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

À la recherche d’une technique oubliée, le grappage

Régis Aranda, Paul Benoit, Joséphine Rouillard et Anne-Cécile Turquety
p. 32-36

Résumés

Technique oubliée des traités de forge et d’histoire de la métallurgie, le grappage, opération qui consiste à jeter dans un foyer fortement chauffé des pièces de fer, le plus souvent des riblons, et à les porter à haute température afin de les agglomérer par soudure, est toujours pratiquée par certains forgerons aussi bien en Europe qu’en Afrique ou au Japon. Pour mieux comprendre son utilisation à l’époque médiévale, en particulier pour mettre en forme des objets de grandes dimensions, barres ou enclumes, soit à partir de fragments de loupes sortant de bas fourneaux, soit à partir de riblons, des expérimentation ont eu lieu depuis 2007 sur le site de l’abbaye cistercienne de Fontenay. Les résultats obtenus se sont avérés très prometteurs : des ébauches d’enclumes et de barres ont pu être réalisées. En revanche, la méthode de tri des fragments de loupe demande à être mise au point, trop de fragments de scories ont empêché le grappage d’un produit forgeable lors de nos expérimentations.

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Texte intégral

1Le terme de « grappage » n’apparaît dans les dictionnaires de langue française, que ce soit le Littré ou le Trésor de la langue française, que dans le sens de « action, possibilité de grappiller », c’est-à-dire de cueillir les grappes laissées après les vendanges. En revanche, la petite communauté des forgerons qui s’intéressent à l’histoire du fer et des archéométallurgistes l’emploie couramment. Sans tenter une histoire de ce néologisme, on peut rappeler que Paul Merluzzo et Marc Leroy utilisaient déjà le verbe grapper, qu’ils prenaient soin de mettre entre guillemets, pour qualifier une des opérations de la chaîne de fabrication des lames de sabres japonais réalisée en 1989 (Merluzzo et al. 1995).

2Pour les forgerons et les archéométallurgistes, « grapper » désigne une opération qui consiste à jeter dans un foyer fortement chauffé des pièces de fer, le plus souvent des riblons, et à les porter à haute température pendant quelques minutes afin de les agglomérer par soudure. Lors de l’opération, en atmosphère réductrice, se forme de la scorie qui s’accumule au bas du fer, sous la partie métallique qui peut contenir, elle aussi, de la scorie. En fin d’opération sort du four un produit qui se présente sous une forme assez semblable à une loupe de réduction, mais plus riche en métal et plus compacte. Les différentes fêtes du fer ou de la forge font une part notable au grappage qui peut s’avérer très spectaculaire, en particulier pour réaliser des objets de grandes dimensions.

3Pour présenter, et étudier, cette technique méconnue des traités de métallurgie, un vocabulaire admis par tous manque. Les termes employés dans cet article proviennent à la fois de la terminologie scientifique et d’une tradition orale. Une des difficultés tient à la dénomination des actions, des structures utilisées et des produits obtenus.

Une technique traditionnelle largement pratiquée

  • 1 Les Travailleurs de la mer ont connu une première édition en 1866 ; nous avons choisi de nous référ (...)

4L’ignorance, ou le refus, de prendre en considération le grappage semble d’autant plus stupéfiant que le phénomène est décrit par différents auteurs, dont deux des plus lus de toute la littérature française. Buffon écrit dans son Histoire naturelle des minéraux : « On met dans le foyer de l’affinerie, un lit de charbon et de ferraille alternativement, et lorsque le creuset de l’affinerie est plein, on le recouvre d’une forte quantité de charbon : on met le feu au charbon et l’on donne une grande vitesse aux soufflets ; on remet de nouveau du charbon à mesure qu’il s’affaisse ; on y mêle d’autres ferrailles, et l’on continue ainsi jusqu’à ce que le creuset contienne une loupe d’environ quatre-vingt livres. » Buffon préconise par ailleurs de jeter de la scorie dans le foyer pour empêcher le fer de brûler et de modérer la flamme en jetant de l’eau, ce qui, selon lui, « concentre la chaleur dans le foyer » (Buffon 1784 : 156). Un siècle plus tard, moins scientifique mais tout aussi évocateur, Victor Hugo décrit l’utilisation du grappage pour la fabrication d’armes à feu dans Les Travailleurs de la mer (Hugo 1911 : 172)1 :

– Quant aux canons, c’est de forge espagnole.

– Je l’ai remarqué.

– C’est rubané. Voici comment ça se confectionne, ces rubans-là. On vide dans la forge la hotte d’un chiffonnier en vieux fer. On prend tout plein de vieille ferraille, des vieux clous de maréchal, des fers à cheval cassés…

– et de vieilles lames de faulx.

– J’allais le dire, monsieur l’armurier. On vous fiche à tout ce bric-à-brac une bonne chaude suante, et ça vous fait une magnifique étoffe de fer…

– Oui, mais qui peut avoir des crevasses, des éventures, des travers.

– Pardine. Mais on remédie aux travers par des petites queues d’aronde, de même qu’on évite le risque des doublures en battant ferme. On corroie son étoffe de fer au gros marteau, on lui flanque deux autres chaudes suantes ; si le fer a été surchauffé, on le rétablit par des chaudes grasses, et à petits coups. Et puis on étire l’étoffe, et puis on la roule bien sur la chemise, et avec ce fer-là, fichtre ! On vous fait ces canons-là.

– Vous êtes donc du métier ?

– Je suis de tous les métiers.

– Les canons sont couleur d’eau.

– C’est une beauté, monsieur l’armurier. Ça s’obtient avec du beurre d’antimoine.

5Le Nouveau manuel complet du serrurier de Paulin-Désormaux, publié dans la collection des manuels Roret, contient dans son édition de 1866 une phrase qui serait anodine si elle ne confortait pas la description de Victor Hugo : « En Espagne les bons canons de fusils se font avec de vieux fers de mule » (Paulin-Désormaux 1866 : 41). Ignorée ou presque des manuels, sans nom, la technique n’a guère retenu l’attention des explorateurs ni, plus tard, des ethnologues. Cependant, certaines descriptions semblent montrer son emploi. Chez les Senoufo de Côte-d’Ivoire, selon l’enquête menée par H.-E. Eckert en 1974, les métallurgistes écrasent la loupe à la sortie du bas fourneau, ce qui implique qu’il fallait ensuite grapper les fragments de métal pour les agglomérer avant de les transformer en outils ou en armes. Malheureusement l’auteur n’en dit rien puisqu’il arrête sa description à la destruction de la loupe (Eckert 1976). Dans le Bwamu, au Burkina Faso, les métallurgistes employaient des méthodes comparables (Coulibaly 2006 : 294). De fait, il semble que l’Afrique sub-saharienne ait largement utilisé le grappage. La pratique ne se limite pas à l’Afrique. Les fabricants de sabres japonais, dont les techniques s’inscrivent dans une longue tradition, brisent la loupe obtenue après un second passage dans le four de réduction et séparent le fer, l’acier et les scories. Ils procèdent ensuite par grappage (Merluzzo et al. : 1995). Ce bref survol montre que cette technique ne bénéficiant d’aucun nom, qui n’apparaît pas au cours d’une lecture rapide des traités de forge, est cependant connue et pratiquée de longue date un peu partout à la surface du globe.

Le grappage : principe et pratique

Principes du grappage

6Les connaissances acquises lors d’opérations effectuées au cours de manifestations de forgerons, avant même que les archéologues s’intéressent à la chose, suffisent à établir les principes de base du grappage, quel que soit le nom qu’on puisse lui donner. Il s’agit d’une technique qui consiste à mettre en état de fusion superficielle des fragments d’alliages à base de fer pour les agglomérer en une masse qu’on appellera étoffe de fer. Cette étoffe de fer est constituée à partir de fer, d’acier, de fonte ou de tous autres alliages ferreux et permet d’obtenir une masse hétérogène d’acier plus ou moins carburé. Si l’objet principal du grappage est pour nous d’obtenir une masse de métal, il peut servir aussi à épurer, raffiner des fers ou des aciers de bas fourneau.

7À l’intérieur du four de grappage, l’opération se développe dans ce que nous appellerons un creuset, encore que le terme soit contestable puisqu’il ne s’agit pas d’un appareil dans lequel on fond complètement le métal avant de le couler, comme dans le cas du bronze, mais de la partie du four où s’effectue la fusion partielle qui conditionne la soudure. La forme et les dimensions du four, donc celle du creuset, déterminent celles de l’étoffe et, au-delà, du produit recherché. Ce principe simple permet aussi de donner une forme à l’étoffe de fer en changeant des dimensions du creuset.

Fonctionnement du four de grappage.

8Pour comprendre le fonctionnement d’un four de grappage, il est nécessaire de rappeler celui d’une tuyère. La température ne peut être le seul indicateur de la bonne mise en forme d’un feu. En effet, le feu se définit par l’existence de trois zones qui ont pu être observées à la sortie de la tuyère (fig. 1) :

  1. la zone oxydante où toute matière brûle ;

  2. la zone neutre qui est la zone de travail ;

  3. la zone réductrice pauvre en oxygène.

9Pour réaliser un grappage, il est nécessaire d’obtenir une zone neutre de taille suffisante afin de permettre la constitution d’une masse de fer. Pour ce faire, la vitesse de l’air liée au diamètre de la tuyère forme des sphères qui vont constituer les zones du feu. La vitesse de l’air influe sur la forme des zones, les allongeant ou les aplatissant. De façon empirique, les expérimentations que Régis Aranda a menées montrent que pour un diamètre de tuyère de 50 mm et une vitesse d’air de 5 m/s, les zones sont quasiment sphériques. Dans cette configuration, la consommation de charbon de bois s’élève à 1 kg toutes les 6 minutes. En dessous de cette vitesse, les différentes zones s’aplatissent, réduisant la zone neutre. À l’inverse, si on augmente la vitesse, la zone neutre s’allonge en forme de dard. Lors de ces essais, il est apparu que la taille de la zone neutre forme une sphère de 20 à 25 cm de diamètre. Les températures mesurées au pyromètre optique dans la zone oxydante varient entre 1 420 °C et 1 500 °C. Celles de la zone neutre n’ont pas pu être relevées, mais nous supposons qu’elles doivent être comprises entre 1 200 °C et 1 300 °C du fait de sa position. Les températures de la zone réductrice, relevées par des sondes de température, n’excédent pas 1 100 °C. Au-delà de la zone réductrice, le gradient de température est fonction de la morphologie du four (fig. 2).

10À partir de ces données, il est possible d’élaborer un four de grappage. Le but du four est de définir la forme de la poche, définie comme creuset, où le métal s’agglomérera. Pour ce faire, il faut positionner la tuyère à la base du four et l’incliner de façon à créer un courant d’air chaud ascendant. Les parois du four sont construites de manière à créer la forme d’un creuset en laissant sur les bords de l’appareil entre 4 et 5 cm de charbon de bois.

Fig. 1

Fig. 1

Le fonctionnement d’une tuyère

Fig. 2

Fig. 2

Fonctionnement du four de grappage

Les expérimentations

11Dans le cadre des travaux d’archéologie portant à la fois sur la réduction et le travail du fer à l’abbaye de Fontenay (Benoit et al. 2007) et sur l’usage du fer dans le bâtiment (Benoit 2009a et 2009b ; Dillmann 2007 ; L’Héritier 2009), plusieurs hypothèses ont pu être avancées quant aux usages du grappage, hypothèses que l’expérimentation devait confirmer ou infirmer. Actuellement, la production de fer par réduction directe du minerai ne pose plus de problèmes majeurs aux archéologues-expérimentateurs. Les véritables questions se posent soit dans la compréhension du fonctionnement des fours archéologiques, soit, ce qui nous intéresse ici, dans la suite de la chaîne opératoire. Il s’agit de savoir comment les hommes, de la protohistoire au Moyen Âge, ont produit un métal susceptible d’être transformé en produits semi-finis ou en objets dans des conditions économiquement satisfaisantes. Dans le programme d’expérimentation développé de manière régulière depuis une dizaine d’années à Fontenay, nous avons cherché à produire des loupes de plus en plus riches en fer et volumineuses. La confection de lingots ou de barres à partir du corroyage de ces loupes représente un travail considérable et une forte dépense d’énergie thermique due à la multiplication des chaudes, d’où l’hypothèse que le grappage a pu intervenir dans les processus métallurgiques à différents niveaux.

12De nouvelles possibilités se sont offertes au cours des dernières années. D’une part, le programme Savoirs du fer du projet Cnrs Histoire des savoirs a financé plusieurs campagnes d’expérimentation. D’autre part, le programme européen Comenius, qui rassemble des lycées techniques et professionnels de sept pays d’Europe, dont le lycée Eugène-Guillaume de Montbard, a permis la réalisation d’un marteau hydraulique dans la forge de Fontenay inauguré en mai 2008. Si le programme Comenius n’a apporté aucun financement direct, l’association Un marteau européen pour Fontenay, qui gère les fonds obtenus de différents financeurs pour réaliser le projet, a largement contribué à la réalisation des opérations. Enfin, les propriétaires de l’abbaye de Fontenay ont contribué au succès des dernières expérimentations. Trois campagnes comportant des grappages ont eu lieu à Fontenay, en octobre 2007, mai et septembre 2008, auxquelles il faut ajouter une opération réalisée en juin 2008 à Châtillon-sur-Seine au cours d’une démonstration réalisée dans le cadre de la foire locale. L’expérimentation a porté sur trois types d’opérations distinctes.

Ébauche d’une enclume-tas

13À Châtillon-sur-Seine, l’expérimentation visait à préparer une ébauche d’enclume-tas de 15 kg, en forme de pyramide carrée à base tronquée de 180 mm de hauteur, avec une grande base de 100 mm de côté, une petite base de 80 mm. Les forgerons gallo-romains ont utilisé de telles enclumes (Rebiere etal. 1995 : 501-508).

14Les dimensions de l’enclume ont servi à définir celles du four, partout supérieures à celles de l’objet d’au moins 50 mm, soit ici un four de 200 mm de côté et 250 mm de profondeur. Il était alimenté en air par une tuyère de 50 mm de diamètre reliée à une soufflerie donnant un vent de 5 m/s.

15Construit la veille, le four avait perdu une humidité suffisante pour recevoir un séchage au feu. Une fois sec, il fut rempli de charbon de bois et le vent mis. Au bout de quelques minutes, une zone chaude est apparue au centre du foyer, dans laquelle se sont effectués les chargements de charbon et riblons. Après environ 45 minutes d’une chauffe intense, une ébauche d’enclume, convenablement soudée et prête à être mise en forme à la forge, a été sortie du four. Dans les conditions particulières de l’expérimentation – une foire agricole – le temps a manqué pour mener à bien cette dernière opération, mais cette expérience doit être considérée comme un succès.

Tentative de grappage des fragments d’une loupe produite en bas fourneau

16Les résultats très concluants obtenus à Châtillon-sur-Seine ont conduit, en septembre 2008, à une seconde étape : tenter la même opération non plus à partir de vieux fer, mais de métal obtenu en réduction directe dans les bas fourneaux de Fontenay. À la suite de réductions menées en 2007, déjà en vue de grappages à venir, la maîtrise de la conduite des bas fourneaux a permis d’obtenir des loupes peu compactes et faciles à briser. Une fois ces loupes concassées, un tri a été effectué pour séparer les parties métalliques de la scorie avant de les introduire dans le four de grappage. L’étoffe de fer obtenue n’avait pas la qualité de celle qui venait de riblons ; portée sous le marteau hydraulique, elle s’est rapidement décomposée. Un éventuel manque de maîtrise dans la pratique du marteau peut être considéré comme un facteur de l’incident, mais l’examen des fragments a surtout montré que le tri des fragments de loupe s’était avéré insuffisant et qu’il restait trop de scories mêlées au métal pour que le grappage soit efficace. De nouvelles expérimentations devraient permettre d’améliorer les tris afin d’obtenir des résultats comparables à ceux qui sont connus par les enquêtes ethnographiques. Il est possible qu’il faille faire ressuer la loupe par un second passage au four, comme le font les fabricants de sabres japonais.

Essai d’élaboration d’une barre

17À partir du xie siècle, le Moyen Âge a utilisé des quantités de barres de plus en plus impressionnantes qui sont entrées dans la construction et ont fourni le matériau de base des premiers canons (Benoit, Dillmann & Fluzin 1996 ; Benoit 2009b). La question se pose aussi de savoir si toutes les barres de fer qui ont fourni les bâtisseurs de cathédrales des xiie et xiiie siècles et les fabricants des premiers canons de fer au xive siècle, barres de fer d’une longueur parfois considérable et donc d’une masse importante, ont été obtenues par corroyage de loupes ou par d’autres moyens plus économiques.

18Aussi, dès 2007, la réalisation d’une barre de fer carrée de 40 mm de côté a été tentée en préparant une ébauche par grappage. Comme il est impossible de déformer les zones de feu afin d’obtenir le volume nécessaire à l’agglomération des fragments de fer, il a fallu construire des fours où la multiplication des tuyères permet de faire coïncider les zones neutres. Le premier four avait 2 m de long ; l’air de la soufflerie était distribué par un canal recouvert de tuiles donnant sur des embrasures creusées dans le sol et tenant lieu de tuyères, selon un modèle repris dans les autres expérimentations. Les premiers résultats s’avèrent encourageants, puisqu’une partie des riblons s’était agglomérée, formant une ébauche d’environ 70 cm en deux tronçons. En 2008 eurent lieu de nombreux essais pour améliorer la distribution de l’air en jouant sur l’inclinaison des ouvertures formant tuyères (fig. 3). Pour plus d’efficacité, la longueur de la tranchée a été réduite à un mètre. L’expérimentation la plus concluante a donné une ébauche d’une soixantaine de centimètres. Après un début de forgeage prometteur sous le marteau hydraulique, elle s’est brisée. Il est probable que dans ce cas, les angles aigus de la tête du marteau et la forme de l’enclume aient largement contribué à l’échec du forgeage.

19L’approche archéologique du grappage n’en est qu’à ses débuts. Les résultats obtenus incitent à continuer. Il est déjà acquis qu’il était facile aux hommes de fabriquer des ébauches de pièces métalliques à partir de fer de rebut par grappage au prix d’une dépense en énergie, aussi bien humaine que thermique, très inférieure à ce qu’exige un travail de corroyage pour un résultat semblable. La mise en forme d’ébauches de barres de fer, produit de base de la sidérurgie médiévale, nécessite sans doute une plus grande maîtrise de la technique, mais semble rapidement possible. En revanche, il reste encore à mettre au point des méthodes de tri qui permettront de grapper le fer venant d’une loupe de réduction directe. Après une première étape, lorsque que les premiers produits semi-finis auront été obtenus, il conviendra d’en étudier la structure par analyse métallographique pour les comparer avec les productions antiques ou médiévales. Ce n’est qu’à partir des résultats obtenus en laboratoire qu’il sera possible de savoir quelle place a pu tenir le grappage dans la sidérurgie médiévale.

Fig. 3

Fig. 3

Préparation du four pour le grappage d’une barre, Fontenay, mai 2008

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Bibliographie

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Benoit, P. 2009b. « La production de fer au temps des cathédrales», in : A. Timbert (dir), L’homme et la matière. L’emploi du fer dans l’architecture gothique. Actes du colloque de Noyon, 16-17 novembre 2006. Paris, Picard : 77-82.

Benoit, P., P. Dillmann & P. Fluzin. 1996. « Iron, cast iron and bronze. New approach of the artillery history », in : G. Magnusson, The importance of Ironmaking. Technical innovation and social change. Stockholm, Jernkontorets Bergshistorica Utskott : 241-257.

Benoit, P., P. Dillmann, F. Téreygeol, C. Colliou, R. Aranda & C. Deschamps. 2007. « Cistercien mining and ironmaking at Fontenay, Côte-d’Or, France », in : I.-M. Petterson & U. Öhman, Norberg-Nora, 700 years of iron production. 71-86. pers presented at an International conference in Norberg and Nora, August 18-22 2003, Stockholm, Jernkontorets Berghistoriska Utskott, H 78 : 76-82.

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Coulibaly, E. 2006. Savoirs et savoir-faire des anciens métallurgistes d’Afrique occidentale. Procédés et techniques de la sidérurgie directe dans le Bwamu (Burkina Faso et Mali). Paris, Karthala, 422 p.

Dillmann, P. 2007. «Les métaux ferreux dans les monuments historiques avant le xixe siècle. Structure et propriété des matériaux », Monumental, 2 : 92-96.

Eckert, H.-E. 1976. « Urtümliche Eisengewinnung bei des Senufo in Westafrika », Der Anschnitt, 2 : 50-63.

Hugo, V. 1911. Les Travailleurs de la mer, Paris, Ollendorff-Imprimerie nationale, 591 p.

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Merluzzo, P., C. Forrieres, A. Thouvenin & A. Ploquin. 1995. « Les premières étapes du travail du fer en foyer de forge, selon les procédés traditionnels japonais », in : P. Benoit & P. Fluzin (éd.), Paléométallurgie du fer et cultures, Paris-Belfort, Aedeh-Vulcain : 71-86.

Paulin-Désormaux, A.-O. 1866. Nouveau manuel complet du serrurier ou traité complet et simplifié de cet art. Paris, Roret, 456 p.

Rebiere, J., P. Remy, I. Guillot & P. Benoit. 1995. « Les enclumes tas gallo-romaines. Le cas de Jouars-Pontchartrain », in : P. Benoit & P. Fluzin (éd.), Paléométallurgie du fer et cultures. Paris-Belfort, Aedeh-Vulcain : 501-508.

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Notes

1 Les Travailleurs de la mer ont connu une première édition en 1866 ; nous avons choisi de nous référer à l’édition devenue classique de l’Imprimerie nationale de 1911.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1
Légende Le fonctionnement d’une tuyère
URL http://nda.revues.org/docannexe/image/717/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 60k
Titre Fig. 2
Légende Fonctionnement du four de grappage
URL http://nda.revues.org/docannexe/image/717/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 84k
Titre Fig. 3
Légende Préparation du four pour le grappage d’une barre, Fontenay, mai 2008
URL http://nda.revues.org/docannexe/image/717/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 692k
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Pour citer cet article

Référence papier

Régis Aranda, Paul Benoit, Joséphine Rouillard et Anne-Cécile Turquety, « À la recherche d’une technique oubliée, le grappage », Les nouvelles de l'archéologie, 116 | 2009, 32-36.

Référence électronique

Régis Aranda, Paul Benoit, Joséphine Rouillard et Anne-Cécile Turquety, « À la recherche d’une technique oubliée, le grappage », Les nouvelles de l'archéologie [En ligne], 116 | 2009, mis en ligne le 30 juin 2012, consulté le 20 septembre 2017. URL : http://nda.revues.org/717 ; DOI : 10.4000/nda.717

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Auteurs

Régis Aranda

Umr5060 Archéomatériaux, Plélan-leGrand
regis.aranda@wanadoo.fr

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Paul Benoit

Umr8589, Laboratoire de médiévistique occidentale de Paris, Paris
paul.benoit@univ-paris1.fr

Joséphine Rouillard

Docteur en histoire médiévale, Joigny
josephine.rouillard@orange.fr

Anne-Cécile Turquety

Plélan-le-Grand
ac.turquety@wanadoo.fr

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Droits d’auteur

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