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Coke métallurgique

Transition britannique au coke

L’adoption du coke métallurgique pour la fusion du fer a certainement été l’une des plus grandes innovations techniques de l’ère moderne, car elle a coupé la dépendance au bois, ouvert la voie à une croissance énorme des capacités des fours et à la multiplication des rendements annuels, et libéré les sites de fusion de la proximité de cours d’eau capables d’alimenter les soufflets des fours. Il y avait plusieurs raisons pour lesquelles le remplacement du charbon de bois par du coke dans les fours anglais et gallois était une affaire assez longue. Au départ, c’était l’accès facile des Britanniques à des importations abordables de fer de la Baltique (bien que la fusion russe se fasse en grande partie dans l’Oural, les expéditions transitent par Sankt Peterburg), et les premières utilisations commerciales du combustible indiquaient que la fusion à base de coke n’était pas financièrement attrayante (Harris, 1988; Hyde, 1977).

Le coke a été utilisé pour la première fois en Angleterre au début des années 1640 pour le séchage du malt (une tâche qui ne pouvait pas être accomplie avec le charbon car sa combustion produisait de nombreuses émissions de particules et de soufre), et des tentatives infructueuses de son utilisation (ainsi que du charbon et de la tourbe) dans la fusion des métaux ont eu lieu pendant la seconde moitié du XVIIe siècle, mais ce n’est qu’en 1709 qu’Abraham Darby (1678-1717) est devenu le seul pionnier de la fusion du minerai de fer avec du coke. Hyde (1977) a fourni une explication convaincante pour laquelle les maîtres du fer anglais de la première moitié du XVIIIe siècle n’ont pas suivi l’exemple de Darby (ses deux fours à Coalbrookdale utilisaient exclusivement du coke après 1720, et un à Wiley n’utilisait que du coke depuis 1733) avant le début des années 1750.

Bien que quelque 25 fours alimentés au charbon de bois aient été fermés entre 1720 et 1755, la production totale de fer fondu au charbon de bois est passée de près de 19 000 à presque 25 000 t pendant les 35 années intermédiaires. La raison n’était ni un secret entourant l’innovation de Darby ni une qualité inférieure du fer fondu au coke, mais des coûts d’exploitation nettement plus élevés des fours alimentés au coke et aucune différence de coût majeure dans le coût en capital des nouveaux fours. Hyde (1977) a calculé que les coûts d’exploitation des deux procédés étaient peut-être devenus égaux à la fin des années 1730, mais en raison de la grande quantité de coke consommée, les coûts globaux étaient en faveur des fours à charbon de bois jusqu’au début des années 1750.

Darby et ses successeurs ont réussi à rentabiliser la fusion à base de coke « malgré les coûts plus élevés du nouveau procédé, car ils ont reçu des revenus plus élevés que la moyenne d’un nouveau sous-produit de la fonte brute de coke – des pièces moulées à parois minces” (Hyde, 1977, 40). Cette technique, brevetée en 1707 avant que Darby ne commence sa fonte au coke, bénéficiait d’une fluidité plus élevée du fer fondu au coke riche en Si qui pouvait être utilisé pour produire des pots beaucoup plus minces (avec deux fois moins de masse que ceux du fer fondu au charbon de bois) avec moins de défauts. De plus, Hyde (1977) a également conclu que la fabrication de barres de fer à partir de fonte de coke coûtait plus cher que celle à partir de fonte de charbon de bois, car le métal liquide contenait plus de silicium.

King (2011) a revisité les explications de Hyde (1977) et son examen détaillé des dossiers commerciaux de Coalbrookdale (existant dans quatre livres de comptes) et a confirmé la conclusion concernant les coûts de la fonte brute fondue avec du coke, mais a constaté que le même argument ne s’appliquait pas à la production de fer à barres. Les livres de comptes montrent une consommation énorme de coke dans les fours de Coalbrookdale au cours des années 1720 et son déclin progressif au cours des années 1730. Mais les comptes, et les comparaisons avec d’autres forges, montrent que la mauvaise performance de l’entreprise Coalbrookdale n’était pas due à des problèmes inhérents à la fonte de fonte au coke, mais plutôt à un fait démontrable qu’il s’agissait d’une petite entreprise gérée de manière inefficace.

Le retard dans l’adoption généralisée du coke était donc en grande partie une question de prix du fer à barres: « Quelles que soient les difficultés techniques rencontrées dans l’utilisation de la fonte au coke dans les forges au début des années 1720, celles-ci ont manifestement été surmontées à la fin de cette décennie, mais l’état déprimé du commerce du fer a découragé l’introduction sur le marché de la fonte au coke, jusqu’à ce que l’industrie bénéficie d’une reprise économique dans les années 1750. Cette reprise peut en partie être attribuée à la limitation suédoise de leur production de fer, qui a commencé quelques années plus tôt” (King, 2011, 154). Les producteurs anglais ont réagi presque immédiatement en construisant de nouveaux fours à coke après le milieu des années 1750. Près de 30 fours à coke ont été construits entre 1750 et 1770, et leur part de la production de fonte brute est passée de seulement 10% à 46% (King, 2005).

Ce fut un changement d’époque, de la dépendance à une ressource renouvelable mais déjà en pénurie dans de nombreuses régions et dont l’exploitation réaliste maximale ne pouvait pas soutenir l’expansion future de la production de fer à la dépendance à un combustible non renouvelable qui pourrait être produit à peu de frais à partir de gisements de charbon abondants et dont la production pourrait être augmentée pour répondre à toute expansion prévisible de l’industrie du fer. Et la substitution a supprimé la pression sur les forêts continentales: Madureira (2012) a calculé qu’en 1820, 52% de la superficie boisée de la Belgique était utilisée pour produire du charbon de bois métallurgique, et que même dans la France et la Suède beaucoup plus grandes et beaucoup plus boisées, les parts étaient d’environ 15% en 1840.

L’impossibilité de dépendre à long terme du charbon de bois est facilement illustrée par des calculs pertinents pour les États-Unis exceptionnellement riches en bois. Les statistiques nationales sur la production de fer aux États-Unis ont commencé en 1810 lorsque la fusion de 49 000 t de fonte brute a consommé (en supposant un taux moyen de 5 kg de charbon de bois ou au moins 20 kg de bois par kg de métal chaud) environ 1 Mt de bois. Même si tout ce bois proviendrait de forêts naturelles de feuillus anciens stockant environ 250 t/ha (Brown, Schroder, &Birdsey, 1997), et même si toutes les phytomasses hors sol étaient utilisées dans le charbon de bois, une superficie de près de 4000 km2 (un carré de près de 63 km de côté) devrait être défrichée chaque année pour maintenir ce niveau de production. Les riches forêts américaines pouvaient supporter un taux encore plus élevé et en 1840, tout le fer américain était encore fondu avec du charbon de bois, mais après un passage rapide au coke, près de 90% de la production de fer a été alimentée en 1880 et les augmentations futures de la production de fer ne pouvaient pas être basées sur le charbon de bois, en 1910 — avec une production de fer à 25 Mt et même avec des charges très réduites de 1,2 kg de charbon de bois et 5 kg de bois par kg de métal chaud — le pays aurait eu besoin de 125 Mt de bois par an.

Cette seule exigence (en laissant de côté tout besoin de charbon de bois pour un traitement ultérieur des métaux) aurait nécessité (même avec un accroissement moyen élevé de 7 t/ ha dans les forêts naturelles) une récolte annuelle de bois sur près de 180 000 km2 de forêt (Smil, 1994). Cette superficie serait égale au Missouri ou à l’Oklahoma (ou un tiers de la France), et si c’était une place, son côté irait de Philadelphie à Boston, ou de Paris à Francfort. De toute évidence, même l’Amérique riche en forêts ne pouvait pas le faire. De plus, sa supériorité en tant que combustible métallurgique ne pouvait faire aucun doute. Le coke est produit en chauffant des types appropriés de charbons bitumineux (ils doivent avoir une faible teneur en cendres et en soufre) en l’absence d’oxygène: cette pyrolyse (distillation destructive) élimine pratiquement toutes les matières volatiles et laisse derrière elle du carbone presque pur avec une faible densité apparente de seulement 0,8–1 g / cm3 mais avec une valeur de chauffage plus élevée à 31-32 MJ / kg, environ deux fois plus dense en énergie que le bois séché à l’air mais légèrement plus dense en énergie que le meilleur charbon de bois.

Comme pour la plupart des progrès techniques, l’efficacité des premières méthodes de production de coke était très médiocre. Pendant plus d’un siècle, la méthode standard de fabrication du coke était les fours à ruches fermés (Sexton, 1897; Washlaski, 2008). Ces structures hémisphériques (les ruches américaines avaient un diamètre d’environ 3,8 m) étaient généralement construites en bancs (appelées batteries, certaines batteries américaines ayant finalement 200 à 300 ruches), souvent à flanc de colline (ce qui facilite leur couverture avec de la terre), et toujours avec de solides murs de soutènement frontaux. Après 4 ou 5 jours de préchauffage (d’abord avec du bois, puis avec du charbon), le combustible de démarrage a été retiré, les portes avant ont été maçonnées jusqu’aux deux tiers de leur hauteur et les fours ont été chargés de charbon. La charge moyenne pour un four standard était de 5 à 5,5 t, le charbon chargé était nivelé avec une barre de fer, les portes étaient maçonnées et scellées avec de l’argile, et pendant les 2 à 3 jours suivants (les périodes de combustion variaient entre 40 et 75 h) les fours à ruche à combustion lente éclairaient le ciel nocturne d’une lueur orange-rougeâtre et émettaient des gaz chauds à travers leurs sommets ouverts (têtes de goulottes).

Une fois que le coke terminé par combustion contrôlée a été terminé par trempe à l’eau, les portes ont été brisées et le combustible a été retiré des ruches pour être transporté vers les hauts fourneaux. La cokéfaction précoce des ruches consommait jusqu’à 2 t de charbon par tonne de coke; plus tard, le rendement est passé à 60% et finalement à environ 70%. La capacité du coke à supporter des charges plus lourdes de minerai et de calcaire a permis de construire des hauts fourneaux plus hauts avec des capacités plus importantes et des rendements plus élevés, ce qui a augmenté la demande de coke. Certains de ces premiers fours à coke utilisaient les machines à vapeur inefficaces de Newcomen, et après 1776, la diffusion de la fusion à base de coke a été grandement facilitée par l’adoption des machines à vapeur de Watt comme moteurs de soufflets plus puissants: ils ont été utilisés de cette manière en 1782 et en 1790, l’Angleterre et le Pays de Galles avaient 83 fours alimentés au coke en fonctionnement et 71 avaient des soufflets alimentés à la vapeur (Hyde, 1977). Mais les fours à charbon de bois n’ont pas disparu: en 1810, ils fondaient encore un tiers du fer anglais et gallois.

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