Les fontes synthétiques par Keller

Charles Albertt KELLER, Photo Gilles REY.

LES FONTES SYNTHÉTIQUES PAR CHARLES-ALBERT KELLER
Contexte : « Durant la guerre 1914-18, les houillères et les sites du nord de la France sont occupés.
Les industries se replient vers le sud du pays, elles ont besoin d’énergie, c’est alors que la production hydroélectrique tourne à plein régime pour la Défense Nationale, se substituant ainsi efficacement aux énergies fossiles.
Avant la Première Guerre mondiale, Charles-Albert met au point un four électrique pour produire de la fonte « synthétique » à partir de tournures d’acier recyclées.
Ce procédé connaît un succès considérable pendant la guerre, car il permet la production d’obus dans les usines de Livet sans apport de charbon, grâce à l’hydroélectricité. »
« Chambon dans l’ombre d’un géant, édition Freneytique, 2018 ».

Après la guerre, C.-A. Keller explique les avantages de son procédé de fontes synthétiques dans un article de 11 pages, publié en octobre 1919 dans la revue « La Science et la Vie ».

Archive :
Ce document photocopié, découvert dans le dossier du Barrage du Chambon, contenait beaucoup de photos malheureusement inutilisables pour illustrer cet article. 

LES FONTES SYNTHÉTIQUES
Par Ch.-Albert KELLER
ADMINISTRATEUR DE LA CHAMBRE SYNDICALE DES FORCES HYDRAULIQUES

Comme on l’a exposé dans La Science et la Vie n° 33, page 15, la fonte ordinaire est produite dans des hauts fourneaux en traitant le minerai de fer par du coke qui fournit le carbone nécessaire à l’opération. L’acier s’obtient ensuite, en décarburant la fonte, soit dans des convertisseurs Bessemer ou Thomas, soit dans les divers fours Martin à sole acide ou basique.

La fabrication des millions d’obus de tous calibres consommés par les canons des fronts alliés de terre et de mer et la destruction d’un matériel de guerre formidable, généralement construit en acier, ont fourni pendant toute la durée de la guerre un tonnage considérable de tournures et de débris que l’on a cherché à utiliser dans les meilleures conditions possibles, pour la conservation et principalement pour la reconstitution de nos réserves de métal.

La fabrication des fontes synthétiques au four électrique a permis, des 1915, l’utilisation des déchets d’acier et de fonte qui restaient jusqu’alors sans emploi pratique.

La « fonte synthétique » est le résultat de la recarburation des déchets d’acier, particulièrement des tournures et forages plus ou moins mélangés de déchets de fonte (tournures, ébarbures diverses, limailles).

Dès le début de la fabrication de l’acier au four électrique, on avait constaté que le métal en fusion pouvait être recarburé. Ce phénomène, résultant des propriétés du fer, déjà connues en métallurgie, ne donna pourtant suite à aucune application industrielle.

Il n’en était, en effet, pas susceptible, pratiquement et économiquement parlant, parce que la carburation d’un bain d’acier dans un four électrique à voûte, obtenue par les divers procédés connus et usités, tels que l’introduction d’agglomérés denses de charbon et fer (carburite) ou de blocs de charbon et fonte, ne constitue qu’un procédé de « mise au point » de la carburation, mais n’est nullement convenable pour pousser la carburation jusqu’à l’obtention des fontes.

Ce procédé n’est donc pratique que pour la fabrication des aciers et c’est pourquoi jusqu’à l’apparition de la carburation continue, on ne produisit pas commercialement une seule tonne de fonte obtenue par recarburation d’un bain d’acier. Seule, la carburation continue, réalisée parallèlement à la fusion par mélange des tournures d’acier et du charbon, peut déterminer une sûreté opératoire et une économie générale capable de donner à la fonte synthétique un avenir commercial qu’on puisse espérer maintenir pendant bien longtemps.

Pour fondre des tournures d’acier dans un four à voûte, il faudrait dépenser une quantité d’énergie électrique très importante, étant donnée la température élevée correspondant au point de fusion du métal. De plus, le rendement thermique d’un tel four est très inférieur à celui d’un appareil ouvert dont les parois sont bien moins chaudes et que l’on peut maintenir constamment plein de matières à fondre. Enfin, il est relativement difficile de charger des tournures dans un four à voûtes muni de portes.

Le fonctionnement de la carburation est complètement différent suivant que l’on opère dans l’un ou dans l’autre des deux cas précités. En effet, le phénomène qui ne peut avoir lieu, sur des tournures en fusion, que par dissolution et par contact entre la couche supérieure du bain et les carburants se ralentit au fur et à mesure que la teneur en carbone devient plus élevée. Non seulement ce ralentissement provoque un accroissement de la consommation d’énergie, mais, pour rendre le contact plus intime entre le métal en fusion et le carburant, ce dernier doit être choisi très dense, ce qui augmente sensiblement son prix de revient. L’emploi du four ouvert a également le précieux avantage de supprimer les pertes de chaleur importantes résultant de l’ouverture fréquente ou prolongée des portes en vue de la vidange qu’on opère lors de chaque chargement ou pour permettre les légères réparations qu’exigent la sole, le garnissage, la voûte, etc.

On réalise, au contraire, dans un four électrique ouvert, une carburation intégrale que l’on peut régler exactement en se basant sur les réactions connues des corps en présence. On bénéficie, de plus, d’un avantage économique très important provenant du fait que l’association du carbone et du fer commence à se produire dans les parties hautes de la charge bien avant que la fusion ait lieu. À partir de 650°, la cémentation c’est-à-dire la combinaison du fer et du carbone intervient et agit avec une vitesse d’autant plus considérable que la température s’élève pendant que la charge entière descend.

La carburation du fer commence ensuite grâce au contact qui s’établit entre le carbone solide et le métal partiellement carburé, déjà en voie de fusion, et devient complète lors de la fusion du bain. Ce dernier phénomène a ainsi lieu à la température qui convient pour la fonte de fer, de telle sorte que les coulées du four électrique s’obtiennent très facilement entre 1.200° et 1.300°C.

La fabrication de la fonte exige, en outre, d’autres opérations que la carburation du métal des tournures en fusion dans le four électrique. En effet, il est indispensable de faire disparaître du bain les traces plus oU moins importantes de soufre qu’il contient, car la présence de cette impureté nuit considérablement à la qualité du métal obtenu. De plus, le mélange formé par les tournures d’acier et le charbon est tellement bon conducteur du courant électrique qu’il faudrait adopter une tension extrêmement basse pour que le four marchât normalement avec toute la régularité voulue. On serait ainsi conduit à admettre des intensités très basses dépassant les valeurs adoptées dans la pratique.

On remplit le double but exposé ci-dessus en introduisant, dans le lit de fusion, un laitier basique dont l’adjonction a pour résultat d’éliminer complètement du métal obtenu toute trace de soufre et de diminuer considérable ment la conductibilité électrique de la masse en traitement, grâce à l’interposition de matériaux non conducteurs entre les deux éléments conducteurs du bain : tournures et autres déchets d’acier en fusion et charbon. On peut donc opérer dans les conditions de tension de courant habituellement adoptée pour les traitements électrochimiques.

La fonte, reconstituée en présence d’un laitier suffisamment basique, retient la faible quantité de silice introduite avec ce laitier et contient pratiquement tous les corps ayant figuré dans le lit de fusion, sauf le soufre. La teneur en silicium n’a pas été augmentée et le carbone de la charge n’est utilisé qu’en vue de la carburation sans qu’il puisse réagir d’une manière appréciable sur la silice, circonstance éminemment favorable.

On peut donc obtenir, en partant des tournures d’acier courantes contenant par exemple, 0,44 de silicium, 0,55 de manganèse et 0,07 de soufre, des fontes dites « blanches » enfermant 3,55 de carbone, 0,52 de silicium, 48 de manganèse et seulement des traces de soufre tellement faibles qu’elles ne sont pas dosables et ne peuvent pas nuire.

Des lors, il devient extrêmement facile de fabriquer des fontes contenant exactement les quantités de carbone, de silicium, de manganèse exigées par la clientèle. Par exemple, de l’incorporation du silicium résultera de l’introduction d’une quantité de silice supplémentaire dans le lit de fusion, parallèlement au carbone de réduction correspondant. La teneur en silice du laitier pourra varier, comme cela est parfaitement logique, en fonction du dosage du silicium dans la fonte.

Ces lois fonctionnant d’une manière certaine, on peut donc considérer le procédé de sa fabrication exposé ci-dessus comme obéissant intégralement aux prévisions des calculs du lit de fusion et comme répondant aux dosages absolus des éléments qui le composent, dosages fixés par le laboratoire.

Comme preuve de cette assertion, on citera la marche d’un four électrique pouvant produire de 80 à 100 tonnes par vingt-quatre heures et qui, pendant un mois de fonctionnement n’a pas donné lieu à des écarts supérieurs à 0,25, en ce qui concerne la carburation des tournures d’acier et la proportion exacte de silicium contenue dans la fonte.

Le succès de cette fabrication ne peut être garanti que si l’on réalise un contrôle absolu de la composition du laitier et de la quantité de carbone introduite. Le procédé est ainsi rendu très précis et, par conséquent, très sensible : son application doit donc s’appuyer entièrement sur le concours constant du laboratoire de chimie. On emploiera, comme agent de carburation, le coke menu ou le charbon de bois réduit en petits morceaux. De cette manière, l’état de division du charbon de carburation correspondra exactement à celui des tournures d’acier afin de faciliter l’action du carbone dans les parties hautes de la charge du four, grâce à un contact aussi parfait que possible des molécules en traitement. On a constaté qu’il était très avantageux de sécher au préalable le coke employé au moyen d’appareils de chauffage combinés avec une puissante installation de ventilateurs électriques.

Ce procédé de fabrication de la fonte par la recarburation de l’acier est extrêmement simple et ne nécessite l’intervention d’aucun Ouvrier spécialiste, car il suffit, pour obtenir une manière certaine un excellent résultat, de se conformer avec exactitude aux indications fournies par le laboratoire de chimie concernant l’analyse de tous les éléments qui entrent dans la composition du lit de fusion.

Le four électrique fonctionne en marche continue, constamment rempli par le lit de fusion. Les pertes correspondantes sont, par conséquent, très réduites, car la chaleur transmise par le foyer électrique, placé à une grande profondeur sous la charge, est en majeure partie utilisée pour l’échauffement des matières en traitement, ce qui permet d’obtenir une carburation préalable avant la fusion. C’est ainsi que la consommation d’énergie électrique a pu être abaissée jusqu’à 675 kilowatts-heures par tonne de fonte dans un four de 2.500 kilowatts pouvant fournir de 80 à 100 tonnes de bonne fonte synthétique par vingt-quatre heures.

Les dépenses d’entretien d’un semblable appareil, fonctionnant dans les conditions décrites ci-dessus, peuvent être considérées comme à peu près nulles, car, pendant une campagne de six mois, un des fours de l’usine électrométallurgique de Livet (Isère) n’a donné lieu à aucune réparation de garnissage, de blindage ou autre. On s’est borné à refaire le garnissage lors de la mise hors feu imposée par la période des basses eaux.

Il y a donc un grand avantage à employer ce procédé de recarburation fondé sur le contact à haute température entre le métal de solide ou pâteux et le charbon solide, au lieu de chercher à obtenir la fonte par une carburation lente du métal préalablement fondu, provoquée par un contact, toujours difficile à réaliser, entre le bain et le charbon.

On ne consommera ainsi que six kilotonnes d’électrodes de bonne qualité par tonne de fonte synthétique produite. La consommation correspondante de tournures d’acier non oxydées, qui est de 1.050 kilogrammes par tonne de fonte, s’élève à plus de 1.100 kilogrammes quand les tournures sont moyennement oxydées. Quand on part de déchets courants provenant de projectiles éclatés et d’aciers ordinaires, on brûle 80 kilogrammes de coke à 80 de carbone fixe pour obtenir 1.000 kilogrammes d’une fonte extrêmement résistante, contenant en moyenne 3 de carbone et 1,75 de silicium. Si l’on considère un four électrique capable de produire une centaine de tonnes de fonte par jour, muni d’appareils mécaniques de manutention et de chargement, on peut fixer à vingt-quatre le nombre d’hommes nécessaire et suffisant pour assurer la bonne marche de la fabrication. Quinze de ces ouvriers s’occupent de la préparation du lit de fusion, ainsi que du chargement et du réglage du four. La coulée et la mise sur wagons de la fonte produite exigent une équipe de sept hommes, tandis que deux autres veillent à la mise sur parc au moyen d’appareils de levage et de transbordeurs.

L’emploi de la méthode de fabrication qui vient d’être exposée a permis de fournir aux usines à projectiles de grandes quantités d’un métal qui répondait parfaitement à leurs besoins. Nous signalerons en passant que, pour obtenir un bon résultat, il faut opérer avec soin et ne pas chercher à fabriquer de la fonte synthétique en recarburant n’importe quelles tournures dans n’importe quel four sans observer les règles fondamentales du procédé. Cette erreur été commise pendant la guerre par un certain nombre d’industriels étrangers qui ont pensé pouvoir gagner ainsi beaucoup argent en appliquant sans méthode un procédé qui leur semblait encore plus simplement à employer qu’il ne l’est réellement. Ces
fontes n’ont d’ailleurs que la réputation qu’elles méritaient. Elles ne doivent pas en tout cas, compromettre celles qui résultent d’une fabrication rationnelle basée sur la méthode ci-dessus.

Les grandes usines françaises qui ont acheté en 1918 plus de 68.000 tonnes de fonte synthétique aux fonderies électriques de Livet peuvent attester la parfaite qualité du métal qui leur a été livré par cette firme. Pour les fabrications de la défense nationale, on pouvait se contenter de fontes présentant une pureté en phosphore correspondant à celle des déchets d’aciers provenant des projectiles ramassés sur les divers fronts.

Aujourd’hui, la situation est modifiée. Les tournures d’acier dont on dispose, ont, de plus en plus, des origines multiples et ne présentent plus les mêmes garanties, de sorte que leur déphosphoration soignée est indispensable si l’on veut obtenir des fontes de qualité supérieure. On a donc complété à Livet le procédé de transformation des tournures qui comporte, tel qu’on l’applique actuellement, deux opérations au lieu d’une seule.

Pavillon Keller, © Lionel Albertino.

Dans la première phase, on fond les déchets d’acier en présence d’une faible quantité de carbone et d’une scorie basique oxydante. On réalise ainsi une carburation dite « critique », que l’on s’efforce d’obtenir aussi élevée que possible afin d’abaisser la température de travail, de faciliter la coulée tout en provoquant la déphosphoration. Une teneur en carbone égale, ou tout au moins légèrement supérieure à 1 % assure ce résultat. Ce métal de première phase, qui est déphosphoré, contient de faibles teneurs de silicium et de manganèse. On le coule en petits lingots que l’on refond dans un four électrique ouvert après y avoir introduit le carbone d’addition nécessaire ainsi qu’un laitier de désulfuration composé de matières très pauvres en phosphore. Un autre procédé consiste à transvaser le métal de première phase dans un second four du type à voûte sur une couche d’anthracite, afin de provoquer ainsi la recarburation recherchée.
On obtient une fonte synthétique exactement dosée en silicium et en manganèse en ajoutant, comme d’habitude, l’oxyde et le carbone spécial de réduction correspondant.

Cette manière de procéder augmente légèrement les frais de fabrication dans la première phase et nécessite dans la seconde des dépenses de transformation égales à celles qu’occasionne la production de la fonte synthétique ordinaire. Les deux opérations absorbent environ 1.500 kilowatts-heures. Ce supplément de frais est compensé par la valeur plus grande que confère à la fonte synthétique ainsi traitée son extrême pureté en phosphore et en souffre ainsi que son dosage précis en silicium et en manganèse. Ce produit peut donc faire victorieusement concurrence aux fontes importées dénommées « fontes suédoises ».

On peut envisager également la fabrication au four électrique de la fonte malléable, ainsi que des fontes spéciales avec additions particulières de métaux (nickel, chrome, etc.) Une production importante de fonte synthétique a été assurée pendant la guerre par les usines installées à Livet, à Nanterre et à Limoges sous le contrôle de la Société des Établissements Keller & Leleux. Le centre de Livet transforma une partie de sa production en obus de 400, 240 et 220 mm.

Les usines hydro-électriques de Livet, alimentées par des chutes de 25.000 chevaux fournies par la Romanche, sont pourvues de batteries de fours Ch.-A. Keller, d’une puissance de 2.000 et de 2.500 kilowatts.

Cette utilisation métallurgique de la houille blanche est extrêmement intéressante, mais on avait installé à Nanterre une fonderie nationale d’artillerie comportant aujourd’hui neuf fours de 1.650 kilowatts dont un de réserve, alimentés par le courant envoyé par les usines de l’Énergie Électrique de la région parisienne et produisant 300 tonnes de fonte synthétique par jour au moyen de tournures d’acier provenant des ateliers fabriquant des obus. Cette fabrique était desservie à la fois par la Seine et par un embranchement soudé sur la ligne de Paris au Havre qui pouvait recevoir des trains de 40 wagons. La construction, autorisée à la fin de 1916, fut terminée en cent quatre-vingt-deux jours de travail effectif et mise en marche le 3 juillet 1917.
Le type de four employé consommait, par tonne de fonte produite, kilogrammes de tournures d’acier, 90 kilogrammes de coke, 6 kilogrammes d’électrodes avec une dépense horaire de 815 kilowatts.

La surface couverte, de 15.000 mètres carrés, comporte trois corps de bâtiments dont le principal est constitué par trois halls parallèles de même longueur. Les fours électriques et les installations de chargement des wagons sont réunis dans un même hall que dessert un pont roulant électrique à grande portée.

Le service de la fabrication est décomposé en deux divisions. Chacune d’elles réduit 150 tonnes par jour et possède un pont roulant électrique pour le déchargement matières premières avec électroaimant pour la manutention des tournures. Dans la salle des fours, la mise sur wagon de la fonte produite est bien assurée par un pont roulant.

Les tournures d’acier, emmagasinées pour le service courant aux deux extrémités du troisième hall, sont déversés au moyen d’un électroaimant, dans des trémies intermédiaires en ciment armé, installées dans le grand hall spécial des lits de fusion.

Le coke et les matières constituantes du laitier sont mis en stock dans la partie centrale du hall des matières premières. Après broyage à la sortie des wagons, on les remonte, par des élévateurs, dans de grandes trémies en ciment armé, munies d’orifices inférieurs, qui les distribuent dans des wagonnets de transport. Le coke employé pour la carburation passe du broyeur dans un sécheur à ventilation, qui ramène son degré d’humidité à moins de 1 %. Deux trémies sont toujours en service pour contenir le coke : l’une, remplie pour les prélèvements de la fabrication en cours, l’autre en remplissage alterné. Ce système permet de connaître exactement les teneurs en carbone fixe du coke en cours de consommation.

La salle des mélanges, adossée aux réserves de matières premières, comporte une fosse longitudinale au fond de laquelle circulent les wagonnets de transport que des monte-charges électriques élèvent jusqu’au niveau de la plateforme des fours, chaque monte-charge desservant deux fours. Quand les wagonnets sont déversés, des glissoirs de fonte conduisent les matières premières autour des électrodes. Les transformateurs de courant sont enfermés dans des cabines placées au niveau de la plateforme de chargement.

Les variations d’intensité du courant étant faibles, un surveillant placé dans un poste commandant deux fours à la fois peut effectuer à la main le réglage de ces derniers. La mise en place et l’enlèvement des électrodes ont aussi lieu par des moyens mécaniques.

L’usine renferme aussi des ateliers de fabrication des électrodes et de réparations.
Une fosse à tournures, longue de 150 mètres est desservie par un pont roulant électrique.

La main-d’œuvre était constituée par des était constituée par des prisonniers de guerre et par des manœuvres mobilisés, logés et nourris dans l’usine même.

Pour assurer une nouvelle fabrication urgente, la puissance de l’usine de Nanterre avait été portée à 15.000 kilowatts utilisés dans neuf fours monophasés de 1.650 kilowatts, montés dans un hall de 175 mètres.

En utilisant les excédents d’énergie des centrales électriques alimentant les chemins de fer départementaux de la Haute-Vienne et la ligne de Perpignan à Bourg-Madame, on a pu créer, à Eymoutiers et à Villefranche-de-Conflent, deux fabriques de fonte synthétique avec fours de 1.000 kilowatts.

L’élaboration de la fonte synthétique, qui a rendu de grands services à la défense nationale, a donc aussi devant elle un grand avenir pendant la paix et concourra à faciliter grandement la production de métaux purs destinés à la fabrication d’outillages et d’appareils de tous genres.

CH.-ALBERT KELLER.

Conseil lecture : Le Seigneur de la Romanche, de Gilles REY.