Por Kirt Boston, Gerente de Programa, Donaldson Torit, y Bob Walters, Ingeniero Sénior de Ventas Regionales, Donaldson Torit
Los procesos de corte por plasma y láser son fundamentales en la fabricación de metales flexibles. Sin embargo, estos procesos generan partículas extremadamente finas que pueden representar varios riesgos tanto para la maquinaria como para los empleados.
En los cortes térmicos se producen partículas que requieren ser filtradas. El material removido durante estos cortes produce escoria, humo y partículas finas resultantes del calor. Típicamente, la escoria cae al suelo de la mesa, mientras que el humo y las partículas finas tienden a elevarse sobre las piezas de trabajo. Esto ocurre a menos que un flujo de aire descendente adecuado, generado por el sistema de colección de polvo, contrarreste el ascenso térmico. El tamaño de las partículas puede variar desde submicrones hasta decenas de micrones, lo que requiere la correcta selección e instalación de un sistema de filtración para su control.
El diseño de estos sistemas depende tanto del ambiente de corte como de los parámetros del proceso. Por ejemplo, una mesa de plasma grande presenta diferentes requisitos de flujo de aire en comparación con una mesa de corte láser más pequeña. Además, el corte por plasma produce una variedad de tamaños de partículas diferente a la del corte por láser. Incluso funciones relacionadas, como los sistemas automatizados de carga de material, impactan en el diseño del sistema debido al incremento del tiempo de corte. Estos aspectos influyen en los requisitos de diseño tanto como el tipo de material, el grosor, el ancho del corte y la disposición de las piezas.
En resumen, un sistema de colección de polvo bien diseñado debería convertir todo el espacio de trabajo de corte en un sistema eficiente de captura de emanaciones.
Diseño para la seguridad
Una colección de polvo adecuada es crucial por razones ambientales y operativas. En años recientes, la OSHA ha reducido significativamente los límites de exposición permitidos para muchos polvos, incluyendo el manganeso y el cromo hexavalente provenientes de cortes en metales ricos en cromo, como el acero inoxidable. La EPA también continúa enfocándose en la reducción de partículas menores de 2.5 micrones y en otros compuestos metálicos, que incluyen cadmio, cromo, plomo, manganeso y níquel, todos comunes en diversas operaciones de fabricación y acabado de metales.
El aire utilizado para controlar las emanaciones y contaminantes del corte térmico puede contener chispas calientes. Si estas chispas no se eliminan, pueden ser transportadas a combustibles potenciales a lo largo del sistema de colección de polvo. Por lo tanto, controlar las fuentes de ignición es esencial para prevenir daños y las interrupciones que puede causar un incendio. Además, si el aire filtrado regresa a la zona de producción, los filtros secundarios pueden confirmar el rendimiento de los filtros primarios, asegurando que el aire retornado sea limpio y seguro.
Los talleres también deben tener en cuenta los riesgos de capturar partículas de materiales diferentes que puedan ser incompatibles entre sí. Esto puede incluir, por ejemplo, partículas de distintos metales donde los metales y sus óxidos pueden crear un potencial para reacciones aluminotérmicas. Los riesgos de combustión influencian la disposición de los sistemas de filtros y las decisiones relacionadas con el diseño. La Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) publica varios estándares que pueden ayudar a mitigar los numerosos riesgos asociados con los polvos metálicos combustibles.
El extractor
Una colección de polvo eficiente inicia con extractores que capturen y controlen de manera adecuada las partículas. La efectividad del sistema está limitada por lo que el extractor puede lograr. Invertir en el colector de polvo más costoso y en filtros de alta eficiencia no mejorará la eficiencia total más allá del 50% si el extractor solo es capaz de capturar la mitad del polvo y las emanaciones.
En el corte térmico, la mesa de corte actúa como el extractor primario. Este extractor debe mantener un flujo constante de aire para capturar efectivamente los contaminantes. Si falla en hacerlo, el polvo y las emanaciones no serán capturados adecuadamente.
Cargas de Superficie en Comparación con Cargas de Profundidad
La clave para una filtración eficiente reside en el área de las fibras, más que en el área de los filtros. Por ende, el diseño del filtro debe incluir numerosas fibras pequeñas para incrementar significativamente la superficie de las fibras.
Un medio de filtración convencional, mejorado con una capa de nanofibras, ofrece un rendimiento superior en la captura de partículas finas producidas durante el corte térmico. Esta capa de nanofibras mejora notablemente la eficiencia del medio de filtración al tratar con partículas generadas por altas temperaturas. Las nanofibras también previenen que las partículas finas se incrusten en las profundidades de las fibras del filtro, obligándolas a acumularse en la superficie del medio (ver Figura 1). Esto resulta en un filtro de carga superficial extremadamente eficiente.
La eficacia de la carga superficial se manifiesta durante la limpieza por pulsos del filtro. La mayoría de los colectores de polvo con limpieza por pulsos usan un colector de aire comprimido y un sistema de válvulas de diafragma. Al activarse una válvula solenoide piloto, la válvula de diafragma libera aire comprimido del colector en forma de "pulso", desalojando las partículas de la superficie del filtro. Esta limpieza por pulsos efectiva remueve el polvo del medio de filtración y lo dirige hacia un contenedor de almacenamiento.
Los filtros de carga superficial retienen las partículas en su superficie, de donde se expulsan fácilmente, extendiendo así la vida útil del filtro y reduciendo el consumo de energía (ver Figura 2). Si las partículas no se retienen en la superficie, los filtros se cargan en profundidad, lo que permite que las emanaciones penetren en el medio. Es muy difícil, si no imposible, que la limpieza por pulsos elimine estas partículas profundamente incrustadas, lo cual reduce la vida útil del filtro y aumenta el consumo de energía.
Carga de Superficie
Carga de Profundidad
Carga de polvo
La cantidad de polvo generada por una aplicación, o su carga de polvo, incide directamente en el tamaño necesario del colector de polvo. Una mayor carga de polvo intensifica la demanda de trabajo del colector. Por ejemplo, en un lapso de tiempo específico, el corte por láser puede producir menos polvo que el corte por plasma. Aunque el flujo de aire requerido para capturar emanaciones en ambos procesos, láser y plasma, pueda ser similar, el tamaño de los colectores de polvo puede variar debido a estas diferencias en la carga de polvo.
Una carga de polvo más baja en el corte por láser podría indicar una menor demanda en el colector, pero el tamaño de las partículas también juega un papel importante. Las partículas más pequeñas tienden a aglutinarse, dejando menos espacio entre ellas, lo que incrementa la presión necesaria para mover el aire a través de la capa de polvo. De no considerarse esto, el colector de polvo podría requerir más energía y necesitar limpiezas más frecuentes.
Carga térmica
Todos los sistemas de colección de polvo tienen límites en cuanto a la temperatura que pueden manejar, y cualquier incremento en la carga térmica podría necesitar un diseño diferente. En algunas situaciones, podría ser necesario introducir aire más frío en el sistema para mantener la temperatura total del aire dentro de los parámetros operativos del colector.
La carga térmica y el diseño del extractor varían según el proceso. Por ejemplo, el oxicorte genera relativamente poca carga de polvo, pero produce una cantidad considerable de calor. Esta carga térmica adicional debe ser considerada al seleccionar los materiales de construcción para el colector de polvo, especialmente los filtros. Generalmente, los cortes por plasma y láser crean una menor carga térmica, pero resultan en cargas de polvo más pesadas.
El diseño de la mesa de corte también puede influir en la carga térmica. Por ejemplo, las líneas de corte estructural que utilizan antorchas de plasma para cortar vigas o placas, con chispas y metal fundido que se evacuan a través de una ranura estrecha debajo de la zona de corte, generan cargas térmicas superiores a las de las mesas de corte tradicionales con flujo de aire descendente.
Factores de automatización
La automatización modifica significativamente los criterios para determinar el tamaño adecuado del colector de polvo. En los procesos de corte manuales, los operadores retiran las piezas de la mesa y cargan nuevas hojas, ofreciendo así períodos de inactividad donde el colector de polvo puede realizar la limpieza por pulsos, especialmente bajo condiciones de alta carga.
Por otro lado, el manejo automatizado de materiales permite cambiar las hojas procesadas en cuestión de minutos, lo que significa que el corte y la remoción de piezas suceden simultáneamente. Aunque esta automatización aumenta la productividad del taller, también complica la tarea de recolectar polvo, ya que el colector enfrenta períodos de corte más extensos y dispone de menos tiempo para 'recuperarse'. Esta automatización tiende a resultar en cargas mayores tanto de polvo como de emanaciones, lo que requiere que los colectores de polvo se dimensionen adecuadamente para manejar estas cargas incrementadas.
Estabilización de la presión
Para capturar de manera efectiva emanaciones, humos y polvo en un proceso de corte, un ventilador impulsa el aire más allá de la pieza de trabajo y a través de la mesa de corte para crear un patrón de flujo de aire (ver Figura 3). El ventilador suministra la energía necesaria para superar la turbulencia y las pérdidas por fricción a medida que el aire se desplaza desde la zona de corte, pasando por los ductos, el colector y el medio de filtración, y a través de la capa de polvo acumulada.
Un sistema de colección de polvo bien diseñado necesita mantener de manera constante el volumen de aire requerido, medido en pies cúbicos por minuto (CFM). Un flujo de aire excesivo puede reducir la vida útil del filtro, mientras que un flujo insuficiente disminuye la eficiencia de captura del sistema. La energía requerida para vencer la resistencia del sistema, o presión estática, varía a lo largo del tiempo conforme los filtros se ensucian.
Los niveles de presión estática suelen expresarse en pulgadas de columna de agua, siendo estas una fracción de una libra por pulgada cuadrada: aproximadamente 27.7 pulgadas de agua equivalen a 1 PSI. Un filtro nuevo y limpio comienza con muy baja resistencia al flujo de aire, usualmente menos de una pulgada, pero la acumulación de polvo en los filtros con el tiempo incrementa esta resistencia a varias pulgadas. Los filtros deben ser reemplazados cuando la resistencia supera un cierto punto, que en muchos casos puede ser de cinco o seis pulgadas, aunque en otros, los filtros se consideran no obstruidos hasta alcanzar resistencias mucho mayores.
Para prolongar la vida operativa de los medios de filtración, los colectores de polvo modernos utilizan filtros que se limpian mediante pulsos. Este mantenimiento periódico permite que estos sistemas operen de forma continua sin necesidad de reemplazar los filtros constantemente.
Volumen de aire y diseño del sistema
En condiciones normales de funcionamiento, un colector de polvo alcanza un estado estable y "experimentado", en el que los filtros presentan una resistencia uniforme que es ligeramente mayor que cuando son nuevos. Esto se debe a la formación de una "torta de filtración" en la superficie del medio. Con el tiempo, cierto nivel de carga en profundidad y otros factores provocarán que el medio se obstruya gradualmente, aumentando lentamente la resistencia. Eventualmente, se vuelve más rentable reemplazar los filtros que seguir operando el sistema con un ventilador a una potencia más alta.
Para garantizar un rendimiento eficiente a lo largo de toda la vida útil de los filtros, los ventiladores suelen dimensionarse para proporcionar el volumen de aire requerido en la condición de caída de presión más alta o "terminal" de los filtros.
Para maximizar la vida útil de los filtros, un colector de polvo debe mantener un volumen de aire controlado, evitando así el exceso de flujo a través del sistema. Por ello, los sistemas de colección de polvo frecuentemente incluyen un regulador en el ventilador para ajustarse a los cambios de resistencia en los filtros a medida que se obstruyen. El ajuste del regulador asegura que el ventilador solo mueva el volumen de aire necesario cuando los filtros presentan poca resistencia. Además, los motores de velocidad ajustable también son utilizados para controlar el flujo de aire, permitiendo ajustes en la velocidad del ventilador y posibilitando ahorros de energía.
El volumen de aire necesario para controlar eficazmente el polvo y las emanaciones del corte determinará el tamaño del sistema de colección de polvo. Así, muchos sistemas de corte de gran tamaño se dividen en compartimentos o zonas. Este enfoque requiere flujo de aire solo en el espacio debajo del lecho de corte, lo que resulta en un volumen de aire más pequeño y, por ende, un sistema de colección de polvo más compacto.
En ciertas situaciones, la pieza que se está cortando puede tener aberturas preexistentes que requieran un flujo de aire adicional, y los colectores de polvo deben diseñarse considerando esta necesidad de capacidad adicional. El aumento de la capacidad del colector en estos casos asegura que el sistema mantenga la velocidad de aire descendente necesaria en todas las aberturas para una evacuación efectiva del polvo.
Finalmente, el ventilador del colector debe generar un flujo de aire suficiente a través de la mesa de corte para establecer las velocidades de aire descendente necesarias para capturar las emanaciones de manera efectiva. La velocidad del aire generalmente necesita estar entre 150 y 250 CFM para controlar las emanaciones adecuadamente, pero este requisito puede variar según el diseño y tamaño de la mesa y el proceso de corte específico.
Desempeño del sistema
El rendimiento de un sistema de control de polvo durante el corte térmico se ve afectado por numerosas variables. Un sistema eficientemente diseñado debe considerar todos estos elementos, incluyendo los ductos, el ventilador y el medio de filtración. Un diseño óptimo permite que el sistema mantenga una velocidad constante de flujo de aire descendente, lo cual es esencial para evacuar el polvo de manera efectiva bajo una variedad de condiciones operativas de corte y estados del filtro.
El resultado final:
El diseño y la integración de un sistema de colección de polvo efectivo para procesos de corte térmico no es un proceso estándar. Tomar en cuenta todas las variables mencionadas es crucial para asegurar que un taller aproveche al máximo su sistema de colección de polvo. Este enfoque integral es clave para lograr un ambiente de trabajo seguro y eficiente.
