Castolin Eutectic : les solutions anti-usure réduisent les temps d'arrêt et augmentent l’efficacité énergétique
Depuis 1906, Castolin Eutectic développe et applique des solutions anti-usure innovantes pour toutes les phases des processus de fabrication, depuis le parc à bois jusqu'aux services de l'usine.
L'usure des composants vitaux des machines constitue un problème important pour l'industrie de la pâte à papier et du papier. Elle entraîne des coûts supplémentaires liés aux réparations, le remplacement et la maintenance continue, ainsi que des coûts des pertes de production.
Martin Kirchgassner, Vice-Président et CTO de Castolin Eutectic, explique comment la maintenance préventive et les réparations basées sur les technologies avancées de revêtement anti-usure peuvent prolonger la durée de vie des équipements critiques.
Les équipements de fabrication de la pâte et du papier sont soumis à différents types d'usures tels que l'abrasion, le choc, l'érosion, la fatigue, la corrosion, la haute température et leurs combinaisons. Cette approche fait partie intégrante de cette philosophie pionnière de la durabilité industrielle, lorsque les équipements critiques fonctionnent de manière optimale, la consommation énergétique est moindre. Par conséquent, la protection contre l'usure peut non seulement aider les opérateurs des papeteries à accroître leur productivité, mais aussi à améliorer leur efficacité énergétique et à réduire leur empreinte CO2.
Cet article présente les avantages pratiques de la protection contre l'usure dans les processus clés tout au long du processus de production de la pâte et du papier.
Système de convoyeur de bois
Les pignons de la chaîne de convoyage sont des éléments clé du système de convoyage dans les parcs à bois. Les dents du pignon sont soumises à des niveaux élevés d'usure par l'écorce détachée, les encrassements et le sable. Les temps d'arrêt du convoyeur sont très coûteux car la production de copeaux est stoppée. En renforçant les dents avec deux couches différentes de fil de soudure, une couche de base sélectionnée pour sa résistance aux impacts tandis que la couche supérieure offre une résistance à l'abrasion, l'usure sera considérablement réduite. Toutefois, il est important de veiller à ce que le rechargement soit plus tendre que la chaîne pour éviter l'usure prématurée de celle-ci. Cette solution peut prolonger de 200 % la durée de vie de ces pignons.
Les maillons de la chaîne eux-mêmes s'usent sur le dessus à cause de l'abrasion, ce qui provoque le glissement des billets sur le convoyeur. C'est bien pire en hiver lorsqu'il y a du gel et de la glace sur les grumes. On peut remédier à ce problème en revêtant chaque maillon d'un alliage fusible qui contient des grains de carbure de tungstène de taille grossière avec de la poudre d’un alliage base nickel. En résultat est obtenu un revêtement dur et résistant à l'usure qui est idéal lorsqu'une surface antidérapante est requise. Cette solution est connue pour durer plus de cinq ans sans aucun signe d'usure ou de manque de traction.
Écorçage
L'écorçage des grumes est nécessaire pour garantir que les copeaux de bois seront exempts d'écorce et de saleté. Plusieurs types d'écorceuses mécaniques ou hydrauliques sont utilisées. L'écorceuse à anneau est utilisée sur des grumes individuelles, généralement dans le parc à bois, car elle est portable. L'écorceuse à tambour est le type le plus courant d'écorceuse mécanique et est disponible dans un certain nombre de variantes de conception.
Les bras de l'écorceuse annulaire subissent une usure abrasive importante sous haute pression. Les solutions précédentes amélioraient la durée de vie en utilisant des segments brasés en carbure, mais elles se sont avérées peu fiables, avec une durée de vie très courte de trois jours. Une résistance élevée à la découpe sous pression a été obtenue en appliquant deux couches de rechargement protecteur, dont un revêtement dur final. Une durée de vie fiable de trois mois est désormais possible.
Déchiquetage écorce
Les industries du bois et du papier utilisent l'écorce et les déchets de bois issus de l'écorçage de plusieurs façons. Les scieries utilisent ce matériau comme combustible pour produire de la vapeur d’eau afin de faire fonctionner des séchoirs pour sécher le bois vert. D'autres mettent en place des usines de paillage d'écorce pour traiter et emballer les déchets afin de les utiliser pour l'horticulture ainsi que comme matériau de remplissage dans les panneaux de construction. Les papeteries traitent l'écorce et l'utilisent dans des chaudières à écorce pour produire la vapeur pour l'usine. La préparation de l'écorce utilise des marteaux, des convoyeurs, des vis d'alimentation et des ventilateurs. Tous ces équipements sont soumis à l'usure due à l'action abrasive de l'écorce et des déchets de bois.
Certains sites utilisent des broyeurs à griffes, où les pointes des marteaux subissent la majeure partie de l'usure due à l’abrasion de l'écorce du bois. Les matières étrangères comme les clous, les fils métalliques, etc. provoquent une usure supplémentaire. Reconstruire les pointes par soudage et un revêtement en poudre fusionnée peut augmenter la durée de vie des pointes de plus de 100 %.
D'autres installations équipées de broyeurs d'écorce connaissent une usure rapide de la bande d'éjection installée à la sortie. Son usure rapide fait suite à la forte abrasion et l'érosion. Dans un cas, le remplacement de la plaque d'origine fabriquée en acier résistant à l'usure par une solution CDP® (CastoDur Diamond Plate) à base de matériaux composites bimétalliques a permis d'augmenter la durée de vie de 200 %.
Déchiquetage
Après l'écorçage, les grumes sont réduites en copeaux adaptés aux opérations de trituration ultérieures. Plusieurs modèles de déchiqueteurs sont utilisés, le plus courant étant le disque à volant d'inertie avec une série de lames montées radialement le long de la face. Les déchiqueteurs fonctionnent à des cycles de service élevés et sont soumis à une forte usure abrasive de la part des grumes.
Le déchiqueteur à disque primaire dans le parc à bois exige un programme d'entretien très complet et efficace en raison des cycles de fonctionnement prolongés. Les couteaux du broyeur et la zone située immédiatement derrière eux subissent une usure importante. La friction de glissement et l'abrasion des bûches usent la face des couteaux. Il en résulte une taille de copeaux de bois plus importante qui nécessite un nouveau déchiquetage et donc une consommation d'énergie plus importante. La plupart des usines utilisent des pièces de déchiqueteuses reconstruites provenant du fabricant de déchiqueteuses ou d'un atelier indépendant.
Sur un site, des problèmes ont été rencontrés avec le bec d'alimentation des billets du broyeur qui à la fois guide et maintient les grumes pendant l'opération de coupe. L'original avait été revêtu en usine d'un alliage de cobalt mais a dû être mis au rebut après un an de fonctionnement. Maintenant, grâce à un revêtement préventif de recouvrement des soudures, la durée de vie est passée à trois ans. Un alliage "plus souple" a été choisi car l'opérateur craignait qu'un revêtement dur et cassant ne se détache et ne pénètre dans le broyeur.
Transfert des copeaux et cyclones
Dans les broyeurs, les copeaux sont généralement transportés par voie pneumatique dans des tuyaux ou sur des bandes transporteuses. D'autres systèmes tels que les convoyeurs à chaîne et à vis sont également utilisés pour déplacer les copeaux, mais généralement sur des distances relativement courtes.
Dans un cas, une forte érosion a été constatée sur un tube de levage situé à la sortie du broyeur vers le cyclone. Bien que de l'acier résistant à l'usure ait été utilisé, un client avait constaté que l'unité s'était brisée prématurément. Un remplacement a été fabriqué à partir du neuf en utilisant une plaque d'usure CDP. Les bords latéraux extérieurs ont été renforcés par un profilé en fer et soudés avec un fil spécialement sélectionné. Les joints de soudure internes ont également été renforcés avec du fil de rechargement. Le résultat a été une augmentation de 400% de la durée de vie.
Les rotors de ventilateur souffrent également d'une usure érosive importante due au mélange de bois, de sable et de poussière dans le flux d'air. Cela entraîne un temps d'arrêt coûteux pour chaque réparation, car il faut le démonter avec une grue. Pour une réparation, où l'usure s'est avérée très localisée, des bandes de plaques d'usure CDP sur mesure ont été découpées et formées pour s'adapter. Elles ont ensuite été soudées rapidement et facilement au ventilateur. Les joints ont été recouverts d'un rechargement. Après deux ans, aucun signe d'usure n'était apparu, ce qui confirme une augmentation très significative de la durée de vie du ventilateur.
Une usure par érosion considérable se produit également dans les cyclones qui séparent l'air du bois et de la sciure. Pour remédier à ce problème sur un site, un cyclone complet a été fabriqué à partir d'une plaque d'usure CDP, les pièces étant découpées au plasma et formées au petit diamètre. Les joints ont été soudés avec des électrodes spécialement sélectionnées et le cordon de soudure a été protégé par un revêtement rechargé. Le résultat a été une durée de vie multipliée par cinq par rapport à l'original fabriqué en acier anti-usure.
Tamisage et stockage
Les copeaux de taille acceptable doivent être isolés des pièces sous-dimensionnées (fines) et surdimensionnées en faisant passer les copeaux sur une série de tamis. Les copeaux surdimensionnés sont rejetés sur un convoyeur, qui les achemine vers un type de découpeur pour les réduire à une taille plus petite. Ces dernières années, l'épaisseur des copeaux a été reconnue comme une variable importante de la mise en pâte et les tamis modernes à disques ou à rouleaux, qui séparent en fonction de l'épaisseur, sont désormais largement acceptés comme la norme industrielle. Cela signifie que l'usure doit être minimisée afin de maintenir la précision de l'opération de tamisage.
Un séparateur à tamis à copeaux comporte des disques dont les pointes s'usent par l'abrasion des copeaux. Une usure excessive permettrait aux gros copeaux de passer dans le digesteur. Pour rectifier une unité usée, les surfaces des pointes ont été rectifiées et de la poudre a été appliquée par un procédé de projection et fusion. Cette solution a permis d'effectuer une réparation in situ, sans qu'il soit nécessaire de démonter l'unité, de retirer le disque de tamisage et de le remplacer. Des économies importantes ont été réalisées puisque les temps d'arrêt ont été réduits et qu'il n'a pas été nécessaire d'acheter une pièce de rechange.
Mise en pâte
Le coude de décharge des lessiveurs en discontinu est soumis à une corrosion, une érosion, une abrasion, un choc thermique importants dus à la liqueur de cuisson, à la pâte à papier et à la vapeur. Dans un exemple, les zones usées du coude et de la tuyauterie ont été reconstituées avec des électrodes de soudage développées pour les zones soumises à des contraintes critiques. Les faces des brides ont également été recouvertes de manière similaire et usinées jusqu'à la finition. Cela a permis de multiplier par trois la durée de vie de l'usure par rapport à celle du coude d'origine.
La vis supérieure transporte les copeaux de bois dans la liqueur, se déplaçant dans un tamis avec un jeu de 0,5 mm. L'abrasion provoque l'usure des bords d’attaques de la vis. Cela peut être réparé en reconstruisant le métal de base avec un fil de soudure spécialement sélectionné et en l'usinant aux bonnes dimensions. Un revêtement de protection final en poudre y est appliqué par projection- fusion. L'augmentation substantielle de la durée de vie opérationnelle a fait que cette approche a été adoptée comme procédure de réparation recommandée par l'équipementier.
Lavage
La corrosion et la fatigue du métal provoquent la rupture et la fissuration des tamis du laveur. Auparavant, ce composant devait être mis au rebut, avec les coûts de démontage et de remplacement associés. En guise d'alternative, l'utilisation d'une baguette de brasure à haute teneur en argent permet une réparation rapide et solide grâce à sa haute résistance à la traction et à sa faible température de liaison.
Blanchiment
Les laveurs et les pompes de l'opération de blanchiment doivent être fabriqués en aciers inoxydables fortement alliés, en alliages de nickel ou en titane. Le contrôle de la corrosion chimique dans l'équipement de blanchiment est un problème permanent.
Un défi particulier est le disque de raffinage qui souffre de fissures dues à la corrosion sous contraintes et d'usure dans la zone de transition entre le disque et le cylindre. Cette zone peut être réparée par sablage puis par projection à l'arc d'un revêtement à base de l'alliage nickel-chrome l’Inconel 625. Le revêtement peut être usiné et rectifié aux dimensions et à la finition de surface requises. Le traitement est rapide à appliquer et réduit les dangers d'une nouvelle fissuration par corrosion sous contraintes, sans provoquer de distorsion du disque.
Traitement
Dans la plupart des processus de fabrication de papier, l’opération de tamisage de la pâte est nécessaire pour éliminer les particules surdimensionnées, gênantes et indésirables des bonnes fibres de fabrication du papier. Les principaux types de tamis de pâte sont les tamis vibrants, les tamis à gravité centrifuge et les tamis à pression (centrifuge ou centripète). Ils ont tous une forme de barrière perforée pour laisser passer les fibres acceptables et rejeter les matières indésirables.
Le traitement complémentaire de la pâte à papier est le raffinage des fibres.
Le mouvement efficace de la pâte à travers les différentes étapes de traitement est au cœur du fonctionnement d'une usine de pâte et de papier. Aucune usine ne peut fonctionner avec succès sans unités de pompage fiables.
Un défi se trouve sur l'arbre du raffineur, où le manchon en acier inoxydable est usé par le frottement de la douille à collet qui le maintien en place, cette usure est accélérée par la corrosion. Ce problème peut être résolu en projetant sur l'arbre une poudre base Ni refondue au chalumeau, spécialement développée pour résister à la corrosion et réduire la frottement. La durée de vie peut être augmentée de 300% en raison de la dureté supérieure, de la résistance à la corrosion et des propriétés de frottement améliorées du revêtement.
Dans un autre cas, un boîtier de pompe souffrait de nombreuses fissures et cavités superficielles dues à l'environnement d'érosion et de corrosion. Une réparation à froid avec un polymère composite a permis une réparation rapide et simple et un revêtement lisse, résistant à la corrosion et à l'usure, sans modification du métal de base. Cette solution présentait les avantages de la vitesse d’exécution, d'une faible épaisseur du revêtement et de son aspect lisse, son application exigeait moins de compétences que la solution précédente à base de baguette de brasure.
Déchets de papier et de carton
Certaines usines fonctionnent uniquement avec des matériaux recyclés. Les rebuts sont introduits dans un hydro pulpeur, qui est une cuve verticale avec un rotor rotatif au fond. Le rotor déchiquette le papier et le carton avec de l'eau pour en faire de la pâte et une plaque d'extraction perforée sous le rotor tire les fibres hors de la cuve. Le nettoyage et l'effilochage ultérieurs de la pâte la préparent à la fabrication du papier. Le rotor de l'hydro pulpeur est soumis à une forte usure due aux vieux papiers ainsi qu'à des matériaux étrangers tels que des pierres et de la ferraille.
Dans un cas, il a fallu réparer le rotor au fond de la cuve. La capacité de production diminue considérablement lorsque la roue à aubes est usée. Pour la réparation, les zones critiques ont été protégées par rechargement avec des électrodes développées pour offrir une protection combinée contre l'abrasion, la pression et les impacts modérés. En plus d'augmenter la durée de vie de 2 semaines à 5 mois, le rechargement peut être effectuée trois fois pour réduire davantage les coûts.
Usine à papier
Dans le processus de fabrication du papier, la feuille est transportée à travers une série de presses à rouleaux où l'eau supplémentaire est éliminée et la structure de la bande est consolidée. La majeure partie de l'eau restante est évaporée et les liaisons entre fibres se développent lorsque le papier entre en contact avec une série de cylindres chauffés à la vapeur dans la section de séchage.
La feuille est calandrée à travers une série de presses à rouleaux pour réduire l'épaisseur et lisser la surface. La feuille séchée et calandrée est enroulée sur une bobine. Un système d'aspiration correctement conçu et installé est un composant essentiel d'un système de machine à papier réussi.
Une zone importante à réparer est le rouleau de l'enrouleur qui doit avoir une surface de préhension. Une fois que la surface est usée, elle devient lisse et le papier commence à glisser. Cela affecte la qualité et la précision du papier. La surface usée et polie peut être restaurée par projection thermique de poudre. En plus de produire une très bonne surface de préhension, ce revêtement augmente la durée de vie de l'usure de plus de 200%.
Sur le rotor d'une pompe à vide, on a constaté une usure de la roue, des manchons d'arbre et des roulements, associée à une usure par érosion et cavitation du corps en fonte. La révision a impliqué une combinaison d'électrodes de soudage pour réparer le corps en fonte fissuré, suivie de l'application d'un revêtement polymère composite sur les surfaces exposées à la corrosion. Les diamètres de la roue en bronze ont été récupérés à l'aide d'un fil de soudure en bronze. Enfin, les manchons de garniture souples et les paliers ont été reconstitués avec une poudre d'alliage base Nickel par projection thermique. Cette solution interne constituait une alternative peu coûteuse au remplacement ou à la remise à neuf.
Services de broyage
Les services de l'usine fournissent les processus de soutien de l'usine de pâte et de papier. Les principaux domaines sont la récupération des produits chimiques, le four à chaux, la production d'électricité et le traitement des eaux et des déchets. Chaque secteur est essentiel au fonctionnement de l'usine et nécessite un programme de maintenance continue. La chaudière de récupération chimique et le four à chaux sont des zones à haute maintenance et nécessitent des solutions de jonction et de protection contre l'usure. La fissuration induite par le cycle thermique dans le four à chaux et la corrosion des tubes dans la chaudière de récupération chimique sont des problèmes typiques.
Une alimentation électrique fiable nécessite la maintenance des turbines à vapeur et à eau ainsi que des générateurs. Les vannes de contrôle des processus et les pompes dans la production d'électricité sont constamment remises en état. Le traitement de l'eau et des déchets implique de grosses pompes centrifuges, des grilles d'admission, des filtres à vide, des pompes d'aération et des tuyauteries. Tous doivent être entretenus pour un fonctionnement continu 24 heures sur 24.
Fours à chaux
L'un des principaux défis dans la fabrication de la pâte à papier a toujours été l'entretien et l'efficacité de fonctionnement des fours à chaux dans l'usine de caustification. Étant donné qu'ils sont revêtus de briques réfractaires résistantes au feu, qu'ils tournent constamment sur des rouleaux (espacés tous les 5 mètres environ) et qu'ils sont chauffés intérieurement à 1450°C, ils sont susceptibles de connaître de graves problèmes de fonctionnement et de maintenance. Plus le four est long, plus ces problèmes peuvent être importants, notamment en ce qui concerne la fissuration et le désalignement des rouleaux.
La coque du four, cependant, ne roule pas directement sur les rouleaux. Autour du four, à chaque jeu de rouleaux, se trouve un grand bandage en acier moulé monté autour de la coquille du four. Ce bandage n'est pas réellement fixé à la coque du four. Il est monté sur des patins situés autour de la coquille et fixés en position par des blocs d'acier, qui sont soudés à la coquille du four. Le bandage tourne avec le four sur les rouleaux. Le four est mis en rotation par un pignon d'entraînement qui entraîne la roue porteuse du four. La boue de chaux, qui descend lentement dans le four, est transformée en granulés dans la zone chaude et continue à se déplacer jusqu'à l'extrémité du four, où elle tombe finalement par-dessus la coulée du nez dans les refroidisseurs de chaux.
Dans un cas, un an après la réparation de cinq fissures dans la coque d'un four à l'aide d'un procédé concurrent, une fissure de 4,7 m est apparue, émanant de la zone affectée thermiquement (ZAT) de la soudure précédente. Après avoir déterminé la géométrie exacte et l'étendue complète de la fissure, la réparation a été effectuée avec une électrode de Castolin Eutectic en alliage à base de nickel à faible apport calorifique, suivant une procédure bien définie. Cette réparation a tenu pendant six ans avant que la coque ne soit finalement remplacée.
Sur un bandage de four, des pressions élevées et des contraintes de contact ont provoqué une fissuration de surface et le détachement d'un gros éclat. En raison du coût excessif d'un bandage de remplacement et d'une longue période d'immobilisation, il a été nécessaire de recharger l'écharde du bandage. Le préchauffage traditionnel était impraticable en raison de la masse. Une réparation réussie a été rendue possible grâce à l'utilisation d'électrodes de soudage à faible température et à une procédure étroitement contrôlée. D'importantes économies ont été réalisées car aucune nouvelle pièce n'a été nécessaire et le temps d'immobilisation a été réduit de 10 à 2 semaines.
Comme les rouleaux du four supportent le poids du four, ils sont soumis à des contraintes de compression importantes et cycliques. Au fil du temps, cela peut donner lieu à une perte de matière de la surface du rouleau sous forme de "piqûres" ou d'éclats. La réparation par soudage est difficile à effectuer sur place en raison des contraintes élevées dues au poids du four et de la nécessité de maintenir les dimensions circulaires exactes du rouleau. Le soudage à l'aide d'électrodes à basse température permet d'effectuer une réparation réussie in situ, ce qui permet de réaliser des économies substantielles sur les coûts d'immobilisation.
La réparation et la remise à neuf donnent souvent de meilleurs résultats que le remplacement
Le premier réflexe des équipes de maintenance dans l'industrie de la pâte et du papier est souvent de remplacer les pièces usées par des articles neufs. Cependant, dans cette industrie, la continuité du fonctionnement est généralement la préoccupation principale. Par conséquent, la réparation et la remise à neuf peuvent s'avérer mieux adaptées dans de nombreux cas. En plus de garantir une remise en service plus rapide, l'utilisation des technologies modernes de revêtement anti-usure améliore de manière significative la durée de vie opérationnelle, souvent de deux à quatre fois. Il en résulte une plus grande fiabilité, une meilleure durabilité et une réduction de coûts de maintenance.
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