Dans le processus de production des machines à papier, différents rouleaux jouent un rôle indispensable, de l'égouttage des bandes de papier humides à la mise en forme des bandes de papier sèches. Technologie clé de la conception des rouleaux de machines à papier, la « couronne » – malgré sa légère différence géométrique apparente – détermine directement l'uniformité et la stabilité de la qualité du papier. Cet article analyse en détail la technologie de la couronne des rouleaux de machines à papier : définition, principe de fonctionnement, classification, facteurs clés de conception et maintenance, révélant ainsi son importance dans la production de papier.

1. Définition de la Couronne : une fonction significative avec des différences mineures

Le terme « couronne » (ou « couronne » en anglais) désigne spécifiquement la structure géométrique particulière des rouleaux de machine à papier dans le sens axial (longitudinal). Le diamètre de la zone médiane du corps du rouleau est légèrement supérieur à celui des zones terminales, formant un contour similaire à celui d'un tambour de ceinture. Cette différence de diamètre se mesure généralement en micromètres (μm), et la valeur de la courbure de certains grands rouleaux de presse peut même atteindre 0,1 à 0,5 mm.

L'indicateur principal pour mesurer la conception du bombé est la « valeur du bombé », calculée comme la différence entre le diamètre maximal du corps du rouleau (généralement au milieu de la direction axiale) et le diamètre des extrémités du rouleau. Concevoir le bombé implique de prérégler cette infime différence de diamètre afin de compenser la déformation du rouleau due à des facteurs tels que les forces et les variations de température en fonctionnement. Finalement, cela permet d'obtenir une répartition uniforme de la pression de contact sur toute la largeur de la surface du rouleau et de la bande de papier (ou des autres composants en contact), garantissant ainsi une qualité de papier optimale.

2. Fonctions principales de la couronne : compensation de la déformation et maintien d'une pression uniforme

Lors du fonctionnement des rouleaux de machines à papier, la déformation est inévitable en raison des charges mécaniques, des variations de température et d'autres facteurs. Sans conception bombée, cette déformation entraîne une pression de contact inégale entre la surface du rouleau et la bande de papier — « pression plus élevée aux deux extrémités et plus faible au milieu » —, ce qui entraîne directement de graves problèmes de qualité, tels qu'un grammage et un égouttage irréguliers du papier. L'intérêt principal de la conception bombée réside dans la compensation active de ces déformations, qui se traduit notamment par les aspects suivants :

2.1 Compensation de la déformation due au pliage par roulage

Lors du fonctionnement des rouleaux centraux des machines à papier, tels que les rouleaux presseurs et les rouleaux de calandre, une pression importante est exercée sur la bande de papier. Par exemple, la pression linéaire des rouleaux presseurs peut atteindre 100 à 500 kN/m. Pour les rouleaux présentant un rapport longueur/diamètre important (par exemple, la longueur des rouleaux presseurs des machines à papier grande laize peut atteindre 8 à 12 mètres), une déformation élastique, appelée flexion vers le bas, se produit au centre sous pression, similaire à une flexion des épaules sous charge. Cette déformation entraîne une pression de contact excessive entre les extrémités du rouleau et la bande de papier, tandis que la pression au centre est insuffisante. Par conséquent, la bande de papier est sur-essorée aux deux extrémités (d'où une siccité élevée et un faible grammage) et sous-essorée au centre (d'où une siccité faible et un grammage élevé).

Cependant, la structure en forme de tambour de la couronne garantit qu'après pliage du rouleau, toute sa surface reste en contact parallèle avec la bande de papier, assurant ainsi une répartition uniforme de la pression. Ceci permet de réduire efficacement les risques de qualité liés à la déformation due au pliage.

2.2 Compensation de la déformation thermique du rouleau

Certains rouleaux, tels que les rouleaux de guidage et les rouleaux de calandre de la section de séchage, subissent une dilatation thermique en fonctionnement, due au contact avec des bandes de papier à haute température et au chauffage à la vapeur. La partie centrale du corps du rouleau étant plus chauffée (les extrémités étant reliées à des paliers et dissipant la chaleur plus rapidement), sa dilatation thermique est supérieure à celle des extrémités, ce qui entraîne un « gonflement central » du corps du rouleau. Dans ce cas, l'utilisation d'une conception de bombé classique accentue la pression de contact inégale. Par conséquent, un « bomber négatif » (dont le diamètre de la partie centrale est légèrement inférieur à celui des extrémités, également appelé « bomber inversé ») doit être conçu pour compenser le gonflement supplémentaire dû à la dilatation thermique et assurer une pression de contact uniforme à la surface du rouleau.

2.3 Compensation de l'usure inégale de la surface du rouleau

Lors d'une utilisation prolongée, certains rouleaux (comme les rouleaux de presse en caoutchouc) subissent des frottements plus fréquents sur les bords de la bande de papier (car ces derniers ont tendance à contenir des impuretés), ce qui entraîne une usure plus rapide aux extrémités qu'au milieu. Sans bombage, la surface du rouleau présentera un renflement au milieu et un affaissement aux extrémités après usure, ce qui affecte la répartition de la pression. Le préréglage du bombage permet de maintenir l'uniformité du contour de la surface du rouleau dès les premiers stades d'usure, ce qui prolonge sa durée de vie et réduit les fluctuations de production dues à l'usure.

3. Classification des couronnes : choix techniques adaptés aux différentes conditions de travail

Selon le type de machine à papier (basse/haute vitesse, petite/grande largeur), la fonction du rouleau (pressage/calandrage/guidage) et les exigences du procédé, les couronnes se divisent en plusieurs types. Ces types se distinguent par leurs caractéristiques de conception, leurs méthodes de réglage et leurs applications, comme le détaille le tableau suivant :

4. Principaux facteurs d'influence dans la conception des couronnes : calcul précis pour s'adapter aux exigences de production

La valeur du bombé n'est pas fixée arbitrairement ; elle doit être calculée de manière exhaustive en fonction des paramètres du laminoir et des conditions de traitement pour garantir son bon fonctionnement. Les principaux facteurs influençant la conception du bombé sont les suivants :

4.1 Dimensions et matériau du rouleau

1. Longueur du corps du rouleau (L)Plus le corps du rouleau est long, plus la déformation en flexion est importante sous la même pression, et donc plus la valeur de bombé requise est élevée. Par exemple, les rouleaux longs des machines à papier grande largeur nécessitent une valeur de bombé plus élevée que les rouleaux courts des machines à papier étroite pour compenser la déformation.
2. Diamètre du corps du rouleau (D)Plus le diamètre du corps du rouleau est petit, plus sa rigidité est faible et plus le rouleau est susceptible de se déformer sous pression. Par conséquent, une valeur de bombé plus élevée est requise. À l'inverse, les rouleaux de plus grand diamètre présentent une rigidité plus élevée, ce qui permet de réduire la valeur de bombé en conséquence.
3. Rigidité du matériauLes différents matériaux des corps de cylindre présentent des rigidités différentes ; par exemple, les cylindres en acier sont beaucoup plus rigides que les cylindres en fonte. Les matériaux moins rigides présentent une déformation plus importante sous pression, ce qui nécessite une valeur de bombé plus élevée.

4.2 Pression de service (pression linéaire)

La pression de service (pression linéaire) des rouleaux, tels que les rouleaux de presse et les rouleaux de calandre, est un facteur important influençant la conception du bombé. Plus la pression linéaire est élevée, plus la déformation en flexion du corps du rouleau est importante, et la valeur du bombé doit être augmentée en conséquence pour compenser cette déformation. Leur relation peut être exprimée approximativement par la formule simplifiée : Valeur du bombé H ≈ (P×L³)/(48×E×I), où P est la pression linéaire, L la longueur du rouleau, E le module d'élasticité du matériau et I le moment d'inertie de la section transversale du rouleau. Par exemple, la pression linéaire des rouleaux de presse pour papier d'emballage est généralement supérieure à 300 kN/m ; la valeur du bombé correspondante doit donc être supérieure à celle des rouleaux de presse pour papier de culture, dont la pression linéaire est inférieure.

4.3 Vitesse de la machine et type de papier

1. Vitesse de la machineEn fonctionnement sur des machines à papier à grande vitesse (vitesse supérieure à 1 200 m/min), la bande de papier est beaucoup plus sensible à l'uniformité de la pression que sur des machines à faible vitesse. Même de légères variations de pression peuvent entraîner des défauts de qualité du papier. Par conséquent, les machines à papier à grande vitesse adoptent généralement un système de « couronne réglable » pour compenser en temps réel la déformation dynamique et garantir une pression stable.
2. Type de papierLes exigences en matière d'uniformité de pression varient selon le type de papier. Le papier de soie (par exemple, le papier toilette d'un grammage de 10 à 20 g/m²) présente un faible grammage et est extrêmement sensible aux variations de pression, ce qui nécessite une conception de la couronne de haute précision. En revanche, le papier épais (par exemple, le carton d'un grammage de 150 à 400 g/m²) résiste mieux aux variations de pression, ce qui permet d'abaisser les exigences de précision de la couronne.

5. Problèmes courants de couronne et entretien : inspection en temps opportun pour garantir une production stable

Une conception de couronne déraisonnable ou un entretien inadéquat affecteront directement la qualité du papier et entraîneront une série de problèmes de production. Les problèmes de couronne les plus courants et les solutions correspondantes sont les suivants :

5.1 Valeur de la couronne excessivement élevée

Une valeur de bombé excessive entraîne une pression excessive au centre de la surface du rouleau, ce qui se traduit par un faible grammage et une sécheresse importante du papier au centre. Dans les cas les plus graves, cela peut même provoquer un écrasement (rupture des fibres), affectant la résistance et l'aspect du papier.

Contre-mesuresPour les rouleaux à bombé fixe utilisés dans les machines à papier à faible vitesse, il est nécessaire de remplacer les rouleaux par des rouleaux à bombé adapté. Pour les rouleaux à bombé réglable des machines à papier à grande vitesse, la pression hydraulique ou pneumatique peut être réduite grâce au système de bombé réglable afin de réduire la bombé jusqu'à obtenir une répartition uniforme de la pression.

5.2 Valeur de la couronne excessivement faible

Une valeur de bombé trop faible entraîne une pression insuffisante au centre du rouleau, ce qui entraîne un égouttage insuffisant du papier, un faible taux de séchage, un grammage élevé et des défauts de qualité tels que des « taches humides ». De plus, cela peut également affecter l'efficacité du séchage ultérieur.

Contre-mesuresPour les rouleaux à bombé fixe, le corps du rouleau doit être retraité pour augmenter la valeur du bombé. Pour les rouleaux à bombé réglable, la pression hydraulique ou pneumatique peut être augmentée pour accroître la valeur du bombé, garantissant ainsi que la pression au centre réponde aux exigences du procédé.

5.3 Usure inégale du contour de la couronne

Après une utilisation prolongée, la surface du rouleau s'use. Si l'usure est irrégulière, le contour de la couronne se déforme et des zones irrégulières apparaissent sur la surface du rouleau. Cela entraîne des défauts tels que des rayures et des empreintes sur le papier, ce qui altère considérablement sa qualité.

Contre-mesuresInspectez régulièrement la surface du rouleau. Lorsque l'usure atteint un certain niveau, rectifiez et réparez rapidement la surface du rouleau (par exemple, réaffûtez le contour de la couronne des rouleaux en caoutchouc de la presse) afin de restaurer la forme et la taille normales de la couronne et d'éviter qu'une usure excessive n'affecte la production.

6. Conclusion

Technologie apparemment subtile mais cruciale, la couronne des rouleaux des machines à papier est essentielle pour garantir une qualité de papier uniforme. Du bombé fixe des machines à papier à faible vitesse au bombé réglable des machines à papier grande largeur à grande vitesse, le développement continu de la technologie de la couronne a toujours été axé sur l'objectif principal de « compenser la déformation et obtenir une pression uniforme », s'adaptant ainsi aux exigences des différentes conditions de fabrication du papier. Une conception judicieuse de la couronne permet non seulement de résoudre les problèmes de qualité tels que les grammages irréguliers du papier et un mauvais égouttage, mais aussi d'améliorer l'efficacité opérationnelle des machines à papier (en réduisant le nombre de casses papier) et de réduire la consommation d'énergie (en évitant le séchage excessif). C'est un support technique essentiel au développement de l'industrie papetière vers « haute qualité, haute efficacité et faible consommation d'énergie ». Dans la production de papier future, grâce à l'amélioration continue de la précision des équipements et à l'optimisation continue des processus, la technologie de la couronne gagnera en raffinement et en intelligence, contribuant ainsi davantage au développement de la qualité de l'industrie papetière.