Histoire de la production de l'acier - Définition
La liste des auteurs de cet article est disponible ici.
XVe siècle
En Europe, à partir du Moyen Âge, la production d'acier prend plusieurs formes :
- l'acier naturel, spécialité de l'espace technique allemand, obtenue par décarburation d'une fonte spécifique, la « fonte à acier » (Rohstahleisen) et surtout le « fer à miroir » (Spiegeleisen) ; ce procédé réclame un certain type de minerai (manganésifère), une maîtrise du feu, un savoir-faire en matière de composition et de vitesse de descente de la charge différents de ceux requis pour la production de fonte commune (fonte grise) ;
- l'acier au creuset, obtenu par la carburation de fers purs ; ce procédé, qui requiert d'excellentes puretés (aciers suédois, catalans), spécialités de l'espace technique britannique, est mis au point dans le courant du XVIIe siècle.
La production d'acier naturel appartient donc à la filière dite « de production indirecte » : production de fonte au haut fourneau puis affinage en acier ; tandis que l'acier par cémentation relève de la filière dite « de production directe » (bas fourneau). L'acier est utilisé principalement pour la confection d'armes blanches et d'outils de qualité. La pratique anglaise, qui donne un acier de moindre qualité, élargit son usage à la quincaillerie, coutellerie et autres bimbeloteries, et fait la fortune de la ville de Sheffield.
L'acier naturel
L'affinage de la fonte est réalisé par des méthodes empiriques qui permettent de supprimer le carbone des gueuses de fonte provenant des hauts fourneaux. Les différentes méthodes sont à l'origine régionales et correspondent probablement en partie aux qualités des minerais de fer utilisés. La méthode la plus répandue est la méthode dite « wallonne ». Cette méthode a été utilisée dans une grande part de l'Europe jusqu'au XVIIe siècle. Il en existe des variantes comme la méthode champenoise ou la méthode comtoise dans laquelle la gueuse est placée au milieu du foyer et non au-dessus. Il existe cependant des méthodes présentant des différences importantes comme la « méthode nivernaise ».
La méthode wallonne
La gueuse de fonte est poussée sur les flammes d'un foyer ventilé par des soufflets. Sous l'effet de la chaleur, le carbone contenu dans la fonte s'oxyde en brûlant. Les gouttes de fer tombent dans le caisson contenant le foyer. Ce dernier est refroidi par le dessous afin de permettre la solidification de la loupe de fer. Un ouvrier aide le processus en piquant l'extrémité molle de la gueuse à l'aide d'un « ringard à piquer ».
Ce procédé présente plusieurs inconvénients : la loupe se charge de scories dans le foyer et la température n'est pas suffisante pour oxyder le phosphore , de sorte qu'il n'est possible d'utiliser que des fontes blanches car pauvres en phosphore.
Comme pour les loupes de fer obtenues au bas fourneau, les scories sont éliminées par « cinglage ». Cette opération de forge est réalisée à l'aide d'un martinet en frappant énergiquement la loupe à coups vifs et répétés.
La méthode nivernaise
La fonte est fondue (ou semble-t-il fortement ramollie) dans un four appelé « mazerie » avec du charbon de bois et des scories. Cette fonte est ensuite coulée sur un revêtement réfractaire refroidi par de l'eau. L'affinage est effectué en faisant passer de l'air sur l'ensemble.
En 1786, le baron Philippe-Frédéric de Dietrich décrit ainsi cette méthode :
« Le travail de la mazerie est principalement en vigueur dans le Nivernois, et c'est un commis de cette province qui l'a mis en usage à la forge d'Uza. Il est trop peu connu ailleurs. J'ai eu l'occasion de voir ce travail en assez grand détail dans les forges royales du Nivernois, ce qui met à porter d'en donner une idée.Il consiste en trois procédés distincts : 1°. dans la refonte complète de la gueuse, pour la convertir en gâteaux : 2°. dans le grillage de ces gâteaux : 3°. dans leur affinage.
En quelques endroits on maze la gueuse, et on affine les gâteaux dans le même feu ; en d'autres on a un feu destiné à la fusion, et un autre à l'affinage.
Le feu de fusion porte le nom de mazerie.Ses dimensions sont de seize à dix-huit pouces de profondeur ; ses côtés en ont seize à dix-huit en tout sens, du sol à leurs bords : le fond du creuset est incliné vers le chio qui se trouve au ras du sol.
La tuyère entre dans l'aire, en affleurant les bords du feu, et on lui donne plus ou moins de saut, suivant la qualité de la fonte : si elle est douce on la relève ; si elle est dure & âcre, on l'incline davantage ; en la relevant, elle porte plus immédiatement sur la gueuse, et moins sur la matière fondue.
La gueuse se place au contre-vent par son extrémité. On l'environne et la recouvre de laitier de grosses forges, et on la charge en même temps des calottes de fordes ou avec un ringard : cette opération exige fort peu de travail ; on obtient en peu de temps une petite pièce qui porte le nom de maffiot, du poids de quarante et quelques livres. »
— P.-F. de Dietrich, Description des gîtes de minerai, des forges et des salines des Pyrénées […], p. 533
Cette méthode persistera. Elle est ainsi décrite par Grüner et Lan en 1862 :
« … il suffira de rappeler rapidement les principes et les résultats […] du mazéage. Cette manipulation s'exécute toujours, en Angleterre, dans les bas foyers de coke, connus sous le nom de finerie anglaise. Le travail, chacun le connaît : c'est la fusion de la fonte, seule ou additionnée de battiture ou de scorie de forges, sous l'influence d'un courant d'air. La position de la fonte par rapport aux tuyères, l'inclinaison du vent, sa pression, la profondeur du foyer, etc., etc., sont autant qui font varier l'intensité l'action de l'air sur le métal. »
L'acier au creuset : la cémentation
Les fers obtenus peuvent subir des opérations de cémentation. Cette opération consiste à augmenter le taux de carbone de l'alliage afin d'obtenir des caractéristiques mécaniques supérieures.
Réaumur conçoit un four fait de plaques de réfractaire mobiles. Sur ces plaques, il place des barres de fer forgées noyées dans divers mélanges faits à base de bois pilé, de cendres et de suie. L'ensemble est chauffé pour provoquer une migration du carbone par diffusion dans les barres.
