TRENTE-SIXIÈME LEÇON

Examenides dÎTen rainerab de Ter. — Essai d'an mioeni de fer par iroie sèche. ~ Trailement des iDinerais riches. — Mélhode catalane. — Traitement des minerais renfermant des gangnes. — Méthode des hauts fourneaux. — Théorie des réactions chimiques qui s'accomplissent dans ces appareils. — Fontes. — Fonte grise et fonte blanche. Affinage au petit foyer. — Affinage par la méthode anglaise. — Finage et puddlage. — Acier. — Acier naturel , acier de cémentation , acier fondu , acier damassé. — Trempe. — Analyse des fontes et aciers.

§ 688. Le fer étant le plus important de tous les métaux que rindustrie humaine ait fait senir à ses besoins, nous consacrerons une leçon tout entière à la description sommaire des procédés employés pour son extraction , en ne nous occupant , en quelque sorte, que de la théorie de ces procédés, rejetant tous les détails techniques qui seraient hors de propos dans le cadre de ces leçons, et qui trouvent tout naturellement leur place dans le Cours de Métallurgie.

g 689. Le fer se trouve dans tous les terrains , et constitue un

très-grand nombre d'espèces qu'on peut classer de la manière

suivante :

., .^ ... ( Fer natif,

ber métallique

Minéraux oxygénés.

Fer météorique.

Peroxyde anhydre.

Peroxyde hydraté.

Oxyde magnétique.

Pyrites jaunes et blanches.

Minéraux sulfurés J Pyrites magnétiques.

Sulfates.

Minéraux carbonéà.

EXTRACTION DU FER. iS?

/ Phosphates.

Minéraux phosphores et arséniés, l . , . /c

'^ ^ \ Arséniosulfures.

[ Arséniates.

Minéraux silices | Silicates divers.

1 Carbonates.

Oxalales.

SChromiles.

Tungstates.

Titanatcs.

Le fer natif se rencontre dans quelques localités avec une densité variable; il ne contient aucun métal étranger, mais de petites quantités d^arsenic et de graphite.

Le fer météorique se rencontre dans beaucoup de lieux en masses quelquefois considérables. Il renferme toujours du nickel , quelquefois du cobalt et du chrome, plus rarement du molybdène et du cuivre.

Les composés sulfurés, phosphores et arséniés sont sans aucun intérêt pour Textraction du fer métallique , parce que les opérations que nécessiterait cette extraction sont très-longues^ trèsdispendieuses, et que d'ailleurs le fer obtenu serait toujours de qualité inférieure.

Noos ne nous occuperons donc ici que des oxydes et des carbonates. Ce sont les quatre classes principales des composés exploités avec avantage.

§ 690. Tous les minéraux renfermant des substances métalliques ne sauraient être employés à leur extraction; il ne suffit pas, en efifel, qu*un composé renferme un métal pour qu'il soit exploitable : il faut évidemment que ce dernier puisse en être retiré d'une manière profitable pour celui qui se livre à cette extraction. La teneur rn métal qui rend un minéral exploitable dépend ou de sa valeur vénale ou de la facilité plus ou moins grande avec laquelle on peut le séparer des matières étrangères auxquelles il est uni.

Toutes les fois qu'un composé naturel renferme une quantité de mêlai telle, qu'on {misse l'en retirer avec profit, on donne à celui-ci le nom de minerai. Si le métal possède une grande valeur, tel que Vor et l'argent , il suffit qu'il en renferme quelques millièmes pour

i38 BXTRACTIO'N DU FER.

que son extraction soit avantageuse. Si c'est du cuivre , il faut qu*i] en contienne au moins lo pour loo.

Dans le cas du fer, comme ce métal est à très-bon marché, le minerai doit en contenir au moins 25 pour lOo, et de plus s*y trouver à l'état d'oxyde ; car si le métal contenait du soufre ou du phosphore , l'extraction deviendrait beaucoup trop désavantageuse, s'il s'agissait de se procurer le métal pur.

Les minerais de fer qu'on exploite sont rarement des carbonates, ce sont plus généralement des peroxydes de fer, comme le fer oligiste, l'hémalito rouge, l'hématite brune, le peroxyde de fer argileux anhydre, et enfin l'hydrate de peroxyde de fer argileux. £n Suède, le minerai qu'on exploite le plus communément est l'oxyde magnétique , ou aimant naturel. Quant au fer spathique , ou carbonate de protoxyde de fer, on le trouve ordinairement mélangé de peroxyde de fer ; d'ailleurs , par la chaleur, il se décompose en acide carbonique et oxyde de carbone, en laissant du peroxyde do fer pour résidu. L'extraction du fer de ses minerais revient donc toujours à la réduction du peroxyde de fer mélangé de matières terreuses, auxquelles on donne le nom de gangues,

§ 69i . Avant d'exposer les méthodes employées pour l'extraction du fer, nous allons faire connaître les procédés dont on fait usage dans les laboratoires pour déterminer approximativement la quantité de ce métal contenue dans un minerai , ainsi que la nature de la fonte et des scories qu'il peut fournir.

Pour qu'un essai réussisse, il faut non-seulement que le fer puisse fondre, mais encore que les matières qui sont mélangées à loxyde de fer puissent former entre elles des composés fusibles. De là la nécessité d'ajouter à la matière ferrugineuse des substances susceptibles d'opérer la fusion des gangues, et qui, pour celte raison , sont désignées sous le nom de fondants.

Nous diviserons avec M. Berthier les matières ferrugineuses en cinq classes.

La première comprendra les matières pures ou presque pures ;

La seccmde , les matières dont les gangues sont presque entièrement formées par du quartz ;

La troisième, les matières qui contiennent de la silice et de l'alumine , mais qui ne contiennent pas de chaux.

 la quatrième appartiennent les matières ferrugineuses qui contiennent différentes bases; telles que la magnésie, Toxyde de manganèse, l'alumine , la chaux , etc. , mais qui ne renferment pas de silice.

Enfin la cinquième comprend les matières ferrugineuses qui renferment tout à la fois de la silice et diverses bases.

n est évident, d'après cela, qu'il faudra ajouter à la matière ferrugineuse des fondants de nature variable , suivant qu'elle appartiendra à l'une ou à l'autre de ces classes. Celles de la première et de la dernière n'ont besoin de l'addition d'aucun fondant. Celles qui renferment de la silice et de l'alumine nécessitent l'in* lervention d'une matière calcaire. Celles, au contraire, qui sont riches en calcaire et qui sont pauvres en silice, ont besoin de l'addition de quartz ou d'argile.

Ceci posé, voici comment on doit s'y prendre pour faire l'essai d'un minerai de fer.

§ 69â. On peut employer soit des creusets nus en terre réfractaire ou en plombagine, soit des creusets brasqués de charbon. La fonte n*adhère jamais aux creusets nus , mais la scorie ou y adhère fortement, et alors il devient très-difficile de la détacher complètement , ou bien elle entraîne à l'état de dissolution une partie de la matière argileuse du creuset. Dans l'un et l'autre cas , on ne peut avoif le poids de la scorie d'une manière rigoureuse. Les creusets brasqués ne présentent point cet inconvénient; le culot de fonte et la scorie peuvent toujours se détacher d'une manière nette, et leur poids peut être obtenu rigoureusement. Ils offnsnt en outre deux avantages : l'un , en ce que la brasque soutient les parois au moment où elles se ramollissent sous l'influence de la haute température développée ; le second , c'est d'empêcher qu'aucune substance étrangère ne s'introduise dans la scorie.

Les essais se font ordinairement sur 10 à 20 grammes de matière ferrugineuse : on pourrait employer jusqu'à 5o grammes si l'on voulait soumettre la fonte à quelques épreuves pour connaître sa qualité; mais dans ce cas l'essai doit être maintenu au feu beaucoup plus longtemps que les essais ordinaires.

La matière ferrugineuse est réduite en poudre fine , puis passée au tamis de çoie; on pèse ensuite la quantité de fondant à employer, qu'on mélo très-intimement à la matière à essayer. On in-

i4o EXTRACTION DU FER.

troduit ensuite le mélange dans le creuset et on le lasse avec un pilon de porcelaine afin de bien unir sa surface, on remplit enfin le creuset arec de la bnisque tassée par couches successives. Le creuset étant placé dans le fourneau , on laisse le feu s'allumer pendant une heure , après quoi on donne un fort coup de vent pendant une heure à une heure et demie, suivant qu'on opère sur lo à !M> grammes de matière ferrugineuse. On laisse ensuite le feu s'éteindre; et quand les creusets sont refroidis, on les casse et Ton retire les culots. Le culot est enfin pesé, puis on détache le globule de fonte de la scorie, ce qui se fait facilement en frappant l^rement dessus. Si Ton remarque quelques grenailles de fonte à la surface de la scorie , il faut la pulvériser et promener dans la poudre un barreau aimanté , afin d'enlever les petites parcelles de fonte qu'on réunit au culot; en déduisant du poids du culot total le poids de la fonte qu'on peut obtenir ainsi rigoureusement , on connaît le poids exact de la scorie.

Il faut ensuite avoir soin de noter l'aspect du culot total , ainsi que les caractères qui appartiennent à la fonte et à la scorie : on obtient de la sorte des indices sur la nature des substances cxmtenues dans la matière ferrugineuse qui peuvent guider pour le travail en grand.

Un seul essai ne saurait suffire, il est nécessaire d'en faire un second. Si les résultats obtenus coïncident sufiisamment, l'essai est considéré comme bon et les résultats obtenus comme exacts. Mais on peut, au moyen d'opérations très-simples que nous allons succinctement indiquer, se dispenser de ce double essai.

§ 693. Au moyen d'une calcination et d'un grillage, on peut doser l'eau, l'acide carbonique et les matières volatiles combustibles. En traitant un poids connu de la matière bien pulvérisée par l'acide acétique ou l'acide azotique très-faible , on détermine la quantité do calcaire pur ou magnésien. Lorsque ces acides n'ont plus d'action , on reprend le résidu par l'acide chlorhydrique bouillant ou mieux par l'eau régale , qui dissout le fer et le manganèse , et l'on obtient alors la quantité de quartz ou d'argile qui entrait dans la composition du minerai.

Ces opérations préliminaires terminées , on ajoute à la matière ferrugineuse le fondant le plus convenable, cl l'on opère ainsi que nous venons de le dire.

§ 694. Ces premières notions exposées, nous allons nous occuper de la théorie des opérations métallurgiques qui ont pour but de convertir en fer Toxyde des minerais.

Les minerais ordinaires sont des mélanges intimes et agrégés d'oxyde de fer et d'argile ou de calcaire. L'argile est elle-même composée de beaucoup de silice , d'un peu d'alumine, de quelques centièmes d'oxyde de fer et d'un peu de carbonate de chaux. Si Ion réduisait les minerais par un gaz, on aurait des parcelles métalliques disséminées dans une matière inerte, dont la présence rendrait impossible l'emploi du métal. Or ces matières fondent généralement ou du moins peuvent devenir fusibles à la température à laquelle le fer lui-même est pâteux. En battant alors fortement la masse, le fer s'agrégera, tandis que les matières étrangères, amenées à l'état de fusion, suinteront de tous côtés.

La gangue la plus ordinaire des minerais est de l'argile , substance tellement infusible, qu'elle sert à former les creusets réfractaires; si Ton ajoutait à ce silicate de la potasse ou de la soude, on obtiendrait un composé très-fusible, et d'autant plus fusible que ces bases y seraient en plus grande quantité; comme la potasse et la soude sont fort chères , on les remplace par une base plus commune, la chaux. La présence de la chaux détermine donc la formation d'un silicate double d'alumine et de chaux fusible à une très-haute température.

§ 695. Quelquefois l'addition de la chaux n'est pas nécessaire. Si le minerai est très-riche en peroxyde de fer et s'il contient de l'oxyde de manganèse , il se formera directement h une haute température un silicate double d'alumine et de manganèse et de fer, composés qui sont très-fusibles. On voit que , dans ce cas , le minerai fournit lui-même la quantité de base nécessaire pour que la silice puisse fondre^ Le silicate double forme , au milieu des cendres du fourneau, une scorie vitreuse; mais à mesure que la silice est saturée , la partie de peroxyde de fer qui est en contact avec le charbon se trouve réduite. Ce procédé n est évidemment appli- <^ble que dans le cas où le minerai qu'on exploite est très-riche. Pour un minerai pauvre, le peroxyde do fer sufGrait à peine à saturer la silice , et les quantités de fer réduites seraient insignifiantes. Il faudrait donc, dans ce cas, opérer, comme on l'a dit plus haut, en ajoutant de la chaux.

i4a EXTRACTION DU FER.

§ 696. Dans le procédé d'extraction du fer connu sous le nom de métiuxie catalane, dont on fait encore usage au pied des Pyrénées, dans le comté de Foix, dans la Catalogne, on peut se dispenser de Taddilion de la chaux , ce qui est d'autant plus avantageux que Ton obtient un silicate plus fusible et que Ton n'est pas obligé de passer par Tinlennédiaire de la fonte pour obtenir ensuite le fer. L'appareil dont on se sert est fort simple : il rappelle en quelque sorte la disposition de nos foyers ordinaires. On creuse dans le sol une sorte de trou-de-loup (fig. 176) qu'on remplit de com-

Flp. 176.

bustible et qu'on recouvre de minerai , sauf eu une partie. En ce point pénètre dans le combustible, une iuyèrc par laquelle de forts soufflets, mus par des machines, envoient de l'air au milieu du brasier. L'air, fortement lancé vers le fond du creuset , convertit d'abord le charbon en acide carbonique , mais ce gaz est ramené bientôt à l'état d'oxyde de carbone par son passage au milieu de couches supérieures de charbon. Le minerai, fortement échauiîé, est réduit à l'état de métal par une portion de cet oxyde de carbone dont lexcès vient brûler à la surface du minerai. A une température assez élevée , le silicate double , qui forme la scorie ,

fond en même temps que le fer, et s'agglutine en prenant une consistance pâteuse.

Une portion de cette scorie s'écoule par une ouverture pratiquée dans la partie inférieure du creuset, Tautre portion reste emprisonnée dans la masse spongieuse du métal.

On porte enfin cette masse sous un lourd marteau mû par une machine hydraulique ou par une machine à vapeur. Les matières inertes suintent alors par les pores à mesure que la loupe est battue. Comme la température de cette loupe est très-élevée, on peut la battre fort longtemps sans qu'elle perde assez de chaleur pour ne pouvoir plus être travaillée au marteau. On coupe ensuite la loupe, ce qui se fait en y enfonçant, à l'aide du môme marteau , des coins de fer aciéreux dont l'angle est taillé en biseau ; on la sépare ainsi en lopins y qu'on reporte au foyer s'il est besoin, et qu'on forge ensuite en barres en les martelant.

§ 697. Quand le combustible est trop cher et le minerai trop pauvre, on est obligé d'employer une méthode toute différente. Dans ce cas, il faut éliminer les matières inertes sans perdre de fer et cependant en les rendant fusibles. Les procédés qu'on emploie tiennent alors à la nature du minerai , dont on peut déterminer la composition soit par des analyses exactes, soit par des réductions en petit dans un creuset, ainsi que nous l'avons indiqué § 692. Supposons que la silice ne soit pas saturée par l'alumine, il sera nécessaire d'ajouter un fondant calcaire : on prendra pour cet usage le carbonate de chaux auquel on donne le nom de castincy sel qui, à la température élevée des appareils employés, passe à l'état de chaux et se combine avec la silice en formant un silicate double fusible. Lorsqu'au contraire la gangue est calcaire, on y ajoute une proportion convenable d'argile qui prend alors le nom herbue.

Lorsque le minerai n'est pas riche et que le contact des gaz réducteurs a besoin d'être prolongé davantage, il faut employer des fourneaux plus élevés que dans la méthode catalane, en même temps qu'une soufflerie plus puissante.

A partir du viii* siècle et vers le commencement, en Styrie, en Allemagne , en Suède , dans l'Alsace , on commença par faire usage d'une pyramide tronquée assise sur sa base la plus large. Plus lard , on remplaça cett« pyramide par deux cônes adossés par leurs

grandes bases. Par la partie supérieure , désignée sous le nom do gueulard, on chargeait le minerai et le combustible. Après douze heures de travail , la masse était enlevée par des ouvertures pratiquées dans Tembrasure des soufflets. Quant au reste , il était évacué avec une grande perte de temps et de combustible.

Les produits ainsi obtenus étaient peu abondants et très-variables; tantôt on obtenait du fer, tantôt de Tacier ou de la fonte.

Dans le ix* siècle , l'art des forges s'étendit vers le nord , dans la Bohème , dans la Saxe et dans le Hartz.

Les usmes d'Espagne et celle des Pays-Bas prospéraient dans le X* siècle.

On ne peut déterminer l'époque et la contrée où les appareils précédents furent convertis en hauts fourneaux. En Angleterre, on coula déjà beaucoup de bouches à feu en fonte de fer dans le xvi* siècle {en 1647) : il est donc certain que l'on y connaissait alors ces appareils.

L'emploi du coke dans les hauts fourneaux date de 1720. Sturtevant prit, en 1612 , une patente pour l'emploi de cette substance. De semblables patentes furent d(»nnées à Ravenson, en 161 3, el à Dudley, en 1C19; mais il s'écoula près d'un siècle encore avant que la fusion des minerais de fer par le coke , dans les hauts fourneaux , fût couronnée de succès. Cette découverte passa d'Angleterre en Silésie, en 1795.

En France , la création de la première usine où l'on fit usage du coke, pour le traitement du fer, date de 1781*.

C'est en 1784 qu'on fit, en Angleterre, les premiers essais d'affinage dans les fours à réverbères au moyen de la houille.

§ 698. Ceci posé, nous allons examiner avec détail la nature des phénomènes chimiques qui s'accomplissent dans les hauts fourneaux {Jig, 177 ) , et nous nous efi'orcerons de faire comprendre comment, grâce aux recherches si remarquables de M. Ëbelmen, la théorie de ces appareils peut être étabUe avec simplicité.

La capacité d'un haut fourneau se compose de quatre parties distinctes, continues , ayant une verticale pour axe commun (Jig. 178, 179 et 180 , PI. ni) , ce sont :

1*". La cutfe C.

2". Les étalages E.

EXTRACTION DU FER. i45

Ces deux parties ont la forme de deux troncs de cône adossés

n». IT7

par leur base la plus large , et sont reliées par une courbe douce ; on donne à cette partie du fourneau le nom de grand ventre V. Immédiatement au-dessous des étalages se trouvent :

3"*. Vouvrage 0 , capacité de forme prismatique dont la partie inférieure reçoit les tuyères 0 des machines souillantes qui amènent Tair dans le fourneau ;

4**. Enfin le creuset c, capacité située au-dessous des tuyères, qui reçoit le laitier et la fonte provenant de la réduction des minerais.-