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  Vous êtes ici : Accueil > Base de connaissances > Histoire de nos métiers > Histoire et évolution de la machine à papier > L'âge d'or et l'apogée du XXe siècle (Troisième partie) Révision : 29 avril 2005  
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Gérard COSTE - Ingénieur EFPG

Rédaction : Septembre 2004
Mise en ligne : Novembre 2004

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IV - L'âge d'or et l'apogée du XXe siècle
3 - Les nouveaux systèmes de formation de la feuille

La mise en œuvre du génie papetier, de la physique des structures fibreuses, et la construction de prototypes expérimentaux de largeur réduite tournant aux vitesses industrielles, permettent à partir de 1960, des progrès considérables en matière de productivité, de qualité et d'impact sur l’environnement. La vitesse référence de 1000 m/mn est alors atteinte puis dépassée.

Vers la fin des années 1960, sont mises au point les caisses de tête hydrauliques et les machines double toile (gap former à sabot ou à rouleau, puis la machine hybride) pour la formation et l'égouttage de la feuille à grande vitesse, présentant une meilleure symétrie des deux faces. Les premiers « Top formers » pour augmenter la productivité et la symétrie des machines à table plate sont également développés à cette époque. Le premier « Belbond® » de la firme Beloit sera installé en Australie en 1973.

L’augmentation des vitesses des machines à papiers table plate (ou fourdrinier) pour la fabrication des papiers destinés à l’impression (journal et édition) révèle inexorablement les principales limites inhérentes à ce type de formation et d’égouttage d’une feuille de papier à grande vitesse. Dans le procédé de fabrication du papier, la pâte à papier constituée de fibres cellulosiques, de charges minérales (carbonate de calcium, kaolin, talc ou dioxyde de titane) et d’adjuvants chimiques introduits pour améliorer les conditions de production et la qualité du papier, est injectée sur une toile de formation mobile sans fin. Cette pâte, propulsée par une pompe centrifuge est délivrée sous forme d’un jet, issu d’une caisse de tête, dont la vitesse est voisine de celle de la rotation de la toile. Cette toile initialement métallique (bronze ou acier inoxydable), sera progressivement remplacée par une toile plastique plus résistante et plus facile à installer. La caisse de tête doit être alimentée avec une pâte très diluée (concentration inférieure ou égale à 10 g/litre) pour éviter la re-floculation (agglomération des fibres et formation de flocs), néfaste pour la qualité du papier fabriqué. Les fibres cellulosiques et les charges minérales constituant la pâte à papier sont donc associées à une très grande quantité d’eau, de 100 à 300 litres par kg de pâte sèche. Elles doivent être réparties sur la toile de formation de façon régulière dans le temps et isotrope sur toute la laize de la machine à papier. L’eau, par gravité et par des systèmes d’aspiration, est ensuite progressivement éliminée, ce qui permet de rapprocher les fibres pour faciliter plus tard leur liaison en sécherie.

Lorsque la feuille égouttée quitte la table plate, elle ne contient approximativement que 4 kg d’eau par kg de pâte sèche. Plus de 97 % de l’eau nécessaire à la formation de la feuille est ainsi égouttée et récupérée pour être recyclée. Dans le cas de la table plate cette eau n’est éliminée que d’un coté, vers le bas, que l’on appelle le coté toile, entraînant une dissymétrie de constitution de la feuille (phénomène d’envers) dans son épaisseur, néfaste ensuite pour l’impression et la transformation de la feuille. Les principales limites liées à une formation de feuille à grande vitesse par table plate sont donc une faible capacité d'égouttage (on n’égoutte que d’un coté) et la dissymétrie des deux faces du papier. Pour remédier à ces deux inconvénients majeurs, les constructeurs de machines à papier conçoivent des machines « double toile » ou « gap former ». La pâte est injectée vers le haut dans le coin formé par deux toiles, puis est égouttée  sous l’effet de la force centrifuge d'un côté de la feuille et d’organes aspirants de l'autre côté, ce qui permet un égouttage rapide et beaucoup plus symétrique. Après quelques tâtonnements, apparaissent les premières réalisations, dont « l’Inverform® » puis le « Vertiforma® » des constructeurs américains Beloit et Black Clawson. La machine Inverform avait en fait été développée et brevetée dès 1951 par la cartonnerie St-Anne à Bristol (Angleterre) avec l'aide de Walmsley  pour fabriquer du carton, puis construite par Beloit. Compte tenu de ces premières expériences, Beloit conçoit une machine double toile gap former à sabot - le Belbaie® - présentant un grand rayon de courbure, opérationnel pour la première fois dans l’usine canadienne Quebec North Shore de Baie Commeau en 1969. Dans le même temps, Dominion Engeniering (constructeur canadien) et Voith (constructeur allemand) construisent une machine double toile gap former à rouleau (petit  rayon de courbure)  sous les marques déposées suivantes : Papriformer® pour Dominion et Duo former® pour Voith, issue des recherches effectuées au Paprican à Pointe Claire (Canada), sous la houlette de M. de Montigny.

Fonctionnement de la machine de formation double toile "Belbaie" de Beloit       Coupe de la machine de formation double toile "Belbaie" de Beloit
Figure 20 - Formation double toile « Belbaie II ® » de Beloit : gap former à sabot et à grande courbure.
67 exemplaires de ce modèle ont été livrés à l'ensemble des papetiers mondiaux entre 1972 et 1990
(schéma de principe à gauche, avec parcours de la feuille, dessin original à droite avec bacholes de récupération de l'eau blanche)
     
Figure 21 - Formation double toile « Duoformer®  type R» de Voith : gap former à rouleau et à petite courbure
(schéma de principe à gauche, avec parcours de la feuille, dessin original à droite avec bacholes de récupération de l'eau blanche)

Ces gap formers évolueront ensuite vers une machine présentant un parcours de formation en "S" pour favoriser un égouttage encore plus symétrique comme le montre la figure ci-dessous représentant le schéma de principe d'une unité installée à partir des années 2000. En cliquant sur l'image, vous obtiendrez la représentation d'une machine de ce type (nouvelle fenêtre -- 40 Ko).

Figure 22 - Principe d'une machine à papier double toile gap former moderne

L’exploitation des ces nouveaux systèmes de formation et d’égouttage de la feuille de papier montrent rapidement que les principaux défauts liés à la table plate (dissymétrie et vitesse limitée à cause d’un faible égouttage) sont effectivement supprimés, mais par contre que ces machines conduisent à une moins bonne rétention des éléments fins (fibrilles et charges) contenus dans la feuille et à une moins bonne formation (épair moins bon) qui restent encore l’apanage des machines table plate.

Le constructeur finlandais Valmet, qui a transformé en 1947 ses activités de construction navale en construction de matériel papetier, imagine au début des années 1970 une machine réunissant les qualités de la table plate (rétention et bonne formation) et celles des double toiles gap formers (symétrie des deux faces et capacité d’égouttage). Cette machine double toile hybride avec préformation sur une partie table plate pour assurer une bonne rétention et une bonne formation, suivie d’un passage dans une zone entre deux toiles est baptisée Sym former®. Valmet ayant pris du retard dans cette voie bénéficie de l’expérience déjà accumulée et sa machine s’avère rapidement comme un excellent compromis qualité/vitesse pour la fabrication de papiers pour l’impression-écriture et pour le journal. Le concept, déjà initié par Beloit et son Belbond ®, est d’ailleurs repris par tous les autres constructeurs qui proposeront par la suite ce type de machine, soit comme machine neuve, soit pour transformer à moindre frais une machine à table plate en une machine double toile. En cliquant sur l'image ci-dessous, vous obtiendrez une représentation de la machine Sym-Former de Metso Paper (nouvelle fenêtre -- 52 Ko).

Figure 23 - Principe d'une machine double toile hybride avec préformation sur table plate,
puis égouttage entre deux toiles grâce à la présence d’un top former.

Ces machines dans leur principe sont toujours utilisées de nos jours. Si les vitesses des tables plates ne peuvent guère dépasser 1000 à 1200 m/mn, celles des machines double toile hybrides plafonnent vers 1400-1500 m/mn. Pour des vitesses de fabrication supérieures à 1500 m/mn, seules les machines double toile gap former sont opérationnelles.

Figure 24 - Vue en coupe (MEB), perpendiculairement au sens marche, d'un papier produit sur une machine à table plate - Photo EFPG/Coste

Le papier présente une grande dissymétrie dans l’épaisseur entre le coté toile (en haut sur la photo) et le coté feutre (en bas sur la photo). Le coté toile est  plus poreux, dégarni en éléments fins (charges et fibrilles) et plus orienté selon le sens marche de fabrication. Le coté feutre est plus fermé et moins orienté. Cette différence de structure est à l’origine du phénomène d’envers important entre les deux faces d’un papier formé sur une table plate. Les papiers formés par ce système ont globalement une bonne formation et une bonne cohésion interne.

Figure 25 - Vue en coupe (MEB), perpendiculairement au sens marche, d'un papier formé sur une machine double toile gap former à sabot (Belbaie II de la société Beloit) – Photo EFPG/Coste

Le papier présente une bonne formation et une bonne cohésion interne. La symétrie entre les deux faces, bien que supérieure à celle obtenue sur une table plate n’est cependant pas parfaite.

Figure 26 - Vue en coupe (MEB), perpendiculairement au sens marche, d'un papier formé sur une machine gap former à rouleau (Duoformer type "R" de la société Voith) – Photo EFPG/Coste

Le papier présente une très bonne symétrie entre les deux faces. L’égouttage rapide et intense sur les deux cotés de la feuille à tendance à dégarnir les bords et surtout le milieu de la feuille de ses éléments fins, ce qui entraîne une moins bonne cohésion interne du papier. La rétention et la formation laissent souvent à désirer.

Figure 27 - Vue en coupe (MEB), perpendiculairement au sens marche, d'un papier formé sur une machine hybride (Duoformer type "F" de la société Voith) – Photo EFPG/Coste

Le papier présente une très bonne symétrie, une bonne formation et une bonne cohésion interne. Ce système de formation est un excellent compromis pour la fabrication de papiers destinés à l’impression et à l’écriture lorsque les vitesses de production ne dépassent pas 1200 m/mn et lorsque l’espace d’implantation disponible est suffisant.

Figure 28 - Vue en coupe (MEB), perpendiculairement au sens marche, d'un papier formé sur machine moderne double toile gap former avec formation en « S » pour alterner les rayons de courbure des toiles. (Optiformer de la société Metso) – Photo EFPG/Coste

Le papier présente une bonne formation et une bonne cohésion interne. La symétrie entre les deux faces, pour cette application particulière n’est cependant pas parfaite et rappelle celle obtenue sur une machine Belbaie.

Les constructeurs sont également rapidement amenés à concevoir des caisses de tête hydrauliques de faible volume pour alimenter les machines double toile très exigeantes en matière de défloculation de la pâte. Ces nouvelles caisses sont équipées de systèmes appelés générateurs de turbulences (tubes ou plaques), dissipant beaucoup d’énergie turbulente pour défloculer la pâte et la maintenir défloculée, afin d’obtenir une formation régulière de la feuille.

générateur de turbulence d'une caisse de tête   Générateur de turbulence Voith
Figure 29 - Exemples d'éléments de générateur de turbulence à tubes, d'une caisse de tête

Elles succèdent aux caisses à coussin d’air plus anciennes et plus volumineuses, comportant un interface pâte/air dans une capacité destinée à amortir les pulsations de pression provenant des circuits de pâte en amont. Cette capacité destinée aussi à mieux homogénéiser les quantités de pâte sur le sens travers de la caisse de tête, grâce à la rotation de rouleaux perforés, diminue malheureusement les vitesses de circulation de la pâte et peut de ce fait engendrer une re-floculation des fibres.

Disons pour terminer cette page que la décennie 1960 est également celle de l'introduction des systèmes de contrôle commande pour contrôler et piloter en continu les installations industrielles, avec l'aide de l'ordinateur.

Le premier système contrôle commande par calculateur dans l’industrie papetière, apparaît à la fin de l’année 1961, aux Etats Unis. Les premiers paramètres contrôlés et pilotés par calculateur sont principalement le grammage, l’humidité de la feuille, la vitesse et la production en fin de machine. Au niveau de l’égouttage et de la consolidation de la feuille, sont pris en compte les différents niveaux de vide, les tirages, les pressions de vapeur à l’entrée des cylindres sécheurs et le contrôle des pressions différentielles. Pour la caisse de tête on se focalise sur l’ouverture des lèvres, la concentration de la suspension fibreuse, la pression hydraulique dans la caisse et l’incontournable rapport vitesse jet/vitesse toile.

Au niveau de la préparation de la pâte seuls les débits, les niveaux et les concentrations de la pâte sont dans un premier temps concernés. Cette nouvelle façon de produire, va perturber les opérateurs peu enclins à la modernité et aux changements. L’industrie papetière, particulièrement en Europe, reste à la traîne pour la course au modernisme, si on la compare à d’autres secteurs tels la métallurgie, la pétrochimie ou la chimie. En août 1965 il n’y avait que 22 systèmes « contrôle commande »  installés pour l’ensemble de la papeterie mondiale, dont 15 pour les Etats Unis et seulement 2 pour le Canada. Le Royaume Uni, la Finlande, la Suède, l’Italie et la France (usine de la Cellulose du Pin) ne possédaient qu’un système. La Société IBM avec 16 systèmes se taillait la part du lion devant General Electric (3 systèmes), Westinghouse (2 systèmes) et Elliot Automation (1 système). Plusieurs fournisseurs vont ensuite se spécialiser dans ce secteur dont Honneywell, Bailey, Accuray, Measurex, Lippke, suivis par Valmet Automation, Siemens et ABB. A partir des années 1970, toutes les installations papetières neuves ou existantes, seront systématiquement équipées par ces nouvelles technologies. A ce jour, il serait inconcevable de fabriquer du papier ou de la pâte, sans ces précieux auxiliaires.

Une machine à papier moderne peut être équipée de 1500 à 2000 boucles de régulation, soit plus que sur une fusée Ariane !

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