vignette|redresse=1.7|Photo panoramique d'une coulée au Haut fourneau 2 de Dąbrowa Górnicza (Pologne). La disposition de l'appareil, au centre d'une halle circulaire, est typique des hauts fourneaux soviétiques.|alt=vue panoramique d'un plancher de coulée, le four étant au centre.
Un haut fourneau ou haut-fourneau est une installation industrielle destinée à simultanément désoxyder et fondre les métaux contenus dans un minerai, par la combustion d'un combustible solide riche en carbone. En généralCet article se concentre sur l'acception commune du haut fourneau, outil de la sidérurgie lourde. Mais le principe du haut fourneau a été, et reste occasionnellement, adapté à la réduction et la fusion de beaucoup de métaux non ferreux. Ces hauts fourneaux non sidérurgiques se raréfient cependant, le four à arc électrique étant plus flexible et adapté aux faibles productions., le haut fourneau transforme du minerai de fer en fonte liquide, en brûlant du coke qui sert à la fois de combustible et d'agent réducteur. Bien que la fonte produite soit un matériau à part entière, cet alliage est généralement destiné à être affiné dans des aciéries.
Le haut fourneau produit de la fonte en fusion, par opposition au bas fourneau, qui produit une loupe de fer solide. Il en est pourtant une évolution directe, mais il ne s'est généralisé que lorsqu'on a su valoriser la fonte produite. Ainsi, la Chine développe dès le l'usage du haut fourneau en même temps que la fonderie. L'Occident ne l'adopte qu'après le , avec la mise au point des méthodes d'affinage de la fonte en acier naturel. C'est là qu'il évolue vers sa forme actuelle, la généralisation du coke et du préchauffage de l'air de combustion contribuant à la première révolution industrielle.
Devenu un outil géant, sans que son principe fondamental ne change, le haut fourneau est maintenant un ensemble d'installations associées à un four. Malgré l'ancienneté du principe, l'ensemble reste un outil extrêmement complexe et difficile à maîtriser. Son rendement thermique et chimique exceptionnel lui a permis de survivre, jusqu'au début du , aux bouleversements techniques qui ont jalonné l'histoire de la production de l'acier.
Qu'il soit « cathédrale de feu » ou « estomac », le haut fourneau est aussi un symbole qui résume souvent un complexe sidérurgique. Il n'en est pourtant qu'un maillon : situé au cœur du processus de fabrication de l'acier, il doit être associé à une cokerie, une usine d'agglomération et une aciérie, usines au moins aussi complexes et coûteuses. Mais la disparition de ces usines, régulièrement annoncée au vu des progrès de l'aciérie électrique et de la réduction directe, n'est pourtant toujours pas envisagée.
Histoire
Éléments étymologiques Du point de vue du lexique, l'histoire du mot devance en quelque sorte l'histoire de l'objet. On rencontre en effet « haut fourneau » dès le , mais jusqu'au , cette appellation côtoie régulièrement d'autres appellations comme « fourneau », « fourneau à fer », « fourneau de fusion », « grand fourneau », « fourneau élevé » Ces noms renvoient tous à un fourneau de coulée par opposition au bas fourneau à loupe. Mais les hauteurs, qui varient de , ne déterminent pas le nom. Dans les relevés, nombre de fourneaux sont en effet plus hauts que des hauts fourneaux. Ce n'est qu'au milieu du , que l'objet rejoint le nom. Comme l'écrit Roland Eluerd :
Le français correspond ainsi avec l'appellation issue du francique. À l'inverse, le mot anglais se réfère à une caractéristique fondamentale du haut fourneau, l'injection forcée de l'air de combustion, le « vent ».
Le bas fourneau vignette|redresse=1|Reconstitution d'un bas fourneau celtique doté d'une rigole pour la coulée des scories.|alt=photo d'un bas fourneau reconstitué
Le premier outil de réduction du minerai a été le bas fourneau. Dans sa forme la plus primitive, appelée « bas foyer », c'est un trou dans le sol d'environ de diamètre, rempli de charbon de bois et de minerai. Le feu est généralement attisé au moyen d'un soufflet construit comme une outre en cuir. Au bout d'une dizaine d'heures, on démolit le four et récupère une loupe incandescente, de la taille du poing, mélange hétérogène de fer plus ou moins réduit et de scories. Bien que la température atteinte, entre , y soit suffisante pour la réduction du minerai de fer, c'est loin de la température de fusion du fer, de .
L'évolution vers le bas fourneau « classique » consiste à surélever la construction et à la doter d'une ouverture latérale à sa base pour faciliter l'alimentation en air. Une courte cheminée facilite le rechargement du four pendant son fonctionnement, tout en activant le tirage. Des températures de sont ainsi atteintes et les scories, devenues liquides, peuvent être extraites par l'ouverture.
La teneur en fer de ces scories, appelées laitier, diminue lorsque la température augmente. On attise alors le feu en renforçant le tirage naturel par augmentation de la hauteur en adossant, par exemple, la construction à un talus. De même, des soufflets permettent une alimentation en air plus efficace et mieux contrôlée. Ces « fourneaux à tirage naturel » et « à soufflets » produisent une loupe pesant de quelques kilogrammes à plusieurs quintaux à l'issue d'une campagne de . Cette loupe est immédiatement débarrassée des morceaux de charbon et du laitier par un cinglage alterné avec plusieurs réchauffages, et finalement forgée pour obtenir les objets souhaités. En Europe occidentale, ces installations et les forges attenantes, dites « renardières », restent répandues jusqu'au . Elles emploient alors de , la capacité des bas fourneaux de cette époque se situant à environ de loupes par an, et consomment de charbon de bois pour de fer.
Le Japon importe le bas fourneau du continent vers le . La technique y est perfectionnée jusqu'à aboutir, au , au tatara. La configuration du four change suivant le produit recherché : les tataras hauts de sont destinés à la fabrication de l'acier ; au-delà de ils produisent de la fonte blanche qui n'est extraite du four qu'après sa solidification. La faible perméabilité des sables ferrugineux utilisés limite la hauteur à , et bloque donc l'évolution vers le haut fourneau. Utilisé jusqu'au début du , le tatara, dans sa forme finale, consiste en une structure industrielle pérenne, destinée à l'exploitation d'un four en forme de grande baignoire, et produisant quelques tonnes de métal au cours d'une campagne d'environ , durée à laquelle on doit ajouter la construction du four.
En Afrique, les traces les plus anciennes de fours sidérurgiques sont des loupes de fer et de carbone découvertes en Nubie (notamment à Méroé) et à Aksoum, et datées de . Des bas fourneaux à tirage naturel sont utilisés sur ce continent jusqu'au début du . Certains, d'une hauteur de , sont aménagés dans des termitières convenablement évidées et dans lesquelles on édifie un fourneau en argile. Des tuyères en céramique insérées à la base du fourneau permettent une alimentation adéquate en air. Au bout d'environ vingt heures, on récolte une loupe grosse comme un ballon de football. De tels bas fourneaux, typiques du pays de Bassar au Togo, utilisent le minerai très pur de Bandjéli.
Invention du haut fourneau En Chine vignette|gauche|redresse=1.2|Utilisation de la force hydraulique pour alimenter un haut fourneau en Chine (Wang Zhen, Nong Shu, 1313).|alt=2 dessins chinois : un haut fourneau et une roue à aubes Les Chinois commencent à faire fondre le fer dès le , durant la période des Royaumes combattants pendant laquelle les outils agricoles et les armes en fonte deviennent très répandus, tandis que les fondeurs du emploient des équipes de plus de deux cents hommes.
Le fer, issu d'une loupe obtenue au bas fourneau, est alors fondu dans des fours semblables au cubilot. Mais lorsque le fer chaud entre au contact avec le charbon de bois, il absorbe le carbone contenu dans le combustible jusqu'à s'en saturer. On obtient alors de la fonte, plus facile à fondre que le ferLe liquidus d'une fonte à 6 % de carbone est de l'ordre de , et passe à lorsque l'on approche la composition du fer pur., homogène et débarrassée des impuretés présentes dans la loupe. Les Chinois développent l'élaboration de tous les composés du fer : outre l'affinage et le mazéage de la fonte, on fabrique au de l'acier en mélangeant du fer et de la fonte.
En , le Chinois Shi améliore la ventilation avec l'utilisation de la force hydraulique pour mouvoir le soufflet. La combustion est plus vigoureuse et les premiers hauts fourneaux, qui produisent de la fonte directement à partir du minerai, apparaissent en Chine au , pendant la dynastie Han. Ces hauts fourneaux primitifs sont construits en argile et utilisent un additif, une « terre noire » contenant du phosphore (peut-être la vivianite) comme fondant. L'amélioration de Du Shi permet aussi à l'air de combustion de traverser une charge plus haute et les fours atteignent alors des dimensions imposantes : des restes d'un creuset ovale de posé sur un socle de terre de , avec des vestiges d'installations périphériques (rigole, mécanisme de hissage du minerai, soufflets) ont été retrouvés. Cet accroissement de taille, caractéristique du « haut » fourneau, contribue à l'obtention d'une température plus importante.
Durant la dynastie Han, la technique se développe, l'industrie du fer est même nationalisée. L'usage des hauts fourneaux et des cubilots reste répandu pendant les dynasties Tang et Song. Au , l'industrie chinoise du fer limite la déforestation en adoptant la houille pour fondre le fer et l'acier. Cependant, si les procédés mis au point garantissent l'absence de contamination du métal par le soufre contenu dans la houille, il n'y a pas de traces d'un usage combiné de la houille avec le haut fourneau. En effet, seul le charbon de bois a une qualité compatible avec l'utilisation au haut fourneau, car il doit être en contact avec le minerai pour pouvoir jouer son rôle d'agent réducteur.
Au , ces hauts fourneaux ont la forme d'un tronc de cône renversé, de de haut, d'un diamètre interne évoluant de du sommet vers la base. Les murs sont en argile et renforcés d'un treillis en fer. La sole peut être inclinée d'environ 30° pour une récolte plus commode de la fonte. Il est chargé avec de la limonite ou du minerai de fer houiller et, selon la construction, avec du charbon de bois ou du coke. Le vent est injecté par une soufflante à pistons. Un tel appareil produit alors de de fonte par jour, avec une consommation de de coke pour de fer produit.
Cette technique ne disparaît qu'au début du . On retrouve vers 1900 un haut fourneau similaire dans le Bulacan, aux Philippines. Plus tard encore, le « haut fourneau dans la cour » prôné par Mao Zedong pendant le Grand Bond en avant est de ce type. L'expérience n'est un échec technique que dans les régions où le savoir-faire n'existe pas, ou a disparu.
En Europe
Le bas fourneau est, pendant tout le Moyen Âge, un procédé nomade, qu'on édifie en fonction des affleurements de minerai et de la disponibilité du combustible mais, au début du , des fourneaux plus efficaces apparaissent. Ceux-ci, en utilisant l'énergie hydraulique pour souffler l'air de combustion, deviennent plus gros et valorisent mieux le combustible. Ces « fours à masse » sont des bas fourneaux dont la cuve est conservée : l'extraction de la loupe se fait par une grande ouverture à la base du four. Un exemple abouti de ce type de four est le StückofenLittéralement le « four à morceau (de fer) »., de section carrée et maçonné, qui s'élève à au Moyen Âge, jusqu'à atteindre au pour ceux de Vordernberg en Styrie, alors un centre de production de fonte d'Europe centrale. Capables d'atteindre des températures de l'ordre de , ces fours pouvaient fondre partiellement ou totalement le métal. Appelés dans ce dernier cas Flussofen (c'est-à-dire « fours à fondre »), ce sont d'authentiques hauts fourneaux produisant de la fonte en fusion.