Bas fourneau

Le bas fourneau se présente comme une cheminée de taille humaine (un ou deux mètres de haut) en briques et en terre cuite, dans laquelle on dispose en alternance une couche de minerai de fer et une couche de charbon de bois. Lorsque l'on met le feu, le charbon de bois produit par combustion incomplète du monoxyde de carbone (gaz CO) qui vient réduire le minerai : le fer est présent dans le minerai sous forme oxydée Fe₃O₄ ou Fe₂O₃, par réaction avec le CO, il se forme du fer :

Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

La réduction permet ainsi d'extraire le fer de l'oxyde en enlevant à ce dernier son oxygène, par contact avec le monoxyde de carbone, ce dernier s'unissant avec l'oxygène du minerai pour former le dioxyde de carbone CO₂, ce qui libère le métal.

Le tirage du fourneau est assuré soit par ventilation naturelle, soit par des soufflets, généralement manuels. Les impuretés qui accompagnent le minerai forment la scorie ou laitier qui s'écoule au bas du fourneau ou dans une fosse ménagée en dessous de sa base (« fourneaux à cuve » à usage unique).

Dans le bas du fourneau s'accumule un solide spongieux, composé de métal et de scorie, que l'on appelle « loupe » ou « massiau ». Le métal obtenu par ce procédé est très hétérogène. La loupe peut être composée de fer et d'acier contenant de 0,02 % à 2 % de carbone.

Cette loupe est d'abord nettoyée et éventuellement séparée en morceaux de qualité comparables. Elle est ensuite cinglée, par martelage répété, afin de retirer la scorie et de rendre le métal homogène. Il reste quand même des inclusions de scories dans la matrice métallique. Après ce long processus on obtient un bloc de métal qui pourra être mis en forme par le forgeron pour fabriquer outil (soc de charrue, serpe, cerclage de roue…) ou arme.

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  Bas fourneaux de Bandjéli, au Togo (fin du XIX^e siècle, début du XX^e).
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  Bas fourneau expérimental en pierres prêt à être chargé.
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  Bas fourneau expérimental après ouverture de sa base et enlèvement de la loupe.

Le bas fourneau transforme le minerai en une masse de fer spongieuse, la loupe. En effet, d'après le diagramme d'Ellingham, la réduction des oxydes de fer est possible à partir de 900 °C, alors que le point de fusion du fer pur est de 1 535 °C. La réduction sans fusion du métal, plus économique au niveau énergétique, présente cependant de nombreux inconvénients :

• la réduction ne s’opère efficacement qu'en surface du produit, qui est alors chimiquement très hétérogène ;
• la séparation entre la gangue du minerai et le métal est très difficile ;
• sur les modèles archaïques, l'accès au fer nécessite la démolition du fourneau.

La gangue du minerai, partiellement réduite au cours de la réaction, devient une masse de scories. Certains minerais présentent la possibilité de générer des scories suffisamment liquides pour qu'une partie puisse s'écouler hors du fourneau. Dans d'autres cas, une addition de fondant, comme la castine, peut favoriser l'écoulement des scories.

La loupe, chimiquement hétérogène et très chargée en impuretés, doit être longuement cinglée par le forgeron pour obtenir un métal de qualité. Homogénéiser la teneur en carbone et chasser les impuretés requiert un savoir-faire complexe : c'est ainsi que certains forgerons se sont bâtis des renommées qui ont traversé les siècles, comme au Japon.

Les températures nécessaires à la fusion du fer qui permet l'évacuation sous forme liquide du fer et des scories, ainsi que leur séparation par décantation, est essentiellement due au débit d'air injecté dans le four. Lorsque le soufflage d'air est réalisé mécaniquement, notamment grâce à l'utilisation de l'énergie hydraulique, la température de fusion du fer peut être atteinte de façon régulière. C'est le haut fourneau, que les Anglais appellent « blast furnace », c'est-à-dire four à air insufflé, par opposition à « bloomery », qui se réfère à la masse métallique obtenue[note 4].

Un bas fourneau peut donc atteindre la température de fusion du fer à cause d'un souffleur trop énergique ou d'un débit d'air mal réglé, produisant de la fonte brute qui est alors jugée comme un défaut de production. Très cassante, elle est d'une utilisation limitée, voir inutile pour la fabrication d'outils ou d'armes, qui est l'objectif principal des efforts fournis. La fonte brute nécessite en effet d'être refondue pour brûler son carbone et autres impuretés par des procédés technologiques plus complexes comme la forge d'affinage, et plus tard le puddlage ou le procédé Bessemer, afin de produire de l'acier.

En Afrique, les premiers bas fourneaux remontent à 2500 av. J.-C. Les populations originaires du Sahara notamment les Noks connaissaient déjà cette technique.

En Europe, les premiers bas fourneaux sont apparus vers 1200 av. J.-C. Si les premiers bas fourneaux ne produisaient guère plus d'un kilogramme de fer par campagne, ceux-ci grossirent jusqu'à être capable d'atteindre une quinzaine de kilos.

L'usage de l’énergie hydraulique dans de gros fours est attesté, notamment dans certains monastères en France et en Suède dès le début du XIII^e siècle[9]. Des documents comptables prouvent aussi son utilisation en Angleterre en 1408[10], ou dans la forge catalane. Dans ces configurations, la loupe peut alors atteindre 300 kg, et si de hautes températures sont possibles jusqu'à atteindre la fusion du métal, le procédé reste volontairement « froid ». En effet, l'accroissement de température, en favorisant la diffusion du carbone du charbon de bois dans le fer, produirait une fonte qu'on ne sait encore pas bien décarburer.

L'Asie exportait, à partir de centres de productions situés en Inde et en Ouzbékistan, des lingots de wootz, un acier obtenu par affinage d'une loupe produite dans un bas fourneau, qui est ensuite refondue dans un creuset hermétiquement fermé : c'est l'acier au creuset.

Au Japon, l'acier japonais traditionnel, le Tamahagane, était produit dans un tatara, un bas fourneau dont l'évolution s'est faite par un accroissement de la surface, sans augmentation de la hauteur. La faible hauteur du tatara s'explique par l'utilisation de sable ferrugineux comme minerai, qui n'offre qu'une faible perméabilité gazeuse au chargement du four[11].