Construire un haut-fourneau primitif
Abstract
Guide complet pour construire et faire fonctionner un haut-fourneau capable de produire de la fonte en quantite significative. Depuis le choix du site et la construction de la maconnerie refractaire jusqu’a l’alimentation continue et la coulee du metal en fusion, toutes les etapes detaillees pour passer de la forge artisanale a la production industrielle de metal.
Pourquoi un haut-fourneau
La forge a bas foyer produit quelques kilos de fer par jour, un travail considerable pour un resultat limite. Le haut-fourneau produit des dizaines a des centaines de kilos de fonte par jour. Sans cette capacite, impossible de construire des machines, des ponts, des rails ou des outils en quantite suffisante pour une communaute.
Le haut-fourneau transforme le minerai de fer en fonte liquide en utilisant du charbon de bois comme combustible et agent reducateur, avec un soufflage d’air continu.
Choisir le site
Le site doit reunir quatre conditions imperatives :
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Proximite du minerai : transporter du minerai lourd sur de longues distances est prohibitoif. Le site doit etre a moins de 2 km de la source de minerai de fer.
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Proximite du combustible : un haut-fourneau consomme enormement de charbon de bois (environ 1 tonne de charbon pour 250 kg de fonte). La foret doit etre suffisamment proche et etendue pour soutenir la production.
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Eau : l’eau sert a alimenter les soufflets hydrauliques et a refroidir certaines pieces. Une riviere ou un ruisseau avec un bon debit est necessaire.
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Terrain stable : le four pese des dizaines de tonnes. Le sol doit etre rocheux ou compacte, jamais marécageux.
Architecture du haut-fourneau
Un haut-fourneau est une cheminee tronconique massive composee de plusieurs zones :
- Les fondations : assise en pierre sur 1 a 2 m de profondeur
- Le creuset : zone la plus basse ou la fonte liquide s’accumule
- Les etalages : zone ou le vent est insuffle et la reduction s’intensifie
- La cuve : zone de prechauffage ou le minerai descend
- La gorge : ou le four est charge par le haut
- Le offrande : ou les gaz s’echappent
Hauteur totale : 3 a 5 m pour un four primitif, jusqu’a 10 m pour un four evolue. Diametre a la base : 1,5 a 3 m selon la capacite voulue.
Construction etape par etape
Les fondations
- Creuser une fosse de 1,5 m de profondeur sur une surface de 4 m x 4 m
- Remplir le fond de pierres grossieres tassees sur 50 cm
- Couler un mortier de chaux sur les pierres (voir Fabriquer du ciment et du mortier)
- Laisser secher pendant une semaine minimum
- Construire un mur de pierre de 80 cm de haut sur les fondations, formant un socle stable
Le creuset
Le creuset est le coeur du four. Il doit resister a des temperatures de 1500 C.
- Fabriquer des briques refractaires en melangeant de l’argile refractaire avec du chamotte (argile cuite broyee) et du sable quartzitique. Proportions : 60 % argile, 25 % chamotte, 15 % sable.
- Mouler les briques et les secher au soleil pendant 2 semaines
- Cuire les briques a 1000 C minimum dans un four a poterie
- Assembler le creuset en forme de bol avec ces briques refractaires
- Jointoyer avec un mortier refractaire (argile + chamotte + eau)
- Le creuset doit avoir environ 40 cm de profondeur et 60 cm de diametre au fond
Dimensions critiques : le creuset doit etre assez profond pour contenir la fonte accumulee sans qu’elle remonte jusqu’aux tuyeres.
La maconnerie du four
- Monter les parois du four en briques refractaires depuis le creuset
- L’inclinaison des parois est cruciale : plus large en bas (etalages), plus etroit en haut (cuve)
- L’angle des etalages : parois inclinees a environ 75 degres par rapport a l’horizontale
- La cuve : parois plus verticales, legerement evasees vers le haut pour le chargement
- Epaisseur des parois : 50 a 80 cm de briques refractaires
- Entourer la maconnerie refractaire d’un mur de pierre ordinaire de 40 cm comme support structurel
- Remplir l’espace entre les deux murs avec du sable ou de la terre pour l’isolation
Les tuyeres
Les tuyeres injectent l’air dans le four. Ce sont les pieces les plus problematiques.
Position : a la jonction entre le creuset et les etalages, environ 30 cm au-dessus du fond du creuset.
Nombre : 2 a 4 tuyeres selon la taille du four, espacees regulierement autour de la circonference.
Materiau : tube en ceramique refractaire ou en fer (le fer fond eventuellement mais dure plusieurs coulees).
Diametre interieur : 5 a 8 cm.
Angle d’injection : legerement incline vers le bas (10-15 degres) pour que l’air souffle dans le creuset.
Fabrication d’une tuyere en ceramique :
- Modeler un cylindre d’argile refractaire de 8 cm de diametre et 60 cm de long
- Percer un trou axial de 6 cm de diametre avec un baton
- Secher lentement pendant 2 semaines
- Cuire a haute temperature (1100 C minimum)
- Sceller la tuyere dans la maconnerie avec du mortier refractaire
La coulee
Aménager un trou de coulee a la base du creuset, du cote oppose aux tuyeres.
- Percer un orifice de 5 cm de diametre dans la maconnerie
- Le boucher avec un bouchon d’argile refractaire en fonctionnement normal
- Pour couler, percer le bouchon avec un long outil en fer et laisser la fonte s’ecouler
- Diriger la fonte dans un canal en sable forme a l’avance
- Apres la coulee, boucher le trou avec un nouveau bouchon d’argile
Le systeme de soufflage
Un haut-fourneau necessite un debit d’air considerable et continu. Les soufflets manuels sont insuffisants.
Solution : soufflets hydrauliques (voir Construire une forge à eau).
Principe : une roue a aubes entraine un systeme de soufflets alternatifs ou un piston qui pousse l’air dans un collecteur commun reliant aux tuyeres.
Debit necessaire : environ 2 a 3 metres cubes d’air par minute pour un four de taille moyenne.
Si l’hydraulique n’est pas disponible, des soufflets manuels actionnes par une equipe en rotation (4 personnes minimum, deux en action, deux en repos) peuvent fonctionner mais limitent la production.
La plateforme de chargement
Construire une plateforme en bois a la hauteur de la gorge du four (3 a 5 m du sol).
- Un escalier ou une rampe permet d’acceder a la plateforme
- La plateforme doit supporter le poids des operateurs et du materiau de charge
- Un plancher solide en rondins de 10 cm de diametre minimum
- Un garde-corps pour la securite
Mise en route et fonctionnement
Prechauffage
- Allumer un feu de bois ordinaire dans le creuset
- Augmenter progressivement la temperature pendant 24 a 48 heures
- Ce prechauffage seche la maconnerie et evite les chocs thermiques
- Le four doit etre rouge sombre partout a l’interieur avant de charger
Chargement
Le four est charge par couches alternees depuis la gorge :
- Couche de charbon de bois (30 cm)
- Couche de minerai de fer concasse (10-15 cm)
- Couche de fondant : calcaire concasse ou coquillages (5 cm)
- Repeter
Le fondant (calcaire) abaisse la temperature de fusion des scories et les rend plus fluides, ce qui facilite la separation entre la fonte et les scories.
Proportion typique : 4 parts de charbon pour 1 part de minerai pour 0,3 part de fondant, en poids.
Soufflage
- Activer les soufflets des que le premier chargement est en place
- Le debit d’air doit etre continu et constant
- Un arret meme bref du soufflage peut provoquer un figeage du four (catastrophe)
- Maintenir le soufflage pendant toute la campagne de coulee
Descente de la charge
Le minerai descend lentement dans le four sur 6 a 12 heures. Pendant cette descente :
- L’eau s’evapore dans la cuve
- Le minerai est prechauffe par les gaz montant du creuset
- La reduction du fer se fait dans les etalages : le carbone du charbon de bois réduit l’oxyde de fer en fer metallique
- Le fer absorbe du carbone et devient de la fonte (2 a 4 % de carbone)
- La fonte coule dans le creuset
- Les scories (silice, alumine, chaux) flottent sur la fonte et s’ecoulent par un trou de scorie
Coulee de la fonte
- Quand le creuset est plein (toutes les 4 a 8 heures selon la taille du four)
- Percer le trou de coulee avec une barre en fer
- La fonte liquide s’ecoule dans le canal de sable
- Reguler le debit avec de l’argile si necessaire
- Couler dans des moules en sable preparation à l’avance (voir Fabriquer un moule en sable)
- Apres la coulee, reboucher le trou
Coulee des scories
Les scories sont plus legeres que la fonte et flottent dessus. Elles s’ecoulent par un trou de scorie situe plus haut que le trou de coulee.
- Ouvrir le trou de scorie regulierement (toutes les 2 heures)
- Laisser les scories couler dans un fossé de sable
- Les scories refroidies forment un verre noir et poreux
Produire de l’acier dans le haut-fourneau
Le haut-fourneau produit de la fonte, pas du fer ou de l’acier directement. Il faut une etape supplementaire : l’affinage.
L’affinage consiste a decarburiser la fonte en la faisant fondre a nouveau dans un foyer avec un fort courant d’air qui brule l’exces de carbone. Voir Produire de l’acier pour les details.
Problemes courants
| Probleme | Cause | Solution |
|---|---|---|
| Four fige | Arret du soufflage | Ne jamais arreter le soufflage |
| Fonte froide | Insuffisance de chaleur | Plus de charbon, plus de vent |
| Tuyeres bouchees | Scories figees dedans | Nettoyer avec une barre en fer |
| Scories trop visqueuses | Pas assez de fondant | Ajouter du calcaire |
| Fonte trop riche en soufre | Charbon contamine | Meilleur charbon de bois |
| Fuite dans la maconnerie | Fissure refractaire | Reparer avec mortier refractaire |
| Pression du four excessive | Tuyeres trop etroites | Agrandir les tuyeres |
Securite
- La fonte liquide est a 1300-1500 C : un eclaboussure peut tuer
- Les gaz du four contiennent du monoxyde de carbone : ventiler la zone
- Ne jamais regarder dans le four sans protection
- Tenir les curieux a distance
- Avoir du sable sec a proximite pour etauffer les fuites de metal
- Les vetements en laine sont preferables (ne fondent pas contrairement aux synthetiques)