upright=1|thumb|Convertisseur Bessemer exposé au Kelham Island Museum à Sheffield en Angleterre.
Le procédé Bessemer est un procédé d'affinage de la fonte brute, aujourd’hui disparu, ayant servi à fabriquer de l'acier peu coûteux. Ce procédé porte le nom de son inventeur, Henry Bessemer, qui le brevette en 1855 et le perfectionne avec la Henry Bessemer and Company, société implantée à Sheffield, ville du Nord de l'Angleterre.
Le procédé consiste à oxyder avec de l'air les éléments chimiques indésirables (silicium, manganèse, mais surtout le carbone excédentaire) contenus dans la fonte pour en obtenir du fer ou de l'acier. L'originalité du procédé consiste à exploiter la chaleur dégagée par les réactions chimiques d'oxydation (surtout celle du silicium) pour maintenir la masse de métal en fusion. Après l'amélioration de Thomas (procédé Thomas ou « Bessemer basique » permettant d'éliminer aussi le phosphore), le convertisseur devient un des moteurs de la révolution industrielle.
Avec la mise au point, au début du , de la liquéfaction des gaz, l'utilisation d'oxygène pur devient économique. Le procédé Bessemer est alors abandonné dans le milieu des années 1960 : même si l'allure générale du convertisseur est conservée, les performances et la conduite des convertisseurs modernes à l'oxygène ont peu de rapport avec celui de Bessemer..
Genèse du procédé
Procédés primitifs d'affinage de la fonte par l'air
Le haut fourneau étant un bas fourneau dont la combustion est attisée par un puissant courant d'air, les forgerons ont toujours essayé de convertir la fonte liquide produite par le haut fourneau en un métal proche de l'acier présent dans la loupe extraite du bas fourneau. Les Chinois, premiers utilisateurs du haut fourneau, affinaient la fonte en la brassant à l'air pendant plusieurs jours pour brûler le carbone dissous. Ce procédé appelé chǎo (), ce qui signifie littéralement « saisir dans une poêle », a permis l'obtention de nombreux outils et armes en acier ou en fer.. Au , les missionnaires chrétiens jésuites contribuent à faire connaître ce procédé en Europe..
Avec l'invention du haut fourneau au coke et du puddlage, la production de fonte et sa transformation en fer sont entrées dans l'ère industrielle. Ces procédés partagent la caractéristique d'opérer sur un matériau à l'état pâteux (comme le puddlage), ou liquide mais sans brassage métallurgique. Il en est de même pour la production d'acier, obtenue par recarburationLa carburation est l'enrichissement en carbone d'une fonte ou d'un acier. La « recarburation » consiste à réenrichir un acier en carbone après une étape de décarburation. du fer puddlé. Il faut non seulement réchauffer le matériau à haute température, mais aussi le maintenir chaud pendant une longue durée. Les besoins en combustibles sont élevés, alors que la productivité reste faible.
En 1847, le maître de forges américain William Kelly commence une série d'expériences pour décarburer la fonte liquide par l'emploi de l'air seul. En 1851, il expose les principes de l'affinage de la fonte à l'air à quelques maîtres de forges et métallurgistes locaux. Cependant si le procédé est théoriquement capable de convertir la fonte en fer, il n'est pas breveté et rien ne permet de prouver que les expériences menées ont abouti à l'obtention d'un métal convenablement décarburé.
Invention du procédé par Bessemer
thumb|left|Henry Bessemer (1813-1898)
Henry Bessemer est un ingénieur et inventeur anglais fécond. Dans les débuts des années 1850, il cherche à fondre ensemble du fer et de l'acier pour obtenir un acier sans devoir marteler ou forger une masse de métal. Pour ne pas polluer le métal avec le soufre contenu dans le combustible, il doit employer un four à réverbère, dans lequel il dose de la fonte et du fer pour obtenir de l'acier. Pour atteindre les températures nécessairesLe liquidus d'une fonte à 6 % C est de l'ordre de , et passe à lorsqu'on approche la composition du fer pur., il provoque un courant d'air à la surface du bain de métal liquide afin d'améliorer la combustion des fumées..
Le métal obtenu est d'excellente qualité. Bessemer parvient sans difficultéLe père d'Henry Bessemer, Anthony Bessemer, est un Français ayant émigré en Angleterre pendant la Révolution française et est membre de l'Académie des sciences. Apprécié en France, son fils Henry s'est vu proposer deux fois la légion d'honneur, mais l'Angleterre y a apposé à chaque fois un veto. à convaincre l'empereur Napoléon III d'investir dans son procédé pour la fabrication d'acier à canon. Retournant à son laboratoire pour parfaire le procédé, il observe alors que, à la surface de la fonte liquide, se forment de fines plaques de fer décarburé. Ce fer, solide car sa température de fusion est supérieure à celle de la fonte, a été obtenu par la seule action de l'air . Il réoriente alors ses recherchesBessemer constatera par la suite que s'il avait persévéré dans le développement de son four à réverbère, il aurait peut-être inventé le four Siemens-Martin. Mais, bien que le brevet de Bessemer du 10 janvier 1855 ait été déposé 10 ans avant celui Martin, Bessemer n'intentera aucune contestation d'antériorité. pour mieux comprendre cette découverte.
Bessemer construit pour cette nouvelle étude un creuset de laboratoire avec une canne plongeant dans de la fonte grise en fusion pour y insuffler de l'air. Ce creuset est réchauffé par l'extérieur. Il obtient ainsi du fer liquide .
Or Bessemer, qui connaît la nature exothermique des réactions d'affinage, veut aller plus loin :
C'est alors qu'émergea la question de première importance : l'introduction d'air atmosphérique pourrait-elle produire suffisamment de chaleur interne pour maintenir le métal fluide jusqu'à ce qu'il soit complètement décarburé ? Cela, j'étais déterminé à l'essayer sans délai.
Il construit alors le premier convertisseur dans son laboratoire. Celui-ci consiste en un réservoir cylindrique, doté à sa base de 6 tuyères pour y insuffler l'air dans le métal en fusion. Il obtient du fer, bien que la violence de la réaction impose des précautions. En effet, au début du soufflage, la réaction est calme, le silicium s'oxydant pour former un laitier acide qui flotte sur le bain. Mais après que tout le : la combustion du carbone crée en effet un grand volume de monoxyde de carbone qui brasse violemment le bain.
La violence de la réaction est telle que pour Bessemer, ce premier convertisseur est . Il essaye un déflecteur constitué d'une plaque de fonte : celle-ci ne résiste pas à son premier essai. Il construit alors une chambre en réfractaire au-dessus du carnau pour collecter les particules incandescentes. Il ajoute sous le trou de coulée du convertisseur un réservoir tampon, servant à la fois de réceptacle de secours et de lieu de décantation si des morceaux de matériau réfractaire étaient mélangés au métal. Une fois plein, ce réservoir permet un remplissage contrôlé du moule situé sous lui..
L'annonce de Cheltenham
Le procédé inventé par Bessemer soulève beaucoup de scepticisme : il propose de souffler de l'air froid dans une masse de fonte en fusion, et estime qu'à la fin du soufflage, le métal obtenu sera plus chaud qu'au début ! Le premier essai est pourtant une réussite..
Malgré ce succès, Bessemer se méfie encore de sa découverte. Cherchant un avis impartial, il sollicite discrètement , président de la section mécanique de la British Association. Impressionné par l'essai que Bessemer réalise devant lui, celui-ci l'encourage à communiquer immédiatement sur son invention, sans attendre que les détails techniques soient mis au point. Rennie bouleverse l'ordre du jour du congrès de cette association renommée afin que le communiqué de Bessemer ait une publicité maximale. Le , à Cheltenham quelques heures avant de lire son papier, il surprend l'échange entre un sidérurgiste gallois, M. Budd, et son ami William Clay :
Le discours a un grand retentissement et est intégralement reproduit le lendemain dans The Times. Mais Bessemer a anticipé les performances de son procédé : il l'annonce comme capable de recycler des ferrailles et d'ôter le soufre du métal (ce qui lui permettrait de transformer la fonte au coke en un excellent fer affiné au charbon de bois). Il montre des échantillons démontrant la qualité du fer obtenu. Mais le procédé est loin d'être mature :
Je me suis permis d'apporter trop rapidement mon invention devant l'intérêt du public. Je n'aurais pas dû le faire avant que tous les détails du procédé n'aient été examinés, et j'en aurais alors fait un grand succès commercial (et non pas scientifique)..
En effet, les quelques maîtres de forge qui ont acheté le droit de fabriquer de l'acier Bessemer constatent vite que le fer obtenu est souvent inapte aux applications les plus exigeantes : son ami William ClayWilliam Clay, propriétaire de la Mersey Steel and Iron Co à Liverpool, a été un des pionniers de l'utilisation industrielle du procédé Bessemer. le qualifie même de .. Pour étouffer l’affaire et se donner le temps de déterminer l’origine de cette mauvaise qualité, Bessemer rachète immédiatement les droits de ses associés. Mais les constats d'échec se multiplient et l'affaire s'ébruite jusque dans la presse.. Recherchant soigneusement l'origine de la mauvaise qualité du fer obtenu avec certaines fontes, il constate que .
Le fer, lorsqu’il contient plus de de phosphore, devient en effet cassant.. Alors que le puddlage permet de déphosphorer la fonte, le procédé de Bessemer n’a aucune influence sur cet élément. Bessemer se résout à limiter son procédé à l'affinage de fontes suédoises au charbon de bois et de quelques fontes hématites anglaises, élaborées à partir de minerais sans phosphore.. Le procédé reste cependant rentable car ces fontes, achetées la tonne, donnent un acier valant 50 à la tonne..
La déception qui suit cette annonce ne sera pas oubliée : lorsque Bessemer exposera, quelques années après, les avantages du traitement au ferromanganèse, Thomas Brown, un métallurgiste dont l'enthousiasme pour le procédé Bessemer fut douché par la difficulté de mettre au point un revêtement réfractaire économique, affirma publiquement .
Mise au point de la cornue Bessemer
Le convertisseur fixe mis au point par Bessemer est efficace, mais présente d'évidents inconvénients pratiques. En effet, pour éviter le bouchage des tuyères, le soufflage doit être maintenu tant que du métal est dans le convertisseur. Or les durées de remplissage et de vidange pouvant fluctuer, il n'est pas possible de garantir la durée du soufflage, et donc la température du métal liquide car l'essentiel de la chaleur est dissipé par le vent soufflé. De plus, il n'y a pas de possibilité de stopper rapidement l'opération en cas de problème sur la soufflerie ou une tuyère..
L'idée d'un convertisseur rotatif s'impose donc rapidement. Quant à sa forme caractéristique de cornue, elle est dictée par le procédé : les formes concaves permettent un bon maintien du revêtement réfractaire : un réacteur chimique ovoïde est un compromis entre le cylindre des convertisseurs fixes et la sphère ; le bec pointé de manière oblique permet de diriger les projections loin de la zone de travail. Il impose un remplissage en position inclinée ; un basculement permet l'examen des tuyères.. Le fond du convertisseur est accessible, ce qui permet d'adopter un fond rapidement remplaçable en cas de problème.
thumb|upright=1.5|Plan de l'usine Bessemer de Sheffield.
Puis Bessemer met au point l'installation de coulée, allant jusque dans les moindres détails : une poche permet de gérer le remplissage des lingotières. Une quenouille permet d'obstruer son trou de vidange ; une soufflerie silencieuse ; une potence hydraulique pour manutentionner les poches, et une autre, manuelle, pour la gestion des lingots. Robustes mais ne permettant pas de desservir une grande surface, ces mécanismes seront souvent abandonnés au profit de ponts roulants ;