Brevet FR2394638A1 — publié le 19790112

L'invention est relative à un dispositif pour traiter des suspensions de fibres par action mécanique de lames,lesquelles comportent un ensemble de lames fixes (stator) et-un ensemble de lames mobiles (rotor). Tous les dispositifs destinés à broyer ou déchiqueter, équipés de lames, actuellement connus,sont caractérisés par le fait que les composantes du vecteur représentant la vitesse périphérique du rotor, qui s'obtiennent en décomposant ce vecteur suivant la direction des arêtes des lames du stator et suivant la direction des arêtes des lames du rotor sont, en grandeur, dans un rapport composante rotorique/composante statorique, qui est compris entre 1 et 1-,4 mais le plus souvent entre 1 et 1,2. il en résulte qu'entre les lames du stator et du rotor il ne se produit qu'un faible mouvement relatif suivant la direction de l'ar8te de l'une des lames, c'est-à-dire un-faible mouvement tangentiel ou de coupe. il s'agit plut6t d'un heurt frontal, avec un contact relativement court entre l'arête des humes et les fibres à fragmenter, et ce mouvement doit être effectué avec beaucoup de force, énergiquement, pour assumer la fonction assignée. Les modes de construction de lames existants, en ce qui concerne la disposition de celles-ci, présentent en outre l'in convénient que les rainures formées entre les diverses lames jouent le rôle des conduits d'une pompe centrifuge à gros débit de refoulement, ce qui constitue, pour le traitement des fibres, un travail qui n'apporte aucun effet et par conséquent un travail superflu demandé au dispositif. Les inconvénients exposés ci-dessus se trouvent éliminés dans une mesure importante dans le dispositif conforme à l'invention,dont la caractéristique essentielle est que les arêtes des lames ou des groupes de lames du rotor et du stator forment entre-elles un angle compris entre 0 et 90 , les lames ou les groupes delames du rotor étant inclinées de 50 à 900 sur la direction radiale du rotor et les interstices entre lames d'un groupe etant très étroits, dans la plage de 0,1 à 2,5 mm, de sorte, entre autres, que l'effet d'écopage de l'équipage de lames est limité à une valeur minimale. il s'agit là d'une disposition désavantageuse des interstices des lames relativement à l'effet d'écopage et d'un dimensionnement désavantageux de la plupart de ces interstices relativement à des conditions-d'écou lement En outre,le temps de séjour des fibres dans l'équipage de lames se trouve augmenté, le nombre de contacts d'une fibre avec des arêtes et des surfaces de lames, l'uniformité de traitement des fibres et la possibilité de traiter celles-ci sans les endommager se trouvent augmentées, le contact de la fibre avec l'arete d'une lame est prolongé et la nature de ce contact avec la-lame est modifiée. On peut prouver par des essais,et de tels essais de fonctionnement d'un dispositif conforme à l'invention l'ont effectivement confirmé, que cet équipage de lames est capable, dans un dispositif de production de fibres, de fournir une consommation spécifique d'énergie inférieure à 6 kWh/t SR, ce qui constitue une économie d'énergie de 25% par rapport aux dispositifs usuels. L'équipage de lames conforme à l'invention présente, à une vitesse de rotation de 1.000 t/min, une consommation d'énergie réactive d'environ 15% de l'énergie totale appliquée (à charge maximale),c'est-à-dire environ deux fois moins que les dispositifs existants à coupe purement frontale des lames.Les essais ont montré que pour entraîner le dispositif à équipage de lames conforme à l'invention,on pouvait se contenter d'un moteur électrique d'une puissance de 60% de celle des moteurs d'entrainement des dispositifs actuels. Dans un programme déterminé de l'industrie papetière, ceci représente une économie de plus de 10 millions de kilowatts-heures par an d'énergie électrique, soit, dans l'ensemble de la branche d'activité,plusieurs dizaines de millions de kWh/an. Un autre avantage du dispositif conforme à l'invention est son silence de fonctionnement. Le niveau de bruit de fonctionnement de l'équipage de lames correspond à celui des moteurs d'entraSnement des dispositifs actuels. Le niveau de bruit des dispositifs de déchiquetage de fibres actuels est bien supérieur. Le principe de construction permet d'utiliser l'agencement conforme à l'invention des organes déchiqueteurs aussi bien pour-une action de production de fibres, que pour une action universelle ou une action de raccourcissement de fibres. La qualité du traitement des fibres, avec le dispositif conforme à l'invention, correspond à la qualité supérieure obtenue actuellement. Le rapport entre le degré de broyage et les propriétés mécaniques obtenu est au moins de l'ordre de celui mondialement obtenu actuellement. Compte tenu de son faible effet d'écopage,l'équipage de lames peut comporter un nombre de lames bien plus grand que jusqu'à présent, ce qui entraine une plus grande longévité de l'équipage. L'équipage de lames-conforme à l'invention peut êtrè utilisé également, d'une manière avantageuse, pour un broyage de régénération de vieux papiers collectés pour lequel on obtient, avec une faible consommation d'énergie (environ 3 kWh/t SR), une haute qualité de cette matière fibreuse secondaire (au plus avec une séparation consécutive des fibres détruites). Le mode de construction de-l'équipage de lames permet aussi son utilisation pour des densit-és supérieures de la pâte aqueuse à papier (densités doubles de celles utilisées actuellement), de sorte que la consommation spécifique d'énergie est abaissée encore de 30 à 40%. Pour la fabrication des équipages de lames conformes à l'invention, on peut utiliser les procédés de coulée de la technique la plus moderne et les plus économiques, mais on obtient un effet optimal, pour des équipages de lames de production de fibres, par un procédé anodomécanique, suivi d'un usinage par enlèvement de copeaux, ou par une coulée des lames dans des matières synthétiques, bitumineuses ou autres, appropriées. L'amélioration de l'effet de broyage de l'équipage de lames conforme à l-'invention permet en même -temps de réduire le nombre des ensembles de.broyage d'une chaîne de production de patte å papier,. ce qui constitue une économie d'investissementb Ce mode de construction s' applique tout aussi bien à des broyeurs du type à plateaux qu' à des broyeurs du type à cones. L'invention est expliquée plus en détail ci-après à l'aide de certains de ses modes de réalisation, pris à titre illustratif mais nullement limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un diagramme vectoriel illustrant la dé composition de la vitesse périphérique V du rotor suivant la direction des lames du stator et la direction des lames du rotor, - les figures 2A et 2B représentent des secteurs d'équipages de lames à arêtes/ePt gs lanerstices entre groupes de lames, et la figure 2C est-une coupe partielle, suivant la ligne A-A de la figure 2B, montrant la disposition des lames, - les figures 3A et 3B représentent des secteurs d'équipa ges de lames à arêtes parallèles, disposées par groupe de lames, chacun de ces groupes présentant le même angle d'inclinaison par rapport à la direction radiale, - les figures 4A-et 43 représentent des secteurs d'équipa ges de lames à arêtes parallèles, et des interstices, entre groupes de lames, qui présentent une certaine inclinaison par rapport à la direction des arêtes des lames;. la figure 40 est une coupe partielle montrant la disposition des lames, - les figures SA et 5B représentent des secteurs d'équipa ges de lames, dans lesquels les arêtes des lames constituent des courbes fermées, ici des cercles,'tcomportant des interstices parallèles entre groupes de lames; et - la figure 6,enfin,représente schématiquement, en coupe longitudinale, un broyeur, du type à plateaux, pour des suspen- sions de fibres, qui peut être muni d'un équipage de lames conforme à l'invention. Le broyeur à plateaux représenté schématiquement sur la fi gure 6 et auquel peut s'appliquer le mode de construction d'équipage de lames conforme à l'invention, comporte un carter i dans lequel est monté sur des paliers un arbre 2, qui peut tourner et coulisser aXialement, qui porte un rotor 3 logé dans le compar- timent de travail 5 du broyeur. Le rotor 3 porte un équipage de lames interchangeable 4, réalis-é en une ou plusieurs parties qui comportent chacune un certain nombre de groupes de lames, les lames étant disposées géométriquement de la même manière dans chaque groupe. Le compartiment de travail 5 est fermé par un couvercle 6, fixe ou susceptible de coulisser axialement, qui, avec un équipage fixe, mais interchangeable, de lames de stator 7, constitue la partie fixe de la machine.Comme l'équipage de lames du rotor 4, 11 équipage de lames du stator 7 est également réalisé en une ou plusieurs parties qui -comportent chacune un certain nombre-de groupes de lames à lames disposées géométriquement de la même manière dans chaque groupe. Entre l'équipage de lames du stator 7 et du-rotor .3 est ménagé un interstice de travail 8, dans lequel se produit le traitement proprement dit de la suspension de fibres sous l'action des arêtes et des surfaces des lames qui passent les unes-devant les autres.La suspension aqueuse de fibres arrive par la tubulure d'entrée 9 et après avoir parcouru les équipages de lames du rotor4et du stator 7 et ltnterstice de travail 8,ellequitte la machine par la tubulure de sortie 10. Le dispositif conforme à l'invention travaille d'une manière analogue-à la plupart des broyeurs actuels, selon le principe de l'action mécanique des lames sur les fibres qui viennent en contact avec cellesci, Les fibres sont alors écrasées, arrachées superficiellement, déchirées et sectionnées, sous l'action du passage les unes devant les autres des lames du stator (partie fixe) et dru rotor (partie tournante), l'espacement entre les lames du stator et du rotor, au moment de leur passage, étant suffisamment faible pour que les fibres de cellulose et de bois soient traitées de la manière exposée. Tous les équipages de lames connus de broyeurs sont carac térisés par le fait (cf figure 1) que les composantes V et V r s du vecteur V représentant la vitesse périphérique du rotor, obtenues en décomposant le vecteur V suivant les directions des arêtes d'une lame de stator et d'une lame de rotor lorsque ces lames passent l'une devant l'autre, sont, en grandeur, dans un rapport Vr/Vs compris entre 1 et 1,4, le plus souvent cependant entre 1 et 1,2. il en résulte qu'entre les lames du stator et du rotor,il ne se produit qu'un faible mouvement relatif suivant la direction de l'arête d'une des lame-s, c'est-à-dire un faible mouvement tangentiel ou de coupe. Il~s'agit plutôt d'un mouvement de heurt frontal. Au contraire,un dispositif conforme à l'invention, qui est destiné surtout à une action de production de fibres dans le traitement de celles-ci et qui se distingue des dispositifs existants, est caractérisé par le fait que ltéquiage de lames est conçu pour un mode de travail avec un rapport de vitesses plus élevé, qui est compris entre 1,3 et 3. il se produit ainsi des mouvements tangentiels des lames e-ssentiellement en sens contraires suivant la direction d'une des arêtes, c'est-à-dire une action plus intense de déchiquetage par frottement externe et une plastification interne des fibres (production interne de fibres), qui ne demande pas l'application d'une puissance très élevée. Une autre caractéristique qui différentie les équipages de lames existants de ceux conçus conformément à l'invention est que l'angle ss du vecteur V de la vitesse périphérique du rotor et du vecteur V, c'est-à-dire de l'arête de la lame du rotor, est très aigu. Cet angle est compris entre O et 450, de préfé rence entre 10 et 200. On obtient ainsi un faible effet d'écopage de l'équipage de lames et par conséquent une faible valeur de la puissance réactive du broyeur, ceci même pour des vitesses de rotation relativement élevées, par exemple de 1.500 t/min pour un diamètre d'équipage de lames de 500 mm.D'autre part, le temps de séjour des fibres dans l'équipage de lames est augmenté, les fibres disposent d'un parcours de passage plus long, ce qui augmente aussi le nombre, par passage, de contacts entre les fibres et les arêtes et surfaces de lames, l'action de broyage et le déchiquetage des fibres augmente donc et le traitement de celles-ci est plus régulier, do fait que par suite de l'allonge- ment du temps de séjour des fibres, celles-ci ont moins de chance de traverser le broyeur sans être traitées. Un dispositif conforme à l'invention, qui convient particulièrement bien à fournir une action de raccourcissement, c'està-dire une action de subdivision transversale, importante des fibres lors du traitement de celles-ci, conserve le rapport Vr/Ws voisin de 1, comme dans les modes de réalisation connus, mais se caractérise par d'autres avantages, qui résultent de l'angle aigu précité entre la direction de la vitesse périphérique du rotor- et l'arête des lames du rotor, à savoir la faible puissance réactive consommée par la machine et par le long trajet des fibres. Une autre caractéristique nouvelle du dispositif conforme à l'invention, qui bien qu'avantageuse n' est pas essentielle en ce qui concerne le mode de construction de la machine, est la disposition des lames par groupes S situés chacun dans un secteur circulaire, ainsi qu'on le voit sur les figures 2 et 3. Dans un même secteur, les la mes, d'une manière avantageuse, sont parallèles. Les groupes de lames sont séparés, alternativement, par quelques interstices relativement étroits et par des interstices relativement larges. Les interstices entre lames parallèles d'un même groupe servent surtout à former les arêtes des lames et non a faire circuler la suspension à travers l'équipage de lames. Les figures 2 à 5 représentent divers modes de réalisation du dispositif conforme à l'invention. Les figures 2A et 2B représentent une partie d'un premier mode de réalisation d'équipage de lames conforme à l'invention, la figure 2A correspondant au rotor et la figure 23 au stator. Du fait que les lames de chaque secteur circulaire, d'angle au centre a, sont parallèles, il est avantageux, lorsqu'on utilise pour leur fabrication une technique d'usinage par enlèvement de copeaux, de subdiviser l'ensemble de l'équipage de lames en secteurs a et d'usiner chacun de ces secteurs séparément au moyen dtun groupe d'outils. Chaque secteur est alors fixé séparément sur un plateau ou un cône de stator ou de rotor, ceci, d'une manière avantageuse, à l'aide d'au moins deux vis, à partir de la face arrière de l'équipage de lames. Les interstices R entre secteurs servent à répartir la suspension entre les groupes de lames S et les secteurs a et leurs dimensions correspondent normalement aux dimensions des interstices M entre les divers groupes de lames S. Ces interstices M constituent les conduits principaux de répartition de la suspension au cours du passage de celle-ci à travers l'équipage de lames. Ls suspension s'écoule aussi en partie à travers les in interstices H compris entre les lames de chaque groupe S, surtout dans le cas d'un type d'équipage de lames destiné à être constitué par une pièce de fonderie et à assurer une action de raccourcissement de fibres, et de là, la pellicule de suspension qui est formée entre les lames du stator et-du rotor, se trouve complétée.La distance H entre lames d'un même groupe est de l'ordre de 0,3 à 6 mm; pour un broyeur destiné à la production de fibres, elle est avantageusement de l'ordre de 1 mm. La largeur T des lames, du fait que ce n'est pas une dimension très- importante pour l'action des lames, est aussi petite que possible, et est comprise entre 0,1 et 2,5 mm, avantageusement entre 1 et 1,5 mm. Les lames du stator et du rotor font entre elles, selon les nécessités techniques, un angle de O à 650; dans une machine de production de fibres,cet angle est avantageusement compris entre 15 et 450 selon l'emplacement où il est mesuré. Les secteurs a sont, d'une manière avantageuse, égaux entre eux. Les figures 3A et 33 représentent une partie d'un second mode de réalisation d'équipage de lames conforme à l'invention, la- figure 3A correspondant au rotor et la figure 33 au stator, dans lequel les groupes de lames S sont disposés selon des couronnes circulaires, au lieu de ltetre-selon des secteurs circulaires. Les interstices entre groupes de lames S sont formés, non par des groupes parallèles da lames,mais par des groupes inclinés les uns par rapport aux autres, la largeur de chaque interstice variant de M1 à N2. Dans chaque groupe les lames sont, d'une manière avantageuse, parallèles. Les diverses couronnes circulaires présentent,d'une manière avantageuse,des largeurs radiales V1, V2, .... V n différentes, allant en augmentant au fur et à-mesure qu'on se rapproche du centre D'une manière avantageuse, les groupes de lames S présentent la même obliquité dans chacune des couronnes circulaires correspondantes du stator et du rotor. L'interstice annulaire ~ entre groupes de lames sert en core à répartir la -suspension et sa largeur est comprise entre 3 et 15 mm, selon le dimensionnement du broyeur. Un troisième mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention consiste à disposer l'équipage de lames selon des secteurs, comme sur la figure 23, à 13 différence près que l'équipage de lames du stator comporte moins d'interstices M de circulation, ou même absolument aucun. Les interstices H entre lames sont alors avantageusement environ 50% plus grana que dans le dispositif selon la figure 2B. Selon un quatrième mode de réalisation du dispositif conforme à l-'invention, les dimensions M, Et T, S et R portées sur la figure 2A ne sont pas égales dans tout le secteur . Les figures 4A et 4B repr & ntent un cinquième mode de réalisation dans lequel les conduits M de répartition de la suspension présentent une obliquité différente de celle des lames. Cette solution présente l'avantage que même pour une direction fortement radiale des lames, les conduits de répartition M se trouvent dans une position avantageuse, en ce qui concerne l'ef- fet d'écopage et le temps de séjour de la suspension dans l'équipage de lames. Les figures 5A et 53 représentent un sixième mode dé réalisation de l'équipage de lames, dont les arêtes des lames ont la forme de courbes fermées et se présentent essentiellement sous forme d'ouvertures ou de surélévations pratiquées dans la masse de la pièce constituant le stator. Les groupes de lames S sont encore séparés par des interstices R et N destinés à répartir la suspension dans lléquipa- ge de lames. Les arêtes actives sont avantageusement de forme circulaire, et leur diamètre, d'une manière avantageuse, peut atteindre 5 mm. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour traiter des suspensions de fibres par action mécanique de lames, lesquelles sont fixées à deux supports de lames mobiles en sens contraires et forment une série de groupes de lames, dans lesquels groupes les lames présentent une disposition géométrique identique ou différente, lequel dispositif est caractérisé en ce que l'arête d'une lame ou d'un groupe de lames d'un support de lames, à l'emplacement où elle se rapproche le plus des lames ou des groupes de lames du second support de lamesforme avec celles-ci ou ceux-ci un angle aigu, compris entre O et 900, avantageusement entre 30 et 600, les arêtes des lames ou des groupes de lames du premier support de lames présentant en même temps, par rapport à la direction radiale, une inclinaison comprise entre 50 et 900, avantageusement 70 à 800, et en ce qu'au moins sur un support de lames,les lames sont disposées par groupes de telle manière que les interstices entre lames d'un groupe présentent une largeur de 0,1 à 2,5 mm ou que chaque groupe de lames forme un bloc qui, sur ses surfaces actives, comporte des ouvertures,et que des interstices sont prévus entre ces groupes de lames. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lames d'un groupe sont parallèles. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les interstices séparant les groupes de lames sont parallèles à la direction des arêtes des lames. 4. Dispositif selon la revendication 1, caracterisé en ce que les interstices séparant les groupes de lames sont inclinés par rapport à la direction des arrêtes des lames.