Dans le processus de production des machines à papier, les différents rouleaux jouent un rôle indispensable, de l'essorage des feuilles de papier humides à la mise en place des feuilles sèches. Le bombage, élément clé de la conception des rouleaux de machines à papier, détermine directement l'uniformité et la stabilité de la qualité du papier, malgré une différence géométrique apparemment minime. Cet article analyse en détail la technologie du bombage des rouleaux de machines à papier : définition, principe de fonctionnement, classification, principaux facteurs influençant la conception et maintenance. Il met ainsi en lumière son importance capitale dans la production de papier.

1. Définition de la couronne : Fonction significative dans les différences mineures

Le terme « couronne » désigne une structure géométrique particulière des rouleaux de machines à papier, orientée dans le sens axial (longueur). Le diamètre de la partie centrale du rouleau est légèrement supérieur à celui des extrémités, formant un contour semblable à celui d'un tambour. Cette différence de diamètre se mesure généralement en micromètres (μm), et 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 bombage est la « valeur de bombage », calculée comme la différence entre le diamètre maximal du corps du rouleau (généralement au milieu de son axe) et le diamètre de ses extrémités. Concrètement, la conception du bombage consiste à ajuster cette légère différence de diamètre afin de compenser la déformation du rouleau au centre, causée par des facteurs tels que les variations de force et de température en cours de fonctionnement. Elle permet ainsi d'obtenir une répartition uniforme de la pression de contact sur toute la largeur du rouleau et de la bande de papier (ou 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 d'une machine à papier, une déformation est inévitable sous l'effet des contraintes 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 feuille de papier – une pression plus élevée aux extrémités et plus faible au centre – ce qui provoque directement de graves problèmes de qualité, tels qu'un grammage irrégulier et un essorage inégal du papier. L'intérêt principal de la conception bombée réside dans la compensation active de ces déformations, ce qui se traduit notamment par les aspects suivants :

2.1 Compensation de la déformation due au pliage par laminage

Lors du fonctionnement des cylindres de mandrin des machines à papier, tels que les cylindres de presse et de calandrage, une pression importante est exercée sur la bande de papier. Par exemple, la pression linéaire des cylindres de presse peut atteindre 100 à 500 kN/m. Pour les cylindres présentant un rapport longueur/diamètre élevé (par exemple, la longueur des cylindres de presse des machines à papier grand format peut atteindre 8 à 12 mètres), une déformation élastique par flexion vers le bas se produit au centre sous la pression, similaire à la flexion d'un poteau sous charge. Cette déformation engendre une pression de contact excessive entre les extrémités du cylindre et la bande de papier, tandis que la pression au centre est insuffisante. Par conséquent, la bande de papier est trop déshydratée aux extrémités (entraînant une humidité élevée et un faible grammage) et pas assez déshydratée au centre (entraînant une humidité faible et un grammage élevé).

Cependant, la structure en forme de tambour de la couronne garantit qu'après le cintrage 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 pallier efficacement les risques de qualité liés aux déformations dues au cintrage.

2.2 Compensation de la déformation thermique du laminage

Certains rouleaux, tels que les rouleaux de guidage et les rouleaux de calandrage de la section de séchage, subissent une dilatation thermique en fonctionnement due au contact avec les bandes de papier à haute température et au chauffage à la vapeur. La partie centrale du rouleau étant plus chaude (les extrémités, reliées à des paliers, dissipent la chaleur plus rapidement), sa dilatation thermique est supérieure à celle des extrémités, ce qui entraîne un renflement central. Dans ce cas, l'utilisation d'une conception de bombage classique accentuerait le déséquilibre de la pression de contact. Il est donc nécessaire de concevoir un bombage négatif (dont le diamètre de la partie centrale est légèrement inférieur à celui des extrémités, également appelé bombage inversé) afin de compenser le renflement supplémentaire dû à la dilatation thermique et d'assurer une pression de contact uniforme sur la surface du rouleau.

2.3 Compensation de l'usure irrégulière de la surface des rouleaux

Lors d'une utilisation prolongée, certains rouleaux (comme les rouleaux en caoutchouc de presse) subissent un frottement plus fréquent sur les bords de la bande de papier (ces bords ayant tendance à retenir les impuretés), ce qui entraîne une usure plus rapide aux extrémités qu'au centre. Sans bombage, la surface du rouleau présente un renflement au centre 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 profil de la surface du rouleau dès les premiers signes d'usure, prolongeant ainsi sa durée de vie et réduisant les fluctuations de production dues à l'usure.

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

En fonction du type de machine à papier (basse vitesse/haute vitesse, largeur étroite/large largeur), de la fonction du rouleau (pressage/calandrage/guidage) et des exigences de traitement, on distingue différents types de couronnes. Ces différents types se caractérisent par des différences de conception, de méthodes de réglage et de scénarios d'application, comme indiqué dans le tableau suivant :

4. Facteurs clés influençant la conception des couronnes : calculs précis pour s’adapter aux exigences de production

La valeur de la couronne n'est pas fixée arbitrairement ; elle doit être calculée de manière exhaustive en fonction des paramètres des cylindres et des conditions de traitement afin d'assurer son bon fonctionnement. Les principaux facteurs influençant la conception de la couronne 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 par flexion est importante sous une même pression, et donc plus le bombage requis est élevé. Par exemple, les longs rouleaux utilisés dans les machines à papier grand format nécessitent un bombage plus important que les rouleaux courts utilisés dans les machines à papier petit format afin de compenser la déformation.
2. Diamètre du corps du rouleau (D)Plus le diamètre du corps du cylindre est petit, plus sa rigidité est faible et plus il est susceptible de se déformer sous pression. Par conséquent, un bombage plus important est nécessaire. Inversement, les cylindres de plus grand diamètre sont plus rigides et leur bombage peut être réduit en conséquence.
3. Rigidité du matériauLes matériaux utilisés pour la fabrication des cylindres de coupe présentent des rigidités différentes ; par exemple, les cylindres en acier sont beaucoup plus rigides que ceux en fonte. Les matériaux moins rigides se déforment davantage sous la pression, ce qui nécessite une valeur de bombage plus élevée.

4.2 Pression de service (pression linéaire)

La pression de service (pression linéaire) des rouleaux, tels que les rouleaux de presse et de calandrage, est un facteur important influençant la conception du bombage. Plus la pression linéaire est élevée, plus la déformation par flexion du corps du rouleau est importante, et la valeur du bombage doit être augmentée en conséquence pour compenser cette déformation. Leur relation peut être exprimée approximativement par la formule simplifiée suivante : Valeur du bombage 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 bombage correspondante doit donc être plus élevée que celle des rouleaux de presse pour papier culturel, soumis à une pression linéaire plus faible.

4.3 Vitesse de la machine et type de papier

1. Vitesse de la machineLors du fonctionnement des machines à papier à grande vitesse (vitesse > 1200 m/min), la bande de papier est beaucoup plus sensible à l'uniformité de la pression que sur les machines à basse vitesse. Même de légères fluctuations de pression peuvent entraîner des défauts de qualité. C'est pourquoi les machines à papier à grande vitesse utilisent généralement un système de bombage contrôlable afin de compenser en temps réel les déformations dynamiques et de garantir une pression stable.
2. Type de papierLes exigences en matière d'uniformité de la 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) a un faible grammage et est extrêmement sensible aux variations de pression, ce qui exige 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 de réduire les exigences en matière de précision de la couronne.

5. Problèmes courants liés à la couronne et à son entretien : une inspection régulière pour garantir une production stable

Une conception inadéquate de la couronne ou un entretien insuffisant affectent directement la qualité du papier et entraînent une série de problèmes de production. Voici les problèmes de couronne les plus courants et les solutions correspondantes :

5.1 Valeur de la couronne excessivement élevée

Une valeur de couronnement excessive engendre une pression excessive au centre de la surface du rouleau, ce qui se traduit par un faible grammage et une forte sécheresse 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 bombage fixe utilisés dans les machines à papier à basse vitesse, il est nécessaire de les remplacer par des rouleaux de bombage approprié. Pour les rouleaux à bombage variable des machines à papier à haute vitesse, la pression hydraulique ou pneumatique peut être réduite grâce au système de bombage variable afin de diminuer le bombage jusqu'à obtenir une répartition uniforme de la pression.

5.2 Valeur de la couronne excessivement faible

Une valeur de couronnement trop faible entraîne une pression insuffisante au centre de la surface du rouleau, ce qui provoque un essorage inadéquat du papier au centre, un faible taux de séchage, un grammage élevé et des défauts de qualité tels que des points humides. Par ailleurs, cela peut également affecter l'efficacité du processus de séchage ultérieur.

Contre-mesuresPour les cylindres à bombage fixe, le corps du cylindre doit être retraité afin d'augmenter le bombage. Pour les cylindres à bombage variable, la pression hydraulique ou pneumatique peut être augmentée pour accroître le bombage, à condition que la pression au centre réponde aux exigences du procédé.

5.3 Usure irrégulière du contour de la couronne

Après une utilisation prolongée, la surface du rouleau s'use. Si cette usure est irrégulière, le profil du rouleau se déforme et des irrégularités apparaissent. Ceci engendre des défauts tels que des stries et des creux sur le papier, altérant fortement son aspect.

Contre-mesuresInspectez régulièrement la surface des rouleaux. Lorsque l'usure atteint un certain niveau, procédez sans délai à la rectification et à la réparation de la surface (par exemple, rectifiez le profil bombé des rouleaux en caoutchouc de presse) afin de rétablir la forme et la taille normales du bombage et d'éviter qu'une usure excessive n'affecte la production.

6. Conclusion

Technologie apparemment subtile mais pourtant cruciale, le bombage des rouleaux de machines à papier est essentiel pour garantir une qualité de papier uniforme. Du bombage fixe des machines à basse vitesse au bombage réglable des machines à grande vitesse et à large largeur, le développement continu de cette technologie s'est toujours concentré sur l'objectif principal de « compenser la déformation et d'obtenir une pression uniforme », en s'adaptant aux exigences des différentes conditions de production. Une conception judicieuse du bombage permet non seulement de résoudre les problèmes de qualité tels que l'irrégularité du grammage et un essorage insuffisant, mais aussi d'améliorer l'efficacité des machines (en réduisant les ruptures de papier) et la consommation d'énergie (en évitant le surséchage). Elle constitue un support technique indispensable au développement de l'industrie papetière vers une production « haute qualité, haute efficacité et faible consommation d'énergie ». Dans la production papetière future, grâce à l'amélioration continue de la précision des équipements et à l'optimisation constante des procédés, la technologie du bombage deviendra plus sophistiquée et intelligente, contribuant ainsi davantage au développement de l'industrie papetière de haute qualité.