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Dossier : Archéologie expérimentale du bas fourneau. Réduction et post-réduction du fer

Expérimentations de bas fourneaux réutilisables en ventilation naturelle

Christophe Colliou
p. 13-16

Résumés

La question de la réutilisation des fours de réduction directe du minerai de fer d’un diamètre interne supérieur à 60 cm est très peu traitée. Le sujet sera abordé à travers les résultats de trois expérimentations utilisant le principe de la ventilation naturelle.

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Texte intégral

1De nombreux sites archéologiques recèlent des fours de réduction du minerai de fer d’un diamètre supérieur à 60 cm, où le résidu de production reste piégé dans une fosse creusée sous la structure. Certains ont manifestement connu plusieurs réductions.

2Des archéologues ont proposé une relation possible entre ces fours à scorie piégée et la pratique d’une ventilation naturelle pour alimenter le foyer en comburant. Si des propositions ont été avancées pour leur fonctionnement, la possibilité d’une ré-utilisation du bas fourneau et la gestion du déchet ont été peu traitées. Ce double point de vue guide la présentation des résultats de trois expérimentations.

3Depuis 2003, un  programme de reconstitutions expérimentales a permis de tester diverses hypothèses sur le fonctionnement des fours, extrapolées à partir de résultats archéologiques. Ces essais ont fourni une première série d’informations sur des sujets mal maîtrisés comme le niveau de consommation en combustible et en matière première, le temps passé pour la construction d’un four, les difficultés de sa mise en œuvre. Ce dernier point exigeait l’emploi de matériaux très proches de ceux retrouvés en fouille (Colliou & Aranda 2005).

4Depuis 2006, près de 450 kg de minerai ont été tirés de la couche géologique située à proximité du site de référence des Prés-de-Montadet (commune du Fossé, Seine-Maritime). Environ 3 500 kg de terre argileuse et de sable ont été prélevés sur les lieux mêmes de la fouille depuis le début des expérimentations (Colliou & Peyrat 2006).

La structure 105 des Prés-de-Montadet et l’expérimentation Red xiii (septembre 2006)

5Conduite pendant l’été 2005, la fouille de la déviation de Forges-les-Eaux a révélé un site protohistorique entièrement tourné vers l’activité métallurgique. Diverses structures de réduction ont été découvertes et la structure 105 a été choisie comme base d’un programme expérimental.

6Les scories issues de la dernière réduction étaient restées en place au moment de l’abandon de ce four de grandes dimensions (supérieur à 120 cm de diamètre). Il se composait d’un couloir creusé dans un sable compact, donnant accès à la fosse de piégeage dont il était séparé par les ruines d’une porte nettement visibles. Aucun pendage n’a été constaté entre le fond de la fosse et le couloir, qui ne semblait pas correspondre à un éventuel bassin de réception pour une coulée de scories.

7La structure 105 a subi de multiples utilisations, comme le prouvent les fragments de parois rechapées retrouvés dans la couche d’effondrement. La porte pouvait laisser entrer un homme à l’intérieur, pour qu’il aide à la construction ou à la réfection de la cheminée. Elle devait également servir après la réduction, quand il fallait récupérer la loupe et curer la fosse des scories.

8Forts de l’expérience acquise depuis 2003 et des propositions émises par divers archéologues (Tylecote, Austin & Wraith 1971 ; Dunikowski & Cabboi 1995 ; Mangin 2004), les expérimentateurs ont testé une application de la ventilation naturelle pour le fonctionnement de ce four. Sa fouille avait amené beaucoup d’informations mais les consommations en minerai et en combustible restaient inconnues, de même que le temps de réduction. La masse de scories retrouvées au fond du four laissant présager une consommation en minerai importante, la décision fut prise de réduire de moitié le diamètre interne du four par rapport à celui de la structure 105, de 120 à 60 cm. Restait à définir la hauteur de la cheminée : les précédents essais ayant montré qu’une élévation de 130 cm au-dessus des tuyères suffisait pour activer la convection, cette valeur a été retenue.

9Ce premier four expérimental était destiné à un usage unique et les conditions ne permettaient ni d’enterrer la fosse de piégeage ni de construire la porte et le couloir d’accès. La fosse, peu profonde (25 cm), a été creusée au sein d’une structure en terre et briques. Les différents aspects de la construction d’ensemble sont traités par F. Peyrat (voir p. 23) et les propositions sur le fonctionnement par ventilation naturelle ont déjà été développées dans deux articles (Colliou & Aranda 2005 ; Colliou & Peyrat 2006). En résumé, le volume « actif » du foyer doit être suffisant pour générer une inertie thermique capable d’instaurer un phénomène de convection. Ce phénomène, qui ne sera pas développé ici, s’auto-entretient et permet au four de réduire le minerai de fer versé à l’intérieur de la cheminée.

10Pour trouver les conditions idoines de fonctionnement, les charges ont été passées empiriquement de 1,2 kg, 2,4 kg et 3,6 kg de minerai pour respectivement 1 kg, de 1 à 3 kg puis de 4 à 6 kg de charbon. Le four a donné lors des dernières charges l’impression d’un fonctionnement à pleine capacité, et aucun problème de colmatage de tuyère ou de baisse de régime n’a été relevé durant toute la réduction.

  • 1  Ce terme correspond au produit brut de la réduction directe. La loupe est généralement un agrégat (...)

11Une fois passés 64 kg de minerai et 71 kg de charbon en 8 heures de réduction, l’essai a été stoppé en bouchant les tuyères et le gueulard. Le four fonctionnait alors parfaitement. Il a été démonté après une journée de refroidissement et le résultat est apparu très différent de ceux obtenus dans d’autres expérimentations. Le produit a été sorti par le dessus et extrait au marteau de la gangue de scories denses qui l’encerclait. La loupe1 n’adoptait pas une forme de bol relevé, campé face à la tuyère comme dans les réductions en ventilation forcée, mais plutôt une surface assez unie posée sous les tuyères, où se dessinait la trace des flux sortant de celles-ci. L’ensemble, de forme plano-convexe, pesait 17 kg. Après tronçonnage, le métal était bien présent mais plutôt comme une « mousse de fer » qui s’écrasait à froid et perdait encore de la scorie éclatant sous les chocs. Le « reste » de la scorie produite avait moulé le fond du four, sous la loupe.

L’expérimentation Red xiv (Melle, juillet 2007)

12La seconde expérimentation devait valider le fonctionnement de ce type de four construit en pleine terre avec une fosse de récupération pour la scorie. Elle s’intègre à un programme collectif de recherches (Pcr) sur la paléométallurgie et l’expérimentation, lancé en 2007 et dirigé par Florian Téreygeol (Cnrs).

13Les objectifs étaient multiples. D’abord, il s’agissait d’arriver à faire couler la scorie jusqu’en bas de la fosse, opération délicate car une scorie figée à proximité des tuyères aurait pu compromettre toute l’opération. Les expérimentations antérieures ont bien montré la nécessité d’acquérir une température minimale dans la fosse et de la conserver pour permettre l’écoulement de la scorie.

14En admettant que la scorie coule au fond, il fallait ensuite comprendre comment les métallurgistes pouvaient curer la base du four et sortir la loupe de fer sans faire s’écrouler la cheminée et en laissant le four apte à une nouvelle opération de réduction.

15Le problème de la construction d’une cheminée aux parois minces, haute de 130 cm sur un trou béant de 60 cm de diamètre, devait être résolu. Enfin, l’expérimentation devait éprouver la conduite de feu tirée de l’essai Red xiii, le but étant d’obtenir rapidement un rendement optimum pour la carburation du four.

16Le four Red xiv a été creusé en pleine terre, avec une fosse de 60 cm de profondeur et une cheminée de 140 cm construite par-dessus. Tous les autres paramètres de Red xiii ont été repris. La même terre tirée du site fouillé et utilisée pour l’expérimentation Red xiii a été apportée sur la plateforme d’expérimentation de Melle (fig. 1).

17Ainsi, après 8 heures de travail, 100 kg de minerai et environ 110 kg de charbon passés sans aucun problème à des températures très proches de celles relevées pour Red xiii, le four a été arrêté par bouchage des tuyères et du gueulard. Quatre jours plus tard, la température était suffisamment retombée pour autoriser une intervention (fig. 2).

18La tranchée de préchauffage a alors été suffisamment agrandie pour permettre le passage d’un homme et le trou d’arrivée d’air du préchauffage élargi juste assez pour qu’il puisse travailler dans la fosse en étant allongé dans la tranchée.

19La scorie piégée était effectivement présente jusqu’au fond du four et avait moulé la fosse (fig. 3). Cet agrégat fragile a été facilement brisé avec un simple piochon. Une fois la cavité dégagée, la loupe est apparue, vue par en dessous, bien discernable de la scorie piégée. Elle se présentait comme une sorte de discoïde d’une douzaine de centimètres d’épaisseur. Comme dans le cas du four Red xiii, elle était cerclée d’une couronne de scorie dense qui a été cassée avec précaution pour ne pas abîmer le revêtement du four. Après palpation, il s’est avéré qu'elle n’était pas en contact avec les tuyères mais située quelques centimètres plus bas que leurs becs, comme cela avait été déjà observé dans l’expérimentation de 2006. Il était donc possible de la dégager sans rien endommager dans le four. Ainsi, la porte creusée dans la base du four s’est-elle révélée suffisante pour la sortie de la loupe (fig. 4 et 5). Les tuyères ont subi une dégradation de surface après cette première réduction, mais elles semblent néanmoins aptes à supporter une seconde opération.

20Un premier tronçonnage sommaire a permis de constater la présence de fer métal, d’apparence très semblable à celui obtenu dans l’expérimentation Red xiii.

Fig. 1

Fig. 1

Four Red xiv en cours de fonctionnement

Fig. 2

Fig. 2

Four Red xiv en cours de refroidissement (la cheminée et les tuyères sont obstruées)

Fig. 3

Fig. 3

Vue de la scorie piégée moulant la fosse (expérimentation Red xiv)

Fig. 4

Fig. 4

Vue sur la tranche de la loupe de fer (expérimentation Red xiv)

Fig. 5

Fig. 5

Vue de dessus de la loupe de fer (expérimentation Red xiv)

L’expérimentation Red xv (Melle, mars 2008)

21Le four construit sur la plateforme d’expérimentation de Melle pour la réduction Red xiv a passé l’hiver de façon satisfaisante et n’a subi aucune dégradation majeure. Fin mars, il semblait pouvoir supporter une nouvelle réduction. Après un rechapage rapide de la base et un préchauffage prudent, l’opération Red xv a été lancée en reprenant à l’identique la conduite de feu adoptée en 2007, sans qu’aucune différence n’ait été constatée, ni pour les températures relevées ni pour les masses de charge utilisées. Cependant, le total de celles-ci n’a atteint que 82 kg par manque de minerai, face aux 100 kg utilisés lors de l’expérimentation Red xiv.

22Le défournement a été réalisé en juillet 2008 et l’opération de curage a été menée à l’identique, avec les mêmes résultats. La scorie était une nouvelle fois arrivée au fond de la fosse de piégeage et l’avait complètement moulée. Une fois enlevée, les expérimentateurs ont constaté la présence d’une loupe située au même endroit dans le four que celle observée après l’expérimentation Red xiv. Extraite par la base du four, de la même manière que la précédente et sans aucun problème, elle présentait le même aspect extérieur que sa devancière. Après tronçonnage, on retrouvait le caractère vacuolaire noté sur le produit de l’expérimentation Red xiii.

23Les tuyères avaient perdu un peu de matière (valeur non quantifiable), mais elles semblaient encore parfaitement fonctionnelles et encore utilisables. La cheminée, la zone de travail du four et la fosse n’avaient subi aucune dégradation majeure après cette seconde réduction (fig. 6). Après le curage, l’état de la structure permettait une nouvelle expérimentation

24Plusieurs études ont montré la grande diversité des principes de fonctionnement (beaucoup restant d’ailleurs nébuleux) suivant les époques, les lieux et les matières premières. Les propositions mises en application et décrites ici n’ont pas la prétention de pouvoir être généralisées à d’autres structures mais permettent de tester le fonctionnement en ventilation naturelle d’un type de bas fourneau. Elles révèlent tout le potentiel de ce type particulier de grande structure fonctionnant en ventilation naturelle, en prouvant notamment leur caractère réutilisable.

Fig. 6

Fig. 6

Vue de la fosse après curage (expérimentation Red xv)

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Bibliographie

Colliou, C. & R. Aranda. 2005. « Proposition pour une application de la ventilation naturelle à la réduction du minerai de fer par procédé direct », in : Les arts du feu en Normandie. Actes du 39e congrès organisé par la fédération des sociétés historiques et archéologiques de Normandie, Eu, 21-24 octobre 2004. Caen, Annales de Normandie (Congrès des sociétés historiques et archéologiques de Normandie ; 10) : 241-254.

Colliou, C. & F. Peyrat. 2006. « Proposition de reconstitution et expérimentation d’un four de réduction de minerai de fer en ventilation naturelle », in : Journées archéologiques de Haute-Normandie, Bulletin n° 11 du Centre de recherche archéologique de Haute-Normandie, fascicule 2, publication du Centre de recherches archéologiques de Haute-Normandie : 15-22.

Dunikowski, C. & S. Cabboi. 1995. La sidérurgie chez les Sénons : les ateliers celtiques et gallo-romains des Clerimois (Yonne). Paris, Éditions de la Maison des sciences de l’homme (Documents d’archéologie française ; 51).

Mangin, M. (dir.). 2004. Le fer. Paris, Errance (Archéologiques), 239 p.

Tylecote, R. F., J. N. Austin & A. E. Wraith. 1971,   « The mechanism of the bloomery process in shaft furnaces, technique », Journal of the Iron and Steel Institute, 209 : 342-363.

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Notes

1  Ce terme correspond au produit brut de la réduction directe. La loupe est généralement un agrégat de métal, de scories, de charbon et de porosités. Elle doit connaître une étape d’épuration avant de pouvoir être forgée.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1
Légende Four Red xiv en cours de fonctionnement
URL http://nda.revues.org/docannexe/image/706/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 452k
Titre Fig. 2
Légende Four Red xiv en cours de refroidissement (la cheminée et les tuyères sont obstruées)
URL http://nda.revues.org/docannexe/image/706/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 244k
Titre Fig. 3
Légende Vue de la scorie piégée moulant la fosse (expérimentation Red xiv)
URL http://nda.revues.org/docannexe/image/706/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 352k
Titre Fig. 4
Légende Vue sur la tranche de la loupe de fer (expérimentation Red xiv)
URL http://nda.revues.org/docannexe/image/706/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 88k
Titre Fig. 5
Légende Vue de dessus de la loupe de fer (expérimentation Red xiv)
URL http://nda.revues.org/docannexe/image/706/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 156k
Titre Fig. 6
Légende Vue de la fosse après curage (expérimentation Red xv)
URL http://nda.revues.org/docannexe/image/706/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 354k
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Pour citer cet article

Référence papier

Christophe Colliou, « Expérimentations de bas fourneaux réutilisables en ventilation naturelle », Les nouvelles de l'archéologie, 116 | 2009, 13-16.

Référence électronique

Christophe Colliou, « Expérimentations de bas fourneaux réutilisables en ventilation naturelle », Les nouvelles de l'archéologie [En ligne], 116 | 2009, mis en ligne le 30 juin 2012, consulté le 26 avril 2017. URL : http://nda.revues.org/706 ; DOI : 10.4000/nda.706

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Auteur

Christophe Colliou

Arkémine, Centre de recherches archéologiques et historiques médiévales, Caen
chriscolliou@aol.com

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Droits d’auteur

© FMSH

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