Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui: Fers, fontes, aciers : 4000 ans d’affinage et de purification 9782759821709

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RÉCITS SIDÉRURGIQUES D’HIER ET D’AUJOURD’HUI Fers, fontes, aciers : 4 000 ans d’affinage et de purification

RÉCITS SIDÉRURGIQUES D’HIER ET D’AUJOURD’HUI Fers, fontes, aciers : 4 000 ans d’affinage et de purification

Jean LE COZE

Illustration de couverture : Ferrite aciculaire dans un clou gaulois du 1er siècle avant notre ère, voir Chapitre 8.

Imprimé en France. © 2017, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtaboeuf, 91944 Les Ulis Cedex A Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et d’autre part, les courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’oeuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35. ISBN (papier) 978-2-7598-2114-3 – ISBN (ebook) 978-2-7598-2170-9

À Elisabeth qui illumine ma vie.

Sommaire

Avertissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

Remerciements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

Section I. Vocabulaires métallurgiques . . . . . . . . . 15 CChapitrChapi Éléments de langage anciens et modernes. . . . . . . . 17 1.1. Langages anciens et modernes décrivant les produits ferreux . . . . 1.1.1. Fer-Fonte et Acier – vocabulaire du diagramme Fe-C . . . . . . . . 1.1.2. Appellations anciennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3. Les « pièges » de la description scientifique actuelle des alliages Fe-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Pureté, purification, propreté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Scories et laitiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quelles parentés entre scories et laitiers ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les laitiers modernes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . « Histoire » des laitiers-scories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Repérage des hautes températures avant le xxe siècle . . . . . . . . . .

18 18 20 21 22 26 26 27 28 29

CChapitrChapi Signification du mot « fonte » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6.

Fonte : signification actuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fer de fonte et fonte de fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La fonte de la mine ou du minerai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fonte ou fusion ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fondage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33 34 35 37 38 39

II

Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui

CChapitrChapi Contenus techniques des noms donnés à l’acier. . . 43 3.1. Exemples de propriétés incluses dans les mots désignant « l’acier » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2. En Inde, la question du wootz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Section II. Quatre millénaires de fers-fontes-aciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 CChapitrChapi Sur les origines du fer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1. Histoires du fer et des « âges du fer » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1. Chronologie habituelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. Signification des « âges » du fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3. Origine de la notion des « âges » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Histoires de l’invention du fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Compétition entre Cu et Fe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Point de vue philosophico-politique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51 51 52 52 53 54 56

CChapitrChapi Production des fers et des aciers depuis quatre millénaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.1. Différents chemins de production des alliages de fer . . . . . . . . . . 5.1.1. Description générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2. Exigences techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3. Point de vue thermochimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Réduction directe : fer forgé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Procédé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Évolution technique des fours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3. Exemples de fers de réduction directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4. Résumé sur la pureté des fers forgés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. La fonte de fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1. Procédé de fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2. Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3. Le haut-fourneau et le coke, évolution technologique . . . . . . . . 5.3.4. Intérêts du coke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.5. Résumé sur la pureté et la propreté de la fonte . . . . . . . . . . . . . 5.4. Acier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1. Différents chemins de production jusqu’à la fin du xixe siècle . . . 5.4.2. Commentaires sur la purification de l’acier. . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Évolutions techniques au xxe siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Nouvelles directions pour la production des alliages de fer. . . . . .

61 61 61 62 66 66 67 67 69 70 70 70 70 72 72 72 72 73 76 79

Sommaire

5.6.1. Nouveaux procédés de réduction directe . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.2. Fer « ultra pur » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7. Analyse chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Annexe 1. Fer de haute pureté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Annexe 2. Évolution des moyens de mise en forme . . . . . . . . . . . . . . . .

III

79 79 80 81 84 88

CChapitrChapi Places respectives des fers et de l’acier depuis la purification par le feu jusqu’au diagramme Fe-C . . . . . . 93 6.1. L’acier considéré comme un fer purifié . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.1.1. Grèce antique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.1.2. Sources arabes et perses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.1.3. Sources européennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.2. Transition vers une nouvelle description de l’acier comme un fer, … . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.2.1. Soufres et sels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.2.2. Phlogistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.2.3. Plombagine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.3. Acier : fer pur plus carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.3.1. Carbone et oxygène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.3.2. Classification des produits ferreux en fonction de leur teneur en carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.4. Conclusion partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.5. À propos de la purification par le feu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.5.1. Purification/pureté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.5.2. Place du minerai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.5.3. Purification par le feu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.6. Remarques finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Section III. Les premiers Fers de réduction directe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 CChapitrChapi Procédés de réduction directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 CChapitrChapi Observation de clous gaulois. Réflexions sur le travail des forgerons du ier siècle avant notre ère . . . . . . . . . 119 8.1. Le site du Crêt-Chatelard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 8.1.1. Localisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 8.1.2. Occupations et chronologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

IV

Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui

8.1.3. Le rempart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 8.2. Étude de laboratoire des clous du Crêt-Chatelard . . . . . . . . . . . . . 121 8.2.1. Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.2.2. Préparation des échantillons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.2.3. Analyse chimique globale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.3. Résultats des observations micrographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 8.3.1. Microstructure du métal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 8.3.2. Analyse des inclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 8.3.3. Commentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 8.4. Reconstitution de l’opération de forgeage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 8.5. Questions de société . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 8.6. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Annexe 1. Calcul du nombre de clous dans le rempart . . . . . . . . . . . . . . 127

CChapitrChapi Le Tatara et l’acier des sabres japonais . . . . . . . . . . . 131 9.1. Historique du Tatara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 9.1.1. Origine du Tatara actuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 9.1.2. Avant le Tatara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 9.1.3. Comment s’est maintenu le Tatara ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 9.1.4. Disparition du Tatara [4, 7, 9, 13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 9.1.5. Mise en place de nouvelles techniques de production à la fin du xixe siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 9.1.6. Restauration du Tatara. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 9.1.7. Que dit-on du Tatara aujourd’hui ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 9.2. Particularités techniques du Tatara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 9.3. Les produits d’entrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 9.3.1. Minerai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 9.3.2. Charbon de bois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 9.3.3. Argile du four . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 9.4. Description du procédé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 9.4.1. Opération . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 9.4.2. Moyens de pilotage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 9.4.3. Sortie des produits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 9.5. Bilan matières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 9.5.1. Perte en fer et consommation de charbon de bois . . . . . . . . . . . 149 9.5.2. Laitier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 9.5.3. Analyse des gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 9.6. Description du métal produit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 9.6.1. Qualités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 9.6.2. Hétérogénéité du métal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 9.6.3. Pureté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 9.6.4. Propreté inclusionnaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 9.6.5. Séparation des différentes qualités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Sommaire

V

9.6.6. Appellations diverses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 9.6.7. Utilisations du métal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 9.6.8. Rendement en fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 9.6.9. Personnel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 9.7. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 9.7.1. Comparaison avec les procédés anciens : forge catalane, fours gaulois et africains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 9.7.2. Interprétations données de la séparation entre la fonte et une austénite pure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 9.8. Visite au Nittoho Tatara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Annexe 1. Étude du texte de la Figure 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

CChapitrChapitQuelques descriptionsdes auteurs de l’Antiquité grecque et latine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Hésiode (viiie siècle avant notre ère) [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Hippocrate (ve-ive siècle avant notre ère) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Aristote (ive siècle avant notre ère) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Hérodote (ve siècle avant notre ère) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Diodore de Sicile (grec du ier siècle avant notre ère) [6] . . . . . . . . . . . . . 169 Pline (ier siècle, mort au cours de l’éruption du Vésuve, en 79) [7] . . . . . 169 Annexe 1. Au sujet de la traduction d’Aristote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

Section IV. Histoires de fontes et d’affinage au bas foyer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Partie 1. Fontes – Évolutions depuis la Chine ancienne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 CChapitrChapitDu « Fourneau à mine » au haut-fourneau moderne, la fonte de fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 11.1. Évolutions techniques aux xviiie-xixe siècles . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 11.2. Évolution du haut-fourneau au xxe siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 11.3. Innovations technologiques majeures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 11.4. Coulée de la fonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

VI

Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui

CChapitrChapitMicrostructures et emploisdes fontes anciennes et modernes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 12.1. Solidification des fontes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 12.2. Fontes classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 12.3. Transition de structure entre fontes blanches et grises . . . . . . . . . 190 12.4. Fontes d’affinage : pureté exigée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 12.5. Fontes ductiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 12.6. Fontes alliées – fontes spéciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 12.7. Fontes malléables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 12.8. Importances respectives des fontes de moulage . . . . . . . . . . . . . . 195 Annexe 1. Histoire des fontes malléables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

Partie 2. xviiie siècle – Les premières descriptions des fontes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 CChapitrChapitDescriptions de la production des fontes au xviiie siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 13.1. Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 13.2. Conditions d’obtention des fontes blanches et grises au xviiie siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 13.2.1. Marche du fourneau et production de fontes blanches ou grises . . . 205 13.2.2. La question des fontes naturellement blanches. . . . . . . . . . . . . 208 13.2.3. Synthèse des données du xviiie siècle sur le fonctionnement du fourneau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

CChapitrChapitEntre le phlogistique et la plombagine où situer la « fonte à l’oxygène » ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 14.1. Description de la pureté des fontes à l’époque de Réaumur . . . . . 216 14.1.1. Pureté des fontes blanches et grises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 14.1.2. Transformation de fonte grise en fonte blanche . . . . . . . . . . . . 217 14.1.3. Pureté des fontes comparées à l’acier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 14.1.4. Pureté de la fonte naturellement blanche . . . . . . . . . . . . . . . . 218 14.1.5. Pureté des fontes par rapport au rendement en fer . . . . . . . . . . 218 14.2. Les « parties hétérogènes » dans la fonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 14.2.1. Observations des surfaces de rupture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 14.2.2. Relation avec la fragilité de la fonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 14.2.3. Impuretés, matières terreuses et degré de réduction . . . . . . . . . . 220 14.2.4. Discussion sur les parties hétérogènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

Sommaire

VII

14.3. Phlogistique et plombagine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 14.3.1. L’expansion du phlogistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 14.3.2. Introduction de la plombagine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 14.4. Les premières analyses chimiques de la fonte et du fer . . . . . . . . . 225 14.4.1. Dissolution du fer et de la fonte dans un acide . . . . . . . . . . . . 225 14.4.2. L’oxygène dans la fonte (Lavoisier 1782) . . . . . . . . . . . . . . . . 225 14.4.3. Le blocage théorique jusqu’au premier quart du xixe siècle . . . . . 226 14.5. Clarification de la question : carbone et/ou oxygène ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 14.5.1. Il n’y a pas d’oxygène dans la fonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 14.5.2. La classification moderne fer/acier/fontes blanche et grise . . . . 231 14.6. Les conservateurs irréductibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Annexe 1. Analyse des fontes par dissolution dans un acide . . . . . . . . . . 234

CChapitrChapitL’affinage des fontes au bas foyer : les descriptions du xviiie siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 15.1. Les buts de l’affinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 15.1.1. Langage d’aujourd’hui . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 15.1.2. Description de la « chaîne » d’affinage au xviiie siècle . . . . . . . 243 15.1.3. Description de l’affinage en langage du xviiie siècle . . . . . . . . . 244 15.1.4. Le mazéage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 15.2. Exemples de procédés d’affinage au bas foyer . . . . . . . . . . . . . . . 246 15.2.1. À propos de la multitude de variantes et appellations . . . . . . . . 246 15.2.2. Affinage de type wallon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 15.2.3. Affinage rivois en acier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 15.2.4. « Das Braten » en Carinthie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 15.2.5. Procédé bohémien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 15.3. Conduite du foyer d’affinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 15.3.1. Description du creuset et de la tuyère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 15.3.2. La fusion de la gueuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 15.3.3. La conduite du feu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 15.3.4. La conduite du vent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 15.3.5. Maîtrise du processus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 15.3.6. Sortie de la loupe et cinglage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 15.3.7. Synthèse des différences entre l’affinage « pour fer ou pour acier » . . . 253 15.4. Description des propriétés des fontes d’affinage . . . . . . . . . . . . . . 256 15.4.1. Aujourd’hui et au xviiie siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 15.4.2. Fusibilité et fluidité des fontes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 15.4.3. Réactivité des fontes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 15.5. Les théories problématiques de l’affinage des « fontes à l’oxygène » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 15.5.1. Fontes blanches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

VIII

Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui

15.5.2. Fontes grises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 15.5.3. Analyse de la démarche des trois Académiciens . . . . . . . . . . . . 261 15.5.4. Diffusion des théories « oxygénistes » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Synthèse et conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

CChapitrChapitPropositions pour l’interprétation physico-chimique de l’affinage des fontes au bas foyer. . . . . . . . . 267 Points à discuter – Résumé des points essentiels des chapitres précédents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 16.1. Teneurs en carbone des fontes, aciers et fers au xviiie siècle . . . . 270 16.2. Stabilité des oxydes et réactions d’affinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 16.3. Fusion des fontes au cours d’un chauffage rapide . . . . . . . . . . . . . 273 16.3.1. Conditions hors d’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 16.3.2. Évolution au chauffage de la fonte de composition Co (environ 4,1 % C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 16.3.3. Évolutions des microstructures au chauffage. . . . . . . . . . . . . . 274 16.3.4. Conséquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 16.4. Simulations de l’affinage au bas foyer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 16.4.1. Décarburation d’une fonte blanche ou « fonte facile à affiner » . . . 275 16.4.2. Décarburation d’une fonte grise ou « fonte difficile à affiner » . . . 278 16.5. Quelles températures au bas foyer pour l’affinage en fer ou acier ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 16.6. Conditions d’affinage en fer doux (bas carbone) . . . . . . . . . . . . . 283 16.7. Question des pertes en fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 16.7.1. Idée directrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 16.7.2. Composition du laitier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 16.7.3. Pertes en fer théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 16.8. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

Section V. Histoires d’aciers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Partie 1. Développements des aciers depuis le xviiie siècle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 CChapitrChapitPrincipaux procédés d’élaboration de l’acier liquide ou solide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 17.1. Description générale des méthodes de production . . . . . . . . . . . . 293 17.2. Bilan à la fin du xixe siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

Sommaire

IX

17.3. Tableau résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 17.4. Les problèmes du soudage à la forge des aciers . . . . . . . . . . . . . . 299

CChapitrChapitSur l’évolution des techniques d’affinage de la fonte depuis le xixe siècle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 18.1. Présentation générale de l’affinage de la fonte depuis le xixe siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 18.1.1. Objectifs de l’affinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 18.1.2. Familles de procédés d’affinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 18.1.3. Résumé historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 18.1.4. Point de vue thermochimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 18.2. Affinage de la fonte au bas foyer (foyer d’affinerie) . . . . . . . . . . . 308 18.2.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 18.2.2. Mise en œuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 18.3. Affinage de la fonte par puddlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 18.3.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 18.3.2. Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 18.3.3. Techniques d’affinage par puddlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 18.3.4. Réactions d’affinage de la fonte [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 18.3.5. Témoignages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 18.4. Affinage au four Martin-Siemens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 18.4.1. Invention du procédé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 18.4.2. Description de l’installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 18.4.3. Processus d’affinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 18.4.4. Vie du four Martin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 18.5. Conversion de la fonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 18.5.1. Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 18.5.2. Description des convertisseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 18.5.3. Fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 18.5.4. Résumé des évolutions des convertisseurs depuis 1950 en France [3a] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 18.5.5. Souvenir : Spiegel/Thomas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 18.6. Comparaisons entre méthodes d’affinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 18.6.1. Comparaisons entre affinage au bas foyer, puddlage et four Martin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 18.6.2. Comparaison entre le four Martin et les convertisseurs (Tab. 7) . . . 335 18.6.3. Productivités comparées des procédés d’affinage . . . . . . . . . . . . 336 18.7. Transferts en poche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

X

Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui

CChapitrChapitL’acier de cémentation (xviiie-xixe siècles) : Gay-Lussac et la barrière imperméable de la surface du solide – Le Play contre Réaumur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 19.1. Techniques de cémentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 19.1.1. L’« acier de cémentation » et la cémentation superficielle. . . . . . 342 19.1.2. L’acier de cémentation, contrôle de fabrication. . . . . . . . . . . . . 343 19.1.3. Procédés de fabrication de l’acier de cémentation . . . . . . . . . . . 346 19.2. Quelles interprétations du phénomène de carburation ? . . . . . . . . 352 19.3. Les problèmes de la France selon Le Play . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 19.4. Fin de l’acier de cémentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 Annexe 1. Sur la signification générale de « cémentation » et cémentite . . . 359

CChapitrChapitLes qualités d’aciers selon les classifications anciennes et modernes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 20.1. Qualification de « acier » au xviiie siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 20.2. Définition de « acier » au xixe siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 20.3. État des lieux au début du xxe siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 20.4. Performances/qualité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 20.4.1. La définition de « acier » par rapport à « fer » . . . . . . . . . . . . 366 20.4.2. Les critères de « performance/qualité » . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 20.5. Repérage des aciers par rapport à des termes qualitatifs. . . . . . . . 367 Aciers fins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Aciers spéciaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Aciers alliés/aciers de qualité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Aciers de base, acier doux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Autres types d’appellations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 20.6. Normalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

Partie 2. Aciers fondus en creuset . . . . . . . . . . . . . . . 373 CChapitrChapit Aciers au creuset – quelles connaissances en Europe sur le « Damas » ou le « wootz » avant le xixe siècle ?. . . 375 21.1. Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 21.2. Premiers textes techniques en Europe sur l’acier « de Damas » . . . 380 21.2.1. Premiers écrits significatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 21.2.2. Deux écrits métallurgiques du xvie siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 21.2.3. Conclusion partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 21.3. Littérature épique et chroniques des croisades . . . . . . . . . . . . . . . 384 21.3.1. Les deux siècles de Croisades (1095-1270) . . . . . . . . . . . . . . . 384 21.3.2. Dans la steppe russo-ukrainienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

Sommaire

XI

21.4. Pendant la présence des Sarrasins en Europe du Sud (viiie-xve siècles) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 21.4.1. Sur les armes carolingiennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 21.4.2. Al-Andalus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 21.4.3. Conclusion partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 21.5. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 21.5.1. Question du transfert de savoir. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 21.5.2. Intérêt de l’acier au creuset oriental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 21.6. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 Annexe 1. Damas de cristallisation et Damas de corroyage . . . . . . . . . . 403 Annexe 2. Exemple de recette d’acier au creuset, chez Al-Biruni (Xe siècle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 Annexe 3. Texte de J.B. Tavernier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 Annexe 4. Texte de J. Chardin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 Annexe 5. Ondanique/hinduwani . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407

CChapitrChapitDescription des outils et des procédés de fusion en creuset depuis le ixe jusqu’au xxe siècle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 Aspects historiques sur l’acier au creuset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 Description générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 22.1. Moyens techniques et mise en œuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 22.1.1. Creusets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 22.1.2. Fours de chauffage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 22.1.3. Nature des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 22.2. Maîtrise des procédés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 22.2.1. Ateliers et usines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 22.2.2. Conduite des procédés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 22.2.3. Images et descriptions « récentes » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 Annexe 1. « Procédé Clouet » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

CChapitrChapitSituation de l’acier au creuset au xixe siècle par rapport aux autres procédés d’élaboration de l’acier . . . . . . . 443 23.1. Intérêts de l’acier au creuset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 23.1.1. Point de vue historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 23.1.2. L’intérêt scientifique et industriel en Europe . . . . . . . . . . . . . . 444 23.1.3. L’intérêt économique et stratégique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 23.1.4. L’intérêt politique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 23.2. Compétition entre techniques d’élaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 23.2.1. La capacité de production de l’aciérie au creuset . . . . . . . . . . . 446 23.2.2. Difficultés de l’acier au creuset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

XII

Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui

23.2.3. La question de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 23.2.4. Éléments du prix de revient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 23.3. Utilisations des aciers au creuset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 23.4. Histoire particulière de la région stéphanoise au xixe siècle . . . . . 452 23.5. Vie et mort de l’aciérie au creuset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 23.6. Héritages de l’aciérie au creuset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457

Partie 3. Des « aciers d’alliage »du xixe siècle aux aciers spéciaux du xxe siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . 461 CChapitrChapitNaissance des aciers spéciaux et de la métallurgie scientifique1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 24.1. Études au xixe siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 24.2. Réalisations industrielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 24.2.1. Avant 1880 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 24.2.2. À partir de 1880 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 24.3. Développements scientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466 24.3.1. Aperçu historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466 24.3.2. Développement des moyens de caractérisation . . . . . . . . . . . . . 466 24.3.3. Collaborations internationales et normalisation . . . . . . . . . . . 468 24.4. Développements et recherche industrielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 24.4.1. Exemples de problèmes qui ont marqué la recherche de performances des aciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 24.4.2. Structure de la recherche avant le xxe siècle . . . . . . . . . . . . . . . 470 24.4.3. Laboratoires de recherche dans l’industrie métallurgique . . . . . . 471

CChapitrChapitMines d’acier, magnesia nigra le manganèse dans les aciers depuis quand ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 25.1. Pourquoi le manganèse ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476 25.1.1. Intérêts du Mn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476 25.1.2. Rappels métallurgiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476 25.1.3. Rappels historiques : débuts de Mn dans l’élaboration des aciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477 25.1.4. Mn dans les fontes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477 25.2. Mines d’acier et affinage des fontes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478 25.2.1. Les mines d’acier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478 25.2.2. L’affinage des fontes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479 Conclusion partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 25.3. Le manganèse dans les procédés de réduction directe. . . . . . . . . . 481 25.3.1. Questions posées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481

Sommaire

XIII

25.3.2.

Sur la réduction des minerais de fer manganésifères ou mines d’acier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481 25.3.3. Forge catalane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483 25.3.4. Stückofen et fours à cuve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485 25.3.5. Le Tatara, un acier de réduction directe sans intervention du manganèse (Ch.9) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 25.3.6. Conclusion partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487 25.4. Depuis quand la magnesia/manganèse ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488 25.4.1. Foyers anciens : acier / fers aciéreux / fer doux . . . . . . . . . . . . 488 25.4.2. Magnesia et Le/La Manganèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 25.4.3. Manganèse en Inde et en Chine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492 25.4.4. Sparte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493 25.4.5. Conclusion partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 Conclusions générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 Annexe 1. Fontes Spiegel et ferro-manganèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 Annexe 2. Réduction des minerais de fer manganésifères . . . . . . . . . . . 499

CChapitrChapitMoyens modernes d’élaboration des aciers spéciaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 26.1. Le four électrique à arc et la production de masse des aciers spéciaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 26.1.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506 26.1.2. Histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507 26.1.3. Évolutions techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 26.1.4. Matières premières de l’aciérie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 26.1.5. Le four et son environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 26.1.6. Réactions métallurgiques au four à arc . . . . . . . . . . . . . . . . . 510 26.1.7. Conduite d’une opération de fusion-affinage . . . . . . . . . . . . . 511 26.1.8. La filière électrique moderne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 Conclusion partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 26.2. Métallurgie secondaire et techniques de refusion . . . . . . . . . . . . . 513 26.2.1. Fonctions assurées par la métallurgie secondaire . . . . . . . . . . . 513 26.2.2. Réacteurs de la métallurgie secondaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517 Conclusion partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520 26.3. Élaboration des aciers inoxydables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 26.3.1. Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 26.3.2. Familles d’aciers inoxydables [14, 15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 26.3.3. Problèmes d’élaboration [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523 26.3.4. Procédés spéciaux de décarburation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524 26.3.5. Gamme d’affinage des aciers inoxydables . . . . . . . . . . . . . . . . 525 26.3.6. Développement des aciers inoxydables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526 26.3.7. Historique des aciers inoxydables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526 Remarques finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528

XIV

Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui

CChapitrChapitParticipation de l’industrie stéphanoise au développement des aciers spéciaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 27.1. Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 27.2. Commentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

CChapitrChapitSolidification des aciers Coulée et soudage . . . . . . . 543 28.1. Différents types de coulée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 28.1.1. Fonte d’affinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 28.1.2. Moulage d’aciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 28.1.3. Coulée des aciers au creuset (quelques centaines de kg) . . . . . . . 544 28.1.4. Coulée de plusieurs dizaines de tonnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 28.1.5. Coulée en lingotière (Fig. 1 et 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 28.1.6. Coulée continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 28.2. Problèmes à la solidification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 28.2.1. Contraction à la solidification : retassures . . . . . . . . . . . . . . . 546 28.2.2. Interface liquide/solide : macroségrégations . . . . . . . . . . . . . . 547 28.2.3. Microstructures et microségrégations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 28.3. La coulée continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 28.4. Soudage par fusion du métal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551

Section VI. Les acteurs des métiers du fer. . . . . 555 CChapitrChapitLes acteurs des métiers du fer avant le xixe siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 29.1. Entre archéologie récente et histoire ancienne . . . . . . . . . . . . . . . 557 29.1.1. Forgerons et agriculteurs-métallurgistes . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 29.1.2. Implantations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559 29.1.3. Points de vue mythiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559 29.2. En France, de la Renaissance jusqu’au début du xixe siècle . . . . . 560 29.2.1. Les abbayes et les nobles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560 29.2.2. L’État . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561 29.2.3. Maîtres de forge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562 29.2.4. Ouvriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 29.2.5. Maîtres de forge et innovation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565 29.2.6. Enseignement/apprentissage (xviiie-xixe siècles) . . . . . . . . . . . . 568

Sommaire

XV

CChapitrChapitMutations techniques et socialesde la sidérurgie en France au xixe siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571 30.1. Évolutions techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571 30.1.1. Affinage de la fonte en fer et acier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571 30.1.2. Transition entre fonte au bois et fonte au coke . . . . . . . . . . . . . 573 30.2. Problèmes et freins au développement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577 30.3. Évolutions des structures industrielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578 30.3.1. Évolution des acteurs de la production . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578 30.3.2. Évolutions géographiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 30.3.3. Concentrations, rapprochements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 30.3.4. Conséquences sociales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 30.4. Évolutions scientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580 Annexe 1. Meeting du Comité des Forges de Champagne en 1869 à Saint-Dizier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582

CChapitrChapitLes crises de la sidérurgie depuis le xxe siècle . . . . . 585 31.1. Avant la deuxième guerre mondiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 31.1.1. Évolutions techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 31.1.2. Organisation de la sidérurgie française . . . . . . . . . . . . . . . . . 587 31.1.3. Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589 31.2. Évolutions depuis la seconde guerre mondiale . . . . . . . . . . . . . . . 590 31.2.1. Restructurations après la guerre : 1945-1954 . . . . . . . . . . . . . 591 31.2.2. « Rapiéçages » et immobilisme : 1954-1966 . . . . . . . . . . . . . . 592 31.2.3. De la convention État-sidérurgie (1966) à la crise de 1974 . . . . 593 31.2.4. La fin des Trente Glorieuses – 1974 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 31.2.5. Contrôle de l’État et nationalisation (1978-1982) . . . . . . . . . . 595 31.2.6. Épilogue politique : privatisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596 31.3. Questions sociales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597 31.3.1. Origines des ouvriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597 31.3.2. Conséquences des restructurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598 Annexe 1. La sidérurgie au début du xxie siècle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599

CChapitrChapitSur la recherche métallurgique en France depuis 1945. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 32.1. Recherche industrielle sidérurgique en France . . . . . . . . . . . . . . . 603 32.1.1. R&D sidérurgique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 32.1.2. Depuis 1945 – recherche sidérurgique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604

XVI

Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui

32.2. Recherche publique en métallurgie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606 32.2.1. Débuts des laboratoires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606 32.2.2. Depuis 1945 en France – recherche publique . . . . . . . . . . . . . . 607 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610

Remarques finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

613

Lexique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Avertissement

À tous ceux qui aiment qu’on leur raconte des histoires.

Ces « récits sidérurgiques » ne prétendent pas constituer une histoire de la sidérurgie. Ce n’est que le travail d’un métallurgiste qui propose une série d’illustrations de ce que fut la sidérurgie au cours des siècles passés. Comme dans tout récit, certains passages sont plus longs ou plus courts que ce que la norme historique pourrait prétendre lui attribuer. Seul le bon vouloir du raconteur d’histoires a dirigé le choix et la longueur des chapitres, en fonction du plaisir qu’il a eu à découvrir et à créer la trame du récit, en souhaitant faire partager son enthousiasme à des lecteurs de tous âges et de cultures aussi bien métallurgiques ou chimiques qu’historiques ou archéologiques. La purification des fers et des aciers qui conditionne l’amélioration des propriétés d’emploi est une notion multiforme et très ancienne, depuis au moins Aristote. Cette quête vertueuse vers une perfection à définir n’a rien à voir avec un pilotage divin de la profession sidérurgique par Héphaïstos ou saint Éloi. C’est le résultat de la sélection naturelle qui a fait disparaître de nombreux procédés d’élaboration, un constat que l’on peut faire a posteriori, en analysant l’évolution des niveaux de qualité des produits sidérurgiques au cours des siècles, même si cette évolution fut compliquée, parfois divergente et souvent contradictoire. Il sera question de discuter les notions de purification et de ce que nous appelons « propreté inclusionnaire » qui sous-tendaient les efforts des anciens forgerons, même si le terme « propreté » ne date que du xxe siècle et que celui de « purification » faisait seulement partie du langage des « savants ». En pratique, la pureté et la propreté se traduisent en termes de meilleures propriétés d’emploi pour des produits de plus en plus durement sollicités. On trouvera, ici, assez peu de descriptions des outils de production, sauf, lorsque c’est absolument nécessaire, pour montrer l’intérêt d’un nouveau procédé ayant permis d’améliorer la qualité des fers et des aciers. En général, les descriptions seront plutôt centrées sur l’évolution de la qualité et de ses définitions depuis des époques où l’analyse chimique n’existait pas et où des tests de fabrication tenaient lieu d’essais mécaniques.

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Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui

Une partie importante de ce travail concerne la France des xviiie et xixe siècles, souvent enfermée sur elle-même, parfois en interaction constructive avec les autres pays d’Europe. Cependant, pour certains sujets, la discussion concernera les pays du Moyen-Orient et de l’Extrême-Orient, depuis le début du premier millénaire de notre ère, jusqu’au xxe siècle d’avant la mondialisation. Le contenu de l’ouvrage est fondé sur les publications disponibles depuis Aristote jusqu’à nos jours. Une partie importante concerne les textes du xviiie siècle qui peuvent poser des problèmes de compréhension du langage scientifique qui ne se rencontrent plus au xixe siècle où se situe une première mutation sidérurgique de grande envergure. La position de l’auteur a toujours été la suivante : les mains et les cerveaux des acteurs n’ont pas changé depuis un certain nombre de millénaires. Seules les connaissances théoriques et les modes de raisonnement se sont modifiés. C’est pourquoi, en se replongeant dans les contextes passés, on doit pouvoir pénétrer les savoirs de nos ancêtres, à condition de les respecter et de ne pas tout écraser par nos propres connaissances, afin d’écouter et d’entendre leurs langages devenus obsolètes.

Des extraits des publications suivantes ont été utilisées Mat.Trans. JIM [© 2000 the Japan Institute of Metals]. J.Le Coze. Mat.Trans. JIM, 41, 1, p 219-232, (2000). IJHS–Bombay [© Indian National Science Academy]. J.Le Coze. IJHS, 38.2, 117-127 (2003) ; 42. 3, p. 337-375 (2007) ; 45.3 (2010), 403-410. C.R.Chimie [© Acad. Sci. Pub. Elsevier Masson SAS]. J. Le Coze. C. R. Chimie, 10, 9, (2007), 850-855 ; 11, 6-7, (2008), 772-787 ; 11, 10. (2008), 1289-1300 ; 11, 11-12, (2008), 1584-1603 ; 12, 1-2, (2009), 297-318. Mat. & Tech [© EDP Sciences]. J.Le Coze. Mat. & Tech., Hors Série, 2003, 15-20 ; n° 1-2, (2005), 5-27 ; 95, 19-25, (2007) ; 98, 115-141 (2010) ; 100, n° 5, (2012), 343-366 ; 100, n° 6-7 (2012), 547-571 ; 101, n° 404, (2013), 1-18 ; 102, n° 103 (2014) 1-22 ; 102, n° 203 (2014) 1-12. J.Saleil, J.Le Coze. 103, 5, 507 (2015), 15 p.

Remerciements

À Jean Saleil, Frank Montheillet pour leurs encouragements, Jacques Bellus, David Piot pour leurs documents pertinents et Asdin Aoufi pour son aide bibliographique. À mes amis japonais, Kenji Abiko, Seiichi Takaki, Kanenaga Fujii, Yukitoshi Morimoto pour leur amical soutien tout au long de notre collaboration et à Monsieur Kyoshi Kagimoto, maintenant au Pays des Sages, pour sa présence apaisante dans des situations délicates. À feu Monsieur Robert Périchon qui a su toucher ma fibre métallurgique pour l’étude des clous gaulois du Crêt-Châtelard : « On ne connaît bien un lieu que lorsque l’on y a campé au moins une nuit ». À tous ceux qui m’ont fourni des documents ou manifesté une critique constructive : Jean Bernard Guillot, Philippe Dillmann, Bernard Guy, Edmond Truffaut, Jacques Rogez, François Le Coze, pour des apports critiques enrichissants, Patrice Cressier pour sa documentation sur Al-Andalus, Marcel Evrard pour le texte de Fernand Pirotte et Jacques Prévost pour son « Prolo sapiens ». Many thanks to Mrs Yosoi Toda for her translation of the Tatara Song. Merci à François Mudry, Jean-Luc Jacquot, Guy Denier, qui ont répondu à mes demandes de documentation et à Stéphane Sire et Gilles de « forgebaleine » pour leur autorisation d’utiliser leurs images. Je n’oublie pas les échanges avec le Professeur Verhoeven qui m’a fait parvenir une documentation importante, accompagnée de réponses attentives aux questions que je lui posais.

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Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui

Il me reste à raconter la quête d’une image qui m’a occupé au moins une année. Elle se trouve dans le Chapitre 5 (annexe 2) reprise ici. J’avais trouvé sans référence cette très belle image de la maîtrise de la puissance de l’eau et c’est mon ami Günter Borchardt avec ses collègues Ekkehard Reiff et Tore Rodehorst, de Clausthal-Zellerfeld, qui en ont identifié la source chez Olaus Magnus (xvie siècle). Vielen Dank, Günter. Au-delà de toute prétention, des remerciements à Friedrich Nietzsche pour justifier le titre Récits sidérurgiques de cet ouvrage : « Wir meinen, das Märchen und das Spiel gehört zur Kindheit : wir Kurzsichtigen ! Als ob wir in irgendeinem Lebensalter ohne Märchen und Spiel leben möchten ! »1. C’est dans Humain trop humain : « Nous croyons que les contes et les jeux appartiennent à l’enfance. Quelle vue courte nous avons ! Comment pourrions-nous vivre à n’importe quel âge de la vie, sans contes et sans jeux ? »

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  Menschliches, Allzumenschliches; zweiter Band, Nr. 270, S. 837.

Introduction

1.

Présentation

Le présent recueil de « récits sidérurgiques » a été rédigé par un métallurgiste, pour raconter des histoires du passé et du présent sur la fabrication des fers et des aciers, depuis environ 4 000 ans dans différentes parties du monde. Le titre Récits sidérurgiques a été choisi pour éviter toute confusion avec une Histoire de la sidérurgie qui demanderait de nombreuses concertations et collaborations multidisciplinaires. En revanche, les éclairages apportés à travers ces récits pourraient intéresser, c’est le souhait de l’auteur, des historiens, des archéologues et un large public à l’esprit curieux, car les aspects scientifiques et techniques sont abordés le plus simplement possible. Une culture de base en chimie ou en métallurgie est suffisante pour suivre la plupart des développements. Le texte présenté ici résulte, sauf exceptions, d’études de documents écrits rapportant des témoignages techniques ou de recherche d’explications lexicales dans des publications anciennes ou des ouvrages récents. Le parcours fut sinueux, parfois au hasard, mais toujours enthousiasmant. Par exemple : – les descriptions des anciens procédés « de réduction directe » sont présentées depuis les premières traces fragmentaires chez les auteurs grecs et latins, jusqu’à la forge à la Catalane qui était encore active à la fin du xixe siècle et illustrées par des figures et des photos d’archéologues travaillant en Afrique ; – le Tatara japonais, remis en fonctionnement depuis 1969, est décrit de façon détaillée à la suite d’un « reportage » effectué par l’auteur ; – une étude au laboratoire de clous gaulois du premier siècle avant notre ère a conduit à imaginer la façon de travailler des forgerons de cette époque ; – et encore, une série d’histoires particulièrement passionnantes autour de l’acier fondu au creuset qui fut « inventé » en 1740 à Sheffield, mais déjà actif 1 000 ans plus tôt en Inde, en Asie centrale et plusieurs pays du Moyen-Orient. Il s’agit du Wootz et de l’acier de Damas, dont les secrets de fabrication ne passèrent pas d’Orient en Occident, avant le xixe siècle.

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L’analyse du langage technique, surtout au xviiie siècle, a souvent été privilégiée. Plus précisément, c’est la façon d’exposer les phénomènes observés et parfois de les expliquer ainsi que les contradictions et les hésitations internes des publications qui ont constitué un souci permanent. En effet, il n’a pas semblé utile de rédiger des synthèses techniques à partir des rapports d’observations et des comptes rendus de voyages de l’époque, tout simplement parce que nous connaissons aujourd’hui les solutions aux problèmes discutés. C’est l’analyse et la discussion des textes qui est réellement enrichissante. Par exemple, les premières descriptions de la production de la fonte et de son affinage en fer ou acier, au xviiie siècle, par de nombreux scientifiques dont Réaumur, Buffon et les rédacteurs de l’Encyclopédie (particulièrement Bouchu) sont analysées à travers leur langage qui se transforme au cours du siècle, depuis la complexité des alchimistes du xviie siècle, jusqu’à la classification chimique rationnelle de l’École de Lavoisier puis de Berzelius. Le cheminement pour apprivoiser le langage fut souvent un plaisir, mais parfois une source de découragement en raison de confusions dans des textes écrits au fil de la plume, alors que nous avons pris l’habitude de dissertations structurées par des paragraphes cohérents. Finalement, venait le plaisir d’une remise en ordre en séquences adaptées à nos savoirs actuels. Il fallait, pour cela, évacuer notre jugement au profit de celui de l’auteur qui semblait donner une aussi grande importance à ce que nous considérons comme des détails qu’à ce que nous appelons, aujourd’hui, l’essentiel. Alors pourquoi s’obstiner à chercher dans ces écrits ce que nous connaissons aujourd’hui ? Simplement pour retrouver nos grands anciens, ceux qui ont commencé à inventer la sidérurgie à l’aube du xixe siècle. La traduction des termes techniques constitue un point crucial : doit-on traduire, en français moderne, les termes anciens et comment ? Exemple : acier. La signification actuelle d’« acier » est : alliage fer + carbone, produit à l’état liquide quelle que soit sa teneur en carbone de 0,003 % C (boîtes boisson) à plus de 1,5 % C (aciers à outils), mais que signifiait « acier » au xviiie siècle ? : C’était « Capacité à prendre la trempe » pour en faire des limes et des rasoirs. Au xixe siècle, après analyse chimique de produits anciens, on a constaté que ces « aciers » contenaient de 0,8 à 1,5 % C. Et bien avant chez Aristote, que signifiait le mot « stomoma », habituellement traduit par acier ? Ce terme qualifiait une notion de « tranchant », sous-entendu « fer tranchant ». Lorsqu’on le traduit par acier, on se trompe de description. En effet, acier vient de « acies » qui signifie également tranchant ou pointu en latin, mais on remarquera que acieris représente une hache en bronze. Il ne faut, donc, pas « traduire » sans précaution dans notre langage de chimie des termes désignant avant tout des propriétés d’emploi : un tranchant en bronze vaut un tranchant en fer lorsqu’il s’agit de fabriquer un rasoir. Un chapitre est proposé sur les contenus techniques des noms donnés à « acier » dans plusieurs langues. Des textes anciens ont été réexaminés en ce sens, pour les dégager de traductions trop « invasives ». Les publications les plus importantes, grecques, latines, arabes, russes, ont été revues à l’aide de traductions fiables, à travers le crible de l’analyse métallurgique actuelle. Les évolutions de certains termes courants ont été réexaminées : fonte, acier, fers, mais il n’a pas été possible de passer du

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temps à jouer avec les mots de métier des forgerons qui sont d’une variété et d’une richesse incomparables. Ce n’était pas notre objectif, car des spécialistes ont fait ce long travail de récolte, de classement et d’analyse. Un angle particulier a été choisi : décrire l’évolution des savoir-faire des sidérurgistes vers une meilleure qualité des produits, c’est-à-dire, selon notre langage actuel, vers un état de pureté et de propreté contrôlées, une préoccupation que l’on retrouve avec certaines nuances, chez les philosophes et les savants, de l’Antiquité à nos jours. Cette démarche ne vise pas la quête de la « révélation d’une prédestination sur le chemin de la pureté », mais le constat que chacun peut faire en observant 4 000 ans (à peu près) d’évolution sidérurgique au cours desquels, loin de s’abandonner à un progrès technique programmé, nos grands ancêtres ont inventé, buté, souffert et recommencé, avant de réussir, comme nous le faisons encore aujourd’hui. Le choix de mettre l’accent sur l’évolution de la qualité des produits a conduit à restreindre les descriptions des outils de production. Cette impasse n’est pas vraiment fatale, car il existe de nombreux ouvrages traitant de ces aspects essentiels de la sidérurgie. Les motivations du présent travail furent, avant tout, la curiosité et le plaisir de tirer sur le fil « à naviguer dans le temps », depuis les bribes disponibles chez les Grecs, Latins et Arabes, jusqu’aux Réaumur, Buffon, Diderot, Bouchu et l’École de Lavoisier, avec leurs hésitations et parfois leurs incohérences. Ce fut aussi, le silence des forgerons hindous dont nous ne connaissons les productions qu’à travers des publications anglaises du xixe siècle. Quant aux « aciers de Damas », ces aciers magiques dont la fabrication nous resta inconnue jusqu’au xixe siècle, leur description se trouvait dans des textes des ixexiie siècles rédigés par des savants arabes, traduits seulement au xixe siècle. Ce furent aussi, Agricola, Biringuccio au xvie siècle, Marco Polo au xiiie siècle, les récits des Croisades et Roland de Roncevaux, le Prince Igor, etc. Tout cela dans un désordre passionnant, au fil des découvertes. L’émotion fut souvent présente, depuis celle de manipuler un clou gaulois du ier siècle avant notre ère pour une autopsie métallurgique à celle de tenir dans ses mains un des rares exemplaires de 1556 du De Re Metallica d’Agricola en bas latin et de repérer l’ouvrage de Réaumur sur L’art de convertir le fer forgé en acier, relié en cuir craquelé, légèrement empoussiéré dans un coin d’étagère. La plus forte fut, sans aucun doute, l’émotion enfantine de pénétrer en pleine nuit dans l’atelier du « Nittoho Tatara » à Yokota, pour assister à la dernière nuit de soufflage dans un silence magique et, au petit jour, à la destruction du four et l’extraction du bloc de fer de 3 tonnes. Des questions intrigantes et complexes se sont posées, autour de la notion de phlogistique, empruntée à Aristote et réactivée par des alchimistes, que Lavoisier va balayer grâce à l’analyse chimique quantitative, en inventant les réactions d’oxydation. À la suite de Lavoisier, de nombreux scientifiques bâtirent une théorie sur l’affinage des « fontes à l’oxygène » qui fut un énorme sujet d’interrogation. L’histoire antique du manganèse, dont la découverte date seulement de 1774, fut complexe à dénouer, par ses aspects troubles, à la fois

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techniques et lexicaux, depuis les provinces grecques de Magnesia, la légende du berger Magnes, la magnesia nigra des verriers de l’Antiquité, les « mines d’acier » de la province romaine de Norique et, enfin, les fontes Spiegel destinées au traitement du « métal Bessemer », avant les ferro-manganèse à bas carbone. Les textes du xixe siècle sur la cémentation du fer par le carbone (carburation) ont révélé un nouveau sujet d’étonnement : pour les savants comme Gay Lussac, la pénétration du carbone dans le fer était incompréhensible, car la surface du solide constituait une barrière infranchissable. En effet, les descriptions de l’époque n’intégraient pas encore la structure atomique du métal. Dans l’ensemble de sujets traités, certains développements pourront être jugés comme trop étendus par rapport à d’autres. L’importance des développements est variable selon les « coups de cœur » de l’auteur progressant dans le labyrinthe d’une toile d’araignée. En effet, au-delà de son aspect didactique, cet ouvrage est issu de l’aventure de découvertes discontinues. Il est, cependant, structuré en thèmes classiques : fers de réduction directe, fontes, aciers, liés entre eux par des chapitres qui recentrent les problèmes généraux de la sidérurgie, vus selon notre optique moderne. Les descriptions des procédés actuels d’élaboration (conversion à l’oxygène, four électrique, coulée continue) sont volontairement restreintes par rapport au reste de l’ouvrage, car il existe des exposés de grande qualité dans différents ouvrages, par exemple dans les Techniques de l’Ingénieur. Il fallait cependant les situer comme prolongements modernes de l’évolution sidérurgique. Les moyens de mise en forme ne sont que brièvement cités. Il faudrait y consacrer une histoire complète. Enfin, la situation sociale et les problèmes humains des acteurs des métiers de la sidérurgie, autrefois et aujourd’hui, sont abordés pour rappeler, entre autres, que les techniques n’existent que par les individus qui les pilotent.

2.

Résumé général des évolutions de la production du fer

Les fables des origines. Mis à part le fer d’origine météoritique, on ne sait pas à quoi servit le fer aux origines de son invention et on peut imaginer toutes les fables possibles. Il serait agréable d’imaginer que les premiers découvreurs du fer aient d’abord été séduits par un matériau extraordinaire, difficilement maîtrisable, mais qu’ils voulaient maîtriser. C’est sans doute faux. Ils ont pesté et juré contre tous les dieux face à cette saleté qui venait polluer leurs foyers de cuisson de poteries. Le long cheminement discontinu, divergent, parfois en forme de labyrinthe, de la production du fer, était depuis le xixe siècle, supposé issu d’un seul maillon originel situé dans les monts d’Arménie. Aujourd’hui, de nombreuses découvertes de terrain mettent en évidence la multiplicité des zones d’émergence du fer à travers le monde, particulièrement en Afrique.

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Évolution des produits. Les aciers mis en œuvre aujourd’hui n’existaient pas il y a dix ans. Il ne s’agit pas à chaque fois d’aciers de compositions de base totalement différents de ce qu’ils étaient il y a cinquante ans, mais de produits aux propriétés plus reproductibles, plus fiables, grâce à une meilleure pureté et une plus grande propreté, assurant une durée de vie des composants de plus en plus longue, dans des conditions d’emploi de plus en plus exigeantes. Mais il peut s’agir aussi d’aciers complètement nouveaux dans lesquels, par une simple addition mineure, on a créé des capacités exceptionnelles de résistance à l’environnement ou bien, ce sont des alliages de compositions totalement inédites ou d’autres, testés autrefois, mais abandonnés à l’époque par manque de connaissances ou, par exemple, à cause d’une pureté trop faible des produits de base. Évolution des quantités produites. Au début du xxie siècle, la production mondiale d’acier est de 1,2 milliard de tonnes. Elle était de 28 millions de tonnes en 1900. Pour se restreindre à la France, la production de fers et acier était, en 1810 : 90 mille tonnes ; en 1850 : 240 mille tonnes ; en 1900 : 1,7 million tonnes et en 2010 : 15,4 millions tonnes.

Évolution des méthodes. Dans la description de l’histoire de la métallurgie du fer, il est couramment reconnu que la première méthode d’extraction du fer à partir du minerai fut la réduction directe en loupes solides/pâteuses depuis environ 3 500 ans. Cette technique s’est prolongée pendant 2 500 ans avec de notables perfectionnements sous des appellations successives : forge à bras, moulins à fer, Stückofen, Tatara (Japon), forge catalane jusqu’à la fin du xixe siècle. La fonte liquide était produite en Chine vers le ve siècle avant notre ère, mais, en Europe, il fallut attendre le xive siècle pour inventer la fonte, d’abord destinée à la moulerie et, plus tard, à l’affinage en fer ou en acier. La voie indirecte, depuis le xive siècle en Europe, passe par la production de fonte au haut-fourneau puis l’affinage au bas foyer avec de nombreuses variantes : wallon, comtois, etc., et cela jusqu’au xixe siècle. C’est vers 1820 que se passe le développement industriel du puddlage et, au milieu du siècle, celui des convertisseurs Bessemer2 et au même moment le four Martin-Siemens, avant l’aciérie électrique et la conversion à l’oxygène au cours du xxe siècle. Des aciers de hautes caractéristiques mécaniques étaient produits par refusion en creuset avant le ixe siècle, en Inde et au Moyen-Orient (acier « de Damas »), une technique réinventée en 1740 à Sheffield, qui se développa au xixe siècle, jusqu’au début du xxe siècle. Le four électrique depuis le début du xxe siècle

2   L’adaptation du convertisseur Bessemer aux fontes phosphoreuses, procédé Thomas, date de 1874.

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a pris peu à peu cette place et recycle, aujourd’hui, environ 40 % des aciers produits dans le monde. Évolution scientifique. De l’ancien monde des rituels magiques au nouveau monde du pilotage automatique, la transformation des moyens de production (techniques d’élaboration et outils de mise en forme) s’amorce au xixe siècle à la suite de l’aventure du xviiie siècle avec les premières études scientifiques de Réaumur et Buffon dès le début du siècle et l’analyse chimique quantitative de Lavoisier et Berzelius dans les dernières décennies. Avant le xviiie siècle, en remontant dans les siècles passés, les écrits sont de moins en moins scientifiques et de moins en moins nombreux. Les plus marquants au xvie siècle sont ceux de Biringuccio et Agricola, et plus loin encore, les écrits arabes (ixe-xiie siècles) sur l’acier au creuset. Les écrits chinois étaient nombreux, mais difficilement accessibles. Quant aux Grecs d’avant notre ère, nous n’en possédons que des fragments. En revanche, de nombreuses archives sont étudiées par des historiens et les recherches archéologiques passées et présentes permettent d’appréhender de façon assez précise, les savoir-faire de nos ancêtres forgerons, bien qu’il ne reste que peu d’objets anciens en fer encore exploitables, la plupart d’entre eux ayant été soit refondus, soit détruits par la corrosion. Évolution des sources d’énergie. Un premier changement d’échelle s’est produit vers le xiie siècle avec l’utilisation de l’énergie hydraulique qui permit d’augmenter la puissance de soufflage et d’inventer le martinet. On se souviendra, cependant, que les Chinois utilisaient des pistons à double effet depuis le ier siècle avant notre ère. On est passé de la forge à bras et du soufflet à main (ou du tirage naturel), à des installations plus lourdes et fixes au bord d’un cours d’eau. Il fallait en même temps que l’atelier soit situé à proximité des approvisionnements en minerai et en bois pour le charbon. Le xixe siècle vit l’avènement de la machine à vapeur qui allait permettre une augmentation de puissance et de capacité de production, avec une nouvelle liberté d’installation des usines qui ne se trouvaient plus liées aux cours d’eau. Enfin, l’usage de l’électricité s’est développé au début du xxe siècle. Évolution du type de combustible. Le xviiie siècle vit le début du remplacement du charbon de bois par le charbon de terre ou le coke, qui avaient le gros inconvénient d’une teneur en soufre importante. Alors que, pendant l’affinage au charbon de bois, la fonte était en contact avec le charbon, il fallut inventer des techniques de four à sole pour brûler le charbon de terre dans un foyer sans contact avec le métal. À la suite du puddlage, le four Martin grâce à la technique de récupération de chaleur de Siemens, permit de produire de forts tonnages d’acier liquide, à peu près au moment où Bessemer se libérait du combustible en inventant le soufflage d’air dans la fonte liquide. Évolution géographique. En Europe, le prix élevé du charbon et la difficulté des transports, avant tout fluviaux, ainsi que les niveaux des « protections douanières » à l’échelon local, favorisaient les petites exploitations dispersées et freinaient le développement de la sidérurgie jusque dans la première moitié du xixe siècle. Dans le Centre-Midi, la région stéphanoise fut choisie par Jackson

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en 1815 pour implanter l’acier au creuset, malgré la faiblesse des moyens de transport, mais à cause de la présence de charbon et d’une main-d’œuvre expérimentée dans le travail du fer. La deuxième moitié du xixe siècle vit la transformation du paysage, dans le centre de la France, par la création d’usines de plus en plus importantes regroupant de nombreuses activités : puddlage, cémentation, creusets, forge et fabrication de produits finis, construction mécanique, nécessitant de gros apports financiers d’origines capitalistiques et non plus seulement familiales. Les usines pouvaient concentrer une main-d’œuvre de plusieurs milliers d’ouvriers. Les années 1880 furent celles d’une profonde transformation de la structure sidérurgique nationale, grâce au traitement du minerai phosphoreux lorrain par le procédé Thomas et le début de production massive d’acier de qualité courante dans l’Est et le Nord. Les centres traditionnels (Le Creusot, Saint-Étienne et tout le Centre-Midi) durent se concentrer sur les aciers spéciaux. Évolution des moyens de mise en forme, depuis le marteau à main en bois ou en pierre, en passant par le martinet hydraulique puis le marteau-pilon à vapeur. Les fenderies servaient à découper des plats en « verges » destinées à la fabrication de clous et des filières étaient utilisées pour des fils de tout diamètre, y compris pour les instruments de musique. Les laminoirs à cannelures mis en œuvre dans les « forges à l’Anglaise », pour épurer le métal après l’élaboration par puddlage ont précédé les laminoirs à barres et à tôles, avant les marteauxpilons, les presses à forger de grande puissance et, ultérieurement, les trains à fils ou à tôles. Évolution des utilisations des fers et aciers. Depuis le xvie siècle, ils étaient destinés à la « quincaillerie » : clous, limes, instruments agricoles et bien entendu les armes : épées, fusils, canons (en fonte), armures. Les obus et les blindages en aciers spéciaux datent du dernier quart du xixe siècle. L’industrie de guerre fut un support essentiel pour l’augmentation de capacité de la sidérurgie qui fit la richesse des « marchands de canons » de différents pays. Aujourd’hui, les débouchés sont dans les domaines des transports (chemin de fer, locomotives, automobiles, tankers, rotors et arbres marins), de la production d’énergie (chaudières à vapeur, centrales électriques à charbon et à gaz, centrales nucléaires), ainsi que toute la construction mécanique (engrenages, roulements à billes, vilebrequins, soupapes, etc.) et la construction métallique. Au début du xxie siècle, l’élaboration des aciers se fait par la voie minerai (fonte et conversion à l’oxygène) pour 60 % de la production mondiale et par recyclage de ferrailles (aciérie électrique) pour 40 %. En France et en Europe, 70 à 80 % des ferrailles sont recyclées. Mis à part pour des grosses pièces unitaires de plusieurs centaines de tonnes, les aciers passent par la coulée continue et le laminage à chaud, depuis le milieu du xxe siècle. Les produits longs laminés à chaud représentaient 50 % de la production totale d’acier (crude steel) et les produits plats 44 %, en 2014 (WSA).

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3.

Structure de l’ouvrage

Il est constitué de six sections, elles-mêmes formées de plusieurs chapitres. Les références bibliographiques sont notées [12:150], signifiant : référence n° 12, page 150. Globalement, la présentation d’ensemble est à peu près chronologique, c’est-à-dire : avant le xixe siècle et depuis le xixe siècle, la distinction se plaçant au moment du passage de la sidérurgie rurale à la production de masse des aciers dans des ateliers de plus en plus concentrés. Pour quelques sujets, des allers-retours à travers les siècles ont été nécessaires pour éclairer certains aspects particuliers qu’une description chronologique ne mettrait pas en évidence. Section I : Vocabulaires métallurgiques Les langages actuels et anciens décrivant les fers et aciers sont exposés et comparés entre eux. Les laitiers et scories sont définis en termes de fonction, ainsi que les échelles de température Wedgwood et Pouillet. La signification du mot « fonte » et les qualificatifs représentant le mot « acier » sont discutés. Section II : Quatre millénaires de fers-fontes-aciers Une chronologie des moyens d’élaboration du fer depuis les origines légendaires et les problèmes généraux de la production des fers et aciers est exposée. L’accent est mis sur la nécessité de purification à tous les niveaux de l’élaboration, par des moyens d’abord mécaniques et ensuite des traitements chimiques, pour éliminer certaines impuretés particulièrement nocives et produire des matériaux de bonne propreté inclusionnaire, fiables en service. Section III : Les premiers fers de réduction directe Les techniques anciennes de réduction directe du minerai sont présentées ainsi que la reconstitution actuelle du Tatara au Japon. Un clou gaulois du premier siècle avant notre ère est décrit après « autopsie » métallographique. Section IV : Histoires de fontes et d’affinage au bas foyer Les descriptions du xviiie siècle de la production de la fonte et de son affinage au « bas foyer » (voie indirecte) sont présentées. Ce siècle est particulièrement intéressant, depuis Réaumur au début jusqu’à Lavoisier à la fin. Le langage hérité des alchimistes évolue vers celui qui nous est devenu familier, grâce à la classification chimique. C’est aussi le siècle de l’Encyclopédie de Diderot et d’un grand nombre d’écrits importants. Section V : Histoires d’aciers Elle est découpée en trois parties : – Partie 1 : Développement des aciers depuis le xviiie siècle – Partie 2 : Aciers fondus en creuset – Partie 3 : Des « aciers d’alliage » du xixe siècle aux acier spéciaux du xxe siècle

Introduction

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Section VI : Les acteurs des métiers du fer Cette section s’intéresse aux acteurs des métiers du fer. Avant le xixe siècle (Chapitre 29), le rôle des Abbayes en Europe et le fonctionnement des ateliers (maîtres de forges…) sont discutés. Dans le Chapitre 30, il est question des modifications de structure (passage de la sidérurgie rurale aux usines intégrées) au xixe siècle et de leurs répartitions géographiques, bouleversées vers 1880, depuis le Centre vers la Lorraine. Les problèmes politico-industriels du xxe siècle, débouchant au xxie siècle sur des crises majeures de surcapacités mondiales et de chômage, sont exposés dans le Chapitre 31, quand la Chine produit la moitié de l’acier mondial. Certaines questions concernant la recherche métallurgique, industrielle et académique, ainsi que l’épineux problème de la formation des personnels demandés par la métallurgie, sont, pour finir, abordés dans le Chapitre 32. Les quelques pages intitulées Remarques finales abordent un certain nombre de questions techniques laissées de côté dans l’ouvrage et des points de vue sociétaux, historiques et écologiques qui mériteraient des développements majeurs, hors de portée du présent travail. Un Lexique rassemble les définitions de termes et de concepts anciens, concernant les moyens de production et les qualifications attribuées aux produits, ainsi que certaines notions récentes. Un Index des mots techniques renvoie au corps du texte.

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Éléments de langage anciens et modernes

Le premier paragraphe décrit le vocabulaire, aujourd’hui simple, des aciers, fontes et fers, afin d’aider à situer (à défaut de structurer) la complexité des appellations anciennes particulièrement du xviiie siècle où les écrits sont déjà nombreux et détaillés. Il est aussi proposé de prendre garde à la tentation de transfert brutal et réducteur, d’une notion récente plaquée sur une description ancienne, d’une image scientifique simple sur une image transmise par une tradition locale complexe, même lorsqu’elle est rapportée et interprétée par des savants. Le deuxième paragraphe s’attaque au pernicieux problème de la pureté du fer et des aciers. Au-delà des questions philosophiques, toujours en embuscade, des définitions techniques et scientifiques des termes « pureté et propreté » sont données. La notion de « purification » est abordée, car c’est ce terme qui fut utilisé au cours des siècles anciens et jusqu’au xviiie siècle, à la place d’un résultat de « pureté ». Le troisième paragraphe resitue d’un point de vue actuel la signification des termes « scories » et « laitiers », partenaires essentiels pour la purification des fers et aciers, dont l’importance primordiale n’a été vraiment comprise qu’au cours du xxe siècle. Le quatrième paragraphe aborde la question de la mesure des hautes températures, de façon très minimaliste. Il s’agit seulement de fournir des repères concernant les échelles de Wedgwood et de Pouillet, utilisées au cours du xixe siècle, avant l’invention du thermocouple de Le Chatellier, sans oublier que le pyromètre de l’œil humain a été le premier outil universel de repérage du « degré de chaleur » du travail du four.

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Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui

1.1. Langages anciens et modernes décrivant les produits ferreux 1.1.1.

Fer-Fonte et Acier – vocabulaire du diagramme Fe-C

Aujourd’hui, fondée sur le langage chimique établi de 1787 à 1818 d’abord par Lavoisier et son « École » et ensuite Berzelius, la normalisation est surtout d’origine chimique (selon la teneur en carbone), mais les définitions de fer/ fonte/acier ont longtemps privilégié d’autres aspects tels que des propriétés mécaniques (trempabilité, coulabilité…). Fer et carbone sont des éléments chimiques Fe et C, et l’acier est un alliage Fe + C (avec C %