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PROCEDE ET MACHINE POUR TRAITER LA MATIERE PREMIERE DESTINEE A LA FABRICATION
DU PANIER.
La présente invention concerne le traitement de la pâte à pa- pier ou autre matière première destinée à la fabrication du papier.
Elle a pour objet un procédé et une machine de traitement de cette matière première au moyen d'une lame à arête vive qu'on fait avancer dans la masse à traiter sur une distance suffisante pour recouvrir la lame avec une couche légère de fibres. puis on fait venir la lame en contact avec une ner- vure d'une platine comportant une arête et une surface active le long de laquel- le avance la lame. en maintenant une pression relativement légère et élastique entre la lame en mouvement et la nervure de la platine.
Pour préparer la matière première en vue de l'alimentation d'une machine à papier il convient, dans la plupart des cas, de faire subir à cette matière trois types d'action:
1) une action de mise en suspension dans l'eau (formation d'une pulpe) et de défibrage séparant les diverses fibres l'une de l'autre;
2) une action d'hydratation et de fibrillation qui brosse et effiloche les fibres en leur faisant en même temps absorber de l'eau et
3) une action de coupe qui réduit les fibres à la longueur vou- lue.
Il est nécessaire de défibrer la masse complètement dans tous les cas, mais pour fabriquer certaines sortes de papiers, on peut réduire au minimum l'action de coupe ou d'hydratation et de fibrillation et faire pré- dominer un type d'action par rapport à l'autre En réalité, l'un des tours de main de la technique de la fabrication du papier consiste à prévoir et à réa- liser le type et le degré de l'action à exercer pour fabriquer un papier pos- sédant les propriétés et caractéristiques voulues.
L'un des objets de l'invention consiste dans une machine qui est susceptible de donner une fibrillation de nature et d'intensité remarqua-
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bles en faisant ainsi acquérir à la feuille finie une résistance extraordinai- re.
D'autres objets de l9invention sont les suivants: une machine qui permet de réaliser une fibrillation de nature et d'intensité remarquables en moins de temps et avec une consommation d'éner- gie moindre que celle qui est généralement nécessaire pour exercer une action moindre; une machine qui permet de réaliser une fibrillation de nature et d'intensité remarquables en réduisant au minimum l'action simultanée de coupe des fibres, en permettant ainsi de faire acquérir à la feuille une'plus forte résistance accompagnée d'une très faible diminution de la résistance à la déchirure; une machine qui peut être facilement et rapidement réglée pour exercer une action prédominante d'hydratation et de fibrillation ou une ac- tion prédominante de coupe;
une machine dans laquelle une action de défibrage extrêmement efficace accompagne toujours la fibrillation, que la machine soit réglée pour exercer une action d'hydratation et de fibrillation ou une action de coupe; cette action de défibrage s'exerce sans augmentation sensible de la consomma- tion d'énergie nécessaire à l'hydratation, à la fibrillation et à la coupe de la masse;
enfin, une machine dans laquelle on peut faire arriver une masse brute, non défibrée et dans laquelle la masse peut être défibrée et en même temps hydratée, fibrillée et/ou coupée à volonté par l'opérateur, avec une consommation d'énergie qui ne dépasse pas celle qui serait nécessaire pour exercer une action comparable d'hydratation, de fibrillation et/ou de coupe dans la même machine, et qui est sensiblement inférieure à celle qui est nécessaire pour réaliser une action comparable d'hydratation, de fibrillation et/ou de coupe seule dans une pile raffineuse. telle qu'une pile Hollander ou une ma- chine Jordan du type antérieur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa- raîtront au cours de la description détaillée qui en est donnée ci-après avec le dessin annexé à l'appui, donné uniquement à titre d'exemple et sur le- quel, fig. 1 est une vue en plan de la machine, fig. 2 en est une coupe verticale suivant la ligne 2-2 de la fig.l, fig. 3 est une vue de face, à plus grande échelle, du rotor et de la plaque de fond, fig. 4 est une coupe verticale suivant la ligne 4-4 de la fig.
2, fig. 5 est une coupe suivant la ligne 5-5 de la fig. 4, fig. 6 est une vue de face d'un couteau, figs. 7. 8-et 9 sont des coupes du couteau suivant les lignes 7-7, 8-8 et 9-9 de la fig. 6. figs. 10, 11 et 12 sont des coupes semblables d'une variante de couteau, fig. 13 est une coupe suivant la ligne 13-13 de la fig. 2, fig. 14 est un diagramme qui représente les résultats obtenus' avec la machine en maintenant une pression constante entre les couteaux et la plaque de fond et fig. 16 est un diagramme semblable représentant les résultats . obtenus en augmentant la pression pendant le traitement de la matière première.
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Suivant le mode d'exécution représenté, la machine (à part le ré- cipient, le bac ou autre enceinte dans lequel elle est montée) est représentée en détail sur les figures 3, 4 et 5 et comporte une plaque de fond 1 et un rotor 2 portant des couteaux 3. Dans l'exemple représenté, la platine à la forme d'une couronne annulaire avec surface travaillante comportant plusieurs rainures 4 et barres ou nervures 5 alternant entre elles.
Le rotor 2 est monté sur un arbre 6 de manière à tourner avec lui. Les talons 7 des couteaux 3 sont fortement serrés sur le rotor 2 par une couronne 8 et des boulons 9 traversant ces talons et pénétrant dans le rotor.
Les couteaux se prolongent au-delà du rotor 2 et sont en contact avec les nervu- res 5 de la platine. De préférence, les arêtes antérieures des couteaux 3 vien- nent en contact avec les nervures et les rainures de la platine suivant un angle aigu et dans la forme de réalisation représentée, dans laquelle les nervures et les rainures sont dirigées à peu près radialement, les couteaux sont montés de façon que leurs arêtes antérieures croisent les nervures et les rainures suivant un angle de 10 à 30 .
Les couteaux sont construits de façon à exercer pendant la mar- che de la machine par leur mouvement par rapport à la platine une réaction hy- draulique qui les maintient en contact élastique avec cette platine. En se re- portant aux figs. 6, 7, 8 et 9, on voit que la surface inférieure de chaque cou- teau comporte un évidement 10, ne laissant subsister qu'un pied 11 relativement étroit s'étendant le long de l'arête antérieure et en contact avec les nervures de la platine. Ainsi qu'on peut le voir sur ces figures, la surface supérieure 12 du couteau, adjacente à l'arête 13, coupe la surface inférieure du pied sui- vant un angle relativement aigu, de préférence inférieurà 45 , cette valeur ayant été trouvée avantageuse pour saisir les fibres et les retenir sur l'arê- te antérieure.
De préférence, cette arête du couteau est assez vive et si le métal de la surface 12 est trempé, le couteau a tendance à s'affûter automatique- ment en service. Le reste de la surface supérieure 14 présente une courbure de grand rayon et coupe la surface 10 en formant l'arête postérieure 15 du couteau.
Le couteau est effilé vers sa pointe externe et par suite sa section transver- sale diminue progressivement, figures 7,8 et 9. Mais dans toutes les sections, la largeur du couteau est sensiblement plus grande que son épaisseur.
Les figures 10, 11 et 12 représentent une forme modifiée de couteau 3' dont l'action hydraulique est légèrement meilleure, mais qui est plus fragile et coûteuse. La forme des figures 7, 8 et 9 dérive pratiquement de la forme théoriquement plus efficace des figures 10, 11 et 12, et a pour but d'augmenter la'résistance et de diminuer le prix. Le mouvement des deux formes de couteaux par rapport à la platine exerce une réaction hydraulique . de deux natures différentes. En premier lieu, une région de pression réduite s'établit dans l'espace 16 entre la surface 10 et la platine, et a tendance à rapprocher les deux éléments et à maintenir les couteaux en contact élasti- que avec la platine. En second lieu, le mouvement des couteaux a pour effet d'exercer par la masse à traiter une pression de haut en bas sur la surface supérieure du couteau.
La combinaison de la réduction de pression sur la sur- @ face inférieure du couteau et de l'augmentation de pression sur la surface supé- rieure est particulièrement efficace au point de vue du maintien d'un contact élastique au voisinage de la pointe externe du couteau, du fait que cette poin- te est en mouvement relativement rapide, par exemple de 915 m/min ou davantage.
Il est aussi particulièrement important au voisinage de la pointe externe du couteau, que celui-ci ne soit pas complètement rigide et ait tendance à fléchir.
La combinaison des pressions hydrauliques contribue à maintenir un contact efficace sur toute la longueur du couteau.
Il convient de monter la platine et le rotor de façon à leur permettre de se déplacer l'un par rapport à l'autre suivant leur axe, et le rotor du mode de réalisation représenté est fixe dans son palier, mais la platine est mobile suivant son axe par rapport au rotor. Cette platine est donc montée sur trois barres de poussée 17, qui sont guidées par des manchons 18.
Ces barres sont réunies à un collier 19 qui, à son tour, est accouplé à trois cylindres hydrauliques 20. Ces cylindres communiquent avec une source de pres-
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sion hydraulique par des tuyaux 21'qui comportent un régulateur de pression 22 permettant de régler la pression dans les'cylindres. Une graniture en caout- chouc 23 peut être interposée entre la platine et le carter de la màchine.
Etant donné que la platine du mode de réalisation représenté est une plaque pleine (ne comportant ni fenêtres, ni trous la traversant), la pression rédui- te dans les espaces 16 au-dessous des couteaux a tendance à rapprocher la platine des couteaux et à la maintenir en contact avec eux sous une pression élastique d'une certaine valeur. On peut augmenter ou diminuer si on le dési- re cette pression en faisant varier la pression dans les cylindres 20. -
La nature de l'action de raffinage exercée sur les fibres c' est-à-dire la prépondérance de l'action d'hydratation et de fibrillation ou celle de l'action de coupe, est déterminée en premier lieu par la pression entre les couteaux et les nervures de la platine.
En général, même lorsque les cou- teaux sont à arêtes relativement vives, lorsque la pression exercée est faible ou modérée, par exemple lorsqu'on n'a recours qu'aux réactions hydrauliques @ précitées, ou lorsque ces réactions hydrauliques sont complétées par une augmen- tation modérée de la pression dans les cylindres, l'action d'hydratation'et de fibrillation est prépondérante et l'action de coupe des fibres est faible si- non nulle.
Mais, si on augmente sensiblement les pressions et même en supposant que le' tranchant des couteaux ne varie pas, l'action de coupe est prédominante..Une augmentation du tranchant des couteaux augmente naturellement dans une certai- ne mesure l'action de coupe pour une pression quelconque.
La nature de l'action de raffinage dépend, dans une mesure nota- ble, de l'intervalle entre les nervures successives de la platine. Bien entendu, plus l'intervalle entre les nervures successives est grand, plus les couteaux doivent avancer entre les contacts successifs et plus ils ont l'occasion de sai- sir des fibres. Par exemple, si l'intervalle entre les nervures successives (c'est-à-dire la largeur des rainures) est de 25,4 mm, un couteau est suscepti- ble de saisir deux fois plus de fibres que si cet intervalle est de 12,7 mm.
A la suite d'essais appronfondie et d'une observation minutieuse de la marche-des maehines suivant l'invention dans diverses conditions, on s'est convaincu quelles résultats très remarquables qui ont été enregistrés au sujet de l'extraordinaire augmentatiôn de résistance obtenue(essai à la traction et essai d'éclatement de Mu len)accompagnée d'une perte extrêmement faible de l'égouttabilité et de résistance à la déchirure, sont dus en grande partie à l'emploi d'une platine dont les nervure sont très-rapprochées.Si l'intervalle entre les nervures successives(c'est-à-dire largeur des rainures) est inférieur à 12.7 mm, on constate qu'avec une masse de la consistance ordinaire de 4% à 6%,
un couteau à tendance à ne saisir qu' une faible quantité de fibres formant plus ou moins une couche unique de fibres, mais si l'intervalle est plus grand, un tampon de fibres est susceptible de s' accumuler. Lorsque la quantité de fibres est faible, et que le couteau vient de nouveau en contact avec une nervure, les diverses fibres sont tirées sur les arêtes du couteau et leurs parois et extrémités sont arrachées et effilochées, tandis que si la quantité de fibres accumulées est suffisante pour former un tampon, il semble que certaines fibres soient protégées contre cette action d' effilochage. Dans tous les cas, on a constaté que lorsque l'intervalle entre les nervures augmente, la diminution de résistance à la déchirure est plus forte et la résistance à la traction et à l'éclatement (Mullen) augmentent plus lentement.
On préfère donc limiter l'intervalle entre les nervures à 12,7 mm ou moins, car on obtient ainsi des résultats qu'il est difficile sinon impossi- ble de reproduire dans une machine existante quelconque.
On a obtenu d'excellents résultats avec une platine dont les ner- vures sont espacées de 4,7 mm (largeur des rainures). La profondeur des rainu- res de cette platine, figs. 7 à 12, est de 6.3 mm et la largeur des nervures varie de 5,0 mm à leurs extrémités internes à 6,3 mm à leurs extrémités exter- nes. Cependant, la profondeur des rainures et la largeur des nervures ne parais- sent pas avoir une grande importance, car il semble que seule la largeur des rainures exerce une influence sur la nature des résultats de l'action exercée sur les fibres.
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Les résultats remarquables obtenus avec la machine suivant, l'invention sont indiqués sur les figs. 14 et 15 qui représentent des cour- bes tracées à la suite d'essais effectués sur la pâte à papier traitée dans cette machine.
La pâte choisie pour l'essai de la fig. 14 est une pâte blan- chie Kraft Tacoma dans l'eau à 20 C avec une consistance de 4,5%. La charge totale de pâte a été introduite dans la machine sous forme de feuilles séchées à l'air au commencement de l'essai. Des échantillons ont été prélevés à inter- valles réguliers et essayés par les procédés normalisés en usage. Les résul- tats sont portés en fonction du nombre de CV par tonne et par jour.
Au cours de l'essai, la pression entre les couteaux et la pla- tine est restée constante et relativement faible, en ne complétant que légè- rement la pression due à la réaction hydraulique des couteaux par la pression exercée par les cylindres hydrauliques. Pendant la marche de la machine, la masse a été défibrée ainsi qu'hydratée et fibrillée mais en raison de la fai- ble pression entre les couteaux et la platine, Inaction de coupe a été très faible.
Les courbes font apparaître une augmentation modérée mais continue de la résis- tance Mullen qui continuait à augmenter à 35 CV par tonne et par jour au moment où l'essai a été interrompu. Cette augmentation s'est accompagnée d'une rapide augmentation de la résistance à la déchirure jusqu9à environ 12 CV par tonne et par jour, suivie d'une diminution relativement lente de cette résistance.
En même temps, on a observé une diminution progressive et relativement lente de l'égouttabilité.
En générale un fabricant de papier interrompt le traitement bien avant 35 CV par tonne et par jour et les résultats qui ressortent de ces cour- bes indiquent que pour une résistance Mullen donnée nécessaire, la résistance à la déchirure de la masse traitée dans la machine suivant l'invention est, dans presque tous les cas, plus forte et la diminution de l'égouttabilité plus, faible que celle de la même masse traitée dans une machine normale, telle qu' une pile Hollander ou une machine Jordan pour obtenir la même résistance Mul- len.
Par exemple, une masse semblable traitée dans une pile Hollander en vue d'obtenir une résistance Mullen de 80% (obtenue dans la machine suivant l'in- vention avec 15 CV par tonne et par jour) possède une résistance à la déchirure plus faible et la diminution de l'égouttabilité est plus grande que celles qui ont été enregistrées.
La pâte choisie pour l'essai de la fig. 15 est une pâte au sul- fite blanchie normale de Weyerhaenser dans l'eau à 15 C et d'une consistance de 5%. Comme précédemmentla charge entièrement a été introduite dans la machine au commencement de l'essai sous forme de feuilles séchées à l'air.
Des échantillons ont été prélevées et les résultats des essais portés de la même manière que ci-dessus.
Au cours de cet esssai, on a notablement augmenté la pression entre les couteaux et la platine jusqu'à environ 9,5 CV par tonne et par jour, en augmentant la presssion externe exercée par les cylindres hydrauliques d' environ 0,4 kg/cm2 à environ 3,51 kg/cm2 à ce moment. Les courbes font appa- raitre l'effet produit par cette augmentation de pression. La courbe de résis- tance à la traction se dirige vers le haut très brusquement de même que la cour- be Mullen, mais moins brusquement. Par contre, les courbes de résistance à la déchirure et de l'égouttabilité qui avaient tendance à devenir horizontales à 9,5 CV par tonne et par jour, se dirigent de nouveau vers le bas.
L'essai a été interrompu à 25 CV par tonne et par jours mais les propriétés qui ressor- tent de ces courbes entre 10 et 25 CV par tonne et par jour sont très remarqua- bles en ce qui concerne les résistances à la traction et Mullen et les valeurs qui les accompagnent de la résistance à la déchirure et de l'égouttabilité.
On cherche souvent,à obtenir ces propriétés, mais on y arrive rarement. On suppose qu'elles sont dues dans une large mesure à la nature et au degré de fibrillation remarquables qu'on obtient en employant comme d'habitude une ma- chine quelconque à couteaux à arêtes relativement vives.
Mais pour fabriquer certains types de papiers, il est parfois
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nécessaire de réaliser une hydratation plus forte et une fibrillation moin- dre. On peut arriver à ce résultat dans la machine suivant l'invention, sim- plement au moyen de couteaux dont l'arête en-mouvement est émoussée au lien d'être vive. Il 7 a alors moins de tendance à la fibrillation et pins de tendance à l'écrasement des fibres. Mais, de préférence, on équipe et on rè- gle la machine de la manière décrite ci-dessus.
L'importance de ces résultats augmente encore du fait qu'au cours des essais, on a fait arriver la pâte sous forme de feuilles séchées à l'air.
En général, le traitement de défibrage de la masse qui est nécessaire en vue du traitement de raffinage exige une consommation supplémentaire d'environ 2 à 5 CV par tonne et par jour, tandis que dans la machine suivant l'invention, le défibrage s'effectue en même temps que le raffinage.
L'action de défibrage de la machine suivant l'invention est extrêmement efficace quoique sa nature exacte ne soit pas complètement connue.
On suppose qu'elle est due à une combinaison entre les forces mécaniques et hydrauliques agissant sur les fibres. Il n'est pas douteux qu'un certain degré de défibrage résulte de l'action mécanique directe exercée par les couteaux venant en contact avec la platine. De plus, il existe une zone de très forte turbulance dans les espaces 16 au-dessous des couteaux et il est probable que cette turbulence exerce une action combinée de défibrage hydraulique et mécanique On pourrait l'intensifier sans doute par une zone de turbulence située immédia- tement en arrière du bord postérieur 15 de chaque couteau et dans laquelle on pourrait escompter une action de défibrage hydraulique.
Il suffira de dire que l'action de défibrage hydraulique est suffisamment rapide et efficace pour être terminée avant que l'action de raffinage nécessaire soit terminée et sans augmentation appréciable de la consommation d'énergie. C'est-à-dire que les résultats obtenus après consommation d'une quantité d'énergie donnée sont sen- siblement les mêmes, que la pâte arrive sous forme de feuilles séchées à l' air ou sous forme défibrée en partie ou en totalité
Dans le mode d'exécution préféré décrit ci-dessus, le groupe est monté dans un bac dans lequel on peut introduire la pâte brute, car on peut réaliser des économies importantes, non seulement d'énergie, mais encore de temps, en permettant aux opérations de défibrage et de raffinage de s'ef- fectuer simultanément.
La machine, y compris le palier 25 de l'arbre 6 et les cylindres hydrauliques 20, tous deux réunis à la plaque 26, est donc montée sur la paroi latérale plane 27 du bac 28, la platine et les couteaux étant directement en contact avec le contenu du bac.
Le contour du bac a une forme pseudo-cylindrique, dont la paroi latérale plane 27 est tangente à une portion de paroi courbe 29 qui se raccor- de avec une autre portion de paroi courbe 30 de rayon un peu plus grand. Celle- ci vient rencontrer la paroi 27 et forme avec elle un angle 31. Le groupe est monté au voisinage de cet angle.
Le mouvement de rotation du rotor a pour effet de refouler la masse en traitement dans toutes les directions à partir de l'axe de rotation et pour régler le refoulement et réaliser une circulation appropriée de cette masse dans le bac, le rotor est entouré en partie par un carter 32, de pré- férence en forme de spirale, qui arrête et renvoie la masse refoulée par une portion du rotor, de façon à lui faire suivre la direction générale de la masse refoulée par le reste du rotor. La circulation ainsi obtenue est indi- quée approximativement par les flèches des figures 1 et 2. Une portion de la masse peut se diriger à peu près verticalement de bas en haut, ainsi qu'il ; est indiqué, puis est arrêtée et renvoyée par une paroi 33 de façon à contri- buer à noyer les éléments de la masse ayant tendance à flotter à la surface.
La portion inférieure 34 du carter 32 peut comporter des ouvertures .35 (fig.
13) par lesquelles on peut faire sortir la masse finie. La portion externe du. carter 32 est entourée par une enveloppe externé 36 comportant un point bas. ¯ 37 et un orifice de sortie 38. -
Si on le désire, on peut accentuer l'action de circulation exer- cée par le rotor en montant sur la couronne 8 une série d'ailettes 39, incli-
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nées par rapport au rayon, ainsi qu'on peut le voir, de façon à contribuer au déchargement des couteaux vers la périphérieo Une ailette 40 montée sur l'arbre 6 peut aussi contribuer à assurer la circulation et, en particulier, à désagréger les amas de pâte autour du centre du rotor.
Ces ailettes con- tribuent au défibrage de la masse non défibrée, mais n'exercent pas d'influ- ence appréciable au point de vue de la fibrillation ou du raccourcissement des fibres.
En fonctionnement normal, on introduit la quantité voulue d'eau, puis la quantité nécessaire de pâte pour obtenir la consistance qu'on désire.
Dans la plupart des cas, cette consistance est comprise entre 4 et 6%. L'un des avantages de la machine consiste dans la possibilité d'y introduire la charge entière de pâte sèche en une seule fois. On peut introduire des bal- les entières de pâte sèche sans en séparer les diverses feuilles ou lambeaux.
Le mode de fonctionnement le plus avantageux, lorsqu'on désire obtenir une résistance aussi forte que possible, consiste à faire fonctionner la machine en exerçant par les couteaux d'abord une pression relativement faible sur la platine. Puisa en un point qui est déterminé par les propriétés qu'on désire obtenir,on augmente cette pression,, pour exercer une action de coupe suffi- sante pour que la feuille se forme dans ces conditions satisfaisantes.
Naturellement, l'invention n'est nullement limitée au mode d'exécution représenté et décrit qui n'a été choisi qu'à titre d'exemple.