3 - La réalisation pratique de la réduction des minerais pendant la protohistoire et au XIX^e siècle

a - Les bas-foyers

    Les archéologues ont pu retrouver dans des sites métallurgiques de la protohistoire et de l’antiquité, des vestiges d'ateliers et reconstituer les foyers dans lesquels se réalisait la réduction des minerais de fer.

    Dans une enveloppe, plus ou moins cylindrique, appelée “ bas-fourneau “ ou “ bas-foyer “ , faite de terre argileuse et de fibres végétales. étaient mélangés intimement des fragments de minerai et de charbon de bois

    À la base, un orifice dans lequel s'engageait une tuyère, permettait d'insuffler de l'air et de régler le tirage. Après la mise à feu, la combustion du charbon produisait de la chaleur et de l'oxyde de carbone qui, en passant sur l'oxyde de fer du minerai, se combinait à l’oxygène pour donner du gaz carbonique. Le fer était ainsi libéré et formait, à la base du fourneau, une masse pâteuse, la loupe ou renard.

Pour obtenir une masse de fer pur, il fallait ensuite, à la forge, battre à chaud cette loupe, pour en éliminer les impuretés.

     À la température à laquelle s'opérait cette réduction de l'oxyde de fer, la gangue argileuse du minerai, composée de silicate d'alumine, fondait et se combinait partiellement au fer libre pour donner un silicate de fer et d'alumine, les scories, déchets inutilisables malgré leur teneur en métal.

     Ce procédé d'extraction du fer a été utilisé depuis la période de Halstatt jusqu'au X^e siècle avant J.C. en Europe occidentale. Il était encore pratiqué au XIX^e siècle en Catalogne. d'où le nom de méthode catalane utilisée parfois pour désigner ce procédé primitif.

b - L'amélioration de la méthode des bas-foyers

     La réduction complète du minerai, péniblement extrait du sol ou du sous-sol, était conditionnée par le mélange aussi intime que possible de ce minerai avec le charbon, source de production d'oxyde de carbone. On améliora alors le rendement en concassant les blocs de minerai le plus finement possible avant de le mélanger au charbon. Il fallait aussi créer un courant important d'oxyde de carbone dans le corps du fourneau et régler en conséquence le tirage, c'est à dire envoyer suffisamment d'air à la base du cylindre pour activer la combustion et atteindre une température suffisante, mais sans excès, afin d'obtenir la formation d'oxyde de carbone et non celle de gaz carbonique non réducteur. Pour obtenir de plus grandes quantités de fer on augmenta la hauteur des fourneaux et on adapta des soufflets plus puissants à leur base. Enfin, on réduisit la formation de scories en éliminant une grande partie de la gangue argileuse par lavage du minerai.

     Mises à part ces quelques améliorations, la méthode de réduction des minerais resta inchangée jusqu`au X^e siècle et sur les sites s'accumulèrent, à chaque tournée, des masses de scories qui représentaient une perte importante de métal.

c - Le four à masse et l'utilisation d'un “ fondant “

    La perte de métal avec la formation des scories était, sans aucun doute, une préoccupation pourles métallurgistes. Ils cherchèrent empiriquement par quel moyen l’éviter. Ils y parvinrent vers le X^e  siècle, afin de traiter plus de minerai, avec l'utilisation d'un “ fondant “, c'est à dire l'addition au mélange minerai-charbon d'un minéral capable de se combiner à la gangue argileuse au moment de la  

    Mais l'élévation de température nécessaire pour obtenir l'action du fondant eut l’inconvénient en retour de favoriser la formation de carbure de fer, Ia fonte, par combinaison du carbone et du fer ; désormais, des fourneaux ne sortit plus la loupe de fer pâteuse mais la fonte bien liquide que I'on dut canaliser et mouler dans des rigoles pour obtenir, après refroidissement, de grands blocs oblongs, les gueuses.

   Un déchet nouveau s'accumula autour des fourneaux, le laitier ; une pâte vitreuse, bleu-verdâtre, résultant de la combinaison du carbonate de chaux du calcaire avec le silicate d'alumine de la gangue argileuse.

d - Les hauts fourneaux

     Le besoin de traiter des masses de plus en plus importantes de minerai amena à construire des fourneaux plus grands en diamètre et en hauteur, les hauts fourneaux. Alors une active ventilation devint nécessaire, on lit alors appel à la force hydraulique pour actionner des souffleries.                     L’installation des ateliers métallurgiques se fit alors désormais en des lieux où se trouvaient réunis, le mieux possible, le minerai, le bois, c'est à dire la forêt, pour l'obtention de charbon, et la force vive d'un courant d'eau.

Évolution des techniques de la métallurgie du fer