas parler de manganèse ; Le Play écrira simplement que « les minerais de fer que traitent ces usines (celles qui produisent l’acier naturel), doivent présenter plusieurs propriétés spéciales, qui ne se trouvent réunies que dans les fers carbonatés spathiques»  (Truffaut 2000, 334).

 

 En 1838  les Annales des Mines publient un nouveau mémoire de Karsten  qui apporte quelques compléments à celui de 1823 (Karsten 1838) .

Karsten confirme que le haut fourneau doit être en bonne allure et la charge au maximum  permise par cette allure ; qu’on obtient de la fonte miroitante à 5.14% de C combiné, 4.49% de Mn et 0.55% de Si ; que la composition du laitier  est dûe à la grande difficulté de réduction du minerai de manganèse, à l'action énergique de la silice sur cet oxyde et à la grande fusibilité du silicate de manganèse.

 

Il reprend le tableau publié dans son rapport de 1823 sans indication de l’origine de la fonte produite mais en complétant l’analyse des laitiers. 

 

             Karsten ajoute encore quelques remarques complémentaires :

*Sur le traitement des minerais à faible teneur en manganèse.

Quand les minerais de ces fourneaux sont peu manganiques, on n'obtient que de la fonte grise pendant la bonne allure ; lorsque l'allure se dérange la fonte passe au blanc grenu quand le dérangement se maintient sans jamais prendre la contexture miroitante dans ce passage.

*Sur le maintien du haut fourneau en allure de spiegeleisen.

Il ne serait guère possible de tenir constamment un fourneau dans l'allure des fontes miroitantes ; les limites entre lesquelles la production de cette sorte de fonte est possible sont assez resserrées et il faudrait à la fois des minerais très fusibles, très réductibles, d'une facile cémentation et d'une nature constante, ainsi que des charbons et un vent de qualité invariable, pour pouvoir marcher constamment dans cette allure; aussi les produits des fourneaux qui marchent habituellement en fonte miroitante sont très variables; tantôt la fonte est entièrement miroitante, ou entièrement rayonnée , tantôt elle est rubannée,  tantôt grise, tantôt blanche grenue ou caverneuse.

*Sur la composition des minerais la plus appropriée.

 Un contenu notable en manganèse dans les minerais, paraît être nécessaire pour la production de fontes propres à donner de l'acier naturel de première qualité…

 *Sur les réactions d’affinage du spiegeleisen en acier naturel

La fonte prend un contenu notable en manganèse; et pendant l'affinage, le silicium de celle-ci (de la fonte) est enlevé plus facilement par l'oxide de ce métal (le manganèse) qui a plus d'affinité pour la silice que l'oxyde de fer, en sorte que la fonte demande une action oxydante moins prolongée et que l'on obtient un acier moins ferreux et plus homogène.

 

En 1840, la perception du rôle joué par le manganèse dans la fabrication de l’acier naturel par les praticiens prussiens et les professeurs français est donc très différente, évidente pour les premiers, fort incertain pour les seconds qui considèrent sans doute le minerai de fer spathique manganèsifére comme un simple mélange de minerai de fer et de minerai de manganèse.  

 

2. Le Spiegeleisen comme matière première de l’acier puddlé.

Les inventeurs du puddlage pour acier.

 

Dans sa demande de patente déposée en 1867, l’inventeur anglais du puddlage Henry Mott revendiquait la production du fer et celle de l’acier. On sait qu’il abandonna très vite cette  deuxième revendication.

Beaucoup de forges européennes pratiquant le puddlage pour fer ont participé ensuite   avec plus ou moins de succès à la mise au point d’un procédé de puddlage pour acier. . Le secret qui a entouré plusieurs de leurs expérimentations et la confusion liée à la nature du produit obtenu (l’acier puddlé obtenu était un produit  intermédiaire entre le fer à grains légèrement aciéreux et l’acier dur du type acier fondu) relativisent les indications apportées par des sources qui très rapidement ont cherché à présenter un historique de l’acier puddlé (Delvaux de Fenffe 1857, 59) (Grüner 1859, 285 sq). Leurs indications convergent quant à la zone sidérurgique européenne où le puddlage pour acier a pris naissance : le Siegerland, région riche en minerais manganèsifères, productrice de fontes pour acier et d’acier naturel. Vers 1838, les premiers essais de fabrication d’acier puddlé sont effectués à l’instigation de Karsten, par Stengel à l’usine royale de Lohe, en traitant les fontes lamelleuses du pays mais les premiers résultats ne sont guère convaincants. 

Trois ans auparavant, des recherches avaient été conduites  en Carinthie donnant lieu l’année suivante, à dépôt de brevet.  D’autres tentatives ont lieu plus tard en Styrie, mais  l’Autriche n’adoptera pas le nouveau procédé ; en 1855, elle ne produit que de l’acier naturel par la méthode d’affinage traditionnelle .

L’exemple de l’Autriche, qui au départ dispose comme le Siegerland de minerai de fer spathique manganèsifére, laisse penser qu’il a fallu à Stengel pour réussir, en plus du minerai convenable, l’appui de Karsten, les facilités offertes par le statut d’usine royale, et la volonté de mettre au point un procédé de fabrication de l’acier, utilisant la houille plutôt que le charbon de bois et plus productif que le procédé  traditionnel.

Dans les années 1850, les recherches sur le puddlage pour acier se poursuivent au Siegerland, dans le comté de la Marck, à Madgesprung dans le Harz, en Westphalie   et des brevets sont déposés. C’est en 1846 que les premiers succès sont obtenus et deux ans plus tard, la production est industrielle à Lohe…Puis, l’aciérie de Hoerde fabrique des bandages de roues en acier puddlé, obtenu par puddlage de fonte à acier lamelleuse au bois. La firme Lehrkind, Falkenroth et Cie à Haspe, produit de l’acier puddlé à partir de fontes aciéreuses du pays de Siegen…

 

3. La fabrication du Spiegeleisen comme alliage désoxydant de l’acier Bessemer en fin de conversion.

D’une grande importance pour le développement de la sidérurgie au XVIIIème siècle le Spiegeleisen aura comme produit industriel, une durée de vie très courte.

On a vu plus haut que sa production avait été multipliée par 10 entre 1840 et 1865   lorsque  son emploi est passé  de celui d’une  « fonte pour acier » produit intermédiaire  entre le minerai de fer spathique manganèsifére et l’acier naturel  à celui de produit d’affinage (désoxydation et désulfuration) du nouvel acier Bessemer à partir de 1856.

Selon de Vathaire  sa découverte   a seule permis la fabrication de l’acier doux :  

 «à la fin du soufflage, on ajoute environ 10% de spiegel à l’acier en fusion dans le convertisseur ; cet acier imprégné d’oxydes métallique en est débarassé par le manganèse du spiegeleisen» (De Vathaire 1885, 88), Ce spiegel contient aussi du carbone   qui devient nuisible s’il recarbure le bain d’acier au-delà des limites fixées ; dans ce cas on préfère utiliser du spiegel très manganèsifére: sa teneur en carbone est à peine plus élevée ; avec autant de spiegel plus riche, on a moins de carbone et plus de manganèse».

 

En 25 ans le commerce du spiegeleisen décuplait mais le contrôle de sa teneur en manganèse (qui en était devenu le principe actif)  restant  difficile , on jugeait de la  valeur du produit à sa cristallisation en lamelles.

The metal …when cold and broken up, showed large and beautifully bright facets and crystals, specked with minute spots of uncombined carbon. It was called from its brightness ‘Spiegel Glanz’ or ‘Spiegeleisen’ i.e. looking-glass iron ”

(Mushet 1883, 4)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

Pour obtenir un spiegeleisen  plus riche en manganèse, on rend le laitier plus calcaire  en travaillant à une allure plus chaude (Douvillé 1864, 313). Cette addition de calcaire est rendue possible par  l’emploi de vent chaud et dans quelques cas en remplaçant le charbon de bois par du coke. La teneur en MnO du laitier tombe de 30 à 10% ; les laitiers restent   fluides mais sont très corrosifs vis-à-vis des réfractaires.  

 

En 1864, un voyage d’études permet à Samson Jordan d’établir  un  « Etat actuel de la métallurgie du fer dans le pays de Siegen (Prusse) et notamment de la fabrication des fontes aciéreuses » (Jordan 1864)

 La fonte blanche miroitante spiegeleisen est utilisée pour la fabrication de l’acier de forge (acier naturel à teneur en carbone comprise entre 0.88 et 1.44), l’acier puddlé, et les fers de qualité élaborés au convertisseur Bessemer.

Avec le minerai du Stahlberg, on fabrique à Müsen une fonte à 10.7% de Mn et 4.3% de C et à Lohe une fonte à 4.24% de Mn et 5.4% de C. 78. L’usine de Müsen fabrique du spiegel au charbon de bois (1050/1100 kilos par tonne de spiegel). La production est de 8 à 9 tonnes par  jour.  A la Heinrichshûtte , la marche au charbon de bois, sans castine est très approximative. La production de spiegel est fortuite. A la Charlottenhütte, avec du vent à 100°C le spiegel fait 3-4% de Mn, avec du vent à 300°C, 8-10%.

 

En 1885,  De Vathaire notait encore que l’usage le plus important du spiegeleisen était la fabrication de l’acier Bessemer : « à la fin du soufflage, on ajoute environ 10% de spiegel à l’acier en fusion dans le convertisseur ; cet acier imprégné de carbone et d’oxydes métallique en est débarrassé par le manganèse du spiegeleisen. Ce spiegel contient aussi du carbone qui devient nuisible s’il recarbure le bain d’acier au-delà des limites fixées ; dans ce cas on préfère utiliser du spiegel très manganèsifére : sa teneur en carbone est à peine plus élevée ; avec autant de spiegel plus riche, on a moins de carbone et plus de manganèse ».

 

Pour obtenir de l’acier doux, on utilise du ferromanganèse à  faible teneur en manganèse (25-45%)  produit avant 1875  dans des conditions très difficiles.

 La découverte de ce produit a alors permis la fabrication de l’acier doux au  convertisseur Bessemer en dissociant l’addition de manganèse de celle du carbone

Après 1875, le spiegeleisen est rapidement remplacé par le ferromanganèse, alliage à 78% de manganèse et 6% de carbone dont la fabrication avait été réglée par l’usine française de Terrenoire.

 

 

 Edmond Truffaut

2 février 2012    Siegerland img 1

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19 décembre 2011 1 19 /12 /décembre /2011 09:23

  Histoire d'un fer qui était acier

 

Le fer des Chalybes

 

 

.

Others have ascribed this to the Cyclopes who must have first

come to forging iron. Still others consider

the Chalybes to have been the first inventors of this art before

 the Cyclopes had mastered it.

Walenty Rodziensky, Officina Ferraria, ( trans. Pluszczewski)

 

 

 

On tentera dans cette étude de  trouver dans la documentation très abondante fournie par les auteurs et spécialistes (hellénistes, linguistes, historiens, archéologues, géologues, métallurgistes…)  les conditions de fabrication du fer des Chalybes dont  il est convenu qu’il était  acier. Employaient-ils un minerai particulier et lequel ? Ou maîtrisaient-ils un  savoir faire exceptionnel ?

 

We shall try in this study to find in  the very plentiful documentation supplied by the authors and the specialists (Hellenists, linguists, historians, archaeologists, geologists, metallurgists),  the conditions of smelting  of the Chalybian iron, indeed steel . Did they use a particular ore and which? Or did the Chalybes master an exceptional knowledge?

 

Des forgerons réputés fabriquant de l’acier au Nord-est de l’Anatolie.

  Parmi les auteurs de sources historiques, Eschyle est le premier à désigner en 500BC les Chalybes comme le peuple forgeron ; avant lui, Homère avec les Halizones, après lui Strabon avec les Chaldéens et les Alybes les ont désignés sous d’autres noms (Anca Dan 2007, 4).

.

Dans sa tragédie Prométhée Eschyle vante le fer le plus dur (adamantinon), le fer « qui est acier » fabriqué par les Chalybes forgerons (siderotektones Chalube) dont il tente de situer le pays.

La réputation du fer des Chalybes se transmettra de siècle en siècle jusqu’à à nos jours.

au XIXème on dira Chalybes « peuple d’Asie Mineure qui fabriquait l’acier » (Arbois de Jubainville 1902, 7-8) qu’ils étaient « très habiles à travailler le fer par l’emploi de la trempe » (Hoefer 1866, I, 48, note 5). Les Chalybes donneront leur nom au minerai de fer dont on fait l’acier : dans son traité De ferro (1734), Swedenborg parle de « vena chalybea ».Et aujourd’hui nous appelons Chalybite le minerai de fer carbonaté (Eluerd 1993, 155) dont certaines variétés, les mines de fer blanches, contenant du manganèse étaient considérées comme « mines d’acier » (Bergman 1774).

Mélangeant réalité, légende et mythologie, la tradition littéraire grecque, a fait des Chalybes, mineurs et forgerons les inventeurs de l’acier.

Pour situer le pays des Chalybes, Eschyle se livre dans le Prométhée, à un exercice de  géographie « poétique » en décrivant le périple d’Io,  du royaume d’Argos dans le Péloponèse à Byblos en Egypte.  Io est une jeune prêtresse que Zeus qu’elle avait séduit, avait transformé en génisse pour cacher son infidélité à  son épouse Héra et qu’il continuait à rencontrer en se transformant en taureau. Héra la plaçat alors  sous  la garde d’Argos, l’homme aux cent yeux.  Zeus chargea alors à Hermès de la libérer. Mais  Io ne jouit pas longtemps de sa liberté : Héra lui envoya un taon qui s’attacha au flanc de la génisse et la rendit si furieuse qu'elle erra pendant des mois à travers toute la Grèce sans jamais s'arrêter. Elle longea le golfe qui devait porter son nom (golfe Ionien) puis passa le Bosphore ("passage de la Vache") et rencontra sur le mont Caucase, Prométhée, qui selon Eschyle, lui prédit un beau destin. De là, Io gagna l'Egypte, y reprit sa forme humaine de belle et s’y installa définitivement identifiée à  la déesse Isis (Mythologica 2008).

 

 Au  cours de son périple, Eschyle fait traverser à Io le pays des Chalybes. La carte suivante, établie par Mark Griffith, montre à quel point lui-même et  ses contemporains connaissaient mal la Mer Noire, immense et inhospitalière, et les contrées qui l’entourent : Eschyle situe en effet  le pays des Chalybes très au nord du « Pont » (Bonafé 1991, 149).  Il   faudra attendre  Hérodote et Xénophon pour le voir correctement  situé  sur les rives méridionales de la Mer Noire

 

La tribu des  Chalybes faisait partie d’une confédération hittite, peuple découvert depuis seulement une soixante  d'années (Laroche 1983,15). Cette  confédération Hittite a contrôlé l’Anatolie de 1600 à 1200BC. Elle est  à l’origine  de la métallurgie du fer en Eurasie, origine attestée par la découverte de  quelques morceaux d’armes en fer d’origine météorique ou terrestre datés de 1400BC. Un siècle plus tard,  les Hittites connaissent bien le fer mais  son mode de production est gardé secret  Les objets en fer  ont un rôle cultuel ou font l’objet de cadeaux royaux . En témoigne, une lettre  adressée par le roi des Hittites Hattisi III à un correspondant inconnu dans laquelle il  s’excuse  du report d’un envoi de dagues en fer. Le manque momentané de la  matière première appropriée empêche la fabrication  de fer de bonne qualité et  il donnera des ordres pour que cette fabrication soit reprise à une époque plus favorable. La référence à la  nature du minerai utilisé, montre que c’est au minerai que le fer sans doute de l’acier doit ses qualités (Pleiner 2000,  19-21). Un siècle plus tard,  la destruction de l’empire Hittite par les « Peuples de la mer » (Sandars 1981, 80-83) ralentit et ralentit la diffusion de la métallurgie du fer vers le Moyen Orient et la Mer Noire .

 

      Chalybes figure 1

   

 

En 1730, Bruzen de la Martinière, géographe «moderne»  situe  le peuple des Chalybes  au sud-est  de la Mer Noire, en trois endroits à vrai dire voisins  mais  différents suivant les auteurs anciens auxquels il se référe :  Hérodote,  Xénophon, Pomponius Mela…  (Bruzen de la Martinière 1730, 489-491). En fait, pour le géographe d’aujourd’hui, l’Anatolie reste   un espace complexe où il  doit faire face à d’incessantes modifications territoriales dues aux changements historiques, aux dominations successives et aux nombreux mouvements de populations. (Rottier 2010, 4)

 

Après la légende et  l’histoire…

 

A ce jour, les archéologues n’ont pas découvert de sites de production du fer qu’ils puissent attribuer aux Chalybes. Compte-tenu de la difficulté à situer ces derniers dans le temps et l’espace, il faut se demander si de tels sites n’existeraient pas chez les peuples contemporains qui ont été leurs voisins.

 

En premier lieu les Hittites auxquels la tribu des Chalybes avaient été  liée dans une confédération . Les grecs anciens pensaient que les Chalybes avaient  découvert  la métallurgie du fer et l’avaient  transmise  aux Hittites (Thomson 1948, 18). On notera à ce sujet que le grec Halybes, autre ethnonyme pour  Chalybes, découlerait du Hittite « Khali-wa », terre de Halys, autre nom du fleuve Thermodon (Allen 1910, 315). Autrement dit les Chalybes devraient leur nom au territoire qu’ils occupaient au sud-est de la mer noire. La  carte de l’Anatolie ci-dessous montre en effet que l’une des zones de peuplement Hittite était située dans une boucle du fleuve  Halys, à proximité  du Pays des Chalybes.   Tsetskhladze , The Greek Colonisation of the Black Sea Area, , 1998, 74.

En second lieu la Colchide que l’archéologie associe à l’Anatolie pour en faire au premier âge du fer

la zone initiale de développement de  la métallurgie du fer en Eurasie (Pleiner 2000, 21).

Pour les grecs, la Colchide était le pays des Aëtes (nom grec des Colches) et des Mèdes et la légendaire  destination des Argonautes. Elle s’étendait, dès l’Age du Bronze moyen,  sur l’ouest de la Géorgie et le nord de la Turquie modernes, englobant peut être au sud une  partie du pays des Chalybes. Les points extrêmes étaient au sud Trabzon (Trébizonde) et au nord la région de Phasis.

Pendant les deux derniers millénaires BC,  l’histoire de la  Colchide est très agitée. Attirés par ses richesses naturelles et les matériaux fabriqués par les Colches (Dundua 1999, 114),  elle est envahie successivement par les Assyriens, le peuple d’Urartu, les Scythes, les Perses achéménides, le peuple du Pont (le Pays des Chalybes) avant de tomber en 63BC  sous la domination de Rome. En 750BC Les Milésiens y fondent leurs premières colonies et cent ans plus tard  les Grecs sont de plus en plus présents en Colchide  

 

Selon certains auteurs, la métallurgie du fer  aurait été pratiquée en Colchide dès la fin du deuxième millénaire BC  sur plusieurs sites   (Khakhutaishvili 1976, 1987, 2001,  2009), (Pleiner 2000, 38) ; une  affirmation discutée par d’autres  faute de pouvoir préciser  la nature de la métallurgie, cuivre ou fer,  pratiquée sur les sites en question  (Veldhuijzen 2007, 1).

Pour d’autres  archéologues en effet, la métallurgie du fer n’aurait été introduite en Colchide que vers 700 BC à la suite d’incursion scythes (Tsetskhladze 2007 ). Un site important  de métallurgie du fer fonctionne  à Saïrkhè vers le 600-400BC (Lordkipanidze, 1990, 214).

L’apparition de la  métallurgie du fer en Colchide comme au royaume d’Urartu (Pleiner 2000,16),  est donc  plus tardive  qu’au pays  des Chalybes ou chez les Hittites.

  Chalybes figure 2

 

 

Le report sur la carte de l’Anatolie  du pays des Chalybes,  des zones de peuplement hittite,  de la Colchide et du royaume d’Urartu , est révélateur de la situation relative de ces zones et lorsqu'elles sont connues  de la date d’apparition de la métallurgie du fer.

 

 Il n’y a pas d’évidence archéologique de production du fer au pays des Chalybes et au royaume Hittite ; pour ce dernier par contre les textes et la présence d’objets en fer permettent de situer vers 1400BC l’apparition de la métallurgie du fer.

Le constat est le même pour le royaume d’Urartu où le développement de la métallurgie du fer est attestée par des trouvailles d’objets en fer et qui, à la recherche de ressources minérales s’est développé vers le nord et la  Colchide (royaume de Quilhi).  Ce dernier épisode semble plaider  pour le schéma le plus tardif de l’apparition du fer en Colchide : les quatre sites de production du fer présumés comme ayant fonctionné  vers 1000BC  sont situés plus au nord de la zone de Quilhi, au nord et au sud de Phasis.  La  redécouverte des Chalybes forgerons. 

 

Strabon (58BC-21AD) , géographe grec né  à Amysia à la frontière du  Pays des Chalybes , consacre aux Chalybes un chapitre de sa Géographie  (Livre XII, 3). Il décrit les Chalybes, vivant de la pêche  et de la métallurgie du fer entre la mer et la forêt riche en mines de fer (jadis argentifères)  sur un littoral très étroit  jusqu’à Pharnacia.  Au  7ème siécle AD, on travaille encore le fer et le cuivre  près d’Unieh mais la production décline. (Lombard 1974). En 1404 AD,  Clavijo, ambassadeur du roi d’Espagne voit à Unieh, quelques petites forges le long de la côte  qui fabriquent du fer à partir du fin sable noir rejeté par la mer (Clavijo 1928, 108).

 

En  1835, le géologue anglais William John Hamilton fait un voyage géologique qui le conduit sur les bords de la Mer Noire. A la mi juillet, il suit  la côte de Trébizonde à Sinope. Les habitants  n’ont que de  vagues informations sur l’extraction du minerai de fer dans la région  et c’est  à sa curiosité et sa persévérance qu’il doit  de retrouver le pays des Chalybes. Il raconte sa découverte dans un livre publié en 1842 et plusieurs fois réédité. Les  pages dans lesquelles il raconte sa rencontre avec les forgerons lointain descendants des Chalybes sont citées plus loin .

 

C’est par référence aux auteurs classiques qu’il connaît et cite souvent dans son récit, qu’arrivant au Cap Jason Hamilton entre  dans le pays des Chalybes  (fig.3). Il note le changement brutal de la structure géologique du pays traversé

      Chalybes figure 3

 Figure 3.

 

Il cherche sans les trouver les fameuses mines de fer. Par contre  il est frappé par le changement de la structure géologique du pays .  Les roches volcaniques et trachytes qu’il observait depuis  Trébizonde ont totalement disparues remplacées par des collines de craie et de graviers inclinées vers l’ouest et  couvertes d’une végétation  luxuriante. Il traverse une rivière puis une autre, ramasse sur le rivage de beaux échantillons de jaspe et d’agathe.  Les falaises basses sont formées de lits alternés de chaux rouge et blanche surmontés par un couche alluviale riche en  galets. A quelques miles  d’Unieh, ces falaises s’arrêtent sur une plaine arrosée par l’ancien fleuve Phygamus. Un mile plus loin il remarque dans la falaise une coupe de terrain  remarquable  .et en prend un relevé (figure 4) . Au dessus du calcaire rouge et blanc, une couche de marne contient des morceaux angulaires de jaspe ; elle est stratifiée par des lits de jaspe strié et ondé dont on il  trouve de gros morceaux sur la plage.

Il cherche à se renseigner sur les fameuses mines de fer qu’il attendait à trouver mais sans succès.

Désappointé il reprend son chemin vers Unieh… 

 

 

 

Friday, July 15.-Having procured horses and a guide I started for the mountains five miles off to the S.S.E,, where I was to be conducted to an iron-mine. After ascending a narrow winding valley through the limestone rocks we reached the summit of the hills, where I observed many black tents of Turcomans, or Kurds, of whom my Suriji said there were many in this neighbourhood.

Proceeding in the same direction, the guide was soon at fault, and committed himself to the direction of a woman whom he met; she led us by a winding road, through thick natural woods and tangled coppices, to a sequestered spot, where we suddenly found ourselves in the presence of two men who were concealed amongst the bushes and who, after a considerable parley, which I did not understand, got up and led the way.

I thought myself in for an adventure; they would have had no difficulty in making me their prey, had they been so disposed; however I followed, and they soon brought me to a rude forge and hut, constructed of branches and trees. Here they spread a carpet, and invited me to be seated, and to partake of their humble fare. I had brought no me, and it was some time before they could be made to understand that I wished to see the mines from whence the iron-ore was extracted.

To this they replied that there were no mines, but that the ore was found everywhere about the hills near the surface. This they proved by scraping up the soil near their hut with a mattock, and collecting small nodular masses, which I understood was the form in which it is universally found in this district. The soil is a dark-yellow clay overlying the limestone rock to a thickness of two or three feet, and probably more in the hollows. The ore is poor, and the miners, like the Chalybes of old, must lead a hard and laborious life; they are at the same time charcoal-burners, for their own use; removing their huts and forges to a more productive spot, as soon as they have exhausted the ore and consumed the wood in their immediate vicinity. I thought myself highly fortunate in thus meeting with these primitive miners; the life they lead and their mode of working agreeing so closely with the vivid description which Apollonius Rhodius has left us of the Chalybes, in his account of  the Argonautie expedition: Virgil also alludes to the existence of iron in the country of the Chalybes; in juxtaposition, too, with the productions of Pontus; and yet the real site of the Chalybes has ever been a subject of doubt amongst modern geographers.

It may not, however, be quite undeserving of notice that the ore found on this spot, the abode of the oldest miners mentioned in profane history, or even alluded to by the earliest traditions, should occur precisely in such a manner, and under such circumstances, as most readily to attract the attention of a rude and ignorant people.

The mode of extracting the iron is however very slow and laborious; the ore is smelted in a common blacksmith's forge, in which 180 okes (552 kg) of the rude material produce three batmans or pigs of metal (18.4 kg.), weighing six okes or thirteen pounds and a half each ; consequently the ore only yields ten per cent of metal, and to procure this small quantity 300 okes of charcoal are requisite. The blast of the furnace is kept up for twenty-four hours, during which time the mass must be constantly stirred, and the scum and scoria raked off, after which the melted iron is found at the bottom, which, from the specimen I saw, appeared of a very good quality. Having no interpreter with me, I had some difficulty in ascertaining even these particulars. All the iron is sent to Constantinople, where it is bought up by the government, and is in great demand. Returning to Uniéh, we passed the remains of several forges in places where the ore had been completely worked out, and where the ground was strewed with ashes…(Hamilton 1842,  reprint 1984, 271, 274-279)

 

 

 

1. Redécouverte du  Pays des Chalybes .

 

Le Pays des Chalybes redécouvert par Hamilton est un pays qui depuis 2500 ans   s’est transformé sous l’effet de l’érosion .

Entre Le cap Jason et la ville d’Unieh,  les faibles apports de nombreux  petits fleuves côtiers, à faible débit en saison humide et à sec l’été ont permis le maintien d’une étroite plage littorale et de la forêt Pontique dans son état originel

  Cette forêt caractérisée par un ubac  humide se développe sur des collines qui s’élèvent rapidCeement. La végétation y est méditerranéenne et l’été d’une moiteur étouffante. (Charre 1974, 193-202). L’abondance végétale y est extrême et la roche n’affleure jamais . Dans l'arrière-pays d'Unieh, où la montagne s'abaisse considérablement, se développent suivant l’exposition, le degré d’humidité  et l’altitude : des aulnaies, chênaie-charmaies,  hêtraies, châtaigneraies, rhodoraies, l’'épicéa étant rejeté vers les sommets. Le navigateur qui longe la côte aperçoit des rivages et un pays intérieur couvert de denses forêts. (Beauchamp 1796,116)

Au-delà d’Unieh à Synope, deux fleuves importants débouchent dans la Mer Noire : le Yesilrmak à la Pointe Iris (ancien Thermodon), et le Kyzilrmak au Cap Bafra  (ancien Halys). Ils ont pris naissance sur le plateau anatolien et traversé par des brèches la chaîne Pontique. A leurs embouchures, des plaines littorales se sont formées par apport d’alluvions, expliquant selon certains, les ajustements successifs, d’un siècle à l’autre, du profil de la côte  par les anciens cartographes.  

 

Hamilton retrouve donc entre le Cap Jason et Unieh un cadre naturel, forêt dense et plage étroite, dans doute très semblable à celui qu’ont connu les Chalybes. Pendant 2500 ans, le jeu des mécanismes naturels (précipitations, érosion, absence de marée et dépôt de sédiments le long des côtes  ont conservé  ce cadre. Des recherches archéologiques récentes montrent qu’à l’est de Sinope, le relief sous marin conserve également le souvenir du paysage ancien: jusqu’à 200 mètres de profondeur des canyons ouverts dans la barre de dépôts littoraux prolongent les éboulis  des vallées côtières actuelles rappelant le cours anciens des fleuves littoraux.  Au-delà de, la Mer Noire plonge brusquement à plus de 1500 mètres (Hiebert 2001, 18).

 

A ces mécanismes naturels s’ajoute  les forces tectoniques qui s’expriment  en permanence depuis des millémaires et modifient lentement mais de façon continue la paysage. La poussée de la plaque arabique  qui  s’exprime vers l’ouest de l’Anatolie au-delà  de Samsun (Mualla G.C. et al.), et frontalement vers le Nord  entre Samsun et Trabzon. La  poussée tectonique  repousse le massif des  Taurides et la chaîne des Pontides vers la Mer Noire dont elle avait  soulevé les fonds en découvrant des  rivages recouverts par la mer aux temps géologiques et  qui aujourd’hui s’y éboulent.  A terme, a poussée de la plaque arabique effacera la concavité qu’offre à  cet endroit la côte de la mer Noire et Trabzon se retrouvera un jour à la latitude de Poti. D’un millénaire à l’autre, Le pays des Chalybes disparaît.    

Aujourdhui, une route européenne longe la côte de Sansun à la frontière Géorgienne  parallèle à celle qu’a suivi Hamilton Difficile à construire, critiquée quelquefois  pour ses atteintes aux paysages traversés,  elle est fort utile  aux habitants de la région.

 

2. Hamilton à la recherche de mines de fer.

 

Sur sa route,  Hamilton, qui est à la recherche des mines de fer du pays des Chalybes, avait peut-être vu à  l’est de Trébizonde le gisement  de minerai de fer rocheux qui sera exploité cent ans plus tard (Karajian 1920, 171). A Kerasun, il visite les restes d’une mine désaffectée  peut-être le gîte de Fol Maden jadis  exploité par les Byzantins (Pitarakis 1998, 164) ; qui avaient aussi extrait  du minerai de fer superficiel alluvionnaire au Cap Jason. Il savait sans doute qu’en 1404 les habitants d’Unieh  ramassaient sur la plage du sable noir  pour en fabriquer du fer (Clavijo 1928, 108). Mais ce n’est pas le minerai que travaillent  les forgerons qu’il rencontre.

 

 Le minerai travaillé par les forgerons que rencontre Hamilton près d’Unieh, se trouve partout dans les collines, en surface, en   petites masses nodulaires dispersées  dans  une couche d’argile jaune foncée de deux ou trois pieds reposant sur une roche calcaire.

On pourrait penser au  minerai sidérolithique superficiel également en nodules mais plus gros (jusqu’à 20 voir 100 cm) englobés dans l’argile rouge,   qu’on trouve  dans les régions pénéplanées calcaires ou siliceuses (Bubenicek, 1969, 14). Mais la géologie locale empêche la confusion. Une coupe stratigraphique de l’Anatolie de  Terme à Sivas  par Unieh, révèle sous une couche superficielle néogène continentale une succession  des couches  volcanogènes éocène et crétacé  inclinées de la chaîne Pontique vers  la mer Noire (MTA, 1966, 66).  

De même, Il est difficile sans en connaître plus   de  confondre ce minerai nodulaire  avec les sables ferrifères marins signalés  par les voyageurs. On ne peut écarter toutefois  l’hypothèse d’une origine commune : les sables marins étant formés par l’entraînement vers la mer des élèments du sol les plus fins et  le mélange de ceux-ci  aux  morceaux de magnétite apportés par les fleuves côtiers.

 Nous disposons d’une analyse de  sable marin de la région d’Unieh (Tylecote 1992, 48-49) : pauvre en métaux (fer et manganèse), ce sable n’a rien de commun avec la  « vena chalybis», la « mine d’acier » dont on tirera de l’acier au XVIIIème.

 

Ainsi, le minerai de fer qu’Hamilton voit travailler ne se rattache à aucun type connu de minerai de fer. C’ est un minerai  pauvre, se présentant en petites masses nodulaires ramassées en grattant le sol avec une pioche, autour d’un chantier mobile, hutte et foyer de réduction : des conditions de collecte difficiles  qui  amènent Hamilton à se poser la question de savoir comment  les Chalybes du premier âge du fer  avaient pu   le découvrir .

 

 

3. Nature du minerai de fer traité au Pays des Chalybes : de 1500BC et au XIXème siècle 

 

Le  minerai qu’Hamilton voit traiter  donne un fer apprécié  à Constantinople. Se présentant en petites masses nodulaires, c’est un minerai pauvre.

Se posent donc trois questions : - Les forgerons d’Unieh fabriquent-ils de l’acier ?,               - comment se sont formés les nodules de minerai de fer, - comment faire de l’acier à partir d’un minerai pauvre ?

 

Les forgerons d’Unieh fabriquent-ils de l’acier ?

Cinquante ans avant qu’Hamilton entreprenne son voyage, un Traité sur le commerce de la Mer Noire  (Charles de Peysonnel, 1787) renseigne sur le commerce du fer et d’acier des ports qui encadrent le Pays des Chalybes (Rizé et Sinope). Rizé à 60  kilomètres de Trébizonde importe du fer en barres et des fers à cheval  de Roumélie (zone des Balkans sous domination ottomane).  Les fers à cheval de fabrication locale  ne durent pas et se rompent très vite. On y consomme aussi par an  cinquante à soixante caisses d'acier recherché par les nombreux et renommés  armuriers et couteliers locaux qui fabriquent des armes blanches, des sabres, des  grands couteaux appelés yatagans à tranchant en acier, et des couteaux ordinaires, Le commerce d’entrée de Sinope est de  cinq à six caisses d’acier, cinq à six mille quintaux de fer et mille assortiments de fer à cheval. La provenance de l’acier importé par Rizé et Sinope n’est pas indiquée.

Au début du XVIIIème, la sidérurgie ottomane exploite le minerai de Kerch dont la qualité souffre de la présence de phosphore, soufre et arsenic (B.Schomchynsky, Encyclopedia of Ukraine). En 1830, lors de la conquête de l’Algérie, les français ont découvert à l’arsenal d’Alger alors sous domination ottomane  des vieux boulets de canon en fonte à 1-1,5% de carbone et 10-30% d’arsenic (Percy 1864, II I, 74-77). Ces conditions difficiles  expliquent sans doute pourquoi le fer produit à Unieh lors du passage d’Hamilton était apprécié jusqu’à Constantinople et acheté par le gouvernement ; c’est un fer de qualité, très probablement de l’acier.

 Aujourd’hui la sidérurgie turque ne traite des ferrailles importées, les ressources nationales en minerai de fer  d’accessibilité difficile ne sont pas exploitées pour l’instant.  

 

Comment se sont formés les nodules de minerai de fer ?

Comme tout géologue le fait pour apprécier la densité d’un minerai, Hamilton a évidemment soupesé les nodules ramassés par les  forgerons d’Unieh. Leur densité  devait être faible : sans connaître sa composition, il a noté  que le  minerai était  pauvre.

Pauvre comme le sable ferrifère de la Mer Noire ramassé en face d’Ordu et d’Unieh,  minerai très pauvre (15 % de Fe203), dont la réduction facile donne un laitier à basse teneur en FeO (56% de SiO2, 37% de Ca0 + MgO, 7% de Al2O3), fusible à 1200-1300°C (Mac Conchie 2004, 43).

Calculée à partir de sa  composition, la  densité  du sable ferrifère est de l’ordre de 3. Sa nodulisation donnerait des nodules de densité 2 identique à celle des nodules polymétalliques très poreux (50%)  déposés  dans les fonds océaniques  (Académie des Sciences France 1984, p 64).

Ainsi les nodules qu’Hamilton a vu travailler pourraient résulter d’une sédimentation marine. 

On a lu plus haut,  qu’à son arrivée au pays des Chalybes, Hamilton avait remarqué dans la falaise deux couches stratifiées de galets de  jaspe (figure 4). 

 

 

    Chalybes figure 4

 

Les observations d’Hamilton justifient donc l’hypothèse d’une origine marine des nodules-minerai de fer et d’un pays des Chalybes formé par le soulèvement du fond de la Mer Noire originelle lors de la formation des Pontides  (Yilmaz Y. 2007, 537-569). Au-delà de la région charnière d’Unieh-Sansun, la poussée frontale de la plaque arabique est déviée du nord vers l’ouest.

 

Les  nodules dont les forgerons d’Unieh extraient le fer sont-ils des nodules de jaspe ? Quel est le minéral qu’Hamilton appelle jaspe ?

Les encyclopédies  modernes en parlent au pluriel comme de pierres diversement colorées connues depuis la plus haute antiquité : les  premières découvertes archéologiques de jaspe remontent à l’époque des Hittites. Les jaspes se forment dans des bassins sédimentaires par précipitation de la silice ou par accumulation  de squelettes de micro-organismes à structure siliceuse (radiolarite). Les jaspes contiennent en proportions variables (jusqu’à20-25%) des oxydes d’éléments métalliques comme le fer et le manganèse ainsi que des minerais argileux. Ils se présentent en bandes ou en strates dont l’épaisseur varie de quelques millimètres à quelques mètres (Atlas des Pierres et Minéraux 1998). Lorsque le jaspe est une radiolarite il a une couleur rouge violacée liée à la présence d'oxydes de fer, il se présente en bancs réguliers en alternance avec des lits d’argile  Ces roches constituent souvent la couverture sédimentaire d’ophiolites. Ces  ophiolithes sont des   lambeaux du plancher de la Mer Noire originelle  soulevés lors du surgissement des Pontides  et retrouvés dans les montagnes d’Anatolie et sur les plages du pays des Chalybes

Au XVIIIème, Buffon explique que le jaspe est comme le quartz un verre primitif plus ou moins pénétré de fer et  d’autres matières métalliques qui le colore,  et de feldspath qui lui donne une fusibilité comparable à celle de « nos  verres factices » (Histoire naturelle des minéraux, tome I,21).

A la même époque, on dit à Saint-Petersbourg que le vrai porphyre a du jaspe pour base et que  ses tâches sont de feldspath lui-même est composé d’une terre molle argileuse et de grains de quartz (Académie des sciences. Russie, 1788, 178)

 

Les observations d’Hamilton justifient donc l’hypothèse d’une origine marine des nodules qu’il a vu convertir en fer réputé jusqu’à Constantinople.

Le  pays des Chalybes s’est formé  par  soulèvement du fond de la Mer Noire originelle lors de la formation des Pontides  sous l’effet de  la poussée frontale de la plaque arabique (Yilmaz Y. 2007, 537-569) sur un étroit piedmont entre le cap Jason et Unieh. Sous l’effet de précipitations abondantes, les produits de l’érosion du sol  du versant d’ubac, drainés vers la mer  par quelques petits fleuves côtiers se sont déposés en cordons littoraux de sables ferrifères qui ont donc la même origine que les nodules travaillés par les forgerons de la forêt Pontique, justifiant l’hypothèse d’une composition voisine des sables et des nodules. 

Le pays des Chalybes est limité  à la région Cap Jason-Unieh ; à l’Est du Cap Jason, les  Pontides  arrivent à la mer ; à l’Ouest d’Unieh. les grands fleuves anatoliens Thermodon et Halys ont débouché vers la mer  créant de vastes plaines littorales. La poussée tectonique s’exerçant de plus en plus vers l’ouest,  la  région côtière Cap Jason-Unieh est la seule sur laquelle les fonds marins ont pu se déposer

   

 

Comment tirer  de l’acier d’un minerai pauvre ?

si Hamilton est un géologue confirmé, ses connaissances en matière d’extraction directe du fer  de ses minerais sont sans doute limitées. C’est sans doute la raison pour laquelle  Il évoque  la description du procédé beaucoup plus sophistiqué que  le major Robertson a vu mettre en œuvre à Tabriz en Perse. (Robertson 1840, 296). Le chantier qu’Hamilton visite sans interprète près d’Unieh,  est très rustique et le compte-rendu qu’il fait de sa visite est très succinct.

Le procédé d’extraction du fer est lent et laborieux.  L’opération dure  24 heures et produit 18,4 kilos de métal. Elle nécessite la consommation de 180  kilos de minerai dont le rendement  est donc très faible, 10% environ.  La consommation de charbon de bois que les forgerons fabriquent sur place est de 306 kilos. Le fourneau est un foyer de forge classique. Hamilton ne donne pas d’indication sur l’installation de soufflage d’air qui travaille à faible débit (80 litres minute environ). La masse est remuée et la scorie évacuée  pendant toute l’opération à la fin de laquelle le fer est   recueilli au fond du four. Ce fer  de bonne qualité selon Hamilton, est très recherché ; il est envoyé à Constantinople et acheté par  le gouvernement. Après sa visite,lors de son retour à Unieh, Hamilton remarque les emplacements reconnaissables au mâchefer qui jonche le sol  de plusieurs sites de forges autour desquelles le minerai a été complètement extrait et travaillé.  

 

La «forge» que voit  Hamilton n’est  sans doute qu’un simple trou  creusé dans le sol et rempli de charbon de bois, l’air de combustion y étant  introduit par une tuyère disposée latéralement et pénétrant en oblique  dans le  charbon.  Un  faible débit de soufflage (environ 80 litres/minute)  limite le volume de la partie oxydante de la zone de combustion.  Les forgerons qui fabrique eux-mêmes  le charbon de bois peuvent utiliser  les essences de bois durs, chêne notamment, abondantes dans la forêt pontique. 

Le chargement séparé et dissymétrique de ce type de  fourneau de réduction,  charbon d’un côté, minerai de l’autre, permet de faire pénétrer le  gaz de combustion, chaud et réducteur,  à la base de la couche  de  minerai qui subit de haut en bas  un grillage réducteur très poussé qui réduit et carbure le fer, puis l’échauffement nécessaire à la fusion des scories et leur séparation d’avec le métal    qui s’accumule progressivement au fond du fourneau. L’abondance des  scories nécessite  pendant toute l’opération,  un ringardage de la charge et leur extraction. Le faible volume de la partie oxydante de la zone de combustion et les chargements séparés du charbon et du minerai  permettent dans ce type de fourneau,  exploité en Méditerranée jusqu’à la fin du XVIIIème (forge catalane),  de limiter au maximum la décarburation et la réoxydation du fer réduit.

Le rendement en fer est très bon, exceptionnel pour une réduction directe.

 

Si l’on admet pour les nodules l’ analyse donnée par R.F. Tylecote (Anatolian Studies 1981) pour le sable ferrifère soit   14.4% de FeO et 0.35% de MnO et 45.3% de SiO2, 16.2% de CaO, 11.7% de MgO

Sur la base des éléments de  bilan matière fourni  par  Hamilton : -184 kilos de nodules et 306 kilos de charbon de bois  chargés et  -18.4 kilos de fer produit , un calcul de simulation du process est possible.

 Il faut pourtant  ajouter à cette analyse et aux éléments de bilan une donnée essentielle: la très longue durée de l’opération pendant laquelle l’action des fondeurs est permanente.  The blast of the furnace is kept up for twenty-four hours, during which time the mass must be constantly stirred, and the scum and scoria raked off, after which the melted iron is found at the bottom…”).

 

 Sa composition  rend très fusible le minerai: pour 45 3% de silice, il contient 42.6% d’oxydes métalliques (FeO+MnO) et  de fondants calcaires (CaO+MgO) . Cette composition impose une très longue durée d’opération pour permettre avant toute fusion une réduction complète de FeO et MnO et la carburation de la phase métallique formée :   le métal final obtenu après fusion en atmosphère la plus réductrice possible de la scorie restera carburé. Si l’on admet que le métal  final est  un acier à  0. 6% de carbone et 99.4% de fer, le rendement fer de l’opération (ou le taux de réoxydation du fer réduit) sera de 92%. Ce rendement serait de 86% si la teneur en carbone du métal était de 0.4%.

La scorie finale est à la fois bien fusible  et peu décarburante. La teneur et la composition des cendres du charbon de bois étant estimées, la production de scorie donnée par le calcul de simulation  est de  184 kilos d’analyse %  SiO2:54.3, CaO:26.0,  MgO:11.4,  Al2O3:5.9,  FeO:1.4,  MnO:0.4.

Si l’opération avait été conduite très rapidement, le rendement en fer aurait été très faible et la teneur en FeO beaucoup plus élevée de la scorie finale aurait empêché la formation d’acier.  

 

Ainsi, grâce à la nature très particulière du minerai de fer  traité  et surtout à leur grand savoir-faire, les forgerons d’Unieh produisaient un  fer  « qui était acier »...

 

... et cette étude n’aurait été qu’un exercice d’archéologie imaginaire comme était poétique la géographie d’Eschyle, si le géologue, J.R. Hamilton n’avait pas vu en 1830 au « Pays des Chalybes » fabriquer par réduction directe un fer apprécié jusqu’à Constantinople. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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26 septembre 2011 1 26 /09 /septembre /2011 02:23

Histoire des fers « qui étaient acier »

      Du premier âge du fer à l’acier moderne. 

 

 

 Fusion du fer Indien qui est l’acier.. "Prends de la scorie d'acier et mets dans un creuset. Projette dessus du soufre et du sulfure d'arsenic". Fais fondre sur des charbons, et coule quand tu voudras ». (Bolos de Mendès ~200 BC)

 

 Ces fers recherchés et   relativement rares ont permis aux   civilisations, cultures,  territoires,  régions, organisations politiques  royaumes, empires, républiques… qui en maitrîsaient la fabrication, le grand avantage, de pouvoir  fabriquer outils et armes de toutes sortes,  de s’équiper et  de commercer  avec des sociétés moins favorisées du métal brut en lingots et de la quincaillerie.

 

Archéologiquement et historiquement attestés, ces fers qui « étaient acier »  ont d’abord été fabriqués « directement » dans des  four à réduire le fer (Guillaumet  1996, 26) ;  puis, quand la demande de fer a augmenté , « indirectement », par affinage pour réduire leur teneur en carbone, de  fontes  produites au haut fourneau à partir de minerais de fer particuliers, souvent désignés comme  mines d’acier. L’histoire de ces fers  se termine au XIXème siècle avec l’invention des procédés modernes qui permettent de produire à coup sûr de l’acier à partir de tous les types de fontes de fer.

 

 Le problème auquel nous cherchons une réponse est de savoir si ces fers « qui étaient acier »  devaient  cette  propriété à l’emploi d’un  minerai spécial ou au savoir faire exceptionnel du fondeur. En  fait ces deux conditions étaient simultanément  requises, mais leur importance relative a évolué dans le temps  quand  la demande globale de fer a augmenté.

 

 Remplacer le bronze par le fer

 

La civisation celte  a développé successivement les deux métallurgies, bronze et fer, de l’Europe continentale à l’Europe atlantique. Son histoire commence à la fin du  Bronze final quand commence le  premier âge du fer européen et s’étend sur huit siècles . La civilisation celte  bénéficiait  de ressources naturelles minérales exceptionnelles : minerais de cuivre et surtout d’étain indispensable au bronze, minerais de fer en abondance et gîtes polymétalliques comme le Harz  (Klappauf 2010)

 

Les  fondeurs celtes trouvaient dans ces  derniers minerais de cuivre et d’étain et  minerais de fer hématite ou spathique manganèsifères  (de Bonnard 1822,67-68). La métallurgie du fer naissante a ainsi bénéficié des acquis des technologies du cuivre et du bronze : rôle du fer dans le traitement des minerais de cuivre, fusion réductrice due à l’utilisation de charbon de bois, utilisation de creuset puis de fourneaux  alimenté en air par tirage naturel puis forcé par soufflet (Craddock 2000, 151)...

 

Très étudiée par les archéologues et historiens, elle est connue  de manière  suffisamment détaillée  pour que la fabrication et le travail  du fer soient largement traités (Guillaumet 1996, 12-17).

 

Pendant la période de Hallstatt (750-450BC),  Il semble que la fabrication du fer « qui était acier » ait  précédé celle du fer malléable :  pour 88 sites archéologiques répertoriés, on relève  49  types  d’objets  en « fer »  dont douze ont nécessité de l’acier pour leur fabrication (épées longues halstattiennes), trente du fer plus ou moins carburé,  et sept seulement du fer malléable (Truffaut, Objets celtes, 22)

 

C’est à partir de 450 BC et la période de La Tène,  que les forgerons celtes ont innové et démontré leur extrême habileté,

 

 dans le travail du fer plus ou moins carburé (ferrure des chevaux, tonnellerie, bandage de roues des chars) et celui  du fer malléable (éléments de bouclier: umbo et  orle, cotte de mailles, fourreaux et chaînes de suspension d’épées) : « la tôle de fer épurée est devenue l’objet des recherches majeures de l’artisanat du début du Vème s. » (Rapin 2000, 66-75) .

 

 A la fin du IIIème siécle BC,  la civilisation celte est  fondée sur une économie de production et d’échanges. Dans les Oppida, premières villes de l’Europe tempérée, l’artisan  joue un rôle primordial fabriquant en série pour un  marché ouvert sur de vastes territoires et  le commerce avec des pays lointains. (Guillaumet 1996, 13)

 

 Le tableau suivant qui  rassemble quelques données sur les propriétés mécaniques du bronze, du fer doux et de  l’acier, montre que le forgeron du premier âge du fer  pouvait apprécier et comparer  la dureté, la capacité de déformation  et la résistance des  métaux qu’il travaillait. 

Il explique surtout pourquoi, « né d’une nouvelle technologie » le fer a aussi rapidement remplacé le bronze  

 

 

Métal

Résistance

Allongement

Dureté

1

Bronze moulé

12

 

60

2

Fer doux (moins de 0.10% de C

15

 

70

3

Fer à 0.10% de C

41

31

 

4

Acier à 0.60¨% de C refroidi à l’air

23

 

100

5

Bronze à 10% d’étain

27

20

 

6

Bronze mi-dur martelé :  réduction d’épaisseur 10%

28

 

120

7

Bronze dur martelé : réduction d’épaisseur 40%

38

 

180

8

Acier à 0.60% de C trempé

38

 

180

9

Acier à 0.60% de C trempé et martelé

45

 

220

10

Acier à 0.60% de C

74

19

 

11

Acier à 0.80% de C refroidi à l’air

55

 

260

12

Acier à 0.80% de C trempé

130

 

620

 

 

Données provenant de sources (modernes)  diverses :

 - Diagrammes : pour le fer et l’acier : Barraclough 1984-1, 3 (n°4,8,9,11,12)

                          pour le bronze   Mohen 1990,98 (n°1,6,7)

 - Déterminations sur éprouvette : pour le bronze, :Boucher 1967, 116 (n°5)

                                                      Pour le fer et l’acier : Cazaud 1957,118 (n°3)

l’Age du fer Romain.  

 

En écrivant que Jules César avait conquis  la Gaule avec le fer des romains et asservi la république avec l'or des Gaulois, Plutarque commet une erreur historique : le fer dont César arme ses légions pour partir pour la conquête de la Gaule, n’est pas romain , il lui est fourni par son ami le roi du Norique. Par contre Il faut lui donner raison sur la ruine de la  Gaule : en 21 AD , épuisée sous la dette, elle n’a plus les moyens d’une armée et lorsque, révoltés, le trévire Florus et l’éduen Sacrovir rassemble des troupes, un homme sur cinq seulement est correctement équipé (Roman 1997, 605).

 

 La réalité est plus complexe. Au début du Ier siècle BC, la métallurgie du fer est prospère en Gaule . A Rome au contraire, depuis la soumission de l’Etrurie   et le senatus-consulte  souvent cité par Pline,  l’exploitation des mines métalliques est interdite en Italie. La  métallurgie du fer y est inexistante et en 140 BC, Rome cherche toujours  la route de l’étain (Roman 1997, 188). Certains  archéologues datent d’ailleurs l’Age du fer romain à la naissance de l’Empire en 36BC (Tylecote 1992, 62)

 

L’avénement de cet Age du fer romain correspond à une évolution technique majeure de la métallurgie du fer : « Avec l’invasion romaine arrive une première industrialisation du fer …Les fourneaux sont plus puissants et plus volumineux . Là où les Gaulois produisaient cinq à six kilos de fer, les Romains en font cinquante d’un coup. Il y a des fourneaux partout» (Univ. Liège 2010,2).

 

En même temps, la qualité du métal baisse, la fabrication du fer qui est l’acier devient plus difficile , et le recours à un minerai spécial tend à l’emporter sur le savoir-faire du fondeur.

 

 Les fers « qui étaient acier » .

 

Le tableau suivant dresse la liste des fers « qui étaient acier » dont nous nous proposons d’étudier la fabrication dans des articles à paraître . La liste  n’en est pas définitive et peut  s’enrichir chaque fois que des données archéologiques ou historiques nouvelles permettent de distinguer suffisamment un fer en apportant de précisions sur la technologie de sa  mise en œuvre et de son utilisation pour la fabrication d’objets .

 

 Une première répartition des fers « qui étaient acier »  suivant les continents ou sous-continents où ils ont été produits montre que le plein développement de l’âge du fer ont été atteints vers 1500 BC en Anatolie et Colchide, puis successivement vers le sud et l’est de 1400 à 500BC en Mésopotamie, Proche Orient, Transcaucasie, Perse, et Inde, et vers l’ouest et le nord de 900 à 100 BC à Chypre, en Gréce, Est-Balkans est, Russie, Etrurie , Italie,  Ouest-méditerrannée, Europe centrale,  Balkans ouest, Europe de l’Ouest et   Europe du Nord. (Pleiner 2000, 21). L’afrique tropicale et équatoriale en 750BC (Mohen 1990, 212) Le Japon aurait connu le début de l’âge du fer en 700  AD (Tylecote 1992, 52) Dans certaines régions du monde la métallurgie du fer a connu un développement tardif, voir très tardif.  En Chine, le plein âge du fer ne commence  que vers  250 BC après un début en 512 BC avec la découverte de la fonte moulée (Tylecote 1992, 44). Les  continents nord et sud américains n’ont connu le fer que vers  1500 AD (Mohen 1990, 212).

 

En dehors d’une progressionde la métallurgie du fer  d’une région vers l’autre, la disponibilité en minerais de chacune de ces régions  mérite d’être considérée. Dans l’Antiquité, les minerais d’étain notamment ne sont présents qu’en Europe et en Asie du sud-est (Yunnan en Chine et Malaisie). La grande diversité de ses  ressources minières  (étain cuivre et fer) (Mohen 1990, 266 pour l’étain et le cuivre et Pleiner 2000, 37 pour la production du fer). explique sûrement la première place de l’Europe dans la liste des fers « qui étaient l’acier» .

 

Il faut rappeler pourtant  que la paléométallurgie du fer est une science très jeune et que les différentes parties du monde restent  pour l’instant inégalement auscultées

 

On trouvera ci-dessous la liste des fers « qui étaient acier » : elle reste provisoire  et demande à être prècisée  et notamment complétée pour les périodes récentes, du Moyen Age au temps moderne .

 

Liste des fers qui étaient acier

 

Afrique   

Fer de Meroe Nubie                                                                                       

Fer de Nok Nigeria 500 BC                                                                                            

Fer du pays Teke  Gabon XIXéme AD    

Asie                                                                                                                                              

Fer indien Inde 400 BC

Asie Mineure                                                                                                                                

Fer des Parthes Perse  600 BC

Europe de l’Est                                                                                              

Fer de Zolochovice Bohême

Méditerranée orientale

Fer des Chalybs Anatolie-Colchis1100 BC                                                                     

Fer de Sparte Grèce 700 BC                                                                             

Méditerranée centrale                           

Fer Etrusque  Etrurie 500 BC

Fer Romain 36BC                                                                          

Fer lombard Alpes italiennes 800 AD                                                                             

Méditerrannée ouest                            

Fer Ibèrique  Espagne 200 BC                                                                             

Fer arabe (el Andalus) Espagne 1300 AD                                         

Fer Basque Pyrénées                                                                                     

Fer Catalan Pyrénées                                                                                     

Fer Corse Corse                                                                                            

Europe centrale                                                                               

Fer des Celtes        Halstatt, Manching750 BC                                                                

Ferrum Noricum  Norique  450 BC                                                                  

Europe Ouest                                                                                                 

Fer des Bituriges Cubi Gaule               200 BC                                                              

Fer du Siegerland Siegerland 200 BC                                                                              

Fer du Sauerland Sauerland 1500 AD                                

Fer du Harz Harz  200            BC                                                                                    .

Fer Mérovingien  Gaule Belgique 800 AD                                                                      

Fer wallon Région Mosane1500 AD                      

Europe du Nord                                                                               

Fer de Suède Suède 100 BC                                                                                          

Fer Viking Scandinavie 700 AD                             

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

 

Edmond Truffaut

 

26 septembre 2011

 

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8 septembre 2011 4 08 /09 /septembre /2011 16:05

 

Histoire des  fers qui étaient  aciers.

Le fer des Bituriges Cubi

 

Singulari militum nostrorum virtuti cujusque consilia modi Gallorum occurebant, ut est summae solertiae, atque ad omnia imitanda atque efficienda, quae abquoque tradantur, aptissimum… .Et aggerem cuniculis subtrahebant, eo scientius, quod apud eos magnae sunt ferrariae , atque omne genus cuniculorum notum atque usitatum est. (Guerre des gaules VII, XXII)

              

Le fer des Bituriges Cubi doit sa réputation à Jules César, au géographe Strabon, et au poète gallo-romain Rutilus Numatiamus,. Il était exporté jusqu’en Italie où il concurrençait le fer du Norique (de Grosrouvre 1886, 311)..

 Au IV° siècle , la  Notitia Dignitatum .désigne Argentomagus (SO d’Avaricum capitale du pays des Bituriges comme la seule fabrique d’armes gallo romaine capable de fabriquer tous les types d’armes.

Cette réputation sous-entend donc  que les Bituriges étaient capables de produire aussi bien du fer malléable (umbo de bouclier, casque, cotte de mailes…), que du fer aciéreux prenant la trempe et de l’acier (pilum, glaive, épées, couteaux…) .

Mais cette  réputation ne semble pas avoir dépassé  le V°siècle. Les hauts fourneaux du Berry produiront du XVI° au XVIII° un fer apprécié mais sans plus. Le problème se pose  donc de savoir comment les Bituriges y sont arrivés. Disposaient-ils  d’un minerai spécial, ou maîtrisaient-ils un exceptionnel savoir-faire ?

 

Un minerai spécial ?

Un savoir faire se construisant  à partir des minerais disponibles, ce sont ces deux aspects  qu’il faut  examiner

 Au temps des Bituriges, trois concentrations de sites métallurgiques se dessinent  nettement, par ordre d’importance  : la région d’Argentomagus,  la forêt d’Allogny au nord de Bourges et  la forêt de Tronçais au sud est de Bourges (Laut 2004,

Au  XVI° siècle et jusqu’à leur fermeture après 1887, les sites métallurgiques berrichons équipés de hauts fourneaux se déplacent, vers les régions d’Issoudun et de Vierzon  au sud de Bourges, seuls des premiers sites historiques mais travaillant en rédution indirecte restent actifs  ceux  de la Forêt de Tronçais, et de l’extrême nord-est de la Forêt d’Allogny .

Chaillac est toujours cité mais pour la seule activité d’extraction de minerai de fer.

Au XIXème siècle, l’extraction des minerais de fer de Chaillac par les Aciéries du Creusot atteint son développement maximum : lle minerai très pur ne contient pas de phosphore.  La mise en exploitation intensive des mines de fer de Lorraine à la fin du XIXème  marque le début du déclin du bassin de Chaillac (Carroué 1980).

L’activité minière n’y cesse pas pour autant : de la fluorite et de la barytine sont découverts en 1920. La mise en exploitation de la fluorite est lancée par les Etablissements Schneider et reprise par les Aciéries de Paris et d’Outreau (APO) en 1936. La barytine sera exploitée  jusque au début des années 2000 et l’extraction de la fluorite par la Société Industrielle du Centre cessera en 2003. Alors, l’activité minière du bassin de Chaillac : fer, fluorite, baryte et un peu de manganèse aura duré deux millémaires.

 

Les gisements de minerai de fer du Berry  se répartissent  en minerai des bandes sidérolithiques, le plus abondant, d’Argenton à Châteauroux et Bourges , en minerai des formations crétacées autour de Vierzon et au nord de Bourges, en minerai des schistes micacés au nord de Montluçon (Dieudonné-Glad 1994,16).Ces minerais ne contiennent pas ou peu (0.6% max.) de manganèse (Dieudonné-Glad 1994, 293-297).

 Au XVIII°, on a essayé en vain de traiter des minerais de la région d’Issoudun à la forge catalane (de Dietrich 1786, 78).

La petite zone  de Chaillac, à l’extrême sud-ouest du Berry est exceptionnelle : on y trouve des minerais de fer dont l’origine est toujours discuté. En 1886, de Grosrouvre remarquait qu’on y trouvait également des  amas de minerai de manganèse pauvre en fer  complètement distincts des gisements de minerai de fer  lui même très pauvre en  manganèse. Sa remarque a été confirmée plus tard par  Ninkovic (1961) et Carroué (1980).

 

En conclusion, les minerais extraits  par la métallurgie du fer Berrichonne  du temps des Bituriges à l’époque moderne,  ne sont pas  des « mines d’acier ». Ce ne sont pas non plus les minerais manganèsifères, extraits au XVIII° dans le  Nivernais voisin,  qui traités au haut fourneau donnaient d’ailleurs par affinage  un fer dur plutôt qu’un véritable acier (Truffaut 2002, 131-133).

Le fer produit par les Bituriges devait-il  donc sa réputation à leur savoir-faire ?      

 

Un savoir-faire exceptionnel ?

 

La production du fer en pays Biturige. Deux zones : la forêt d’Allogny au Nord de Bourges et la région d’Argenton sur Creuse,

Les ferriers de la forêt d’Allogny ont révélé l’existence de deux sortes de scories les unes correspondant à la production de fer doux, les secondes à  la production de fer aciéreux (Vallois 1884,113). .

La région d’Argenton a été  étudiée plus récemment et de manière approfondie.  242 ateliers de réduction antiques y ont été repérés dont  l’atelier sidérurgique gallo-romain du Latté à .Oulches. (Dieudonné-Glad 2000,63-75)..L’approvisionnement en minerai de fer de cet atelier  était diversifié : en dehors des minerais locaux, on y traitait du minerai de Chaillac distant de 20 Klm. Deux procédés  était mis en œuvre correspondant à deux fours de type différents :  un four classique de réduction directe produisant du fer faiblement carburé, et un four  permettant la fabrication de laitier chargé de  grenailles métalliques fortement carburées séparées ensuite  dans  un bassin de traitement et transformées en acier Le bassin contenait une couche de 25cm de laitier vert  en morceaux à cassures vives.

 Les laitiers d’Oulches, vitreux, peu denses, colorés de bleu à vert foncé ont une composition assez hétérogène et contiennent beaucoup moins d’oxyde de fer et plus de chaux que les scories présentes sur le site, cette chaux ne provenant ni du minerai ni des parois du four.  

L’aspect de ces laitiers est à rapprocher des scories de fabrication d’acier à l’époque gallo-romaine recueillies en forêt d’Allogny

par Vallois en 1884 « La couleur en est d’un noir bleuâtre ou verdâtre et passe à la nuance foncée du chocolat en cas d’excès de fer… Elles renferment des boursouflures d’‘une friabilité excessive dont la cassure présente des irisations brillantes, analogues à celles du verre soufflé »

 

Les laitiers d’Oulches ont été comparés à des laitiers produits par des hauts fourneaux anciens du Périgord  Les compositions sont très voisines , les sommes MgO+CaO étant très voisines avec dans le cas du laitier de bassin d’Oulches un faible pourcentage de MgO. Mais il ne s’agit pas de haut fourneau, mais de bas fourneau de réduction directe

Et le problème du savoir-faire biturige demeure : comment produire ce laitier dans un fourneau de réduction directe ?

 

Unique par la découverte du bassin à laitier,  Oulches n’est pas le seul site de la région d’Argenton où ont été découvert des « laitiers » Le site du Maillet à l’ouest d’Argenton su creuse, beaucoup moins bien conservé (Dieudonné-Glad 1994, 17-224) en a également livré. Les sites d’Oulches et de Maillet  ont en notamment commun la mise  en œuvre  de deux types différents  de four et d’avoir eu un approvisionnement en minerai diversifié, local et exporté.

 

Une solution venant de Chaillac.

 

Les minéraux du bassin de Chaillac  dans l’histoire récente de la sidérurgie.

 

Pourquoi les fondeurs gallo-romains d’Oulches allaient-ils chercher du minerai de fer à Chaillac ? Ce dernier possédait-il une qualité métallurgique particulière : favoriser par exemple la carburation du fer grâce à sa teneiur en manganèse?  Mais on a vu  qu’à Chaillac . fer et .manganèse ne sont pas mélangés dans le même minerai. En outre sur le site d’Oulches les minerais locaux ont des teneurs en manganèse égales voir supérieures au minerai de Chaillac. Ceci amène à conclure que le minerai de Chaillac n’était pas choisi pour sa teneur en manganèse (Dieudonné-Glad 2004, 77)

L’utilisation très tardive des différents minéraux extraits dans le bassin de Chaillac apporte peur être une solution.

En 1936 Les Aciéries de Paris d’Outreau (APO) qui produisent au haut fourneau du ferromanganèse et du spiegel reprennent l’exploitation des minières de Chaillac et notamment du filon du rossignol.  APO est triplement intéressé par les minerais extraits à Chaillac ; fer,manganèse barytine et fluorite.

L’élaboration  du ferromanganèse au haut fourneau s’accompagne d’une perte inévitable de manganèse dans le laitier, or le minerai de manganèse, importé, est rare et cher. On évite autant qu’on le peut la perte de manganèse dans le laitier en augmentant dans  la charge le pourcentage de fondants basiques chaux et magnésie. L’association à ces fondants classiques de la baryte permet la production d’un laitier polybasique (CaO, MgO, BaO), réputé plus fusible et entraînant moins de manganèse. Première raison pour APO pour s’intéresser à Chaillac.

Ces laitiers basiques ou polybasique sont très réfractaires et obligent en cas de refroidissement de l’appareil à des mesures énergiques. La plus efficace de celles-ci est l’utilisation de fluorite, introduite dans la charge ou dans les cas extrêmes par les tuyères du haut fourneau. Deuxième  raison pour APO pour s’intéresser à Chaillac.

Enfin, les minerais de fer et de manganèse de Chaillac peuvent marginalement entrer dans la composition des charges du haut fourneau.

Les essais de marche du haut fourneau en laitier polybasique ont été effectués en 1959 pendant plusieurs semaines et n’ont pas donné un résultat suffisamment significatit pour que le procédé soit adopté. :La perte en manganèse dans le laitier restait constante (Archives APO 1959),  par contre la température de coulée de celui-ci  (~32% CaO, ~6%MgO, 4-9%BaO)  diminuait de plus de 100°C. tandis que sa fluidité augmentait. Au cours de ces recherches, APO a mis en évidence la présence de fluorite dans le minerai de Chaillac consommé : la teneur en F2Ca atteignait 1.4%.soit 14 kilos par tonne.  . Cette  présence de F2Ca. explique l’augmentation de la fluidité des laitiers riches en BaO, au cours de la compagne d’essai de 1958-1959. 

 Présence de fluorite dans les minerais de fer de Chaillac.

A partir de 1960, les géologues ont consacré  de nombreuses études au site de Chaillac visant à expliquer  l’origine  des différents dépôts métalliques.et les processus de concentration,

Ziserman (Les minéralisations fluo-barytiques du bassin de Chaillac (Indre), Mémoire du BRGM n° 104, 1980, 344-374)  décrit deux  minéralisations principales: le filon  du Rossignol (F2Ca) exploité  par APO de 1936 à 1961 et le gîte stratiforme des Redoutières (de haut en bas: Fe haute teneur, Fe -BaO et Bao-F2Ca)  et des minéralisations secondaires , Les Pradeaux (Fe surtout, BaO, F2Ca , les Pérelles au voisinage d’anciennes exploitations d’ancienne exploitations de fer et de manganèse, et entre Les Pradeaux et Chéniers des gîtes de fer stratiformes exploités au XIX° (500000 tones de fer contenu dans un minerai è 45%).

Plus récemment Marcoux et Sizaret (Chaillac, un geyser à barytine et fluorite de 230 millions d’années!, Le Régne Minéral, 2004), décrivent Chaillac comme un système hydrothermal profond à fluorite-barytine-goethite remontant  dans la faille du Rossignol dans laquelle se dépose de la fluorite  tandis que les fluides résiduels riches en baryum et en fer émergent dans un bassin continental pour former une chape ferro-barytique. dont le fer se reconcentrer au sidérolithique pour former une cuirasse latéritique. Des études supplémentaires ont permis  de modéliser le système qu’elles n’excluent pas d’appliquer  à d’autres veines de fluorite de la bordure nord du Massif Central  (Sizaret 2010).  

Fer, barytine et fluorite étant associés dans les fluides hydrothermaux, Il est donc inévitable que les minerais de fer du bassin de Chaillac  contenaient  plus ou moins  des deux autres éléments . Ainsi s’explique qu’ APO ait trouvé. 1.4% de F2Ca  dans le minerai de fer consommé lors de ses recherches  en 1959

La figure 1 (a et b) montrent que d’anciennes carrières de fer (SW du périmètre d’exploitation APO) se trouvent entre les lignes d’égale teneur en F2CA de la couverture 5 et 10%.

 

    fer des Bituriges Figure 1 

 

  

 

 

Il est vraisemblable  que les forgerons gallo-romaine de l’atelier métallurgique d’Oulches,  trouvant  à Chaillac dans  les carrières de fer du Rossignol un minerai de fer exceptionnel par sa teneur en fluorite et peut-être remarqué à leurs colorations intenses des morceaux de fluorite isolés aient pu appliquer une technique inventée pat leurs ancêtres Bituriges Cubi avant même l’arrivée des romains dans la région

Plusieurs questions demeurent

Le bassin de Chaillac est exceptionnel par la proximité des  gîtes de minerai de fer des Redoutières-Rossignol et des Pradeaux où la minéralisation, riche et moyennent riche en fluorite  est d’origine filonienne avec un ensemble de gîtes de minerais de fer répartis dans le périmètre .Chaillac–Dunet-Chéniers-les Prédelles où la minéralisation, est sédimentaire et beaucoup moins riche en fluorite Existait-il dans la région d’Argenton sur Creuse en bordure nord-ouest de la Marche des sites similaires ?  Retrouvait-on sur ces sites comme à Chaillac des gîtes de fer voisins de gîte de fluorite ?

 

La figure 2 regroupe un certain nombre de données  concernant la moitié nord de la cité des Bituriges ;

- minerais de fer régionaux ; minerais des formation sidérolithiques (les plus abondants), minerais des formations crétacées, minerai des schistes micacés et (seul du genre), le minerai du gisement baryritique de Chaillac.

- sites métallurgiques anciens sur lesquels ont été trouvés et analysés  des minerais des scories ou des laitiers ( deux seulement: Oulches et Maillet),

- Indiquées par le rapport sur  Les données géochimiques et alluvionnaires de l’Inventaire minier du territoire national. .et colorées en jaune les zones riches en F2Ca de la bordure Nord-Ouest de la Marche.

Les  scories de type laitier ne semblent avoir été trouvées que sur les sites archéologiques d’Oulches et du Maillet Les sites de la forêt d’Allogny n’en ont pas livré. (Dieudonné-Glad 1994, 294-297).

 

Fer des Bituriges figure 2 - Copie

 

L’exploitation à l’époque gallo-romaine d’autres  gisements complexes type Chaillac (Fe, Mn, BaO, F2Ca) de la bordure nord de la Marche ne peut être exclue. En 1965 APO a consommé de la fluorite de Champotrey-Crozant  à 25 kilomètres au sud-est d’Argenton( Sizaret 2000, 35, fig 12), gisement de très faible importance, inexploitable industriellement, fermé depuis et retourné aux broussailles.

. La proximité au nord de la Marche d’une zone riche en fluorite s’étendant vers l’Est à partir de Chaillac,  avec la région d’Argenton riche en minerais de fer locaux,  expliquerait ainsi  le classement d’Argentomagus en tête des fabriques d’armes  gallo romaines de la Notitia Dignitatum.  

 

 

   

 

Recherche d’une chaîne opératoire  permettant la production de laitier type Oulches-bassin au bas fourneau. .

Quelle propriété particulière le minerai de Chaillac possédait-il  pour que les fondeurs  d’Oulches et peut-être du Maillet  aillent en chercher à 25 kilomètres de leurs ateliers ?  On a vu plus haut cette propriété n’était pas  liée à la présence éventuelle de manganèse dans le minerai de Chaillac. ; l’analyse de laitier de bassin ne révèle pas  de teneurs particilières en baryte ; enfin les fours utilisés ne permettent pas d’atteindre des températures très élevées, supérieures à 1450*C.

 Par contre ces fondeurs avaient sûrement .remarqué l’exceptionnelle fusibilité des minerais de fer de  certains gîtes de Chaillac (comme ceux de  la carrière  du  Rossignol) et peut être l’action fluififiante  des  minéraux brillamment colorés (fluorite) qu’on y trouvait.  Connue sous le nom de fluospar, la fluorite n’a été connue comme fluidifiant des laitiers qu’avec Agricola (Hoover 1950, 380- note 15) ;  au XIXème, le spathfluor  avait  la réputation auprès des hauts fournistes de liquéfier les dosages les plus réfractaires à raison de deux centièmes de F2Ca (de Vathaire 1885, ) Aujourd’hui la fluorite est utilisé comme fondant par les aciéristes lors du traitement de désulfuration de l’acier en poche (Gaye 2000, figure 2).

 

Des calculs de simulation  montre qu'au bas fourneau classique,  la réduction directe d’un mélange (en proportions variables suivant la qualité du métal recherché)  de minerai de Chaillac contenant quelques % de F2Ca et de minerai d’Oulches donne un bloom métallique et  un laitier comparable au laitier de bassin d'Oulches, contenant de la chaux sans qu’on en ait introduit spécialement dans la charge, relativement pauvres en fer, et chargés de particules métalliques plus ou moins carburées. Les fondeurs gallo-romains trouvaient ce minerai. dans des gîtes comme celui du Rossignol (Sizaret 2004, figure 2).

Ces laitiers riches en fluor,  formés à température relativement basse à partir d'une gangue peu fusible  (SiO2, Al203, CaO), sont suffisamment fluides pour s’écouler dans le creuset en traversant rapidement . la zone de combustion-fusion du bas fourneau évitant ainsi  une  réoxydation trop importante des particules de fer réduit carburées dans la zone de réduction. Dans le creuset une grosse partie des particules métalliques coalescent  en formant un bloom de fer irrégulièrement carburé,  tandis que le laitier s’écoule dans un bassin où il est brusquement refroidi à l’eau libérant les particules métalliques restantes qui peuvent alors être récupérées pour affinage ultérieur ou plus simplement pour recyclage au bas fourneau .

Ce mécanisme de fonctionnement du bas fourneau a été observé lors de réductions directes expérimentales (Sauder 2002 HM, 36,2,). :Le laitier liquide et bien fluide protège les particules de fer de la réoxydation, et sert à leur  transport à l'endroit où le bloom se forme.

 A Oulches,  seule la présence de fluorite peut expliquer l’exceptionnelle fluidité du laitier qui permet l’écoulement de celui-ci  vers  le bassin. L’hétérogénéité de la teneur en fluorite F2Ca du minerai traité  et le refroidissement progressif du laitier donc l’augmentation de sa viscosité à mesure de son écoulement vers le bassin (Kozakevitch 1969, 67), expliquent la  séparation métal-laitier incomplète : une partie du métal  reste piégée dans le laitier sous forme de grenailles qui sont récupérées.  

A défaut de dosage du fluor, la comparaison des diagrammes des teneurs en terres rares des  laitiers d’Oulches Dieudonné-Glad 2004, 83) avec ceux de la fluorite de surface du filon du Rossignol  à Chaillac (Grappin 1980, 362, - Sizaret 2002) montre que la fluorite est .présente dans les laitiers d’Oulches et en explique la fluidité ; elle explique aussi l’agressivité de ces laitiers vis-à-vis des parois du bas fourneau  (Dieudonné_Glad 2004, 84 figure 66). .

 

 

 

Conclusion .

 

Selon les spécialistes de l’archéologie expérimentale  (Andrieux,Sauder …), la production d’acier au bas fourneau  est possible. Le plus difficile est de mettre au point la procédure qui en permette la production régulière.

C’est ce qu’avaient réussi les Bituriges Cubi , en utilisant un minerai de fer et grâce à un exceptionnel savoir faire .  

En découvrant  les vertus fluidifiantes de la fluorite, présente dans le minerai de fer (ou peut-être isolée) à Chaillac ou dans d’autres gîtes du nord de la Marche, et en réglant  une chaîne opératoire originale,  les Bituriges Cubi ont réussi à fabriquer au bas fourneau de réduction directe de l’acier avec lesquels ils pouvaient confectionner toutes sortes d’armes .

Cette hypothèse repose sur la découverte dans la région d’Argentomagus de deux sites uniques : -archéologique à Oulches avec le bassin à laitier,  -géologique à Chaillac avec un geyser à  oxyde de fer, baryte et fluorite . Un lien existe entre les deux sites : le laitier de bassin d’Oulches et la fluorite du filon du Rossignol présentent des diagrammes de teneurs en terres rares similaires.

 Elle reste à vérifier  par des analyses de fluor sur les scories ou laitiers de la métallurgie du fer de  la région d’Argentomagus  et par des essais d’archéologie expérimentale

 

 

Edmond Truffaut

8 septembre 2011

 

 

 

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31 juillet 2011 7 31 /07 /juillet /2011 18:03

L'erreur est aussi historique que la vérité, et l'histoire des sciences est bien plutôt une suite d'erreurs qu'une voie royale menant par améliorations successives à la connaissance d'une réalité supposée dialectique". (C.Sütterlin, La grande forge, La Couarde-Ile de Ré, 1981)

 

Lavoisier, le manganèse, le fer et l’acier.

Une théorie antiphlogistique de la métallurgie du fer

 

Nommé académicien à la mort de Jars en 1769, Lavoisier est comme tous ses collègues chargé d’enquêter sur des fabrications très diverses et quelquefois  sur celles du fer et de l’acier. Il présente ainsi en 1775 des rapports sur la fabrication d’acier fin naturel chez M de Guinebourd, sur l’acier fabriqué par le Sieur Dagrou, sur un mémoire de Bayen à propos de la mine de fer spathique, et sur une mine de fer spéculaire. Dans ces rapports dont aucun n’est passé à la postérité,  Il n’est nullement question du manganèse dont la découverte comme métal  est toute récente. En 1786, son nom n’est pas associé à ceux de Vandermonde, Berthollet et Monge, auteurs  du fameux Mémoire sur le fer considéré dans ses différents états métalliques .

Apparamment la métallurgie du fer et de l’acier est donc peu présente dans l'œuvre du fondateur de la chimie moderne? Cette absence n’est en fait  que pure apparence; dès 1775, et son  Mémoire sur la nature du principe qui se combine avec les métaux pendant leur calcination et qui en augmente le poids, Lavoisier est conscient de la place importante qu’occupera la métallurgie du fer  dans le débat sur le phlogistique. Il est sensibilisé  aux difficultés expérimentales soulevées par la moindre recherche dans le domaine. Il pressent aussi l’extrême complexité d’une application aux réactions métallurgiques de fabrication de la fonte, du fer et de l’acier  de la chimie des affinités que tous les chimistes, phlogisticiens ou antiphlogisticiens,  découvrent alors.



En 1783, Lavoisier présente à l’Académie, un mémoire « sur l’union du principe oxygine (l’oxygène) avec le fer ». Il y rend compte de ses expériences de calcination humide (action de l’eau sur la limaille de fer, de fer doux du commerce et de fer de fonte) et affirme que le fer du commerce et le fer de fonte sont formés de fer pur et d’éthiops martial (oxyde de fer FeO),; des traces du dernier dans le cas du fer du commerce; probablement jusqu’à 13% dans le cas de la fonte de fer. La fonte de fer contient donc un peu plus de 3% d’oxygène. Ce mémoire de Lavoisier est  à l’origine de la théorie de la présence d’oxygène dans la fonte qui vivra près de quarante ans (Le Coze 2008 a, 772).

 

Lavoisier connait alors le livre sur l’analyse du fer du métallurgiste et phlogisticien suédois Bergman (Dissertatio chemica de analysi ferro) publié cette année là.à Paris dans une traduction du Chevalier Grignon un autre phlogisticien.

 Dans sa préface, Grignon indique que « M. Bergman connaît, démontre et assure que la matière du feu , & le phlogistique en doses différentes, occasionnent des changements considérables » . Bergman classe fonte, acier et fer suivant leur teneur croissante en phlogistique, un principe immatériel qui sort du fer(de la Souchère, 2011, 92) . Bergman mesure la teneur en phlogistique  par le dégagement d’air inflammable lors de la calcination humide qui transforme le métal en chaux du métal, la teneur phlogistique croissant de la fonte à l’acier et au fer. Il explique ainsi le mécanisme de la calcination humide de la fonte, de l’acier et du fer par la transformation du métal en chaux du métal , c'est-à-dire comme un transfert de phlogistique du métal à l’air inflammable et  croit donc que l’air inflammable sort du fer. Pour .lui  le fer crud (la fonte), l’acier, et le fer battu ductile se distinguent par leurs compositions en deux des quatre des  « principes immédiats » qui les composent : matière siliceuse et plombagine ; les deux autres principes immédiats, fer et  manganaise, représentant le solde à 100 avec le même pourcentage de manganaise  (0.5 à 30%) pour les trois états du fer

 

1783 est aussi l’année où le Corps Royal des Mines envoie une mission en Autriche-Hongrie pour

saisir les procédés usités dans les forges de Styrie et Carinthie, renommées pour la conversion du fer en « acier d’Allemagne », (Grison 1996, 39). Hassenfratz, membre de cette mission est un protégé de Monge, et de Lavoisier qui sont ainsi bien renseignés sur les informations techniques recueillies.

 

Une théorie antiphlogistique de la métallurgie du fer

 

En 1784-1785, Lavoisier rassemble dans un manuscrit des « Observations sur la combustion du fer pour servir de supplément au mémoire publié en 1782 sur la combinaison du fer avec l’oxygène ».

 

Utilisant une méthode par voie sèche pour combiner le fer et l’oxygène, il conclut qu’ « il existe de la matière charbonneuse dans le fer, ou plutôt qu’il en existe dans quelques espèces de fer, car il m’est souvent arrivé d’en employer qui ne fournissait aucune portion sensible d’air fixe. … Comme je me suis toujours servi de copeaux de fer tels qu’on les trouve dans les arts, il ne m’a pas été possible de déterminer quelles sont les espèces de fer qui ne contiennent pas de charbon, ou qui en contiennent plus ou moins ». Sauf à admettre que carbone et éthiops martial peuvent coexister dans la fonte de fer, cette expérience remet en cause les conclusions du mémoire « sur l’union du principe oxygine avec le fer » de 1783 et exclut donc la présence d’oxygène dans la fonte, du moins en quantité notable.

 

En 1786, sans Lavoisier dont ils sont les amis, trois académiciens, Vandermonde, Berthollet et Monge (VBM) présentent à l'Académie leur fameux "Mémoire sur le fer considéré dans ses différents états métalliques ", véritable théorie antiphlogistique de la métallurgie du fer. Ils écartent délibérément de leur recherche le manganèse que Bergman et Grignon reconnaissent comme principe immédiat non distinctif entre  fonte, acier et fer et reprennent l'hypothèse d'une présence d'oxygène dans la fonte. Ils remplacent le classement fonte,  acier et fer  par leur teneur décroissante en phlogistique,  par un classement fonte, fer et acier  par la teneur  en carbone décroissante de la fonte au fer puis croissante du fer à l'acier et  par les teneurs en oxygène décroissantes de la fonte au fer et à l’acier .

 

En tête de leur mémoire VBM formulent des propositions qu’ils justifient ensuite.

- La fonte et l'acier ne sont pas composés des mêmes principes

- La fonte est un régule dont la réduction n'est pas complète: elle contient en plus du fer, de l'oxygène et du charbon. Le charbon qui peut se combiner au fer en substance sans changer de nature, en proportions très variables qui dépendent sans doute de la température. Le niveau de réduction et la quantité de charbon absorbée par le fer sont les causes des différents aspects de la fonte.

- le fer forgé parfaitement affiné est un fer complètement réduit qui ne contient aucune matière étrangère pas même du charbon.

- l’acier de cémentation est un fer complètement réduit: le charbon qu’il contient vient du cément . Il est au-delà du fer forgé par rapport à la fonte. L’acier trop cémenté a absorbé trop de charbon lors de la cémentation

L'histoire a retenu que VBM avaient, pour avoir pour la première fois, classé fonte, acier et fer suivant la teneur en carbone et ainsi, proposé une théorie antiphlogistique de la métallurgie du fer. Mais plusieurs de leurs  propositions furent immédiatement contestées par les phlogisticiens et les métallurgistes , notamment celle affirmant les présences simultanées d'oxygène et de carbone dans la fonte et même dans le fer doux du commerce.

 

En ce qui concerne la fonte VBM préviennent l’objection  (p. 180).

« On concevra peut-être difficilement que la réduction des chaux métalliques se faisant au moyen des charbons qui leur enlèvent la base de l’air déphlogistiqué, la fonte grise puisse contenir du charbon & cependant n’être pas un métal complètement réduit ». Ils expliquent pour répondre à l’objection  que

« Dans les hauts fourneaux, la mine ne se trouve dans des circonstances favorables à la réduction que lorsqu’elle est arrivée à la voûte du foyer. C’est dans ce dernier instant seul qu’elle reçoit un assez grand coup de feu pour entrer en fusion et devenir susceptible de réduction ». Autrement dit, pour VBM,  c’est le temps de séjour dans le « foyer » du fourneau  et la  température qui règne dans ce  foyer  qui fixent le degré de réduction de l’oxyde de fer dans le cas d’une charge (rapport charbon/mine) et d’une mine donnés. Si la mine est très fusible, son temps de séjour dans le foyer diminue et  la fonte blanche est moins riche en carbone et plus riche en oxygène.

 Pour VBM la réduction du minerai n’intervient donc qu’à haute température ; on dirait aujourd’hui par réduction « directe » de l’oxyde de fer par le carbone.

Il semble qu’ils aient alors ignoré la formation de fonte liquide par réduction indirecte à la forge catalane décrite tout récemment par Picot de la Peyrouse, correspondant de l’Académie Royale dans son Traité sur les mines et les forges du Comté de Foix (Toulouse 1786)   Et, ce n’est que dans les années 1840 que l’on commencera  à comprendre grâce aux  recherches de l’ingénieur des Mines Ebelmen le fonctionnement du haut fourneau

 

En ce qui concerne le fer doux du commerce, VBM expliquent : « Le fer parfaitement doux serait un régule dans le plus grand état de pureté mais le fer le plus doux du commerce contient toujours …un peu d’air déphlogistiqué ,qui, se dégageant pendant la cémentation produit de l’air fixe, & forme les bulles qu’on rencontre du commerce toujours dans l’acier poule, provenant du fer même le plus doux ».

On n'apprendra qu'au siècle suivant que la formation des bulles de l’acier poule résulte en fait de la réduction sous l’action du cément de l’oxyde de fer des inclusions de laitier contenues dans le fer  à cémenter.

 

Ces premières critiques montrent l’intérêt porté par la communauté savante au travail de VBM. On notera qu’aucune critique ne leur est faite  pour avoir écarté la manganèse de leur recherche,  même s’ils conviennent qu’un grand pas serait fait si l’on déterminait « les propriétés que donnent au fer les différentes matières, telle que la manganaise» (VBM,133). En 1780 Guyton de Morveau, alors phlogisticien avait traduit et publié une  « Dissertation sur les mines de fer blanches » de Bergman dans laquelle on pouvait lire : "Tous les métallurgistes connaissent l’excellence de l’acier préparé avec 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 ».

 VBM s'expliquent d'ailleurs très clairement sur la raison qui les a amenés à écarter de leur recherche la manganèse et l’acier naturel en indiquant qu’ils 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).

 

VBM se facilitent ainsi la présentation de leur théorie en classant les états du fer suivant les travaux utilisés pour les produire : traitement du minerai de fer au haut fourneau, affinage et cémentation plus ou moins poussée mais laisse une question sans réponse : comment situer l’acier naturel dans l’ordre choisi sans admettre qu’il contient de l’oxygène. Nous verrons plus loin pourquoi et comment dès 1786, Lavoisier réintroduit dans le discours de la métallurgie antiphlogistique les aciers naturels de France et d’Allemagne.

 

Comme Lavoisier en 1783, VBM classent les différentes fontes suivant les volumes d’air inflammable dégagés par leur calcination humide. Ils observent que les fontes blanches dégagent moins d’air inflammable que les fontes grises pour lesquelles une réduction plus avancée a été obtenue grâce à une augmentation des doses de charbon dans la charge du haut fourneau et une augmentation du débit de vent des soufflets .

Malheureusement pour leur démonstration, les fontes blanches qu’ils testent ne sont pas des fontes blanches par défaut de combustible, mais des fontes « naturellement blanches » (Jars 1774) carinthiennes et styrienne de Hüttenberg, Wolfsberg et Eisenertz. Mais comme Jars, ils ignorent que le minerai de fer dont on les tirent diffère des minerais de fer classiques par une teneur relativement élevée en manganèse qui conduit à un réglage particulier  du «Flossofen» (moins élevé que le haut fourneau classique) qui sert à les produire : la charge ne contient pas de fondant calcaire et la quantité de charbon de bois y est limité. (Guillot-Duhamel 1786) Finalement les fontes « naturellement blanches » sont aussi riches en carbone sinon plus que les fontes grises !

On notera à ce sujet que les échantillons de fonte blanche testés par VBM ont très certainement été rapportés en France par la mission du Corps Royal des Mines de 1783, qui, avait sans doute porté son attention sur les procédés d’affinage de la fonte en « acier d’Allemagne » plutôt que sur la fonte utilisée et la façon de la fabriquer.

 

Une autre critique pertinente émane de Black, professeur à l’université d’Edimbourgh, et correspondant de Lavoisier qui l’a en grande estime. Elle concerne l’explication proposée par VBM, très contestable pour un métallurgiste, de l‘absence  d’interaction entre le carbone de la fonte liquide  et l’oxyde de fer qu’elle contiendrait selon eux. « Cela m’apparaît incompréhensible que la fonte qui coule chauffée à blanc du grand fourneau accuse à la fois excès de carbone et présence d’oxyde de fer sans qu’il y ait interaction de l’un sur l’autre… Il n’y a pas de raison d’avoir recours à une hypothèse aussi injustifiée. Il est évident que pour une grande part, le procédé de M. Cort (affinage de la fonte par puddlage) oxyde dès sa mise en œuvre une partie du fer..» (Black, 1803).

L’interprétation de VBM des phénomènes de réduction et d’oxydation qui interviennent dans la fonte liquide est en effet très contestable. Ils s’interrogent par exemple (p.182). sur la raison pour laquelle « dans les fours à réverbère, quand on refond de vieilles pièces de fonte grise, dont la surface a été calcinée par le feu, ou rouillée à l’air libre, le métal se fond à l’intérieur des pièces, coule dans le creuset et donne une fonte plus blanche tandis que l’extérieur des pièces s’affine prend l’aspect pâteux et reste sur l’autel du fourneau en gardant dans sa forme » Ils donnent l’explication suivante « dans l’intérieur une partie du charbon est employée à avancer la réduction du métal, ce qui blanchit la fonte ; mais la réduction ne s’achève entièrement parce que le métal coule sur le champ dans le creuset & ne reste pas assez longtemps exposé à l’action de la chaleur ; à la surface des pièces au contraire le métal reçoit un plus grand coup de feu & subit d’abord une réduction plus avancée ; ensuite par le contact de la chaux métallique, il perd le charbon qui le rendait fusible, & l’affinage est achevé. Le fer affiné qui reste ainsi sur l’autel se nomme ordinairement carcas & on peut le porter sous le marteau pour le convertir en barres ».

Le procédé Cort breveté en 1784, (deux ans avant la publication du mémoire de VBM), consiste à fondre la fonte mélangée à des scories riches en oxydes de fer dans un four type réverbère chauffé au coke.  Dès la fusion, le carbone contenu dans la fonte se combine avec l'oxygène et se dégage du  métal sous forme gazeuse. Les grains de fer décarburés se soudent et forment une masse spongieuse qu’un  cinglage débarrasse des dernières scories. On comprend que pour Black l’explication de VBM est inacceptable.

Enfermés dans leur théorie, VBM ne pouvaient pas proposer une interprétation correcte  du phénomène.  Selon eux, l’affinage en fer de l’enveloppe du morceau de fonte procède d'une  réduction  sous l’effet de la température de l’oxyde de fer (contenu dans la fonte)  par le  carbone (également contenu dans la fonte.

L’observation de VBM, déjà faite par Réaumur, ne sera correctement interprétée qu’en 1856 par Bessemer créateur du procédé éponyme (Bessemer 1905, 142) : c’est l’oxygène de l’air introduit dans le four qui affine en fer l’enveloppe du morceau de fonte.

 

Une recherche engagée dans l’urgence.

 

L’option initiale de VBM d’écarter le manganèse (et l’acier naturel) du champ de leurs recherches, le choix d’une réduction de l’oxyde de fer à la seule réduction directe à haute température , la sélection discutable et  le faible nombre d’échantillons de fonte acier et fer testés en «calcination humide », l’ignorance des recherches anglaises en matière d’affinage de la fonte.... tout porte à croire que les recherches qui ont conduit VBM à leur mémoire de 1786 ont été engagées dans l’urgence pour répondre aux publications récentes des phlogisticiens Bergman et Grignon.

Il était urgent pour Lavoisier et ses amis, d'appliquer la théorie antiphlogistique   développée autour d'expériences de laboratoire sur la décomposition de l'eau ou sur la « calcination » des métaux, aux arts pratiques et à la métallurgie ; jusque là  la théorie du phlogistique proposait aux praticiens des mines et de la métallurgie une explication "lumineuse" de la réduction des minerais (Bensaude-Vincent 1993, 80), Il s'agissait de répondre au maître de forges Grignon, de montrer que la théorie  de Stahl devait être remplacée par une théorie rationnelle excluant le recours à un  principe immatériel . Mais l'apport de la preuve soulevait bien des difficultés. Sans doute, Lavoisier et VBM s’étaient-ils  entendus pour se partager le travail. A Lavoisier les recherches fondamentales, à VBM les recherches appliquées à la métallurgie.

 

Lavoisier corrige la théorie .

 

En même temps que VBM sortent leur Mémoire, Lavoisier,  pourtant très occupé par la rédaction des textes fondateurs de la nouvelle chimie, présente à l’Académie  un Rapport sur les forges et salines des Pyrénées et un Rapport sur les forges des Grandes Landes et les mines de plomb argentifère des Sables d’Olonne . Il y confirme  son adhésion à la nouvelle théorie tout en la faisant évoluer

 

Lavoisier rend compte  du livre de son ami le baron de Dietrich, académicien, commissaire du roi à la visite des usines, bouches à feu et forêts du Royaume, Description des gîtes de minéraux, des forges et des salines des Pyrénées, depuis le comté de Foix jusqu'à l'Océan. L’ouvrage est pour lui une découverte des richesses des Pyrénées, inconnues du fait de l’éloignement et du mutisme de ses habitants.

On devine dans la rédaction de Lavoisier la profonde influence qu’aura sur sa perception de nouvelle théorie antiphlogistique de la métallurgie, la Description du travail du fer dans le Comté de Foix (deuxième mémoire du livre de Dietrich).

Cette description rapporte les expériences de traitement à la forge catalane de mines en grains tirées du Berri, et de mines de fer spathiques du Dauphiné menées par Dietrich et un maître de forges local Vergnies de Bouischère . Lavoisier y découvre en effet la confirmation expérimentale - des trois états du fer fonte acier et fer produits dans le même fourneau en une seule opération, - de l’action décarburante de l’oxyde de fer (greillade) sur la fonte et l’acier,  - et de la production de fonte liquide dans une zone du fourneau où la fusion n’est pas encore intervenue.    

Dès lors Lavoisier est convaincu de la justesse de la nouvelle thèorie anti phlogistique de classement des trois états du fer par la teneur en carbone mais se montre très discret sur le classement par la teneur en oxygène. Dans le second rapport , il voit une confirmation de la "nouvelle théorie" de VBM dans une description de la technique du mazéage de la fonte qui permet de faire à volonté avec la même mine du fer ou de l'acier.Il réintroduit ansi dans le discours de la métallurgie antiphlogistique dont il  amorce  l'évolution  l'acier naturel de France (Dauphiné, Pyrénées catalanes , Nivernais) et l'acier naturel de Styrie et Carinthie que la mission du corps des mines avait eu mission d'étudier.

 

Mais la l'hypothèse d'une présence d'oxygène dans la fonte et le fer n'en est pas pour autant abandonnée, Trois ans plus tard, Berthollet, le meilleur chimiste des trois académiciens, publie un petit ouvrage Précis d’une théorie sur la nature de l’acier et ses différentes espèces  dans lequel il continue à différencie fonte, acier et fer par leurs teneurs en carbone et en oxygène (Lemay 1960, 439) ; et  en 1803 encore dans sa Statistique Chimique, il écrira encore que la fonte contient « un peu » d’oxygène.

Comment expliquer cet entêtement des antiphlogisticiens  à croire en la présence d’oxygène dans le fer ?

Il est possible que les chimistes , phlogisticiens ou non, aient maintenu l’hypothèse  en vertu  d’une chimie des affinités qu’ils ne font que découvrir.   

 

La chimie des affinités.

 

« Cette loi rigoureuse, dont je n'ai pas dû m'écarter, de ne rien conclure au delà de ce que les expériences présentent, et de ne jamais suppléer au silence des faits, ne m'a pas permis de comprendre dans cet ouvrage la partie de la chimie la plus susceptible, peut-être, de devenir un jour une science exacte : c'est celle qui traite des affinités chimiques ou attractions électives ». (Lavoisier, Traité élémentaire de Chimie. Discours préliminaire, Paris  1789).  

 

L’  Essai sur le phlogistique, et sur la constitution des acides    de Richard Kirwan. publié à Paris en 1788 avec des notes de  Lavoisier, Fourcroy, Guyton de Morveau, Monge.Laplace, Berthollet , apporte peut-être l’explication de cet entêtement à considérer que la fonte contient de l’oxygène.

 

Une première note de Lavoisier est consacrée tout entière à la chimie des affinités. Il y reprend les conclusions du mémoire qu'il a présenté à l'Académie en 1783 "Sur l'affinité du principe oxygine avec les différentes substances auxquelles il est susceptible de s'unir". Après avoir longuement développé les difficultés rencontrées pour confectionner une table « d'affinités simples , tandis qu'il n'existe pour nous dans la nature que des cas d'affinités doubles, souvent triples,&  peut-être beaucoup plus compliquées encore » . Lavoisier conclut que sa table : « n' exprime pas qu'un corps enlève à un autre la totalité de l'oxigène qui lui était combiné…».

 

Une note de Foucroy expose de façon magistrale la doctrine des anti-phlogisticiens en matière d’affinités « Parmi les substances métalliques dont on connaît le degré d'attraction chimique pour l'oxigène, le manganèse, le zinc, le fer, le cuivre, le mercure se suivent immédiatement depuis la plus forte jusqu'à la plus faible affinité pour ce corps . Les oxides métalliques ne sont décomposés ou réduits en métaux que par les lois d'attractions que suit l'oxigène : que la chaleur le sépare de quelques-uns, que tel métal l'enlève à tel autre enfin que l'hydrogène ou gaz inflammable l'enlève à la plupart des métaux, et le carbone peut-être à tous ».

 

Une note de Monge explique que quand deux molécules d’un même métal ont des degrés de réduction très différents, ces deux molécules n’ont plus d’affinité l’une pour l’autre et ne peuvent plus sans intermède se combiner ensemble. Par exemple l’ethiops et la fonte blanche ne peuvent se combiner ensemble pour former une substance homogène comme la fonte à moins que l’excès d’oxygène contenu dans l’ethiops ne se transmette à la fonte pour porter le tout à un état de réduction moyenne et uniforme. Plus loin Monge relève une erreur d’interprétation de Kirwan « Nous n'avons pas dit que le gaz hydrogène pût tenir de la plombagine en solution, mais seulement qu'il pouvoit dissoudre du carbone. Cette différence, qui est pour ainsi dire nulle pour M. Kirwan, est très-grande pour nous parce que nous croyons que le fer est essentiel à la plombagine …». Lavoisier en étudiant le régule de manganèse en 1783 avait relevé une odeur alliacée qu’il avait alors faussement attribué  à la présence d’arsenic dans le régule : on sait que cette odeur résulte de la formation de carbures d’hydrogène (acétylène notamment) par action de l’eau sur le régule de manganèse qui est . un carbure mixte de fer et manganèse .

 

Cette  défense collective de leurs idées, enrichissante par le contact avec les savants étrangers, est révélatrice .Pour répondre à Bergman et Kirwann sur leur terrain, Lavoisier et ses amis doivent faire appel à une chimie des affinités, qu’ils pressentent nécessaire au complet développement de leur nouvelle théorie de la métallurgie du fer. Mais Lavoisier et ses amis ne font pas mystère des limites de cette théorie . En 1788, Ils n’avaient ni le temps ni les moyens d’étudier la chimie des affinités 

Cinquante ans plus tard   Berzélius écrira  : «Le système de Lavoisier était presque le seul objet des méditations des chimistes, et la lutte que ce système eut à soutenir, détourna de leur esprit de tout ce qui n'appartenait pas directement à la nouvelle théorie et à son application pour expliquer les faits connus ».

En 1856, lors de la mise au point du procédé Bessemer, il sera  question des affinités du carbone et du manganèse pour l'oxygène, mais la chimie des affinités est encore qualitative  " Carbon was powerless to eliminate the obnoxious oxygen... Knowing the powerful affinity of manganese for oxygen, or vice-versa, I arrived at the conclusion that the introduction of as much metallic manganese, as was necessary to combine with the occluded oxygen , in the burnt iron..." (R.F. Mushet 1883, 6) .

 

 Finalement, l’intervention de l’oxygène à la température de l’acier en fusion dans les équilibres complexes Mn-Fe-C-O2  ne sera étudiée que deux siècles plus tard et l’on découvrira alors que les aciers à très bas carbone utilisés à la fabrication des tôles minces pour automobiles contiennent encore des traces d’oxygène après décarburation : 0.01% d'oxygène pour 0.2% de carbone (Lévy 1999, 122).

 

 

Inachevée,  échappant à ses auteurs…

La théorie antiphlogistique de la métallurgie du fer, devient doctrine officielle

 

 

Lavoisier est ensuite absorbé par la rédaction du Traité élémentaire de Chimie, l’œuvre de sa vie dont le fer n’est qu’un chapitre… En septembre 1787, l’Académie l’envoie  avec Vandermonde, Monge, Berthollet et Fourcroy en mission au Creusot pour étudier la façon dont on fait les aciers dans la région (Sadoun-Goupil 1972, 235, note 34) .  Aucun rapport ne suivra la visite.

A partir de 1789, l’engagement politique de Monge, Vandermonde et Hassenfratz  en faveur des idées de la Révolution se renforce. En 1790, à un moment où la poursuite de la  recherche aurait été nécessaire au développement de la métallurgie du fer et de l’acier en France et en Europe,  VBM astreints à des tâches concrètes par le gouvernement révolutionnaire ont cessé toute recherche fondamentale (Sadoun-Goupil 1972, 228).  Les savants français  sont coupés de leurs collègues étrangers.

L’année suivante, sous la pression d’ artisans très remontés contre l’Académie  (Grison 1996, 107-110), l’Assemblée Constituante crée le Bureau de Consultation des Arts. Hassenfratz et Lavoisier y sont  très actifs de 1791 à  1793 ; ils sont nommés commissaires  pour enquêter sur le procédé d’un citoyen  Delaplace qui prétendait  posséder un secret pour faire un acier cémenté aussi bon que celui d’Angleterre. Vieux cheval de retour, Delaplace avait déjà  eu affaire aux académiciens Berthollet et Vandermonde, et débouté dix ans plutôt. Débouté une fois de plus.  Delaplace, n’aura de cesse de fulminer contre Hassenfratz.    

L’Académie est contestée par le nouveau pouvoir. Vandermonde est arrêté, accusé de prévarication dans les fournitures aux armées. Lavoisier écrit au Comité d’Instruction publique pour le faire libérer, Monge et Berthollet appuie sa demande.

 

Le 4 septembre .1793, le Comité de Salut Public charge Monge, Berthollet et Vandermonde de rédiger  L’Avis aux ouvriers en fer sur la fabrication de l’acier qui tente de vulgariser le mémoire de 1786 et demande à Monge la rédaction d’un livre sur l’art de fabriquer les canons. Pour continuer le travail de la commission des poids et mesures de l’ancienne Académie , la Convention crée le 11 septembre une commission provisoire où l’on retrouve Monge, Berthollet et Lavoisier. Elle en  nomme en même temps deux députés chargés d’en surveiller les membres La commission est épurée le 23 décembre et Lavoisier en est radié ; il est arrêtè deux jours plus tard  (Pairault 2000, 117).

          

Lavoisier disparaît en 1794 sans avoir pu conduire l’évolution amorcée de  la nouvelle théorie antiphlogistique de la métallurgie du fer. Celle-ci, figée aux conclusions du  Mémoire de 1786, devient dès lors doctrine officielle : la tourmente révolutionnaire permet à l’hypothèse d’une  présence d’oxygène dans la fonte de perdurer.

     

En 1812, La  Sidérotechnie d’Hassenfratz, ouvrage approuvé par l’Institut qui a remplacé l’Académie sera la dernière manifestation d’une doctrine officielle de plus en plus contestée . Mais quinze ans plus tard la théorie de la présence d’oxygène dans la fonte lui survivra encore  (Le Coze 2008,781).

 

 

 

Juillet 2011

 

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22 février 2010 1 22 /02 /février /2010 17:25
   
Edmond Truffaut
Publications 1986-2012
 
2015 juin Isola Elba-Corse III-XIX° Le fer Alla Lucchese
2015 janvier Antique Isola Elba-Corse  méridionale : un même fer
2014 Décembre Bloomery or Blast furnace , the reduction of manganese
2014 Septembre Du bas fourneau au Haut fourneau, la réduction du manganèse
2014 Juillet Acier des Chalybes et Acier Tatara
2014 Juillet Le secret de fabication du Ferromanganèse
2014 Juillet L'acier des Chalybes
2013 Juin Histoire du Ferrum Noricum(1-3)
 
2012 novembre,  Histoire du fer indien. Les alchimistes égyptiens (1-2) , www.manganeseandsteel.fr
 
2012 Octobre, Le malentendu de Wolfsberg, www.manganeseandsteel .fr
 
2012 septembre, Le fer du Sauerland (1-6), www.manganeseandsteel.fr 
 
2012 février, Le fer du Siegerland. Un fer qui était acier, www.manganeseandsteel.fr
 
2011 septembre Histoire des fers qui étaient aciers. Le fer des Bituriges Cubi, www.manganeseandsteel.fr
 
2011 Histoire des fers "qui étaient aciers". Du premier âge du fer à l'acier moderne, , www.manganeseandsteel .fr
 
2010 Lavoisier, le manganèse, le fer et l'acier. Prémices d'une chimie des affinités, www.manganeseandsteel.fr
   
     
2010 °Mines et métallurgie en Boulonnais : un patrimoine immatériel, un savoir-faire perdu, « Les Cahiers du Patrimoine Boulonnais », 2010, 62.
2009 ° APO-SFPO-COMILOG. Savoir-Faire collectif. Patrimoine industriel. «  Dompteurs de feu : des APO à Métall’Opale », 38-64
2008 ° Ferrum Noricum am Hüttenberger Erzberg – Besonderes Erz der Besonderes know-how? , “Die Produktion von Ferrum Noricum am Hüttenberger  Erzberg”. Cech B. (Hrsg.) Austria Antiqua 2, Wien, 2008, 251-266.
2008 °Fabrication du fer dans le Haut-Ogoué (Gabon) en 1883. Un site africain du premier âge du fer. Instrumentum, décembre 2008, 28, 33-35.
2008 °La fabrication du fer dans le haut-Ogoué en 1883. « BONONIA. Bulletin de l’Association des Amis des musées et de la bibliothèque de Boulogne sur mer, 2008, 47, 21
2007 ° La relance de l’économie : l’exemple de l’Usine d’Outreau de la Société des  Aciéries de Paris et d’Outreau, « Boulogne de la libération à la reconstruction », Archives Municipales de Boulogne sur mer,2007, 50-52
2006 ° De Lavoisier à Le Chatelier, de quel acier parle t’on ?, « L’acier en France ;  produits et marchés de la fin du XVIIIe siècle à nos jours » Direction  Philippe Mioche et Denis Woronoff . 9-20 
2004 °Fernand-Henri Valton. Un ingénieur français en Russie dans les années 1870, « Autour de l’industrie histoire et patrimoine ». Mélanges offert à Denis Woronoff », Comité pour l’histoire économique et financière de la France,   223-244
2004 "La fabrication du ferromanganèse en France 1875-2003. Naissance vie et mort  d'un procédé industriel",  www. soleildacier.com, 30 octobre.    
                                                                                                                                       
2003 °Les acteurs d’une aventure industrielle : Les hauts fourneaux d’Outreau de  1857 à 1978, « Métallurgie en Boulonnais, 1810-2003» direction D. Leunens, 75-101 
2002 °Origine et développement de la métallurgie du manganèse à Boulogne sur mer, « Histoire et archéologie du Pas de Calais », Bulletin de la Société Départementale d’Histoire et d’Archéologie du Pas-de-Calais,  XX, 113-136
2002 ° Manganese et acier. Contribution à l’histoire de la sidérurgie en France       1774-1906. Presse Universitaire du Septentrion. Villeneuve d’Ascq. °Thèse de Doctorat en histoire. Université Paris I  Panthéon-Sorbonne   Direction Denis Woronoff,   soutenue en juin 2000
  
1997 °L’industrie du manganèse en France au XIXème siècle », La Revue de Métallurgie,-CIT, Juillet-Août 1997, pp.955-966
     
1995 ° Contribution du manganèse au développement historique de la sidérurgie. Création et déclin d’une première industrie française du manganèse. Faisabilité de la recherche. Mémoire présentée en vue du DEA . Histoire      économique et sociale des pays industrialisés ‘XIX°-XX° siècles. Directeur de Recherche Denis Woronoff. Université ParisI Panthéon-Sorbonne. UFR    d’Histoire.
     
1994 °Contribution du manganèse au développement historique de la sidérurgie. Aspects techniques, La Revue de Métallurgie-CIT, novembre 94, 1703- 1719
 
1993 ° Le marché international du manganèse, Revue de Métallurgie-CIT Avril 1993, 556-560      

1992  ° Le marché international du manganèse, essai d’analyse économique , Diplôme Hautes études en Sciences Sociales. Paris Dir. Jean Coussy, Rapporteurs : MM Joxe et Chalmin.   

1990    °Rational use of therlmal plasma in metallic oxides smelting , « Plasma for industry and environment Conference » Oxford. 1990                                                                                      

1989  ° Métallurgie des ferroalliages : ferromanganèse fabriqué au haut  fourneau, Traité de Métallurgie, Les Techniques de l’ingénieur, Paris. . 

1989 ° - Procédé de de réparation de fours industriels en service ou à l’arrêt à l’aide d’une lance plasma, - Procédé de réglage d’un four métallurgique destiné à la fabrication de ferroalliages manganèsés.  Brevets d'invention.   

1986° Maitrïse de l'Energie et Recherche . Quel bilan? Quel avenir? Journèes décembre 1985 La Villette Paris.164-168 La réalisation de la SFPO, François Bour et Edmond Truffaut, SFPO.                                          
 
 
 
 
 
 
 
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22 février 2010 1 22 /02 /février /2010 16:49

 Steelmaking in a bloomery furnace: behaviour of  manganese.

A research on the Ferrum Noricum process

Edmond Truffaut

Abstract

After the discovery in 1774, of the manganese metallic nature by Swedish chemists, the understanding by the metallurgists of its role as a chemical agent in the steelmaking processes required several decades, until the Bessemer-Mushet’s invention which proved to be indispensable as a deoxidizing and desulphurizing agent.

After 1875, the achievement of the production in blast furnaces of the commercial ferromanganese, a very competitive alloy, the specialized enterprises jealously kept their secrets of manufacture until the decline of the process a hundred years later. The data about the manganese extractive metallurgy remained therefore, rare, fragmentary, and hardly accessible.

However, from the results of archeological excavations and experimental works, from historic sources on the metallurgy of iron in the catalan furnace and in the blast furnaces at the beginning of the 19th century, and from modern technical and professional publications, it is now possible to understand the reasons why, since the Early Iron Age, manganese, present but unsuspected in some iron ores (manganiferrous siderite and bog ores), played an important role in the  steelmaking bloomery.

A better knowledge of its behaviour permits to propose a hypothesis on the process of steelmaking bloomery by formation and selective reoxidation of a manganese-rich cast iron.

 

Keywords: manganese, steel, bloomery, cast iron, re-oxidation

 

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