DÉFINITIONS — HISTORIQUE — AGENTS MÉTALLURGIQUES
Article ^*^ — Définitions
La mélallurg^e est l'art d'extraire les métaux usuels de leurs minerais et de leur donner les formes sous lesquelles ils sont employés dans l'industrie, tout en leur faisant acquérir des propriétés déterminées.
La métallurgie du fer prend souvent le nom de sidérurgie (de o\S-n^o; fer, ?pyov travail).
De la définition qui précède découle la division de ce traité en deux parties :
1^® partie (tome I). — Elaboration des métaux. 2* partie (tome II). — Travail des métaux.
Il ne sera donc question dans ce volume que de l'étude des procédés d'élaboration.
A. — Rapports de la métallurgie et de la chimie, — On apprend en chimie à préparer tous les métaux, usuels ou non, par des procédés plus ou moins compliqués, donnant ces métaux en quantité souvent peu appréciable et coûtant plus ou moins cher. Ces procédés de laboratoire sont pour la plupart inapplicables en grand, soit à cause des appareils délicats qu'ils exigent, soit parce qu'ils ne sont pas rémunérateurs.
Or, les opérations industrielles doivent être rémunératrices; à la nécessité de faire de bons produits s'ajoute celle de les obtenir au plus bas prix possible. Et c'est cette question économique qui fait que la métallurgie ne saurait être considérée comme une branche de la chimie proprement dite : c'est à la chimie industrielle qu'elle ressortit, c'est-àdire à l'art d'élaborer les diflFéreAts produits en procurant des bénéfices. Le côté économique des procédés, qui n'intéresse pas le chimiste de laboratoire, doit être étudié de très près par l'industriel sous peine de
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courir à la ruine. Il en résulte que le nombre des procédés de production des métaux applicables industriellement, c'est-à-dire le nombre des procédés métallurgiques sera relativement restreint. Il est clair, d'autre part, qu'il est impossible de fixer à priori d'une façon définitive un choix de procédés; les données du problème économique à résoudre variant avec les conditions locales, les distances qu'ont à parcourir, pour aboutir à l'usine, les diverses matières premières telles que minerais, combustibles, etc.
Sous un autre point de vue la métallurj^e diflFère, en outre, de la chimie de laboratoire.
Généralement le chimiste ne se propose que l'isolement du métal dans le plus grand état de pureté possible afin d'étudier le métal type, pour ainsi dire. Quand le métallurgiste a à fournir un des métaux ferreux, il ne cherche pas à réaliser soit un corps simple, le fei\ soit un corps composé à proportion de constituants nettement définis, tel qu'un carbure on silichire de fer, etc., mais un métal se rapprochant plus ou moins du métal type, le fer, ou d'un de ses composés avec le carbone, le silicium, le manganèse, etc., posséd:int surtout des propriétés déterminées de résistance Siux diflFérents efforts (ténacité, malléabilité, etc.). .
Ces restrictions étant faites, on peut dire que la chimie est la science avec laquelle la métallurgie a les plus grands rapports et sans le secours de laquelle elle serait impuissante à réaliser de véritables progrès.
La métallurgie relève aussi de la mécanique et de la physique, car ses produits ne sont presque jamais employés à l'état brut : ils doivent le plus souvent subir des changements de forme etdes changements d'état.
B. — Métaux de la métallurgie du fer. — Les métaux de la métallurgie du fer se divisent en trois grandes classes dont la ligne de démarcation estbien difficile à préciser,ainsi qu'on s'en convaincra dansla suite. Ces trois classes sont constituées par :
Les fers ; Les aciers; Les fontes.
Nous nous bornerons à en indiquer les principaux traits caractéristiques :
1"* Les fers, — Le fer est un métal malléable à froid et surtout à chaud selon son degré de pureté : sa résistances la rupture par traction est très forte et supérieure à celle de tous les métaux usuels ; il s'use
assez facilement par le frottement, ce qu'on traduit en disant qu'il a peu dé dureté.
La densité du fer varie de 7,6 à 7,78, les mauvais fers étant les moins lourds; son coefficient de dilatation, supérieur à celui deTacier, varie entre 0,0^1205 et 0,0H4401.
L'industrie ne le livre pas pur : il est accompagné de métalloïdes et métaux en proportions assez faibles, il est vrai, mais suffisantes pour modifier ses propriétés. Un des plus actifs parmi ces corps modificateurs est le carbone.
Ne considérons pour l'instant que le carbone comme corps étranger uni au fer : c'est lui qu'on rencontre en effet inévitablement et en proportion assez notable à l'origine des procédés sidérurgiques.
Le fer doux est celui qui se rapproche le plus de Tétat de pureté ; à mesure que la proportion de carbone augmente, le fer devient plus fusible et plus résistant, il est plus élastique, mais la faculté d'allongement diminue, c'est du fer dur.
La proportion de carbone dans le fer peut s'élever jusqu'à 0,25 0/0;* mais ce caractère chimique n'est pas suffisant, comme on le verra, pour le distinguer des aciers qui sont généralement des métaux plus riches en carbone, puisque certains aciers dits extra-doux en contiennent une moindre proportion.
Il est généralement sous-entendu dans le langage industriel que /a fer ^ provient d'une méthode d'élaboration le produisant à Vélal pâteux ^i en petite masse. Le forgeage a donné ensuite à ce produit la compacité, en expulsant de la masse semi-fluide contenant englobés les grumeaux de fer, les impuretés qu'elle contient. Quand le fer provient d'une méthode d'élaboration le produisant à l'état liquide, on lui réser\^e souvent le nom de/br fondu y de fer homogène ou d'acier extra-doux.
A partir de 4 1000 de carbone environ, une propriété nouvelle apparaît dans le fer, celle de prendre la trempe.
La trempe, dont l'étude ressortit au « Travail des métaux», est une opération qui consiste à refroidir un métal porté à haute température par immersion dans un liquide de nature variable ou même dans un bain métallique à point de fusion relativement peu élevé.
La trempe donne au fer à partir de la teneur en carbone fixée ci-dessus des propriétés caractéristiques sur lesquelles nous ne pouvons nous étendre. L'apparition de ces propriétés nouvelles peut servir à définir Vacier,
6 MBTALLUROIB DU PEU
Il n'est cependant pas exact d'affirmer que les fers et aciers extradoux ne trempent pas ; ces métaux acquièrent par cette opération calorifique une série de propriétés d'un ordre bien différent des premières et mises en évidence depuis quelques années seulement. Nous nég-ligerons à dessein de les signaler, nous contentant de ne considérer comme métal trempé, selon l'idée généralement admise, que celui dont la résistance à la rupture par traction et l'élasticité notamment se sont considérablement accrues.
C'est à la théorie de la trempe (2* partie, tome II) qu'il y a lieu de se reporter pour compléter ces notions forcément très sommaires.
2° Les aciers. — Les aciers sont constitués par la série des métaux dont les teneurs en carbone peuvent varier de 4 à 5/1000 de carbone à 1,5 O/q. Cette dernière teneur représente à peu près la limite supérieure de la quantité de carbone que peuvent contenir les aciers pour être d'un ^ usage courant,c'est-à-dire pour pouvoir sans danger supporter les divers traitements calorifiques ou mécaniques. Au delà de cette teneur, leurs propriétés ne varient plus d'une manière progressive; la fusibilité seule continue à augmenter, tandis que la résistance qui n'avait cessé de croître avec la teneur en carbone subit une chute brusque. Quant à la malléabilité, elle devient à peu près nulle.
De 1,5 à 2 ou 2,5 O/q de carbone, on a des métaux durs mais cassants, dont la résistance est très inégale et qui constituent les aciers V sauvages peu susceptibles d'applications.
•On dit qu'un acier est d'autant plus doux qu'il est moins carburé, ceux qui sont très carbures prennent le nom d*aciers durs ou extra-durs
Ces métaux sont obtenus à l'état liquide et en grandes masses si on le désire, à la restriction près que nous signalerons ultérieurement.
On ne savait fondre autrefois que des aciers proprement dits, c'està-dire des métaux prenant la trempe ; or, des procédés nouveaux ont permis de produire, à l'état de fusion, des aciers de plus en plus doux qui, à l'extrême limite de la douceur, ont toutes les propriétés du fer obtenu à l'état pâteux, ayant toutefois l'avantage sur lui de posséder une structure homogène, conséquence naturelle de la fusion.
C'est à ce métal appelé aussi acier extra-doux^ puisqu'il esta l'extrémité de l'échelle des aciers doux, qu'on a donné les noms de fer fondu ou de fer homogène que nous avons cités plus haut.
Il y a lieu de signaler cependant que, comme le fer, certaines nuances d'acier peuvent être obtenues à l'état pâteux et en petite masse dans
le même appareil d'élaboration (four à puddler). Mais l'amplitude des ;, nuances que Ton peut obtenir ainsi est très limitée : nous verrons dans la suite quelle a été l'importance de ce procédé et quelle en est la valeur actuelle.
S'il est vrai que la présence du carbone dans le fer modifie profondément ses qualités et engendre toute une série de métaux spéciaux, il n'est pas moins acquis aujourd'hui que d'autres corps tels que le inanganèsBj le siliciumy le chrome^ le nickel^ etc.. modifient chacun à leur manière les propriétés des aciers et souvent d'une façon très active. La présence de ces corps dans le fer, augmentant encore la variété des métaux de sa métallurgie, dépend plutôt du mode de fabrication que de la nature du minerai que l'on a traité. Si quelques-uns d'entre eux s'y trouvent parce que dans les manipulations successives de la matière première on n'a pu ou voulu les éliminer, d'autres au contraire y ont été ajoutés à dessein dans un but qui sera expliqué plus tard.
Nous avons dit que quelques-uns de ces corps se trouvaient dans les aciers parce qu'on n'avait pu ou voulu les éliminer ; les uns sont donc nuisibles^ les autres utiles.
Parmi les corps nuisibles, il faut ci ter sur tout le soufre et le phosphore.
3*» Les fontes. — Au delà de 2,5 0/0 de carbone, on arrive à la <^ fonte de fer qui a des propriétés bien différentes de celles des métaux précédents. La malléabilité est nulle, la résistance faible ; tandis qu'une ''température de 1500 à 1600° est nécessaire pour amener le fer doux à l'état de fusion; pour la fonte elle s'abaisse à 1200° environ.
Le fer, et nous sous-entendons toujours que ce métal provient d'une méthode d'élaboration le produisant à l'état pâteux, possède la précieuse qualité de pouvoir se souder à lui-même entre 1300 et 1400° sans interposition d'aucun corps étranger, grâce au reliquat des matières étrangères toujours interposées entre les grumeaux de fer. Pour *-les fers fondus, la soudabilité est bien moindre.
Tandis que le fer se soude et se forge, que les aciers se forgent et prennent la trempe, la fonte ne peut généralement pas se souder ni se forger, mais se moule facilement et plus ou moins bien selon sa qualité.
La teneur de 6 0/0 correspondant à peu près à la formule Fe^G paraît être la teneur maxima en carbone qui peut se combiner au fer.
Comme dans les aciers, on trouve concurremment avec le carbone d'autres corps associés au fer: manganèse, silicium, chrome, etc., soufre, phosphore ; les uns utiles^ les autres nuisibles.
8 MÉTALLURGIE DU FBR
Les proportions de ces corps dans les aciers y sont, en §^énéral, assez faibles (sauf toutefois pour certains d'entre eux, le mançanèse et le nickel notamment) ; elles peuvent être très fortes dans les fontes. Certaines fontes ont une richesse en manganèse atteignant 80 à 83 0/0, d'autres ont 40 0/0 et même plus de chrome, d'autres 17 à 18 0/0 de silicium, etc..
i^ Corps nuisibles dans les fers, Us aciers et les fontes. — Nous avons dit que le soufre et le phosphore étaient des corps nuisibles.
a) Fer et soufre. — Le soufre se combine probablement avec le fer en toutes proportions; jusqu'à 53,3 0/0 il est facilement absorbé d'où qu'il vienne. On peut cependant empêcher sa combinaison avec le fer et même l'en expulser dans une certaine mesure, ainsi qu'il sera dit à l'exposé des procédés de désulfuration.
Le fer qui contient du soufre se travaille bien à froid, mais à chaud il se crique très facilement; s'il en renferme plus de 0,15 0/0 il se forge et se soude mal {fer rouverin) ; avec une proportion de 0,3 0/0 la soudure devient très difficile.
On prétend que le soufre rend le fer un peu plus ductile et plus doux à froid; ces qualités fort contestables ne sauraient compenser les inconvénients dûs à sa présence dans le travail à chau,d.
Ces diverses influences sont, en général, d'autant plus sensibles que le métal est plus carburé. Il en résulte que le soufre sera très nuisible dans les aciers.
Voyons comment ce corps modifie les propriétés de la fonte :
11 en abaisse le point de fusion, mais il la rend plus épaisse, plus pâteuse quand elle est fondue et donne lieu à des soufflures, c'est-àdire à des petites cloches ou ampoules remplies de gaz et interposées dans le mitai pendant la solidification. On croit généralement que le soufre rend la fonte dure et cassante; ce fait est loin d'être prouvé.
b) Fer et phosphore. — Le phosphore se combine probablement au fer en toutes proportions jusqu'à 26 0/0. Le fer l'enlève facilement aux phosphates et aux phospho-silicates acides, surtout aux températures élevées et dans un milieu réducteur. Il y a lieu heureusement d'ajouter qu'il l'abandonne assez aisément dans un milieu fortement oxydant au contact des bases.
Le phosphore à une teneur de 0,5 rend le fer cassant à froid : des secousses ou des vibrations, insignifiantes en apparence, peuvent
NOTIONS PRRI.rSirNAIRES
provoquer la rupture du fer phosphoreux, on dit qu iin pareil métal est traftre.
Le fer qui contient du phosphore se travaille bien à chaud (fer tendre) et se soude bien ; il paraît cependant plus cassant sous le choc trop brusque des engins de forgeage.
La présence simultanée du soufre et du phosphore dans le fer le rend aigre et fait qu'il se comporte également mal à froid et à chaud.
A une teneur de 1/1000 de phosphore, Tacier ne peut supporter ni le forgeage, ni la trempe.
Dans la fonte, le phosphore augmente la fluidité et peut être utile dans celle destinée à confectionner certains moulages (d'ornement par exemple) où Ton ne cherche pas la résistance.
c) Fer et autres corps nuisibles. — L'arsenic comme le phosphore, même à petites doses, rend le fer cassant à froid et plastique à chaud.
Le cuivre qui se trouve dans quelques minerais rendleferrouverin, il semble surtout qu'il agisse en l'empêchant de se souder : sa présence ne paraît pas nuisible dans les métaux fondus, il en sera question dans la 2® partie de ce traité lors de l'étude des aciers au cuivre.
Tel est V aperçu général qu'il était indispensable de donner dès le début de ce traité, il n'a pas d'autre but que de définir sommairement les classes de métaux dont on va exposer la fabrication. Peu à peu, au fur et à mesure de l'étude des procédés d'élaboration, nous compléterons ces définitions qu'à dessein nous ne précisons pas davantage.
Article 2. — Historique
1° Le fer. — L'histoire du fer contient les faits les plus intéressants au point de vue de la science archéologique ; elle est intimement liée à celle de la civilisation. Son emploi paraît remonter à la plus hautes antiquité.
Les découvertes archéologiques tendent à établir qu'à l'âge de pierre succéda l'âge de bronze, puis celui du fer. Cependant pour quelques érudits il est contestable que le bronze ait été connu avant le fer; pourquoi, disent-ils, le fer, avec sa grande facilité d'oxydation dans la terre humide, ne se serait-il pas transformé en une masse soluble dont les traces ont dispani? Ce qui semble donner quelque poids à cette manière de voir c'est que, dans ces dernières années, le nombre des dé-
couvertes d'objets anciens en fer s'est considérablement accru. On a même trouvé des armes et des outils en fer mêlés à des objets et à des ustensiles de pierre.
A l'époque de l'invasion romaine, il est certain que Tusage des armes de bronze avait depuis longtemps disparu de Europe. Celles dont se servirent les Gaulois et les Bretons contre les légions de César étaient en fer.
La conquête de la haute Italie soumit à la domination romaine tous les Celtes cisalpins ; près de Bergame et de Brixia fleurit du temps des empereurs une importante industrie sidérurgique exercée par les Séquanais.
Dans la Gaule transalpine, vivaient une foule de peuplades de race celtique très habiles dans l'art de travailler le fer.
D'après Strabon, les Bituriges n'avaient comme rivaux dans la fabrication du fer que les Prétocoriens, habitants du Périgord actuel.
Il semble toutefois établi que c'est en Angleterre que l'on a trouvé les premières usines à fer romaines ou romano-celtiques.
La préparation du fer devait se faire jadis au foyer d'affinage, comme le montrent les vestiges de ces foyers et des scories (silicates métalliques) qu'on a rencontrées dans leur voisinage.
Ces foyers d'affinage se rencontrent encore près de Naples et en Corse ; ils devaient consister en de simples trous creusés dans le sol entourés d'un mur bas en grès, ainsi qu'en témoignent les résidus calcinés et scorifîés qu'on a trouvés.
Le minerai était grillé et fondu en tas au contact du charbon de bois ; le vent naturel auquel durent succéder les soufflets mécaniques devait activer la combustion. Sous l'action de cette fusion réductive et oxydante le minerai perdait son oxygènô^ un certain nombre de corps étrangers étaient brûlés et il restait une sorte de magma spongieux (aujourd'hui appelé loupe dont les pores étaient imbibés décomposés fusibles appelés laitiers {silicates terreux) et contenant du fer à l'état de grumeaux.
Cette fabrication à l'aide de foyers (Taffmage ou bas-foyers, dans laquelle la nature du produit obtenu ne devait que bien peu dépendre de la volonté de l'ouvrier, se maintint pendant de longs siècles. On là trouve chez les Belges, chez les Helvètes, en Suisse et en Carinthie où le fer est exploité de toute antiquité.
Modifiés, du reste, de diverses façons suivant les pays, les basfoyers, puis plus tard les moyens foyers donnèrent lieu à autant de
NOTIONS PRéLIUINAIRES il
manipulations difFérentes connues sous le nom de méthodes suédoise^ allemande^ styrienne, corse, catalane, navarraise, etc..
Dans toutes ces méthodes, on n'employait exclusivement que du minerai riche et du charbon de bois.
2° Uacier. — On ne connaît rien de précis sur Torigine de la fabrication de Facier; c'est un art tout à fait nouveau au point de vue de la précision théorique.
L'acier sauvage ou acier de fonte est le plus anciennement connu. ^
Les Indiens dans l'antiquité excellèrent dans l'art de travailler l'acier; c'est de leurs usines que sortaient ces fameuses lames d'épée appelées encore lames damasséeSy non comme on le croit généralement parce qu'elles se faisaient à Damas j mais parce que c'est de cette ville que les Européens les tiraient avant la découverte du cap de Bonne-Espérance (Dictionnaire Larousse).
Il y a lieu de croire que les Egyptiens étaient initiés à la fabrication de l'acier pour qu'ils aient pu sculpter le granit. Les Grecs savaient aussi produire ce métal et avaient dû en apprendre l'élaboration dans leurs rapports avec l'Orient ou avec l'Egypte. Les Romains paraissent n'être venus que bien plus tard après eux au même degré de perfection dans cet art si précieux.
Pendant le moyen âge, si l'on en excepte l'Espagne dont les usines exploitées par les Maures jouissaient d'une grande célébrité, l'Europe tirait de l'Orient tout l'acier qui lui était nécessaire.
Au xïi« siècle, des usines à acier s'établissent en Europe, surtout en Angleterre : la France est loin d'égaler, au point de vue de la production de ce métal, l'importance des autres pays. Il faut arriver à la fin du XVII® siècle ou au commencement du siècle suivant pour discerner dans les procédés de fabrication une certaine régularité.
3" La fonte. — Revenons au foyer d'affinage qui servait à élaborer le fer.
On reconnut à la longue que les produits obtenus se liquéfiaient mieux quand le four était plus élevé, parce que la surélévation de température y était plus continue. Aussi, vit-on apparaître des four- ^ neaux de hauteur plus grande ; on peut les considérer comme constituant l'origine du haut-fourneau moderne.
C'est au xv« siècle, suivant Karsten, que remonterait une découverte destinée à exercer une influence décisive sur la civilisation, la fusion du fer à l'état de carbure qui est la Fonte.
12 MÉTALLURGIB DU FEH
De la découverte fortuite de la fonte, daleal la fabrication du fer à bon marché et sa vulgarisation.
vj Les foyers plus élevés qu'à l'origine, employés alors, permirent d'obtenir à volonté le fer ou la fonte.
Pour avoir de la fonte, il fallait mettre en contact avec du carbone, à haute température, le métal réduit; ce qui s'obtenait en augmentant ^ la proportion du charbon relativement aux matières constituant l'apport en fer. Puis, il fallait soustraire la fonte à l'action oxydante du vent en la conservant pendant la durée de l'opération sous une couche de scories.
Pour avoir du fer, il fallait au contraire augmenter la charge du mi- ^ nerai relativement au charbon et laisser couler les scories pour que la loupe, en s'agglomérant dans le foyer, ne fût pas soustraite à l'action du vent.
La découverte des fondants, c'est-à-dire de corps d'addition qui, j ajoutés au minerai, permettaient Télimination des matières terreuses qu'il contenait en évitant le passage d'oxyde de fer dans les scories, constitua ensuite un progrès énorme dans la fabrication des fontes.
On était au xvi® siècle en possession de deux moyens de retirer le fer de son minerai :
l*' La mHliode directe ou méthode ancienne, catalane, etc., encore suivie en Afrique, aux Indes, etc..
2<^ La méthode indirecte, consistant à obtenir de la fonte qu'on transforme ensuite en fer et qui devait être la méthode de l'avenir, malgré les tentatives souvent renouvelées depuis de se servir industriellement de la méthode directe.
En Allemagne, les connaissances métallurgiques font les plus grands progrès ; on y rencontre les premiers auteurs qui aient écrit sur ces matières, soit pour expliquer les procédés en usage, soit pour les rattacher à un corps de doctrine. En tête figure J.-C. Agricola ; ses ouvrages au nombre de sept remontent à 1530 et constituent l'ensemble le plus remarquable de la science technique de son époque ; ils étaient encore regardés jusqu'au siècle dernier comme des guides précieux.
L'histoire des procédés d'élaboration des métaux de la famille du fer devrait donc rationnellement se poursuivre par celle des progrès successifs réalisés dans la fabrication des fontes à partir de la fin du XVI* siècle.
Nous ne saurions entrer plus avant dans cette étude, car les perfec-
NOTIONS PRÉIJMINAIMKS 13
lionnements qui suivent sont trop intimement liés à l'oriçîne des procédés actuels pour que nous songions à les exposer séparément.
Ils font partie intégrante de la genèse même de ces procédés ; aussi ne craindrons-nous pas de remonter dans la suite de ce travail à cette époque déjà ancienne où, sans être encore un art perfectionné, Télaboration du fer, œuvre patiente d'efforts industriels, de secrets révélés et transmis, commençait toutefois à être l'objet d'applications plus rationnelles et moins routinières.
Article 3. — Agents métallurgiques
On désigne sous le nom d'agents métallurgiques les matières de natures diverses utilisées dans l'élaboration des métaux. Ces matières forment les quatre classes suivantes :
I. — Les minerais, substances minérales constituant l'apport métallique.
