Плазменная и лазерная резка являются основными процессами гибкого подхода к изготовлению металлоконструкций. Однако при их осуществлении генерируются чрезвычайно мелкие частицы, способные представлять различные риски, представляющие угрозу оборудованию и сотрудникам.

При термической резке генерируются частицы, которые должны отфильтровываться. В процессе резки образуется материал, такой как шлак, дым и мельчайшие термически генерируемые частицы. Шлак обычно проваливается в поддон сварочного стола, а дым и мелкие частицы поднимаются вверх от свариваемой детали, если только нисходящий поток воздуха, создаваемый системой пылеулавливания, не преодолевает силу, заставляющую их подниматься вверх из-за их высокой температуры. Размер частиц может варьироваться от субмикронного до десятков микрон, и для их задержания требуется правильно подобранная и смонтированная система фильтрации.

Конструкции систем пылеулавливания зависят от окружающий условий, в которых выполняется резка, и параметров технологического процесса. Поток воздуха, который требуется для большого плазменного стола, отличается от того, который необходим для маленького лазерного стола. Диапазоны размеров частиц, генерируемых при плазменной и лазерной резке, тоже различаются. Даже дополнительные рабочие узлы, такие как автоматизированные системы загрузки материалов, влияют на конструкцию систем, так как они увеличивают время резки. Они определяют требования к конструкции так же, как тип и толщина материала, ширина пропила и схема раскроя деталей.

По сути, хорошо спроектированная система пылеулавливания должна превратить всю рабочую зону резки в эффективную систему улавливания дыма.

Проектирование для обеспечения безопасности

Надлежащее пылеулавливание необходимо как по экологическим, так и по эксплуатационным соображениям. В последние годы Управления по технике безопасности и гигиене труда США (OSHA) значительно снизило предельно допустимые концентрации многих видов пыли, в том числе марганцевой, а также шестивалентного хрома, которые образуются при резке металлов с высоким содержанием хрома, таких как нержавеющая сталь. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) продолжает концентрировать внимание на снижении содержания не только их частиц размером 2,5 мкм и менее, но и соединений других металлов, включая кадмий, хром, свинец, марганец и никель, которые генерируются при выполнении различных операций изготовления и обработки металлоконструкций.

Воздух, который используется для отведения дыма и загрязнений, генерируемых при термической резке, может содержать горячие искры. Если эти искры не ликвидировать, то они могут войти в контакт с потенциально горючими веществами, которые присутствуют во всей системе пылеулавливания. Поэтому контроль источников возгорания чрезвычайно важен для предотвращения повреждений и разрушений, возможных в случае пожаров. Кроме того, если отфильтрованный воздух возвращается в производственную зону, то фильтры тонкой очистки дополнить действие фильтров предварительной очистки, обеспечивая чистоту и безопасность возвращенного воздуха.

Кроме того, на производстве должны учитываться и риски, которые возникают при задержании частиц разных материалов, которые могут быть несовместимыми друг с другом. Это могут быть, например, частицы разнородных металлов, когда частицы металлов и оксидов металлов могут вступить в термитную реакцию. Риски возгорания влияют на компоновку системы фильтров и на решения, касающиеся ее конструкции. Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) публикует ряд стандартов, которые можно применить, чтобы снизить многочисленные риски, ассоциируемые с горючей металлической пылью.

Вытяжка

Эффективное пылеулавливание начинается с вытяжек, которые эффективно задерживают твердые частицы и контролируют их содержание. Результаты работы системы ограничены возможностями вытяжки. Покупка самого дорогого пылесборника и установка высокоэффективных фильтров не помогут сделать так, чтобы система начала работать с общей эффективностью выше 50 процентов, если вытяжка задерживает только половину пыли и дыма.

При термической резке вытяжкой-уловителем является сам стол для резки. Вытяжка должна непрерывно затягивать постоянный объем воздуха для задержания загрязняющих веществ. В противном случае пыль и дым не задерживаются.

Поверхностная фильтрация против глубинной фильтрации

Главным фактором, определяющим эффективность фильтрации, является площадь поверхности волокон, а не фильтрующего материала. Поэтому при создании фильтра следует обеспечить наличие множества мельчайших волокон, чтобы на несколько порядков увеличить доступную площадь поверхности волокон.

Базовый традиционный фильтрующий материал, усиленный слоем тончайших волокон, обеспечит наибольшую эффективность фильтрации при задержании мельчайших частиц, генерируемых при термической резке. Этот тонковолоконный слой значительно повышает эффективность фильтрующего материала при задержании термически генерируемых частиц. Кроме того, тончайшие волокна не дают мельчайшим частицам проникать глубоко в толщу фильтрующих волокон, вследствие чего они скапливаются на поверхности фильтрующего материала (см. Рисунок 1). Поэтому получается чрезвычайно эффективный фильтр поверхностной фильтрации.

Преимущества поверхностной фильтрации проявляются при импульсной очистке фильтра. Большинство пылесборников с импульсной очисткой оснащается коллектором сжатого воздуха с диафрагменным клапаном. Когда на управляющий электромагнитный клапан подается питание, диафрагменный клапан выпускает сжатый воздух из коллектора в виде «импульса», который сбивает частицы с поверхности фильтра. При эффективной импульсной очистке пыль, сбитая с фильтрующего материала, попадает в контейнер для хранения.

В фильтрах поверхностной фильтрации частицы задерживаются на поверхности фильтрующего материала, откуда они легко сбиваются импульсами сжатого воздуха, что способствует продлению срока службы фильтров и снижению уровня энергопотребления (см. Рисунок 2). Если задерживаемые частицы не остаются на поверхности фильтрующего материала, а проникают в его толщу, имеет место глубинная фильтрация. Импульсная очистка с большим трудом (если вообще) справляется с удалением этих частиц, проникших в толщу фильтрующего материала. А это, в свою очередь, сокращает срок службы фильтров и повышает уровень энергопотребления.

Пылевая нагрузка

Количество пыли, генерируемой при выполнении той или иной операции, то есть ее пылевая нагрузка, влияет на размер необходимого пылесборника, поскольку чем выше пылевая нагрузка, тем выше рабочая нагрузка на пылесборник. За одинаковый период времени при лазерной резке может генерироваться меньше пыли, чем при плазменной. Хотя поток воздуха, необходимый для задержания дыма от лазерной и плазменной резки, может быть одинаковым, в связи с разностью пылевых нагрузок размеры пылесборника могут различаться.

Меньшая пылевая нагрузка в случае лазерной резки может означать меньшую нагрузку на пылесборник, но важен также и размер частиц. Частицы пыли меньшего размера, задержанные на поверхности фильтра, склонны образовывать плотный слой с меньшими пустотами между частицами, что, в свою очередь, увеличивает давление, необходимое для прохождения воздуха через слой пыли. Если это не будет учтено, то пылесборник может потреблять больше энергии и чаще требовать очистки.

Тепловая нагрузка

У всех систем пылеулавливания имеются предельные температуры эксплуатации, и при любой повышенной тепловой нагрузке может потребоваться другая конструкция. В отдельных случаях в систему может потребоваться подать более холодный воздух, чтобы поддержать общую температуру воздуха в пределах рабочего диапазона пылесборника.

Для разных технологических процессов характерны разные уровни тепловой нагрузки и требуются вытяжки разной конструкции. Например, при кислородно-газовой резке создаются относительно низкие пылевые нагрузки, но выделяется значительное количество тепла. Эта дополнительная тепловая нагрузка должна учитываться при выборе материалов конструкции пылесборника, особенно его фильтров. При плазменной и лазерной резке тепловая нагрузка обычно ниже, но создаются более тяжелые пылевые нагрузки.

Конструкция стола также может влиять на уровень тепловой нагрузки. Например, на линии резки конструкций для обрезания балок или пластин может использоваться плазморез, при этом искры и расплавленный металл удаляются через узкий паз, находящийся под зоной резки. При этом создаются более высокие тепловые нагрузки, чем на традиционных открытых столах для резки с нижней тягой.

Коэффициенты автоматизации

Автоматизация также меняет размеры пылесборника. При ручной резке операторам требуется время на снятие детали со стола и укладку на него новых листов. Недостаток нагрузки на пылесборник в этот период простоя может быть «восполнен» высокой нагрузкой во время импульсной очистки.

При автоматизированном перемещении материалов целые листы укладываются, а готовые детали снимаются за считанные минуты, поэтому резка и снятие деталей происходят одновременно. Такой механизм повышает производительность работы цеха, но усложняет задачу улавливания пыли, потому что пылесборник работает в условиях большего времени резки и имеет меньше времени на то, чтобы «отдышаться». Такая автоматизация часто приводит к более высоким пылевым и дымовым нагрузкам, и размер пылесборника должен быть рассчитан на эти нагрузки.

Стабилизация давления

Чтобы эффективно улавливать дым и пыль, генерируемые в процессе резки, вентилятор затягивает воздух мимо заготовки вниз через отверстия в столе для резки, создавая схему движения потоков воздуха (см. Рисунок 3). Вентилятор обеспечивает энергию, необходимую для преодоления турбулентности и потерь на трение при движении воздуха из зоны резки по воздуховодам и через пылесборник, фильтрующий материал и слой пыли на нем.

Правильно спроектированная система пылеулавливания должна постоянно затягивать необходимый объем воздуха (в кубометрах в час или кубических футах в минуту). При чрезмерном потоке воздуха сократится срок службы фильтров, а при недостаточном — снизится эффективность системы по задержанию загрязнений. Энергия, необходимая для преодоления сопротивления в системе, то есть статическое давление, постоянно меняется по мере загрязнения фильтров.

Значения статического давления часто выражаются в килопаскалях (дюймах водяного столба или фунтах на квадратный дюйм [PSI], где 1 PSI ≈ 27,7 дюйма вод. ст.). Новый чистый фильтр сначала оказывает очень небольшое сопротивление потоку воздуха, часто менее 0,25 кПа (1 дюйма вод. ст.), но по мере скапливание пыли на фильтрах сопротивление увеличивается на несколько килопаскалей/дюймов. Фильтры следует заменять, когда сопротивление начинает превышать определенную величину. Во многих случаях это может быть 1,25–1,5 кПа (5–6 дюймов), но иногда фильтры не считаются забитыми, пока их сопротивление не достигнет гораздо более высоких уровней.

Для продления срока службы фильтрующего материала в современных пылесборниках используются фильтры импульсной очистки. Их периодическое восстановление позволяет этим системам работать непрерывно без постоянной замены фильтров.

Объем воздуха и конструкция системы

При нормальной работе пылесборник достигает стабильного, «заправленного» состояния, когда сопротивление фильтров остается относительно постоянным, превышая сопротивление нового фильтра примерно на 1 кПа (несколько дюймов) из-за «слоя пыли», который образуется на поверхности фильтрующего материала. Со временем в силу глубинной фильтрации и других причин фильтрующий материал будет постепенно забиваться, медленно увеличивая сопротивление. В итоге заменить фильтры будет выгоднее, чем продолжать эксплуатировать их при более высоких уровнях энергопотребления вентилятора.

Чтобы обеспечить эффективную работу в течение всего срока службы фильтров, размер вентиляторов обычно рассчитан на подачу нужного объема воздуха при перепаде давления, соответствующего «забитым» фильтрам, то есть при самом высоком, или «крайнем», перепаде давления.

Для обеспечения оптимального срока службы фильтров объем воздуха, подаваемого в пылесборник, должен регулироваться, чтобы через систему не прогонялся избыточный поток воздуха. Поэтому вентилятор системы пылеулавливания часто оснащается заслонкой, позволяющей регулировать поток воздуха с учетом изменения сопротивления фильтров по мере их забивания. Если прикрыть эту заслонку, когда фильтры оказывают относительно небольшое сопротивление, то вентилятор будет затягивать только нужный объем воздуха. Но заслонки — это не единственное средство управления потоком воздуха: двигатели с регулируемой скоростью вращения позволяют регулировать скорость и, следовательно, рабочие характеристики, вентилятора, чтобы не только контролировать интенсивность потока воздуха, но и снижать энергопотребление.

Чем больше объем воздуха, необходимый для улавливания и утилизации пыли и дыма, которые генерируются при резке, тем крупнее должна быть система пылеулавливания. Поэтому многие крупные системы резки будут разделены на отсеки, или зоны. При таком подходе поток воздуха требуется только в пространстве под постелью для резки, что снижает потребность в воздухе и, следовательно, уменьшает необходимый размер системы пылеулавливания.

В других ситуациях в разрезаемом материале могут уже иметься какие-то отверстия, которые создают необходимость затягивания дополнительных объемов воздуха, так что пылесборники следует проектировать с учетом этой дополнительно требуемой пропускной способности. В этом случае увеличение пропускной способности пылесборника гарантирует, что система сможет поддерживать скорость нисходящего потока через все отверстия, необходимую для эффективного удаления пыли.

Наконец, вентилятор пылесборника должен обеспечивать такой поток воздуха сквозь стол для резки, который будет достаточен для того, чтобы создавать скорости нисходящего потока, позволяющие затягивать поднимающийся вверх дым. Для эффективного улавливания дыма интенсивность потока воздуха обычно должна достигать 255–425 м³/ч (150–250 фут³/мин), но нужное значение может быть и выше в зависимости от конструкции и размеров стола, а также процесса резки.

Показатели работы системы

На работу систем пылеулавливания во время термической резки влияет множество переменных, и в правильно спроектированной системе, включающей воздуховоды, вентилятор и фильтрующие материалы, все эти переменные и компоненты должны быть учтены. Правильно спроектированная система должна поддерживать стабильную скорость нисходящего воздушного потока для эффективного отведения пыли при самых разных состояниях фильтров и в широком диапазоне рабочих режимов резки.

Вывод

Проектирование и интеграция эффективной системы пылеулавливания для термической резки не является задачей с одним «стандартным размером». Только учтя все вышеупомянутые факторы, можно гарантировать, что предприятие сможет максимально эффективно использовать свою систему пылеулавливания.

Эта статья была впервые опубликована в журнале The Fabricator в апреле 2012 г.