Le puddlage est un ancien procédé d'affinage de la fonte, consistant à la décarburer dans un four à réverbère à l'aide de scories oxydantes pour obtenir du fer puddlé. La faible teneur en carbone de ce fer puddlé contribue à sa ductilité et à l'amélioration de ses propriétés mécaniques, au point que le rapporteur de l'exposition universelle de 1867 le nomme acier puddléGustave Goldenberg (1805-1871), Acier, exposition universelle de 1867 à Paris, rapports du jury international publiés sous la direction de Michel Chevalier, Imprimerie et Librairie administratives de Paul Dupont, Paris, 1867, 172 pages. En particulier, § 1 Division des aciers p. 6-7 et § 3 Comparaison des divers aciers connus, p. 13-21. Par exemple, les aciers puddlés du pays de Nassau servent à fabriquer l'acier fondu de l'entreprise Friedrich Krupp.. Ce matériau de qualité assez homogène ou régulière, avec sa matrice de fer isotrope, mais de structure hétérogène pour un forgeron qui étire facilement par forgeage les inclusions d'oxydes de fer ou laitiers en fibres orientées, est notamment moins fragile que la fonte, et résiste bien aux chocs, tout en restant sensible à la corrosionSur les fers puddlés en taillanderie et coutellerie, site LET en lien externe. Les fibres présentent une rupture plus facile par sollicitation perpendiculaire.. Ces propriétés ont fait du fer puddlé un matériau de choix durant la révolution industrielle avant l'essor des aciers.
Le puddlage supplante les procédés antérieurs au charbon de bois car, en ne consommant que de la houille, il permet la fabrication de fer en grande quantité. Le fer puddlé produit par la Société des Aciéries de Pompey a permis des architectures de dentelles de fer à Paris, des arches de la gare de l'Est à la tour Eiffel. Après avoir été largement employé tout au long du , le fer puddlé s'efface progressivement devant l'essor de l'acier, plus performant et plus compétitif dès que les convertisseurs sont mis au point.
Origine anglaise du terme puddlage et de l'adjectif puddlé Le mot puddlage, faisant en 1842 son entrée au dictionnaire de l'Académie française, vient du verbe anglais aujourd’hui peu usité mais polysémique : le verbe intransitif signifie "patauger, barboter par exemple dans la boue, faire du gâchis", alors que le verbe transitif a pris une acception technique précoce, "corroyer, malaxer l'argile" ou en métallurgie puddler, brasser, corroyer le ferDictionnaire anglais français, Harrap's Shorter, Bordas, 1967.. Le verbe français puddler, attesté en 1834 dans les Annales des mines, est un emprunt direct du verbe anglais techniqueNouveau dictionnaire étymologique et historique d'Albert Dauzat, Jean Dubois et Henri Mitterand et associés, Larousse, Paris, première édition 1964, édition 1979, 805 pages, entrée "puddler", p. 614. Curieusement, Albert Dauzat attribue le sens d'humecter à ce verbe anglais.. Le mot et le métier de puddleur n'apparaîtraient en français écrit qu'en 1859 grâce au supplément du dictionnaire complet des langues française et allemande de l'abbé Mozin complété par Adolphe PeschierAlbert Dauzat ibidem. L'œuvre de Dominique-Joseph Mozin (1771-1840) est poursuivie pour ce dictionnaire par le suisse genevois Adolphe Peschier (1805-1878)..
Le mot anglais puddle, également polysémique, au sens de flaque d'eau ou d'huile, de petite mare ou encore de corroi ou de glaise explique l'interprétation technique, en partie inappropriée, souvent retenue « brasser dans une flaque ».
La méthode est mise au point par le maître de forge Henry Cort en 1784, puis significativement améliorée par Samuel Baldwin Rogers et Joseph Hall au . La fonte est chauffée à très haute température dans un four à réverbère. Le puddleur, l'ouvrier chargé de l'opération, active la réaction en brassant cette fonte à l'aide d'un long crochet appelé « ringard ». Une fois suffisamment affinée, la loupe est extraite du four, pour être cinglée par martelage, puis est forgée ou laminée en barres.
Genèse du procédé
En 1709, Abraham Darby, en mettant au point le haut fourneau à coke, affranchit la production de la fonte de la faible disponibilité du charbon de bois. Cependant, la transformation de la fonte en acier, ou en fer, ne sait pas encore se passer du charbon de bois, un combustible très pauvre en dérivés du soufre, un élément particulièrement nuisible pour les aciers. En 1895, le métallurgiste allemand Adolf Ledebur résume ainsi le problème :
Le puddlage sec
Le four à réverbère est connu dans la métallurgie des métaux les plus fusibles. L'idée d'étendre son principe à l'affinage de la fonte apparaît pour la première fois dans le brevet que Peter Onions dépose le . Mais la mise au point du procédé, qu'il mène aux Dowlais and Cyfarthfa Ironworks, échoue et, le , William Reynolds, le directeur de l'usine, lui ordonne d'abandonner les essais.
Le , l'Anglais Henry Cort dépose le brevet d'un four à réverbère légèrement différent. La sole sur laquelle est réalisé le travail est un tas - soigneusement constitué - de matières réfractaires quartzeuses et de sable. La combustion du carbone présent dans la fonte, qui se fait par un courant d'air, est lente et doit être activée par des manipulations de la masse métallique. Malgré cela, la durée de la réaction entraîne une forte consommation de charbon ainsi qu'une oxydation importante du fer. Ce procédé montre d'autres limites : constituée essentiellement de silice, la sole ne réagit pas avec le silicium de la fonte. Or ce silicium doit être oxydé pour obtenir un fer malléable à chaud. Seules les fontes pauvres en silicium, les fontes blanches, sont adaptées à ce procédé ; l'oxydation du métal amène à une consommation de plus de deux tonnes de fonte blanche pour produire une tonne de fer ; l'oxyde ferreux (FeO) produit au cours de l'oxydation de la fonte se mélange avec le sable de la sole. Cet oxyde ayant une température de fusion de , la sole devient pâteuse et se dégrade rapidement.
Le procédé de Cort, qui ne se développe véritablement qu'entre 1825 et 1830, est nommé « puddlage sec » car la fonte blanche est peu visqueuse à chaud, et la sole, peu fusible, produit peu de laitier. Il permet l'obtention de fer en quantité mais sans réduire significativement les coûts : son avantage se limite donc au combustible. Celui-ci peut être du charbon de mauvaise qualité, voire de la tourbe, du lignite ou du bois.
Le puddlage gras Tel que mis au point par Cort, le puddlage sec n'est adopté que par .
En 1818, Samuel Baldwin Rogers invente la sole supportée par une plaque de fonte refroidie à l'eau (d'autres adopteront ultérieurement la sole refroidie à l'air). S'il est . En effet, si la voute réfractaire ne dure que six mois, une sole en fonte peut servir près de trois ansTome 4, . Cette amélioration reste cependant trop marginale pour que Rogers en tire profit.
Vers 1830, après quelques expérimentations, Joseph Hall reprend la sole refroidie mais la couvre d'un garnissage réfractaire oxydant à base d'oxydes de fer (). Il systématise cette innovation dans l'usine qu'il vient de fonder à Tipton. En effet, l'espèce oxydante (Fe-III et Fe-II, ou Fe et Fe) nécessaire à l'oxydation du carbone de la fonte en monoxyde de carbone (CO) vient de ce garnissage en contact avec le métal fondu encore relativement visqueux, au lieu d'être l'oxygène provenant du courant d'air circulant à la surface du bain : le processus est plus rapide et la production d'un four triple par rapport à l'ancien procédé. Le garnissage de Hall, appelé bull dog, est essentiellement composé d'oxydes de fer issus de puddlages précédents et grillés. La rapidité de la réaction permet de réduire significativement la consommation de combustible et les pertes de fer par oxydation.
Principaux constituants de quelques garnissages de fours (en % du poids, Σ ≤ 100 %) Nom du garnissage FeO SiO2 CaO MgO Résidus insolubles et eau Bull dog (laitier et battitures grillés) 4 64 16 11 1 Minerai violet (pyrites transformées en hématite par grillage) 95 1 2 Terre de poterie (blackband manganésifère du North Staffordshire) 47 2,54 3 31 1 1 14
Ces améliorations sont fondamentales. Le procédé amélioré et breveté par Hall en 1839, appelé « puddlage gras » ou « bouillant », par opposition à la méthode primitive de Cort, se répand rapidement :
Avec une composition d'oxydes adaptée, le procédé est en outre assez efficace en déphosphoration et permet d'utiliser des minerais de fer phosphoreux, courants en Europe. Mais il ne parvient pas à transformer économiquement les fontes très chargées en soufre et en phosphore, en un fer convenableTome 4, . Chaque maître de forges s'emploie à perfectionner, empiriquement et avec plus ou moins de bonheur, le réactif mis sur la sole.
Le procédé
Décarburation de la fonte en phase liquide
La décarburation de la fonte en phase liquide nécessite l'oxydation du carbone excédentaire contenu dans la fonte sous forme de carbure de fer (cémentite) ou de carbone dissous. L'oxydation d'une partie du carbone de la fonte en gaz monoxyde de carbone de formule chimique CO (et éventuellement, mais dans une moindre mesure, en selon l'équilibre de Boudouard réalisé toutefois lentement en quelques heures) se réalise selon deux principaux mécanismes chimiques distincts à deux endroits particuliers du four, avec différents agents oxydants (accepteurs d'électrons : , Fe2+ et Fe3+)D'un point de vue thermochimique, cette opération est un cas particulier des diagrammes de Georges Chaudron. Robert Perrin, Jean-Pierre Scharff, Chimie industrielle, Masson, Paris, 1993, tome 1, 607 pages sans les XXII pages de Sommaire et l'introduction, la bibliographie et index bibliographique finaux, 978-2-225-84037-7. en particulier, § II 5 La métallurgie chimique, en particulier § 3.1.2.1 Réduction par le carbone et par le monoxyde de carbone p. 148-151.:
– En haut du four, par réaction avec l'oxygène de l'air circulant à la surface du bain de fonte liquide (puddlage sec et puddlage gras) :
2 C + (gaz) → 2 CO(gaz)
2 CO(gaz) + (gaz) → 2 (gaz)
– En bas du four, par réaction privilégiée du carbone dissout dans la fonte avec une couche de scories broyées, ou de minerais grillés, riches en oxyde de fer(II) (FeO) et en oxyde de fer(III) () dont le lit recouvre et protège la sole du four (réaction surtout favorisée par le puddlage gras) :
C + FeO(solide) → CO(gaz) + Fe(liquide)
CO(gaz) + (solide) → (gaz) + 2 FeO(solide)
CO(gaz) + FeO(solide) → (gaz) + Fe(liquide)
La durée accrue du puddlage sec provoque également l'oxydation par l'oxygène de l'air d'une partie importante du fer (~ 50 %) présent dans la fonte :
2 Fe + O2 → 2 FeO
Au départ de deux tonnes de fonte blanche, une tonne de fonte est ainsi sacrifiée (oxydation en FeO) pour obtenir seulement une tonne de fer métal. Cette quantité importante de FeO produite en cours d'opération de puddlage participe elle aussi à son tour à l'oxydation du carbone de la fonte, tant pour le puddlage sec que pour le puddlage gras. L'ajout volontaire, dès le départ, d'oxydes de fer sur le lit de la sole du four dans le cas du puddlage gras augmente significativement la contribution de la réaction d'oxydation du carbone par FeO et marqua un progrès important pour le procédéM.L. Grüner, Traité de métallurgie, Première partie, Métallurgie générale, opus cité, Tome second, Procédés métallurgiques, § 390, p. 150 (rôle déterminant de l'ajout de scories avec oxydes de fer) § 402 p. 165-169. Le puddlage initialement sous fond de sable a évolué avec des soles en fonte, recouvertes de scories basiques pilées, et même des parois recouvertes de revêtements basiques. Lire encore sur les variantes du puddlage § 404 puddlage sec (ordinaire ou froid) p. 170-172 § 405 puddlage gras (chaud ou bouillant) p. 172-175..