Histoire de la production de l'acier - Définition

Introduction

L'histoire de la production de l'acier, comme la plupart des histoires de découvertes et progrès techniques, n'est pas linéaire. On trouve des aciers à divers endroits de la planète au cours de l'histoire. Certaines innovations apparaissent sans se répandre : l'Europe découvre l'utilisation de la houille 1 000 ans après la Chine, les Arabes ne connaissant pas ce combustible. D'autres se diffusent différemment : l'adoption de l'énergie hydraulique permet au haut fourneau d'être réinventé partout où le minerai de fer s'y avère compatible.

Avec la Renaissance commence un inventaire des techniques, dont l'analyse se poursuit par des méthodes scientifiques jusqu'à la fin du XVIII^e siècle. Ces techniques, qui restent marquées par les contraintes locales et la transmission du savoir-faire, persisteront jusque dans la seconde moitié du XIX^e siècle. C'est en effet à cette époque qu'apparaissent les innovations les plus marquantes. Toutes sont liées à la mise au point du procédé indirect : le couple constitué par le haut fourneau et le convertisseur fonde la sidérurgie moderne.

Enfin, la sidérurgie de la fin du XX^e siècle est contrainte de muter brutalement. La possibilité d'utiliser massivement des énergies et des procédés jusque-là coûteux ou complexes, comme l'électricité ou l'injection d'oxygène pur, permet l'utilisation d'outils dont les performances surclassent indiscutablement ceux de la révolution industrielle.

Convertisseur Bessemer de Republic Steel en soufflage en 1941

Fer, fonte, acier, une définition changeante au cours du temps

Depuis la préhistoire (Âge du fer), le minerai de fer est travaillé à relativement basse température, dans un bas fourneau. On obtient une masse hétérogène — « massiot » ou « loupe » — qui est martelée pour en enlever les scories. Les artisans remarquent très tôt que les blocs de métal obtenus n'ont pas tous les mêmes propriétés. Les progrès de la science permettent par la suite de classer les différents alliages selon leur composition chimique.

L'Antiquité

Les Grecs distinguaient le fer (et semble-t-il les métaux d'une manière générale) : sidēros (σιδηρος), de l'acier : khalups, khalubos (χάλυψ, χάλυβος). Il est d'ailleurs probable que la signification historique de ces deux mots soit déformée par nos connaissances actuelles. Ils pratiquaient la cémentation du fer pour le durcir et ainsi fabriquer de l'acier.

Le latin conservera le terme de chalyb et appellera le fer ferrum, mot qui sera conservé dans les langues latines (ferro en italien, portugais et catalan, hierro en espagnol).

Le Moyen Âge

De manière globale, le terme « acier » désigne les alliages qui prennent la trempe, c'est-à-dire qui durcissent lorsque l'on trempe dans l'eau le métal chauffé au rouge. Le terme de « fer » désigne le métal qui ne durcit pas par trempe. Cette acception reste de nos jours dans les expressions « fer forgé » ou bien « fer plat », « fer U » et « fer I » qui sont des pièces en acier — au sens moderne du terme — ne prenant pas la trempe.

Réaumur, Monge, Berthollet et Vandermonde

Réaumur (1683-1757), qui a étudié des méthodes de fabrication du fer.

Il faut attendre l'extrême fin du XVIII^e siècle pour que la définition des termes « fer », « acier » et « fonte » se fonde sur le taux de carbone contenu dans l'alliage.

René-Antoine Ferchault de Réaumur étudie, en appliquant des règles scientifiques et même industrielles (calcul de prix de revient) entre 1716 et 1726, les méthodes de fabrication du fer. Il affirme contre l'esprit commun de l'époque que « l'acier est un fer moins affiné où les molécules de fer sont séparées par des masses de soufre et de sels qui lui donnent sa dureté ».

Pendant la Révolution française, comme beaucoup de scientifiques, Gaspard Monge, Claude Louis Berthollet et Alexandre-Théophile Vandermonde se mettent au service de la République française. La France est en guerre contre le reste de l'Europe, elle a besoin d'acier pour fabriquer des armes. Or, elle est dépendante de ses voisins (Allemagne, Angleterre) pour l'approvisionnement en acier. Pour stimuler l'industrie nationale, ils publient un ouvrage faisant le point sur l'industrie de l'acier de l'époque, Avis aux ouvriers français en fer sur la fabrication de l'acier. Dès le début, les auteurs établissent clairement la distinction entre fer, acier et fonte, en se fondant sur le taux de carbone :

« Le charbon n'a pas seulement la propriété d'ôter au fer l'air qui s'était uni à lui ; mais lui-même peut se fondre dans le fer à une grande chaleur, et par là, il donne des propriétés à la fonte et il change le fer en acier. »

Cependant, quelques erreurs subsistent sur le rôle de l'oxygène, et on ignore à l'époque l'influence des autres éléments, comme le silicium. En effet, le texte continue ainsi :

« La fonte doit être considérée comme un métal dont la réduction n'est pas complète […]. Ainsi la fonte blanche retient une plus grande quantité d'oxygène et contient peu de charbon ; la fonte grise, au contraire, contient plus de cette dernière substance mais elle est beaucoup plus dépouillée d'oxygène. »

Dans son ouvrage Description de l'art de fabriquer des canons, Monge rappelle que l'acier est « du fer affiné qui a absorbé du charbon, et c'est principalement par la quantité dont le charbon est distribué dans la masse que les aciers diffèrent entre eux ». Le pluriel apparaît : si la définition de l'acier reste fondée sur sa teneur en carbone, il reste encore à expliquer la variété des propriétés de cet alliage.

Définition actuelle

Diagramme de phase fer-carbone, indiquant les domaines de l'acier et de la fonte.

Les alliages ferreux sont composés majoritairement de l'élément chimique fer. La distinction entre les trois familles d'alliages ferreux est fondée sur le taux de carbone contenu dans l'alliage, et en particulier sur la présence d'une phase eutectoïde ou eutectique :

• fer industriel et acier extra-doux : < 0,050 % de carbone ;
• acier : entre 0,050 % et 2,1 % de carbone : présence d'une phase eutectoïde ;
• fonte : entre 2,1 % et 6,67 % de carbone : présence d'une phase eutectique.

Dans le cas du fer industriel, le carbone est entièrement dissout. Dans les aciers, une partie est sous la forme de précipités de carbures. Dans le cas des fontes, on peut avoir des précipités de carbure ou de graphite.

La définition par le taux de carbone est assez théorique, elle est établie pour un alliage purement binaire fer-carbone sans autre élément d'alliage. C'est une situation exceptionnelle qui ne tient compte ni des impuretés ni d'éventuels éléments d'alliages ajoutés volontairement.