Construire un haut-fourneau

En une phrase

Le haut-fourneau est un four vertical continu qui transforme le minerai de fer en fonte liquide à 1200 degrés, fonctionnant jour et nuit grâce à un soufflage permanent, un système de couches alternées de minerai et de combustible, et un fondant qui capture les impuretés.

Qu’est-ce que c’est ?

Un haut-fourneau n’est pas un simple four de forge. C’est un réacteur chimique vertical de 3 à 10 mètres de haut qui fonctionne en continu, 24 heures sur 24, parfois pendant des mois sans s’arrêter. Le minerai de fer, le combustible et le fondant sont chargés par le haut. L’air est soufflé par le bas. Les réactions chimiques se produisent en descendant : le minerai perd son oxygène, le fer fond, les impuretés forment un laitier qui flotte au-dessus de la fonte, et le métal liquide coule par un trou à la base.

Le haut-fourneau produit de la fonte — du fer riche en carbone (3 à 4%) qui est cassant mais coule facilement dans des moules. La fonte est ensuite transformée en fer forgé ou en acier par affinage (voir Produire de l’acier).

Le haut-fourneau est la machine qui a lancé la révolution industrielle. Sans lui, pas de fer en grande quantité, pas de chemins de fer, pas de ponts en fer, pas de machines à vapeur en série.

La différence avec un bas-fourneau (four de forge)

Caractéristique	Bas-fourneau (Tier 2)	Haut-fourneau (Tier 4)
Hauteur	0,5 à 1 m	3 à 10 m
Production	1 à 5 kg par coulée	1 à 50 tonnes par jour
Fonctionnement	Par lots (charge, brûle, refroidit)	Continu, 24h/24
Température	1200-1300 degrés	1400-1500 degrés
Produit	Fer spongieux (loupe)	Fonte liquide
Soufflage	Soufflets manuels	Soufflets hydrauliques ou mécaniques
Prérequis	Minerai + charbon de bois	Minerai + coke ou charbon + calcaire + soufflage puissant

Où trouver / comment fabriquer

Le minerai de fer

Voir Extraire le fer pour l’identification des minerais de fer.

Les minerais les plus adaptés au haut-fourneau :

Minerai	Teneur en fer	Aspect visuel	Comment le trouver
Hématite	60-70%	Gris-noir à rouge-brun, poussière rouge, très lourd	Zones de roches rouges, anciennes mines, sédiments oxydés
Magnétite	60-72%	Noir brillant, attire l’aimant, très lourd	Plages de sable noir, veines dans les roches volcaniques
Limonite	40-55%	Jaune-brun, terreuse, ocre	Marais ferrugineux, sols jaunâtres, concrétions dans les roches

Pour le haut-fourneau, il faut au minimum 100 kg de minerai par jour de fonctionnement. Les premiers hauts-fourneaux consommaient 200 à 500 kg de minerai par jour.

Le combustible : coke ou charbon de bois

Coke : voir Construire un four à coke pour la production de coke à partir de charbon minéral. Le coke est le combustible idéal pour le haut-fourneau car il est poreux (laisse passer les gaz), résistant à la compression (ne s’effondre pas sous le poids du minerai) et riche en carbone.

Charbon de bois : en l’absence de charbon minéral, le charbon de bois fonctionne. Voir Fabriquer du charbon de bois. Inconvénient : le charbon de bois est moins résistant à la compression et se consume plus vite. Il faut 1,5 à 2 fois plus de charbon de bois que de coke pour la même production.

Le fondant : calcaire

Le calcaire (carbonate de calcium, CaCO3) est le fondant qui capture les impuretés du minerai et forme le laitier. Le calcaire se trouve partout où il y a des roches blanches ou grises qui effervescence au vinaigre.

Le calcaire se décompose dans le four en chaux (CaO) et dioxyde de carbone. La chaux réagit avec la silice et l’alumine du minerai pour former un verre liquide (le laitier) qui flotte au-dessus de la fonte et la protège de l’oxydation.

Quantité : environ 20 à 30% du poids du minerai en calcaire.

Le soufflage

Le haut-fourneau nécessite un débit d’air continu et puissant. Les soufflets manuels ne suffisent pas. Il faut :

1. Soufflets hydrauliques : une roue à eau actionne des soufflets en cuir ou en bois. Voir Construire un moulin à eau et Construire une forge à eau.
2. Soufflets mécaniques : un système de cames et de soufflets actionnés par un moulin à vent ou par des animaux de trait.
3. Tuyères en cuivre ou en fer : les tuyères injectent l’air dans le four à la base. Elles doivent résister à 1400 degrés. Le cuivre (voir Extraire le cuivre) est idéal car il conduit la chaleur. Les tuyères sont refroidies par un circuit d’eau si possible.

Étapes détaillées

Étape 1 : Choisir l’emplacement

1. Proximité du minerai : moins de 5 km. Le transport de minerai est coûteux.
2. Proximité du combustible : bois, charbon de bois ou charbon minéral à portée.
3. Proximité de l’eau : pour actionner les soufflets hydrauliques et refroidir les tuyères.
4. Proximité du calcaire : si possible sur le même site.
5. Terrain en pente : le haut-fourneau est construit sur une pente ou un talus. La plateforme de chargement est au niveau du sommet du four, la zone de coulée est au niveau de la base. La pente naturelle évite de construire une tour de chargement.

Étape 2 : Construire le four

Le haut-fourneau est une structure en briques réfractaires de 3 à 5 mètres de haut pour un premier four.

Les fondations :

1. Creuser un trou de 1,5 m de profondeur et de 2 m de diamètre.
2. Remblayer avec des pierres et du mortier de chaux (voir Construire un four à chaux et Fabriquer du ciment et du mortier) pour créer une base solide et drainée.
3. Poser une dalle de pierre plate au centre — c’est le creuset, le réceptacle où la fonte et le laitier s’accumulent.

Les murs :

1. Construire les murs en briques réfractaires (voir Fabriquer des briques). Les briques sont cuites à haute température (1400 degrés minimum) dans un four spécial.
2. L’épaisseur des murs : 50 cm à 1 m. Plus le four est large, plus les murs sont épais.
3. Le four a la forme d’un tronc de cône inversé : évasé à la base (le creuset), rétréci au milieu (le ventre), et légèrement évasé en haut (le gueulard pour le chargement).

Les dimensions d’un premier haut-fourneau :

• Hauteur totale : 3 à 5 mètres.
• Diamètre intérieur au creuset : 60 à 80 cm.
• Diamètre intérieur au ventre : 100 à 120 cm.
• Diamètre intérieur au gueulard : 70 à 90 cm.
• Épaisseur des murs : 50 cm minimum.

Les ouvertures :

1. Le trou de coulée : à la base du four, un trou de 3 à 5 cm de diamètre, fermé par un bouchon d’argile. C’est par ce trou que la fonte et le laitier coulent.
2. Les tuyères : 2 à 4 ouvertures latérales à 30 cm au-dessus du creuset, pour injecter l’air soufflé. Les tuyères sont en cuivre creux (tube de 5 cm de diamètre) ou en fer forgé.
3. Le gueulard : l’ouverture au sommet du four, par laquelle on charge le minerai, le combustible et le fondant.

Étape 3 : Installer le circuit d’air

1. Construire les soufflets : 2 à 4 grands soufflets en cuir ou en bois, actionnés par une roue à eau ou par des cames. Chaque soufflet doit fournir 500 à 1000 litres d’air par minute.
2. Le collecteur d’air : un tuyau en argile cuite ou en briques qui relie les soufflets aux tuyères.
3. Les tuyères : insérer les tuyères en cuivre dans les ouvertures latérales. Les tuyères doivent pénétrer de 5 à 10 cm à l’intérieur du four. Refroidir les tuyères avec un circuit d’eau si possible (un tuyau d’eau entoure la tuyère en cuivre).

Étape 4 : Préparer la charge

La charge est le mélange de minerai, de combustible et de fondant qui est versé dans le four par le gueulard.

Ratio de charge (en poids) :

• Minerai de fer : 1 part
• Coke ou charbon de bois : 1,5 à 2 parts
• Calcaire : 0,2 à 0,3 parts (20 à 30% du poids du minerai)

Préparation du minerai :

1. Concasser le minerai en morceaux de 2 à 5 cm (taille d’une noix à d’un œuf). Les morceaux trop fins bouchent le four, les morceaux trop gros ne réagissent pas complètement.
2. Le laver pour enlever la terre et l’argile.
3. Le sécher.

Étape 5 : L’allumage et la montée en température

1. Charger le four : commencer par une couche de bois sec au fond du creuset, puis des couches alternées de charbon de bois et de coke (ou charbon de bois uniquement). Ne pas mettre de minerai au début.
2. Allumer : allumer le bois par le trou de coulée. Quand le feu prend, fermer le trou avec un bouchon d’argile.
3. Démarrer les soufflets : actionner les soufflets à bas régime. Augmenter progressivement le débit d’air au fur et à mesure que le four monte en température.
4. Ajouter du combustible : continuer à charger du combustible par le gueulard pendant 4 à 8 heures. Le four doit être rempli de combustible incandescent.
5. Ajouter du minerai : quand le four est à température (le sommet du four dégage une flamme bleue, la zone de combustion est visible), commencer à ajouter des couches de minerai et de calcaire par le gueulard.

Signes de bonne température :

• La flamme au sommet du four est bleue à jaune.
• Les tuyères sont visibles à l’intérieur — l’air soufflé fait danser les braises.
• Le crépitement est continu.

Étape 6 : La coulée

La première coulée intervient 12 à 24 heures après l’allumage.

1. Percer le trou de coulée : avec un long bâton ferré ou une barre d’acier, percer le bouchon d’argile du trou de coulée. La fonte coule.
2. Récupérer la fonte : la fonte coule dans un canal en sable réfractaire qui la dirige vers un moule en sable (lingeotière) ou vers un bassin de décantation.
3. Le laitier : le laitier (scories liquides, gris-vert, vitreux) coule aussi. Il est plus léger que la fonte et flotte au-dessus. On peut le séparer en le faisant couler par un trou de coulée secondaire, plus haut que le trou de fonte.
4. Reboucher : après la coulée, reboucher le trou avec un bouchon d’argile fraîche. La production continue.

Fréquence des coulées : toutes les 4 à 8 heures selon la taille du four.

Étape 7 : La production continue

Le haut-fourneau fonctionne 24 heures sur 24. L’équipe (4 à 8 personnes) se relève.

Tâches par quart :

1. Charger : tous les 15 à 30 minutes, ajouter une couche de minerai + combustible + calcaire par le gueulard. La charge doit toujours remplir le four jusqu’en haut.
2. Surveiller les soufflets : vérifier que le débit d’air est constant. Réparer les soufflets qui fuient.
3. Coulée : percer le trou de coulée toutes les 4 à 8 heures. Récupérer la fonte et le laitier.
4. Surveiller la température : la flamme au sommet doit être stable. Si la flamme s’éteint, le four est en train de s’arrêter — souffler plus fort.

Arrêt du four : Pour arrêter le four :

1. Arrêter de charger du minerai. Continuer le soufflage.
2. Laisser brûler le combustible restant.
3. Faire les dernières coulées.
4. Laisser le four refroidir naturellement (24 à 48 heures).
5. Débiter le four pour récupérer la fonte solidifiée dans le creuset.

Variations par climat

En climat tempéré

• Le charbon de bois provient des forêts environnantes. Le chêne et le hêtrefont le meilleur charbon.
• Les ressources en minerai de fer sont abondantes dans les massifs anciens.
• Le calcaire est disponible dans les zones de roches sédimentaires.
• Climat idéal pour le haut-fourneau : eau pour les soufflets, bois pour le charbon, minerai à proximité.

En climat tropical

• Le bois abonde pour le charbon de bois. Le minerai de fer est souvent en surface (latérites rouges).
• La chaleur ambiante réduit la consommation de combustible.
• Les fortes pluies nécessitent un toit de protection au-dessus du four et des zones de stockage couvertes.

En climat froid / boréal

• Le bois est abondant mais la saison de travail est courte. Le charbon de bois est produit en été, le four fonctionne en hiver.
• Le froid aide le four en réduisant les pertes thermiques par l’extérieur.
• Le chauffage des soufflets et des tuyères par l’eau doit être évité (risque de gel). Prévoir un circuit d’eau ouvert et continu.

En climat désertique

• Minerais de fer visibles à ciel ouvert (hématite ocre rouge).
• Pas de bois — charbon minéral uniquement (nécessite Construire un four à coke).
• Le refroidissement des tuyères par l’eau est difficile. Utiliser des tuyères en cuivre massif, très épaisses, et les refroidir par ventilation forcée.

Pièges et erreurs courantes

• Four pas assez chaud : si le four n’atteint pas 1300 degrés minimum, le fer ne fond pas. Le résultat est une loupe spongieuse (comme au bas-fourneau) et non de la fonte liquide. Solution : souffler plus fort, ajouter plus de combustible.
• Colmatage (bouchage du four) : si le minerai est trop fin (poussière) ou si le calcaire est insuffisant, les scories ne coulent pas et bouchent le four. Le four doit être vidé et nettoyé. Toujours utiliser du minerai en morceaux et la bonne quantité de calcaire.
• Tuyères fondues : les tuyères en fer ne résistent pas à 1400 degrés. Utiliser des tuyères en cuivre (meilleur conducteur de chaleur) ou les refroidir par circulation d’eau.
• Arrêt involontaire : si le soufflage s’arrête plus de 30 minutes, le four refroidit et le métal solidifie à l’intérieur. Il faut percer et vider avant de redémarrer. Le redémarrage prend 8 à 12 heures.
• Fonte trop riche en carbone : la fonte grise (plus de 4% de carbone) est cassante et inutilisable pour les outils. Pour corriger : réduire le rapport combustible/minerai ou augmenter le soufflage.
• Explosion du creuset : si de l’eau pénètre dans le creuset (pluie, fuite), elle se vaporise instantanément et provoque une explosion de métal en fusion. Toujours protéger le four de la pluie et vérifier l’étanchéité du circuit de refroidissement.

Une fois que vous savez faire ça, vous pouvez débloquer

• Produire de l’acier — la fonte du haut-fourneau est la matière première pour l’acier
• Générer de l’électricité — les pièces métalliques en fonte sont les composants des machines à vapeur et des dynamos
• Construire un moulin à engrenages — les engrenages en fonte sont plus solides que ceux en bois ou en bronze
• Construire une scierie mécanique — la four de lames en acier est possible avec la production en masse de fonte et d’acier

Notes

• Le premier haut-fourneau européen connu date du 14e siècle (Suède, Rhénanie). Les Chinois en utilisaient dès le 5e siècle avant notre ère.
• Un haut-fourneau de 5 mètres de haut peut produire 1 à 3 tonnes de fonte par jour avec un soufflage hydraulique.
• La fonte grise (4% de carbone) se coule facilement dans des moules mais se casse sous les chocs. La fonte blanche (2-3% de carbone, refroidie rapidement) est plus dure mais plus cassante.
• Le laitier de haut-fourneau est un matériau de construction : coulé dans des moules, il forme des blocs vitreux imperméables, utilisés comme pavés ou bordures.
• Le gaz de four (gaz de haut-fourneau) est riche en monoxyde de carbone et peut être récupéré pour alimenter des fours de cuisson ou des moteurs à gaz. En reconstruction de civilisation, c’est une source d’énergie précieuse.
• Le redémarrage d’un haut-fourneau arrêté prend 8 à 12 heures et consomme beaucoup de combustible. Il est plus efficace de le faire fonctionner en continu.

Ressources externes

• Open Source Ecology — GVCS — plans open source de hauts-fourneaux artisanaux et de fours de fonderie
• Survivor Library — manuels historiques de métallurgie et de construction de hauts-fourneaux (catégories « Metallurgy » et « Ironmaking »)
• Appropedia — tutoriels de fours de fusion et de bas-fourneaux améliorés