Por Kirt Boston, Gerente de programa, Donaldson Torit e Bob Walters, Engenheiro sênior de vendas regionais, Donaldson Torit
O corte a plasma e a laser são processos básicos da fabricação de metais flexíveis. No entanto, eles produzem partículas extremamente finas que podem apresentar uma variedade de riscos prejudiciais às máquinas e aos funcionários.
O corte térmico cria partículas que têm que ser filtradas. O material removido durante o corte produz escória, fumaça e partículas finas geradas termicamente. A escória normalmente cai no fundo do piso da mesa, enquanto a fumaça e as partículas finas sobem acima da peça, a menos que o fluxo de ar adequado para baixo – gerado pelo sistema de coleta de pó – supere a elevação térmica. As partículas podem variar de submicrônicas a dezenas de micra em tamanho, e controlá-las requer um sistema de filtragem devidamente selecionado e instalado.
Os projetos de sistemas dependem do ambiente de corte e dos parâmetros do processo. Uma mesa de plasma grande tem requisitos de fluxo de ar diferentes dos de uma mesa de laser pequena. O corte a plasma produz faixas de tamanho de partícula diferentes do corte a laser. Mesmo funções relacionadas, tais como sistemas automatizados de carregamento de material, afetam os projetos dos sistemas devido ao aumento do tempo de corte. Estes fatores influenciam os requisitos de projeto tanto quanto o tipo e a espessura do material, largura do corte e o agrupamento de peças.
Em essência, um sistema de coleta de pó bem projetado transforma todo o envelope de trabalho de corte em um sistema eficaz de captura de fumaça.
Projeto para a segurança
A coleta correta do pó é essencial tanto por razões ambientais quanto operacionais. Nos últimos anos, a OSHA diminuiu significativamente os limites de exposição permissíveis de muitos pós, incluindo o manganês, bem como o cromo hexavalente, do corte de metais ricos em cromo, como o aço inoxidável. A EPA continua focando não apenas na redução de partículas de 2,5 micra e menores, mas também em outros compostos metálicos, incluindo cádmio, cromo, chumbo, manganês e níquel, todos produzidos em diversas operações de fabricação e acabamento de metais.
O ar utilizado no controle de fumos de corte térmico e contaminantes pode conter faíscas quentes. Se as faíscas não forem eliminadas, elas podem ser transportadas para o combustível potencial através do sistema de coleta de pó. O controle das fontes de ignição é, portanto, fundamental para evitar os danos e a interrupção criados pelos incêndios. Além disso, se o ar filtrado for devolvido à área de produção, os filtros secundários poderão confirmar o desempenho operacional dos filtros primários, garantindo que o ar devolvido esteja limpo e seguro.
As oficinas também devem considerar os riscos da captura de partículas de diferentes materiais quando elas puderem ser incompatíveis. Isso poderia incluir, por exemplo, partículas de metais diferentes, em que os metais e óxidos de metais podem representar o potencial para uma reação de termita. Os riscos de combustão afetam o layout dos sistemas de filtragem e as decisões de projeto. A National Fire Protection Association (NFPA) publica várias normas que podem ser aplicadas para ajudar a mitigar os muitos riscos associados ao pó de metal inflamável.
A coifa
A coleta efetiva do pó começa com coifas que capturam e controlam as partículas de forma eficiente. O desempenho do sistema é limitado ao que a coifa pode realizar. Comprar o coletor de pó mais caro e instalar filtros de alta eficiência não aumentará a eficiência geral além de 50% se a coifa capturar apenas metade do pó e da fumaça.
No corte térmico, a mesa de corte é a coifa de captura. A coifa deve puxar volumes consistentes de ar continuamente para capturar os contaminantes. Caso contrário, o pó e a fumaça escapam.
Carga de superfície X Carga de profundidade
A área da fibra, não a área filtrante, é a chave para uma filtragem eficaz. O projeto de um filtro deve, portanto, incluir muitas fibras pequenas para aumentar a área de superfície de fibra disponível por ordens de magnitude.
Os elementos filtrantes tradicionais básicos melhorados com uma camada de fibra fina proporcionarão o melhor desempenho de filtragem na captura de partículas finas do corte térmico. Esta camada de fibra fina aumenta drasticamente a eficiência do elemento filtrante quando se trabalha com partículas geradas termicamente. A fibra fina também evita que partículas finas se incrustem profundamente nas fibras filtrantes, forçando o acúmulo de partículas na superfície do elemento (ver Figura 1). Isso cria um filtro extremamente eficaz de carga de superfície.
A carga de superfície mostra seus benefícios ao fazer a limpeza por pulso do filtro. A maioria dos coletores de pó limpos por pulso incorporam um manifold de ar comprimido e um arranjo de válvula de diafragma. Quando uma válvula solenoide piloto é energizada, a válvula de diafragma permite que o ar comprimido saia do manifold como um “pulso”, o que força as partículas para fora da superfície do filtro. A limpeza por pulso efetiva leva o pó para fora do elemento filtrante e para dentro de um recipiente de armazenamento.
Os filtros de carga de superfície param as partículas na superfície do elemento onde são facilmente pulsadas, prolongando a vida útil do filtro e reduzindo o consumo de energia (ver Figura 2). Se as partículas não forem paradas na superfície, os filtros fazem o carga de profundidade, o que permite que as fumaças entrem na profundidade do elemento. É muito difícil, se não impossível, para a limpeza por pulso descarregar estas partículas carregadas em profundidade. Isso, por sua vez, reduz a vida útil do filtro e aumenta o consumo de energia.
Carga de superfície
Carga em profundidade
Carga de pó
A quantidade de pó produzida por uma aplicação, ou sua carga de pó, influencia o tamanho do coletor necessário, já que uma carga de pó maior aumenta a carga de trabalho de um coletor de pó. Durante um determinado período, o corte a laser pode produzir menos pó do que o corte a plasma. Embora o fluxo de ar necessário para capturar as fumaças de um processo de corte a laser e plasma possa ser idêntico, os tamanhos dos coletores de pó podem ser diferentes por causa das diferentes cargas de pó.
A menor carga de pó do corte a laser pode sugerir uma menor carga de trabalho do coletor, mas o tamanho das partículas também tem um papel. Partículas de pó menores no filtro tendem a se aglomerar, com espaços vazios menores entre as partículas, o que, por sua vez, aumenta a pressão necessária para puxar o ar através da camada de pó. Se isso não for considerado, um coletor de pó poderá consumir mais energia e exigir limpeza com mais frequência.
Carga de calor
Todos os sistemas de coleta de pó têm limites de temperatura e qualquer aumento da carga de calor pode exigir uma construção diferente. Em algumas circunstâncias, o ar mais frio pode precisar ser passado no sistema para manter a temperatura total do ar dentro dos limites operacionais do coletor.
A carga térmica e o projeto da coifa também diferem entre os processos. O corte por oxicorte, por exemplo, gera cargas de pó relativamente baixas, mas produz um calor significativo. Esta carga térmica adicional deve ser considerada ao selecionar os materiais de construção do coletor de pó, especialmente os filtros. O corte a plasma e o corte a laser geralmente geram uma carga térmica menor, mas produzem cargas de pó mais pesadas.
O design da mesa também pode afetar a carga térmica. Por exemplo, as linhas de corte estrutural podem usar uma tocha de plasma para cortar vigas ou chapas, com faíscas e metal fundido evacuando através de uma fenda estreita abaixo da zona de corte. Isso gerará maiores cargas de calor do que as mesas de corte de área aberta em fluxo descendente tradicionais.
Fatores de automação
A automação também muda as considerações sobre o dimensionamento de coletores. No corte manual, os operadores retiram peças de uma mesa e depois carregam novas chapas. Durante este tempo de inatividade, um coletor de pó pode recuperar a limpeza por pulso sob condições de carga pesada.
O manuseio automatizado do material muda as chapas acabadas em minutos, de modo que o corte e a remoção da peça ocorrem ao mesmo tempo. Esta característica aumenta a produtividade da oficina, mas torna a coleta de pó mais desafiadora, pois o coletor fica exposto a mais tempo de corte e tem menos tempo para “recuperar o fôlego”. Tal automação frequentemente leva a maiores cargas de pó e fumaça, e um coletor de pó deve ser dimensionado para acomodar essas cargas.
Pressão estabilizadora
Para efetivamente capturar fumaça e pó de um processo de corte, um ventilador puxa o ar para baixo através da mesa de corte para criar um padrão de fluxo de ar (ver Figura 3). O ventilador fornece a energia para superar turbulências e perdas por atrito à medida que o ar se move da zona de corte, através dos dutos, do coletor, do elemento filtrante da aglutinação de pó.
Um sistema de coleta de pó devidamente projetado deve puxar constantemente o volume de ar necessário (pé cúbico por minuto, ou CFM, na sigla em inglês). Muito ar encurtará a vida útil do filtro, e muito pouco ar reduzirá a eficiência de captação do sistema. A energia necessária para superar a resistência no sistema, ou a pressão estática, muda com o tempo à medida que os filtros ficam sujos.
Os valores da pressão estática são frequentemente expressos em polegadas de coluna de água, que são meras frações de uma libra por polegada quadrada — cerca de 27,7 polegadas de água equivale aproximadamente a uma PSI. Um novo filtro limpo começa com muito pouca resistência ao fluxo de ar, muitas vezes com menos de uma polegada, mas com o tempo o acúmulo de pó nos filtros aumenta a resistência a vários centímetros. Os filtros devem ser substituídos à medida que a resistência começa a ultrapassar um determinado ponto. Em muitos casos, isso pode ser cinco ou seis polegadas, mas em alguns casos os filtros não são considerados conectados até que sua resistência atinja níveis muito mais altos.
Para prolongar a vida operacional do elemento filtrante, um coletor de pó moderno utiliza filtros de limpeza por pulso. Este recondicionamento periódico permite que estes sistemas funcionem continuamente sem substituição contínua do filtro.
Volume de ar e projeto do sistema
Sob operação normal, um coletor de pó atinge uma condição estável e “curada” onde os filtros têm uma resistência relativamente uniforme algumas polegadas maior do que quando novos, por causa de uma “aglutinação de filtro” que se forma na superfície do elemento. Com o passar do tempo, algum grau da carga de profundidade e outras ações irão gradualmente obstruir o elemento, aumentando a resistência lentamente. Eventualmente, será mais rentável substituir os filtros do que tentar continuar operando com energias mais altas de ventilador.
Para garantir um desempenho eficaz durante toda a vida útil efetiva dos filtros, os ventiladores são geralmente dimensionados para fornecer o volume de ar desejado na queda de pressão “saturada” dos filtros, ou seja, a condição de queda de pressão mais alta ou “terminal”.
Para garantir a vida operacional ótima dos filtros, um coletor de pó deve ter um volume de ar controlado para evitar puxar o excesso de ar através do sistema. Os sistemas de coleta de pó, portanto, muitas vezes incorporam uma válvula de controle no ventilador para ajustar as mudanças de resistência nos filtros à medida que ficam saturados. O fechamento parcial da válvula de controle garante que o ventilador puxe apenas o volume de ar desejado quando os filtros tiverem relativamente pouca resistência. As válvulas de controle, entretanto, não são a única maneira de controlar o fluxo de ar, os motores de velocidade ajustável permitem que a velocidade do ventilador e, portanto, o desempenho, sejam ajustados não apenas para controlar o fluxo de ar, mas para permitir economia de energia.
Quanto maior o volume de ar necessário para controlar o pó e a fumaça do corte, maior é o sistema de coleta de pó. Como consequência, muitos grandes sistemas de corte serão compartimentados, ou zoneados. Esta abordagem requer fluxo de ar somente no espaço abaixo da leito de corte, traduzindo-se em um volume de ar menor e, portanto, em um sistema de coleta de pó menor.
Em outras situações, o material sendo cortado pode ter aberturas existentes que criam a necessidade de puxar ar adicional, e os coletores de pó devem ser projetados tendo em mente este requisito de capacidade extra. O aumento da capacidade do coletor neste caso garante que o sistema mantenha a velocidade necessária de fluxo descendente em todas as aberturas para uma evacuação eficaz do pó.
Finalmente, um ventilador coletor gerará fluxo de ar suficiente através da mesa de corte para criar as velocidades de fluxo descendente necessárias para capturar a fumaça ascendente. A velocidade do ar normalmente precisa atingir 150 a 250 CFM para controlar a fumaça de forma eficaz, mas esse requisito pode aumentar dependendo do projeto, do tamanho e do processo de corte da mesa.
Desempenho do sistema
Muitas variáveis influenciam o desempenho do sistema de controle de pó durante o corte térmico, e um sistema bem projetado, incluindo os dutos, ventilador e elementos de filtragem, deve levar em conta todas as variáveis e elementos. Quando bem projetado, o sistema mantém uma velocidade de fluxo de ar para baixo consistente para evacuar efetivamente o pó através de uma série de condições operacionais de filtro e de corte.
Conclusão:
Projetar e integrar um sistema eficaz de coleta de pó para corte térmico não é um exercício com uma solução universal. Considerar todos os fatores mencionados ajudará a garantir que uma oficina obtenha o máximo de seu sistema de coleta de pó.
