Brevet FR2600089A1 — publié le 19871218

PROCEDE ET DISPOSITIF DE RAFFINAGE DE PATE A PAPIER La présente invention concerne le domaine des appareils utilisés pour la fabrication du papier. Parmi les nombreuses étapes menant d'une matière initiale, généralement organique, à une feuille de papier ou de carton, on s'intéressera ici plus particulièrement à l'étampe de raffinage des pâtes à papier. Dans cette étape, on transforme une pâte initiale dite pâte brute triturée en une pâte raffinée dont les diverses caractéristiques correspondent à ce que l'on souhaite pour fabriquer un papier déterminé. Les qualités d'une pâte à papier raffinée se définissent essentiellement par des paramètres dits paramètres d > égouttabilité de la pâte qui comprennent notamment la longueur moyenne (LM) des fibres et la distribution (Sigma) de ces longueurs, le degré de fibrillation d'une fibre (OSR), le degré de rétention d'eau (WRV), la surface spécifique, le volume spécifique et le taux de buchette. La figure 1 représente de façon extrêmement schématique les aspects principaux d'un raffineur de pâte à papier. Cet appareil comprend de façon générale un stator 1 et un rotor 2 constitués de deux disques à faces parallèles en regard entre lesquels circule le fluide dans lequel est diluée la pâte à raffiner introduit par une tubulure d'entrée 3. La pâte passe entre le stator et le rotor et est extraite par une tubulure de sortie 4. Les faces en regard des disques de stator et de rotor portent des garnitures 5 et 6 dont la configuration d'ensemble a la forme d'une couronne. A titre d'exemple d'ordre de grandeur, le diamètre des stator et rotor peut varier entre 30 et 120 cm et, en fonctionnement, la distance entre les faces en regard des garnitures 5 et 6 est de l'ordre de quelques dizaines de micromètres. Les garnitures 5 et 6 sont des pièces d'usure qui sont fixées de façon amovible sur les plaques de rotor et de stator 1 et 2. Les couronnes de garnitures peuvent être fabriquées d'une seule pièce en couronne ou être constituées d'un assemblage en forme de couronne de segments d'angles d'ouverture déterminés disposés côte à côte. Chaque garniture porte des motifs géométriques se répétant périodiquement ou secteurs dont chacun comprend une configuration en relief de nervures et de rainures d'allures déterminées. Les figures 2A et 2B représentent à titre d'exemple et à -des échelles différentes une vue de face et une vue en coupe selon la ligne BB, respectivement, d'un segment de garniture classique qui, dans ce cas particulier, se confond avec un secteur. Comme le représentent ces figures, chaque secteur de garniture 5 ou.6 porte habituellement un motif de stries (nervures 8'et rainures 9) parallèles. De façon habituelle, des motifs similaires sont présents au rotor et au stator. On s'est aperçu dans l'art de la papeterie que les motifs en relief présents sur les garnitures avaient une influence fondamentale sur les paramètres d'égouttabilité de la pâte raffinée obtenue. Néanmoins, jusqu'a présent, il n'a pas été possible de prédéterminer de façon théorique la structure à donner aux motifs des garnitures pour obtenir un résultat souhaité. Tout au plus, les papetiers ont accumulé des résultats d'expérience et utilisent des procédés empiriques pour, à partir d'une pâte brute donnée, obtenir une pâte raffinée donnée. Par exemple, il a été constaté que le pas des stries, leur inclinaison, l'inclinaison relative des stries des garnitures du stator par rapport à celles du rotor, et le nombre de secteurs élémentaires (pas ou périodi cité) ont une influence sur le résultat final. Un objet de la présente invention est de prévoir une nouvelle structure de raffineur de pâte à papier telle que l'on puisse déterminer a priori notamment les caractéristiques de fibrillation et de coupe (longueur moyenne des fibres). Pour atteindre cet objet ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un raffineur de pâte à papier comprenant un ensemble de deux garnitures en vis à vis tournant l'une par rapport à l'autre et entre lesquelles passe la pâte, chaque garniture comportant des motifs en relief se répétant périodiquement selon des secteurs élémentaires semblables, chacun des motifs comprenant une configuration curviligne. La présente invention se fonde sur la découverte expérimentale et théorique que la plupart des paramètres d'égouttabilité dépendent en fait de la courbe de variation d'angle de coupe du raffineur en cours de fonctionnement. On désigne ici par angle de coupe l'angle formé à un instant donné par les nervures sur le stator avec les nervures sur le rotor du raffineur. Ainsi, quand on utilise un même nombre de secteurs au stator du rotor et que chaque secteur est constitué d'un motif élémentaire de droite, la courbe de variation d'angle de coupe a l'allure représentée en figure 3, c'est-à-dire une allure en dents de scie, le pas des dents de scie correspondant au nombre de secteurs de motifs élémentaires.On avait effectivement constaté dans l'art antérieur que la variation d'angle de coupe de motifs élémentaires rectilignes permettait d'influer sur les paramètres d'égouttabilité mais, avec des motifs rectilignes et des secteurs constants, on avait toujours une allure en dents de scie, ce qui entraîne inévitablement certaines corrélations entre les paramètres d'égouttabilité qui ne peuvent être réglés de façon indépendante. Ainsi, un aspect fondamental de la présente invention est que, pour pouvoir choisir librement des paramètres d'égouttabilité souhaités, il faut pouvoir agir sur la courbe d'angle de coupe et ne pas la limiter à une fonction en dents de scie. Pour atteindre ce résultat, la présente invention prévoit, comme cela a été annoncé précédemment, d'utiliser pour chacun des motifs élémentaires des secteurs du stator et du rotor des portions de courbe. Ainsi, la courbe d'angle de coupe en fonction du temps peut être choisie librement et l'on se libère des corrélations inévitables entre paramètres que l'on avait avec des secteurs à motifs élémentaires rectilignes sur l'un au moins des stator et rotor. L'art du papetier ou du concepteur de machine de raffinage consistera à choisir de façon appropriée les courbes de stator et de rotor pour obtenir un résultat souhaité, l'expérience montrant qu'â partir d'un choix de courbes initiales, et en modifiant seulement certains aspects de ces courbes, on arrive à modifier certains des paramètres d'égouttabilité sans modifier les autres. A titre d'exemple, selon la présente invention, on pourra choisir au rotor et au stator des courbes harmoniques conjuguées, ctest-à-dire des courbes se coupant à un angle constant choisi, cet angle restant constant au cours de la rotation. Ces courbes peuvent par exemple être des coniques. A titre d'exemple, si on choisit au stator et au rotor, pour chacun des secteurs, des reliefs ayant l'allure de courbes harmoniques conjuguées orthogonales, par exemple un jeu de paraboles et hyperboles, on arrive à fibriller la pâte pratiquement sans faire de coupe, ctest-à-dire à former des fibrilles sur chaque fibre sans modifier la longueur moyenne des fibres. Par contre, avec des courbes harmoniques conjuguées présentant entre elles un angle très faible, on arrivera à effectuer une coupe pratiquement sans fibrillation, c'est-à-dire que l'on affectera la longueur moyenne des fibres de la pâte sans affecter la fibrillation des fibres. Selon un aspect de la présente invention, on notera qu'à partir du moment où les motifs des secteurs sur le rotor et le stator sont constitués de courbes choisies pour entraîner une eertaine variation déterminée de l'angle de coupe au cours du temps, par exemple une valeur constante de l'angle de coupe dans le cas de courbes harmoniques conjuguées, ces valeurs de l'angle de coupe dépendent du centrage relatif du rotor et du stator. Ainsi, en prévoyant des moyens pour décaler l'axe de symétrie du rotor par rapport à celui du stator, on entraînera une modification des valeurs de l'angle de coupe. Ainsi, il est prévu selon la présente invention des moyens pour décaler lesdits axes de symétrie de façon réglable pour entraîner des variations de l'angle de coupe et donc des paramètres d'égouttabilité. Dans le cas de l'exemple donné précédemment-de courbes harmoniques conjuguées, selon le décalage des deux axes, on pourra privilégier l'action sur le paramètre de longueur moyenne ou sur le paramètre de fibrillation. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront repris dans la description suivante faite en relation avec les figures jointes -parmi lesquelles la figure 1 représente de façon extrêmement schématique un raffineur de pâte à papier classique les figures 2A et 2B représentent à titre d'exemple des garnitures de raffineur de pâte à papier selon l'art antérieur la figure 3 représente une courbe de variation d'angle de coupe en fonction du temps pour un raffineur classique les figures 4A et 4B représentent des allures particulière de courbes d'angle de coupe les figures 5A à 5F représentent des motifs curvilignes de secteurs de stator et de rotor superposés ; et les figures 6A et 6B représentent très schématiquement des vues en coupe et de face d'un raffineur muni de moyens de réglage de l'angle de coupe. La figure 4A représente une courbe d'angle de coupe en fonction du temps pour des courbes harmoniques conjuguées telles que celles représentées à titre d'exemple en figure 5. Comme cela a été exposé ci-dessus, dans ce cas, l'angle de coupe reste constant lors de la rotation du rotor du raffineur. La figure 4B représente un cas où l'angle de coupe varie autour d'une valeur moyenne de façon sensiblement sinusoidale. Ceci pourrait être obtenu par exemple en déformant légèrement les courbes de stator représentées en figure 5 et qui seront décrites plus en détail ci-après. Avec de telles structures, les angles de coupe pour différentes intersections de nervures du stator et du rotor ne sont pas identiques et chaque point de la courbe représente en fait une valeur moyenne d'angle de coupe. Dans les figures 5A à 5F, chacune des courbes 10 d'un premier réseau de courbes indique les lignes médianes des nervures d'une portion de garniture de stator et chacune des courbes ll d'un deuxième réseau de courbes indique une ligne médiane d'une nervure d'une portion de garniture de rotor, le stator et le rotor étant vus en projection sur un plan parallèle à chacun d'eux. Ces figures ne prétendent pas représenter toute la largeur ni toute la hauteur d'un secteur mais sont seulement destinées à illustrer un aspect de la présente invention. Dans le cas des figures 5A à 5F, le réseau de courbes (nervures) 10 d'un secteur du stator est constitué d'hyperboles équilatères et le réseau de courbes (nervures) 11 du rotor est constitué de portions de paraboles. La bissectrice (12) des asymptotes (13, 14) des hyperboles du stator passe par l'axe de rotation (non représenté) du stator ; et l'axe de symétrie des paraboles du rotor est confondu avec l'une des asymptotes (14, 15) des hyperboles du stator, pour la position particulière du stator par rapport au rotor illustrée en figure 5A. On voit en figure 5A que dans ce cas chacune des nervures du rotor coupe toutes les nervures du stator à angle droit. Les figures 5B, 5C et 5D illustrent des positions relatives successives des nervures du rotor par rapport à celles du stator quand le rotor a tourné. On notera que l'orthogonalité des nervures du rotor par rapport à celles du stator est maintenue. Bien entendu, il ne s'agit la que d'un exemple très particulier et de nombreuses autres dispositions de courbes harmoniques conjuguées peuvent être prévues avec des angles constants d'intersection entre les nervures du rotor et celles du stator. En figures SE et 5F, on a représenté côte à côte sur une même planche, d'une part, en figure 5E une configuration correspondant à celle des figures 5A à 5D et, d'autre part, en figure 5F la modification de cette configuration quand l'axe de rotation du rotor, qui dans le cas précédent était confondu avec l'axe de symétrie du stator, est décalé par rapport à celui-ci. En ce cas, on passera d'une courbe de variation d'angle de coupe telle que celle de la figure 5A å une courbe telle que celle de la figure 5B avec une valeur moyenne d'angle de coupe différente, ce qui entraîne une action différente sur les paramètres d'égouttabilité. Les figures 6A et 6B représentent un raffineur selon l'invention comprenant un système de réglage d'angle de coupe. En figure 6A, on a représenté, en coupe schématique, un stator 20 de raffineur portant une garniture 21. On notera que cette garniture 21, contrairement à celles décrites précédemment, a une forme de disque et non pas de douronne, ctest-à-dire qu'elle ne comporte pas d'ouverture centrale. En face du stator 20 est disposé un rotor 22 portant une garniture en couronne 23 et une ouverture 24 d'injection de pâte à raffiner. En fonctionnement, comme cela a été exposé précédemment, la distance entre les faces en regard du stator et du rotor est inférieure au dixième de millimètre. Selon un aspect de l'invention, l'ensemble du rotor (22) et son axe de rotation peuvent être déplacés mécaniquement entre les positions médiane et extrême désignées par I et II. A la position I, l'axe 25 du rotor est coaxial avec l'axe de symétrie 26 du stator tandis qutà la positions II, il en est distant de la distance a. La figure 6B représente une vue de face des garnitures de stator et de rotor dans le cas de la position 11. Le déplacement du rotor par rapport au stator pourra être réalisé de nombreuses façons en pratique. Par exemple, les paliers de l'arbre du rotor pourront être montés sur un support mobile par rapport au côté de la machine, le réglage se faisant par un système de came et une commande à servomoteur. Comme cela a été indiqué dans un cas particulier en relation avec les figures 5E et 5F, cette prévision d'une translation du rotor par rapport au stator entraîne la possibilité de modifier la courbe d'angle de coupe et donc les parametres d'égouttabilité de façon réglable. On notera qu'un avantage de l'appareil représenté en figure 6 est que, pour un jeu de garnitures donné, l'action sur les paramètres de fibrillation et de longueur moyenne peut être modifiée sélectivement. I1 en résulte une économie importante pour le papetier qui peut, avec un seul jeu de garnitures, réaliser plusieurs types de pâtes à papier raffinées distinctes, la pâte brute triturée initiale étant la même. Parmi les avantages généraux de la présente invention, on notera qu'elle permet d'introduire une économie de coût notable dans l'ensemble des étapes de fabrication d'une pâte à papier. Cette économie est liée à au moins deux causes. La première cause est que le traitement durera moins longtemps pour l'obtention d'un résultat donné, d'où il résulte une moindre consommation d'énergie. L'expérience montre aussi que la puissance consommée par degré de fibrillation (OSR) et par tonne de papier est plus faible. Une seconde cause d'économie résulte de la possibilité d'utilisation d'un plus grand nombre de pâtes différentes tout en obtenant un résultat final constant alors que, jusqu'ici, le papetier était contraint d'utiliser des pâtes brutes soigneusement sélectionnées et donc beaucoup plus chères s'il voulait obtenir des papiers de qualité constante. Bien entendu, la présente invention pourra être combinée avec les connaissances techniques déjà acquises dans le domaine du raffinage des pâtes à papier. Ainsi, en plus des enseignements de la présente invention, il est possible de continuer à utiliser, pour l'obtention d'autres résultats choisis, les enseignements empiriques de l'art antérieur. La présente invention a été exposée dans le cas d'un raffineur schématique particulier illustré en figure 1. Bien entendu, elle s'applique à d'autres types de raffineurs, par exemple des raffineurs dans lesquels le stator et le rotor sont des cones et non pas des disques plans ou encore des raffineurs à plusieurs rotors et stators. Dans ce dernier cas on pourra envisager des pièces fixes ou tournantes portant des garnitures sur leurs deux faces. REVENDICATIONS 1. Dispositif de raffinage de pâte à papier comprenant un ensemble de deux garnitures en vis à vis (1, 2) tournant l'une par rapport à l'autre et entre lesquelles passe la pâte à raffiner, chaque garniture comportant des motifs en relief (5, 6) se répétant périodiquement selon des secteurs élémentaires semblables, caractérisé en ce que, sur chacune des garnitures, les motifs élémentaires sont constitués de reliefs curvilignes. 2. Dispositif de raffinage de pâte à papier selon la revendication 1, caractérisé en ce que les reliefs curvilignes sur l'une des couronnes sont constitués de courbes harmoniques conjuguées par rapport aux reliefs sur l'autre couronne. 3. Dispositif de raffinage de pâte à papier selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites courbes harmoniques conjuguées sont orthogonales. 4. Dispositif de raffinage de pâte à papier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour décaler de façon réglable l'axe de symétrie de l'une des couronnes par rapport à l'autre, ces axes restant parallèles. 5. Dispositif de raffinage de pâte à papier selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de décalage comprennent un système mécanique de translation monté sur le support de l'une des couronnes. 6. Procédé de raffinage de pâte à papier permettant notamment d'obtenir à partir d'une pâte brute triturée une pâte raffinée présentant une longueur moyenne de fibres souhaitée avec une distribution souhaitée eh utilisant un raffineur à couronnes en vis à vis tournant l'une par rapport à l'autre entre lesquelles passe la pâte à raffiner, chaque couronne portant des motifs en relief se répétant périodiquement selon des secteurs élémentaires semblables, caractérisé en ce que les formes respectives et mutuelles des reliefs sont choisies pour fournir une courbe de variation d'angle de coupe déterminée. 7. Procédé de raffinage selon la revendication 6, caractérisé en ce que les motifs élémentaires des première et seconde couronnes sont constitués de courbes harmoniques conjuguées.