Extraction de Fer à partir d'Hématite — Fusion au Four à Bloomery du Minerai au Lopin

L'hématite (Fe₂O₃) contient environ 70 % de fer en masse. Dans un four à bloomery, le monoxyde de carbone (CO) provenant de la combustion du charbon de bois réduit l'oxyde de fer : Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Le fer ne fond pas complètement (température du bloomery 1100–1300°C, le fer fond à 1538°C). Au lieu de cela, il forme une masse spongieuse appelée lopin.

Cassez le minerai d'hématite avec un marteau sur une pierre plate en morceaux de 2–3 cm. Les morceaux plus petits exposent une plus grande surface aux gaz réducteurs, améliorant le rendement en fer. Retirez tout rocher non ferrifère évident (quartz, calcaire) lors du tri.

Chauffez les morceaux de minerai dans un feu ouvert pendant 2–3 heures à 700–800°C. Le grillage expulse l'humidité et convertit tout oxyde de fer hydraté (limonite, goethite) en hématite anhydre. Le minerai grillé est également plus fragile et plus facile à casser davantage. Le minerai change de couleur brun terreux à rouge brique.

Choisissez une zone plate et bien drainée loin des structures inflammables. Une pente naturelle ou une versant de colline est idéale – vous pouvez construire le four dans la pente pour le support structurel. Assurez-vous d'avoir un bon accès au flux d'air pour les soufflets et de l'espace pour travailler en toute sécurité autour du four chaud.

Mélangez l'argile avec du sable et de la paille hachée (rapport 3:1:0,5) pour fabriquer un matériau réfractaire. Construisez un cylindre vertical d'environ 30 cm de diamètre et 80–100 cm de hauteur. Laissez une ouverture de tuyère (entrée d'air) à la base, de 5–7 cm de diamètre, légèrement inclinée vers le haut. Laissez une ouverture de robinet de laitier en bas devant pour drainer le laitier.

Laissez le four sécher pendant au moins 3–5 jours avant la première utilisation. Le chauffage rapide d'un four humide provoque des explosions de vapeur qui fissurent les parois d'argile. Un petit feu de chauffage le dernier jour expulse graduellement l'humidité restante.

Vous avez besoin d'environ 8–10 kg de charbon de bois pour 1 kg de minerai. Le charbon de bois dur (chêne, hêtre, bouleau) est préférable : il brûle plus chaud et plus longtemps que le charbon de bois tendre. Coupez le charbon de bois en morceaux de 2–4 cm. Combustible total nécessaire pour une charge de minerai de 5 kg : 40–50 kg de charbon de bois.

Insérez le bec du soufflet (tube de tuyère) dans l'ouverture de tuyère. Le tube doit être en céramique ou en acier : il doit résister à 1200°C+. La pointe de la tuyère doit dépasser d'environ 3–5 cm dans l'intérieur du four. Une équipe de deux personnes alternant sur les soufflets assure le meilleur flux d'air constant.

Remplissez le four de charbon de bois et allumez-le par le haut. Pompez les soufflets doucement pendant 30–45 minutes pour élever la température de fonctionnement. L'intérieur du four doit briller orange-blanc (1100–1300°C) avant d'ajouter du minerai.

Une fois la température atteinte, ajoutez des couches alternées de charbon de bois et de minerai broyé par le haut : couche de charbon de 5 cm, puis une fine couche de minerai (une poignée à la fois). Le rapport volumique du charbon de bois au minerai doit être environ 3:1. Ajoutez une nouvelle charge tous les 10–15 minutes à mesure que le niveau baisse.

Pompez les soufflets à un rythme constant – environ 15–20 coups par minute. Un flux d'air constant est critique : trop peu d'air et la température chute en dessous de la réduction, trop d'air et le fer brûle en laitier. Le son du four change d'un grondement sourd à un ton plus élevé lorsque la température est correcte.

Tous les 30–60 minutes, ouvrez le robinet de laitier à la base et laissez le laitier liquide s'écouler. Le laitier est un liquide vitreux foncé de silicates de fer (fayalite). Si le laitier s'accumule, il bloque le flux d'air et abaisse la température. Utilisez un bâton pour nettoyer l'ouverture du robinet s'il se bouche. Portez un tablier de cuir et une protection faciale.

Le temps total de fusion est 4–8 heures de fonctionnement continu. Continuez à ajouter du charbon de bois et du minerai par couches. Continuez à pomper les soufflets. Le lopin se forme au fond du four où les particules de fer réduites se soudent ensemble dans la chaleur. Une charge de minerai de 5 kg prend généralement environ 6 heures.

Lorsque tout le minerai et le charbon de bois sont épuisés, arrêtez les soufflets et laissez le four refroidir pendant 1–2 heures. Ne pas refroidir à l'eau : le choc thermique peut fissurer le lopin. Le lopin doit être assez chaud pour être manipulé avec des pinces mais pas trop chaud pour se déformer lors de l'extraction.

Cassez la paroi avant du four au robinet de laitier. Avec des pinces à long manche, extrayez le lopin. Ce sera une masse de lopin rude et spongieuse de fer mélangée avec du laitier piégé et du charbon de bois, environ de la taille d'un poing à un melon selon la charge de minerai. Il brille rouge sombre.

Tant qu'il est encore chaud (au-dessus de 800°C, rougeoyant rouge), martelez le lopin sur une enclume ou une pierre plate pour expulser le laitier piégé. Le laitier goûte comme des étincelles incandescentes. Pliez et martelez à plusieurs reprises. Ce processus appelé soudage compacte le fer spongieux en une masse de lopin plus dense et maniable.

Pesez le lopin consolidé. Un rendement typique de bloomery est 10–25 % de la masse de minerai comme fer métallique. De 5 kg d'hématite, attendez-vous à 500 g à 1,25 kg de fer utilisable. Le fer est à faible teneur en carbone (fer forgé) à moins qu'il n'ait absorbé du carbone du charbon de bois pendant la fusion.

Laissez le lopin refroidir complètement à l'air calme. Stockez dans un endroit sec : le fer forgé rouille facilement. Enrobez d'une couche mince d'huile ou de cire d'abeille pour prévenir l'oxydation lors du stockage. Ce fer est maintenant prêt à être martelé en outils, armes ou appareils.