vignette|upright=1.6|Convertisseurs de l'Inspiration Consolidated Copper Company en 1972. Le deuxième convertisseur est de type vertical, la flamme verte qui en sort est caractéristique de la combustion du sulfure de fer(II) (FeS).|alt=photo d'un alignement de convertisseurs
Le procédé Manhès-David est un procédé d'affinage des mattes de cuivre inventé en 1880 par l'industriel français Pierre Manhès et son ingénieur Paul David. Inspiré du procédé Bessemer, il consiste en l'utilisation d'un convertisseur pour oxyder avec de l'air les éléments chimiques indésirables (essentiellement le fer et le soufre) contenus dans la matte afin de la transformer en cuivre.
La quantité des éléments à oxyder, ainsi que la faible chaleur produite par les réactions chimiques, ont imposé des modifications du convertisseur. Manhès et David lui donnent la forme d'un cylindre, avec des tuyères alignées d'un bout à l'autre. Quelques années plus tard, les Américains William H. Peirce et Elias A. C. Smith le maçonnent avec un revêtement réfractaire basique, beaucoup plus durable que celui utilisé par les inventeurs français. Si cette amélioration ne modifie pas les principes du procédé, elle facilite son utilisation à grande échelle, accélérant le basculement de la production de cuivre du Royaume-Uni vers les États-Unis.
Au début du , le convertisseur Peirce-Smith assure l'affinage de 90 % des mattes cuivreuses et intervient dans 60 % du nickel extrait. Ce convertisseur, comme l'addition d'oxygène pur, l'automatisation de la conduite, le traitement des fumées et la taille croissante des outils ont assuré la pérennité du procédé Manhès-David, même si les outils modernes n'ont plus guère de rapport avec leurs ancêtres.
Genèse du procédé
Filiation avec le procédé Bessemer
Tout comme le fer produit par un haut fourneau en sort allié à d'autres éléments chimiques pour former la fonte, le cuivre extrait du minerai se présente sous la forme d'un alliage de cuivre, de soufre, de fer appelé matte. Appliquer les mêmes procédés à ces deux métaux est donc une démarche logique. Transposer le procédé Bessemer à la métallurgie du cuivre a été ainsi proposé, et le principe validé en 1866, soit dix ans après l'invention de Henry Bessemer, par l'ingénieur russe Semenikow. Pourtant, l'application pratique est plus complexe :
Les analogies entre ces deux fabrications sont en effet très grandes. De même qu'au haut fourneau, le minerai est réduit à l'état de fonte, combinaison de fer et de carbone, de même le minerai de cuivre est transformé […] en un composé sulfuré, formé de cuivre, de fer et de soufre. Dans ces deux opérations, on sépare les métaux des gangues, et l'on obtient des produits principaux analogues ; d'un côté, c'est un carbure et un siliçure de fer et de manganèse ; de l'autre, un sulfure de fer et de cuivre.
Par la simple action du vent, on élimine pendant l'opération Bessemer le silicium, le manganèse et le carbone ; de la même manière, on enlève à la matte son soufre et son fer, qui sont tous deux plus oxydables que le cuivre. Mais les difficultés rencontrées dans le traitement des mattes sont bien plus grandes que celles du traitement de la fonte, où les éléments à oxyder ne dépassent pas 9 à 10 % du poids du métal ; [dans] la matte, au contraire, […] il faut enlever par oxydation 80 % des matières traitées. Les éléments étrangers de la fonte, silicium et carbone, développent en brûlant une quantité considérable de chaleur[…]. Le soufre et le fer, au contraire, ne produisent qu'une [fraction de cette chaleur]…
En effet, les mesures montrent que l'affinage de la fonte au convertisseur est possible car la combustion des éléments indésirables est fortement exothermique : l'oxydation du silicium et du carbone y produit respectivement par kilogramme. À l'inverse, si une matte de cuivre contient en abondance du fer et du soufre, il faut d'abord dissocier ces éléments, ce qui consomme par kilogramme de FeS, avant que leur oxydation, qui ne produit respectivement que , puisse commencer.
Premiers essais
Les premiers affinages de matte cuivreuse par un convertisseur sont réalisés à Ducktown, dans le Tennessee, où A. Raht réalise de 1866 à 1875 un affinage partiel de la matte. En 1867, les Russes Jossa et Latelin essaient de valider expérimentalement les études de Semenikow. En 1870, ils stoppent leurs expériences après n’avoir parvenu qu'à élever la teneur en cuivre de leur matte de 31 % à 72-80 %.
En Angleterre, John Hollway approfondit ces essais jusqu'en 1878. Comme ses prédécesseurs, il constate que si le soufflage commence de manière satisfaisante, celui-ci devient de plus en plus intermittent au fur et à mesure de l'avancement de l'affinage. Les obstacles relevés sont nombreux : le poids des scories produites est égal à celui du cuivre, leur volume beaucoup plus important que celui du métal enfourné. Il faut donc vidanger régulièrement la cornue ; la densité du métal en fusion évolue fortement (le cuivre ayant une densité triple des pyrites dont il est issu) ; la durée du soufflage, qui atteint 2 heures, amène d'importantes pertes thermiques ; le revêtement réfractaire siliceux est absorbé par les scories, dans lequel il sert de fondant.
Toutes les difficultés rencontrées ne peuvent être facilement résolues : le bilan thermique de la réaction d'affinage à l'air du cuivre n'est pas aussi favorable que pour le fer, la matte se solidifie au nez des tuyères avant d'être affinée. Même modifié, un convertisseur Bessemer n'est capable, au mieux, que d'ôter le fer et une partie du soufre. Hollway échoue, mais en publiant tous les détails de ses expériences, il identifie les problèmes essentiels.
Les tuyères latérales
Dans les années 1870, l'industriel français Pierre Manhès commence des essais avec un petit convertisseur Bessemer ordinaire de , dans son usine de Vedène, puis aux usines d'Éguilles, près d'Avignon. Il cherche à affiner une matte à 25 à 30 % de cuivre préalablement fondue dans un creuset. Mais comme Hollway, il ne parvient pas à affiner complètement la matte. L'oxydation des éléments indésirables se produit comme prévu, mais l'opération est vite perturbée par l'apparition du cuivre métallique. En effet, la matte, qui est un composé ionique, est immiscible avec les scories, mais aussi avec le métal en fusion. Ce dernier, plus dense (), descend au fond du convertisseur et colmate les tuyères :
Au début de l’opération, le bain conservait sa fluidité, grâce au dégagement de chaleur produit par l’oxydation du fer et du soufre. Mais quand une quantité notable de cuivre était épurée, ce métal plus dense, se rassemblait au fond, et ne tardait pas à se figer en obstruant les tuyères, pendant qu’à la surface la réaction devenait tumultueuse, en amenant des projections de scories. On était, par suite, obligé de couler avant l'épuration complète, sous peine de voir le bain se prendre en masse.
Pierre Manhès brevète alors l'utilisation d'additifs dont l'oxydation dégagerait suffisamment de chaleur pour éviter tout figeage. Finalement c'est le Français Paul David, alors ingénieur dans cette usine, qui, en 1880, suggère la solution. Il propose des tuyères horizontales, placées à une distance suffisante du fond du convertisseur, de telle sorte que le cuivre puisse se réunir au-dessous d'elles et que le vent souffle constamment dans la matte. En 1881, leur convertisseur est à la fois techniquement opérationnel et rentable.
Pendant l'automne 1884, le procédé est adopté aux États-Unis, par la Parrot Silver and Copper Company, à Butte. En 1885, A. J. Schumacher parvient à y réaliser un affinage complet dans une même cornue. Sa méthode est ensuite perfectionnée par C. O. Parsons et F. Klepetco à Great Falls dans le Montana. Enfin, Franklin Farrel, toujours aux Parrot Works, systématise le débouchage des tuyères par ringardage. La forme de la cornue y est perfectionnée et devient le standard jusqu'à ce que le convertisseur cylindrique la supplante.
La forme cylindrique
Vers 1883-1884, au moment de l'adoption du procédé aux États-Unis, les deux inventeurs français étudient une évolution de la forme du convertisseur, qui devient un cylindre d'axe horizontal. L'alignement des tuyères sur une génératrice du cylindre fait qu'elles se situent toutes à la même immersion. La forme permet aussi de limiter la hauteur du bain, ce qui simplifie la conduite du procédé car la pression nécessaire pour souffler l'air est plus faible, et la couche de cuivre qui stagne au fond est moins épaisse. De plus, il est facile de corriger la profondeur d'immersion des tuyères en pivotant plus ou moins le convertisseur. Il est aussi possible de couler la matte par une ouverture située à une extrémité, près de l'axe de rotation, et de vidanger les scories par une autre ouverture latérale, diamétralement opposée aux tuyèresDans la sidérurgie, on sépare l'acier des scories (appelées laitier) à la fin du soufflage : cela se fait aisément par un trou de coulée latéral qu'un basculement de la cornue, en fin de soufflage, amène sous le bain. L'acier s'y écoule d'abord, puis les scories qui surnagent sur le métal. Au contraire, dans l'affinage du cuivre, il faut vidanger régulièrement les scories avant le métal : un trou de coulée situé en partie haute du bain est donc préférable..
Le convertisseur cylindrique se généralise progressivement, sans toutefois faire disparaître rapidement les convertisseurs verticaux en forme de cornue. Les deux types de convertisseurs deviennent de plus en plus gros, passant d'une capacité de à en 1912, voire pour les convertisseurs cylindriques en 1920.
L'amélioration de Peirce et Smith
Les scories s'enrichissant en oxyde de fer pendant le soufflage, elles deviennent basiques et se combinent alors avec le revêtement réfractaire siliceux, qui est très acide. Un revêtement basique ne serait pas attaqué et diminuerait donc le coût de production. L'adoption d'un revêtement inspiré de celui mis au point par Sidney Thomas et Percy Gilchrist en 1877 est suggérée par Hollway lors de ses derniers essais au début des années 1800. Mais l'idée n'est pas testée, des problèmes fondamentaux liés au soufflage étant alors plus prioritaires que l'optimisation du réfractaire.
En 1890, un revêtement réfractaire basique est essayé sur un des convertisseurs Manhès-David de Parrot Smelter, à Butte, sous la direction de Herman A. Keller. Les essais ne débouchent pas sur un revêtement compatible avec une marche industrielle. Puis Ralph Baggaley, toujours dans le Montana, parvient, après de nombreux essais, à industrialiser en 1906 un revêtement basique à la Pittsmont Smelter… qui est abandonné en 1908 lorsqu'il quitte l'usine. Pour autant, le Norvégien Knudsen réussit dès 1903 à utiliser un revêtement basique à la Sulitjelma gruber : il y réalise deux soufflages successifs, d'abord dans un petit convertisseur au revêtement basique, puis dans un deuxième convertisseur classique, au revêtement acide.
Enfin, en 1909, à la Baltimore Copper Company's Smelter, les Américains William H. Peirce et Elias A. C. Smith parviennent à traiter les principaux inconvénients des réfractaires basiques. Ceux-ci sont en effet plus fragiles, et surtout se dilatent et dissipent plus la chaleur que les réfractaires acides. En mettant au point un maçonnage adapté au convertisseur cylindrique et en augmentant la quantité de métal enfournée, ils résolvent les derniers problèmesL'évolution du procédé calque l'évolution de la métallurgie du fer : le convertisseur Thomas, inventé en 1877, est également un convertisseur Bessemer doté d'un revêtement réfractaire basique. Mais, alors que les réactions chimiques dans le convertisseur Thomas diffèrent sensiblement de celles obtenues dans un convertisseur Bessemer, il n'existe pas de différences notables entre la chimie d'un convertisseur Manhès-Davis et celle d'un Peirce-Smith : tous deux opèrent en milieu acide..