Kirt Boston, Donaldson Torit 프로그램 매니저 및 Bob Walters, Donaldson Torit 선임 지역 영업 엔지니어
플라스마 및 레이저 절단은 유연한 금속을 제조할 때의 기반 공정입니다. 그러나 이러한 공정을 통해 발생하는 매우 미세한 입자는 기계와 직원에게 해를 끼치는 다양한 위험을 야기할 수 있습니다.
열 절단으로 생성되는 입자는 필트레이션되어야 합니다. 절단 중에 제거된 물질은 슬래그, 연기 및 가루, 열로 생성된 입자를 생성합니다. 슬래그는 일반적으로 작업대 바닥으로 떨어지는 반면, 연기와 미세 입자는 집진기가 생성하는 적절한 하향 기류가 열 상승 문제를 해결하지 못하는 경우 가공물 위로 올라갑니다. 입자의 크기는 1 미크론 미만에서 수십 미크론까지 다양하며, 이를 제어하려면 필트레이션 시스템을 적절하게 선택하여 설치해야 합니다.
시스템 설계는 절단 환경 및 공정 매개변수에 따라 달라집니다. 대형 플라스마 작업대는 소형 레이저 작업대와 비교할 때 공기 흐름 요건이 다릅니다. 플라스마 절단은 레이저 절단 입자 크기보다 다양한 입자 크기를 생성합니다. 자동 물질 포집 시스템과 같은 관련 시스템까지도 절단 시간 증가로 인해 시스템 설계에 영향을 미칩니다. 이러한 요인은 물질 유형과 두께, 절단 치폭 및 부품 배치와 마찬가지로 설계 요구사항에 영향을 미칩니다.
잘 설계된 집진기는 전체 절단 작업대를 효과적인 흄 포집 시스템으로 변환시킵니다.
안전을 위한 설계
올바른 집진 시스템은 환경적인 측면과 운영상 측면에 모두 필수적입니다. OSHA는 최근 몇 년간 스테인리스 스틸처럼 크롬이 풍부한 금속을 절단하면서 발생하는 망간뿐만 아니라 6가크롬을 포함한 수많은 분진의 허용 노출 한계를 크게 낮췄습니다. EPA는 2.5 미크론 이하의 입자 감소뿐만 아니라 카드뮴, 크롬, 납, 망간, 니켈을 포함한 다른 금속 화합물 감소에도 계속 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 물질은 모두 다양한 금속 제조 및 마감 작업에서 발생합니다.
열 절단 시 발생하는 흄과 오염물질을 제어하는 데 사용되는 공기는 뜨거운 스파크를 억제합니다. 스파크가 제거되지 않으면 집진기 전반에서 잠재적인 연료가 될 수 있습니다. 따라서 화재를 일으키는 손상 및 파괴를 방지하려면 발화원을 제어하는 것이 중요합니다. 또한 여과된 공기가 생산 구역으로 돌아오는 경우, 보조 필터가 기본 필터의 작동 성능을 확인하여 반환된 공기가 깨끗하고 안전한지 확인할 수 있습니다.
또한 작업장에서는 서로 다른 물질의 입자 포집에 따른 위험도 고려해야 합니다. 여기에는 이종 금속의 입자가 포함될 수 있습니다. 예를 들어, 금속과 금속 산화물은 테르밋 반응을 보일 가능성이 있습니다. 연소 위험은 필터 시스템 배치 및 설계 결정에 영향을 미칩니다. 전미방화협회(NFPA)에서는 가연성 금속 분진과 관련된 여러 가지 위험을 완화하기 위해 적용할 수 있는 몇 가지 표준을 발표했습니다.
후드
효과적인 집진은 입자를 효율적으로 포집하고 제어하는 후드에서 시작합니다. 시스템 성능은 후드가 달성할 수 있는 성능으로 제한됩니다. 아무리 비싼 집진기를 구입하고 고효율 필터를 설치하더라도 후드가 분진과 흄을 절반만 포집한다면 전체 효율이 50%를 넘지 않을 것입니다.
열 절단 시에는 절단 작업대가 포집용 후드 역할을 합니다. 후드는 오염물질을 포집하기 위해 일관된 공기량을 지속적으로 끌어당겨야 합니다. 그렇지 않으면 분진과 흄이 빠져나갑니다.
표면 포집과 심층 포집 비교
효과적인 필트레이션을 위해서는 필터 면적이 아닌 섬유 면적이 중요합니다. 따라서 작은 섬유가 많이 포함되도록 필터를 설계해야 하여 사용 가능한 섬유 표면적을 크기 순서로 늘려야 합니다.
기존의 기본 여과지에 미세섬유층을 이용하면 열 절단으로 인해 발생하는 입자를 포집할 때 최고의 필트레이션 성능을 발휘할 수 있습니다. 이 미세섬유층은 열로 생성된 입자를 다룰 때 여과지의 효율을 크게 높입니다. 미세섬유는 또한 입자가 필터 섬유 안에 깊숙이 박히는 것을 방지하여 입자가 여과지 표면에만 축적되도록 합니다(그림 1 참조). 이렇게 하면 매우 효과적인 표면 포집 필터가 생성됩니다.
표면 포집은 필터 펄스 클리닝의 이점을 보여 줍니다. 대부분의 펄스 클리닝 집진기에는 압축 공기 매니폴드 및 다이어프램 밸브 장치가 통합되어 있습니다. 파일럿 솔레노이드 밸브에 동력이 공급되면, 다이어프램 밸브는 압축 공기를 매니폴드에서 '펄스' 형태로 내보내 필터 표면에서 입자를 밀어냅니다. 효과적인 펄스 클리닝은 여과지에서 분진을 제거하여 저장 용기에 모아 줍니다.
표면 포집 필터는 입자를 여과지 표면에 포집한 후 손쉽게 펄스 클리닝합니다. 이로 인해 필터 수명이 연장되고 에너지 소비가 감소됩니다(그림 2 참조). 표면에 입자가 포집되지 않으면 필터에 심층 포집이 발생하여 흄이 여과지 깊숙이 들어갈 수 있습니다. 펄스 클리닝으로 심층 포집된 입자를 배출하는 것은 불가능하진 않더라도 매우 어렵습니다. 이러한 입자는 필터 수명을 단축시키고 에너지 소비량을 증가시킵니다.
표면 포집
심층 포집
분진 포집
높은 분진 포집으로 인한 집진기의 작업량이 증가하면서, 공정에서 발생하는 분진의 양 또는 분진 포집량에 따라 필요한 집진기의 크기가 달라질 수 있습니다. 같은 시간 동안 레이저 절단 공정이 플라스마 절단 공정보다 더 적은 분진을 발생시킬 수 있습니다. 레이저 절단 및 플라스마 공정에서 발생하는 흄을 포집하는 데 필요한 공기 흐름은 동일할 수 있지만, 분진 포집량이 다르기 때문에 집진기 크기가 달라질 수 있습니다.
레이저 절단의 분진 포집량이 적을수록 집진기 작업량이 줄어들 수 있지만, 입자 크기 역시 영향을 미칩니다. 필터에 있는 작은 분진 입자는 입자 사이에 작은 간극을 유지한 채 서로 결합하는 경향이 있으며, 이는 결국 먼지층 사이로 공기를 끌어당기는 데 필요한 압력을 증가시킵니다. 이 문제가 해결되지 않을 경우 집진기는 더 많은 에너지를 소비하며 더 자주 클리닝해야 할 수 있습니다.
열 부하
모든 집진기는 온도 제한이 있으므로, 열 부하가 증가하면 다른 구조가 필요할 수 있습니다. 어떤 상황에서는 전체 공기 온도를 집진기의 작동 한계 이내로 유지하기 위해 시스템에 냉각 공기를 투입해야 할 수도 있습니다.
열 부하와 후드 설계도 공정마다 다릅니다. 예를 들어, 산소가스 절단은 분진 포집량이 상대적으로 낮은 반면 상당한 열을 발생시킵니다. 집진기의 제작 재료, 특히 필터의 재료를 선택할 때는 이 추가적인 열 부하를 반드시 고려해야 합니다. 플라스마 절단 및 레이저 절단은 일반적으로 열 부하가 낮지만, 더 많은 분진을 포집합니다.
작업대 설계도 열 부하에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 구조 절단 라인에서는 플라스마 토치를 사용하여 빔 또는 플레이트를 절단할 수 있으며, 스파크와 용해된 금속이 절단 구역 아래의 좁은 틈을 통해 빠져나갈 수 있습니다. 따라서 기존의 개방형 하향 기류식 절단 작업대보다 높은 열 부하가 발생합니다.
자동화 요소
자동화는 집진기 크기의 고려 사항도 변화시킵니다. 수동 절단 시에는 작업자가 작업대에서 부품을 꺼낸 다음 새 시트를 장착합니다. 집진기는 이 가동 중지 시간 동안 과부하 상태의 펄스 클리닝을 "따라잡을" 수 있습니다.
자동화된 재재 취급 장치는 완성된 시트를 몇 분 만에 교체하므로, 절단과 부품 제거가 동시에 이루어집니다. 따라서 작업장의 생산성은 향상되지만, 집진기가 더 많은 절단 시간에 노출되고 "숨 돌릴" 시간이 줄어들기 때문에 분진 포집이 더 어려워집니다. 이러한 자동화로 인해 대개 더 많은 분진과 흄이 포집되므로, 이러한 포집량을 수용할 수 있도록 집진기의 크기를 조정해야 합니다.
압력 안정화
절단 공정에서 효과적으로 흄과 먼지를 포집하기 위해, 팬은 공기가 가공물을 지나 절단 작업대를 통해 아래쪽으로 흐르도록 공기 흐름 패턴을 만듭니다(그림 3 참조). 팬은 공기가 절단 구역에서 덕트, 집진기, 필터 여과지, 먼지층을 통과해 이동할 때 난류 및 마찰 손실을 극복하도록 에너지를 제공합니다.
적절히 설계된 집진기는 필요한 공기량(CFM)을 지속적으로 끌어당길 수 있어야 합니다. 공기가 너무 많으면 필터 수명이 단축되고, 반대로 공기가 너무 적으면 시스템의 포집 효율이 저하됩니다. 시스템의 저항 또는 정압을 극복하는 데 필요한 에너지는 시간이 지나 필터가 더러워지면서 점차 바뀝니다.
정압 값은 대개 1 제곱인치당 1 파운드도 안 되는 "wg로 표현됩니다. 약 27.7 인치의 물은 약 1 PSI와 같습니다. 깨끗한 새 필터는 공기 흐름 저항이 거의 없는 상태, 즉 1 인치 미만에서 시작하지만, 시간이 지남에 따라 필터에 먼지가 쌓이면 저항이 몇 인치로 증가합니다. 저항이 특정 지점을 초과하기 시작하면 필터를 교체해야 합니다. 대부분의 경우 이 값은 5 또는 6 인치일 수 있지만, 어떤 경우에는 저항이 훨씬 더 높은 수준에 도달할 때까지 필터가 막힌 것으로 간주하지 않기도 합니다.
최신 집진기는 필터 여과지의 작동 수명을 연장하기 위해 펄스 클리닝 필터를 사용합니다. 이러한 시스템은 주기적인 리컨디셔닝을 통해 필터를 계속 교체하지 않고도 계속해서 실행될 수 있습니다.
공기량 및 시스템 설계
집진기는 정상적인 작동 상태에서 필터의 저항이 새 필터보다 몇 인치 높은 안정적이고 "길들여진" 상태가 되는데, 이는 여과지 표면에 "필터층"이 형성되기 때문입니다. 시간이 지남에 따라 어느 정도의 심층 포집과 기타 작동이 일어나면 여과지의 저항이 서서히 증가하게 됩니다. 결국 더 높은 팬 에너지로 계속 작동하는 것보다 필터를 교체하는 것이 더 비용 효율적이라는 것을 깨닫게 될 것입니다.
필터의 유효 수명 전반에 걸쳐 효과적인 성능을 보장하기 위해, 일반적으로 필터가 "막힌" 상태의 압력 강하, 즉 최고 또는 "말기"의 압력 강하 조건에서 원하는 공기량을 제공하도록 팬의 크기가 조정됩니다.
집진기는 필터의 최적 작동 수명을 보장하기 위해 시스템을 통해 과도한 공기가 유입되지 않도록 공기량을 제어해야 합니다. 따라서 대개 집진기의 팬에 댐퍼를 내장하여 필터가 막힘에 따라 필터의 저항 변화를 조절하는 경우가 많습니다. 필터의 저항이 상대적으로 적을 때는 댐퍼를 부분적으로 닫아서 팬이 필요한 공기량만 끌어당기도록 합니다. 그러나 댐퍼는 공기 흐름을 제어하는 유일한 방법이 아닙니다. 속도 조절식 모터로 팬 속도를 조절하여 공기 흐름을 제어하고 에너지를 절약하도록 성능을 조정할 수도 있습니다.
절단으로 인해 발생하는 분진 및 흄을 제어하는 데 필요한 공기량이 많아질수록 집진기 크기도 더 커집니다. 따라서 상당수의 대형 절단 시스템을 서로 분리하거나 별도의 구역에 배치합니다. 이러한 접근 방식은 공기가 절단 베드 아래의 공간으로만 흐르도록 하기 때문에 공기량이 적게 필요하며 따라서 집진기 크기도 작아집니다.
다른 경우에는 절단 중인 물건에 개구부가 있어 공기가 추가로 필요할 수 있으며, 따라서 집진기는 이러한 추가 용량 요건을 염두에 두고 설계되어야 합니다. 이 경우 집진기 용량을 늘리면 시스템이 모든 개구부 전반에 걸쳐 필요한 하향 기류 속도를 유지하여 효과적인 분진 배출이 가능합니다.
마지막으로 집진기 팬은 절단 작업대를 통과하는 충분한 공기 흐름을 발생시켜, 상승하는 흄을 포집하는 데 필요한 하향 기류 속도를 생성해야 합니다. 일반적으로 효과적으로 흄을 제어하기 위해서는 공기 속도가 150~250 CFM에 도달해야 하지만, 이 요건은 작업대 설계, 크기 및 절단 공정에 따라 증가할 수 있습니다.
시스템 성능
열 절단 시 많은 변수가 분진 제어 시스템에 영향을 미치므로, 덕트, 팬, 필트레이션 여과지를 포함하여 잘 설계된 시스템을 통해 모든 변수와 요소를 고려해야 합니다. 잘 설계된 시스템의 경우 일정한 하향 기류 속도를 유지하여 다양한 필터 및 가동 중인 절단 조건에서 분진을 효과적으로 배출해야 합니다.
결론:
열 절단을 위해 효과적인 집진기를 설계하고 통합하기 위해서는 한 가지 방식만 사용해서는 안 됩니다. 언급된 모든 요소를 고려해야 작업장에서 집진기를 최대한 활용할 수 있습니다.
