Sistema de extracción de polvo y humos en la máquina de corte por láser

1. En los últimos años, la industria del corte por láser se ha desarrollado rápidamente, y la potencia de varios láseres es cada vez mayor. Con la mejora continua del espesor y la velocidad de corte por láser, la cantidad de humo y polvo generados por unidad de tiempo es cada vez mayor. Si [...]

Índice

1. Peligros del humo y el polvo del corte por láser y mecanismo de evacuación de humos

En los últimos años, la industria del corte por láser se ha desarrollado rápidamente, y la potencia de varios láseres se ha hecho cada vez mayor.

Con la mejora continua del grosor y la velocidad del corte por láser, aumenta la cantidad de humo y polvo generados por unidad de tiempo.

Si se sigue utilizando el sistema de eliminación de polvo original de la máquina de corte por láser, no podrá satisfacer las necesidades normales de eliminación de polvo y no podrá cumplir las normativas correspondientes del gobierno y la industria.

Con el fin de mejorar la calidad del producto y satisfacer las necesidades de los clientes, este documento se centra en la investigación y optimización del sistema de eliminación de polvo para corte por láser máquinas de 6 kW o más.

1.1 Peligros del humo y el polvo del corte por láser

El humo y el polvo liberados durante el corte por láser de chapas metálicas pueden dividirse a grandes rasgos en polvo y aerosoles, de los cuales 97% tienen un diámetro inferior a 5,7 μm, lo que significa que la mayor parte del humo y el polvo pueden ser inhalados por el cuerpo humano.

Dependiendo del material de corte y del escenario, también pueden producirse otras sustancias nocivas.

Por ejemplo, si la superficie de la lámina tiene aceite, producirá gases de compuestos de hidrocarburos muy complejos; si la superficie de la lámina tiene una película, el corte liberará compuestos lipídicos y olefínicos, acompañados de un olor perceptible.

Si el humo y el polvo producidos durante el corte por láser no se capturan y tratan eficazmente, perjudicarán la salud humana y dañarán el medio ambiente.

1.2 Mecanismo de evacuación de humos del corte por láser

En corte por láser de metal hojas, se forma una presión negativa bajo la superficie de corte mediante la extracción de aire a través de un ventilador, y se aspiran el humo y el polvo producidos por el corte.

En la actualidad, la industria utiliza generalmente un método de partición múltiple. El área de corte efectiva se divide en varias zonas, y la compuerta correspondiente se abre en función de la posición de corte real para conseguir un mejor efecto de eliminación del polvo. Esto se muestra en la figura 1.

Figura 1 - Diagrama esquemático de la estructura de eliminación de polvo del corte por láser.

Según la fórmula, el volumen de aire necesario para el colector de polvo es:

Lp=K×3600(5H2+Fx)Vx (m3/h) (1)

Donde K es el coeficiente de margen de selección, que es ≥1,2; H es la distancia entre la boca de aspiración real y la posición de corte, en metros; Fx es el área de partición del depósito de polvo, en metros cuadrados; Vx es la velocidad del viento en la posición de corte, en metros por segundo.

De la ecuación (1) se desprende que, para las máquinas de corte por láser equipadas con colectores de polvo del mismo volumen de aire, cuanto menor sea el área de partición de la tolva y más cerca esté la boca de aspiración de la distancia de corte, mayor será la velocidad del viento de eliminación del polvo en la superficie de la mesa de trabajo y mejor será el efecto de eliminación del polvo.

A través de varios experimentos en diferentes chapa metálica y los parámetros de corte, la velocidad óptima del viento para eliminar el polvo de la superficie de la tabla de corte se sitúa entre 0,8~1,2m/s. En este caso, el efecto de eliminación de polvo es bueno, y la tasa de éxito de la captura de humo y polvo es superior a 95%. No se aprecia humo a simple vista ni en los pulmones. Si la velocidad del viento de eliminación del polvo de la superficie de la tabla de corte es inferior a 0,5 m/s, el efecto de eliminación del polvo es deficiente y se producirá humo evidente al cortar placas de acero al carbono. Si la velocidad del viento en la superficie de la tabla de corte es superior a 1,2 m/s, el efecto de eliminación de polvo es bueno, pero también aspirará más chispas o escoria, causando daños a la placa de acero al carbono. equipos de eliminación de polvoo incluso provocar incendios.

2. Optimización estructural del sistema de eliminación de polvo

2.1 Reducción de la superficie de separación del depósito de polvo

A partir de la fórmula anterior, es obvio que una forma de aumentar la velocidad del viento de eliminación de polvo en la posición de corte sin aumentar la potencia del colector de polvo es reducir el área de partición de la tolva de polvo.

Desde esta perspectiva, realizamos pruebas y experimentos prácticos comparativos. Cambiamos la máquina con el mismo alcance de corte de 5 particiones a 6 particiones. Después de la mejora, la longitud de la sección se mantuvo sin cambios en 2,07 m, mientras que la anchura de la sección se redujo de 0,85 m a 0,69 m, reduciendo el área de partición en 19%, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2 - Zona del tabique de extracción de polvo
 (a) Antes de la mejora (b) Después de la mejora

Según la prueba, en las mismas condiciones de volumen de aire, temperatura y posición de medición, la velocidad media del viento en la superficie de la mesa de trabajo antes de la mejora era de 0,63 m/s, y después de la mejora, la velocidad media del viento aumentó a 0,75 m/s, lo que supone un aumento de unos 19%.

Por lo tanto, la reducción del área de partición puede aumentar directamente la velocidad del viento Vx cuando el volumen de aire Lp sigue siendo el mismo.

Sin embargo, el aumento de la partición de eliminación de polvo también traerá consigo algunas desventajas, como el aumento del número de compuertas de aire, que provocará más fugas de aire; el aumento del número de cilindros utilizados para controlar las compuertas de aire puede aumentar el coste y la posibilidad de averías.

Por tanto, es necesario elegir en función del posicionamiento real del producto.

2.2 Reducción de la distancia entre la boca de aspiración y la superficie de corte

A partir de la fórmula anterior, es obvio que la segunda forma de aumentar la velocidad del viento de eliminación de polvo en la posición de corte sin aumentar la potencia del colector de polvo es reducir la distancia entre el puerto de succión y la superficie de corte.

En las máquinas de corte por láser, aumentar la altura del conducto de aire significa acortar la distancia entre la boca de aspiración de la compuerta de aire y la mesa de trabajo.

También realizamos experimentos de prueba comparativos en las mismas condiciones de la partición de eliminación de polvo y el ventilador de eliminación de polvo. En la Tabla 1 se muestran los datos de las pruebas de velocidad media real correspondientes para tres aumentos de la altura del conducto de aire.

Como puede verse en la tabla, cuando el valor H disminuye proporcionalmente, el Vx aumenta continuamente. Sin embargo, debido a las limitaciones estructurales de la máquina de corte por láser, existen limitaciones para reducir el valor H.

Además, como la altura del conducto de aire sigue aumentando, es necesario considerar un esquema de protección para evitar que el láser dañe el conducto de aire. El conducto de aire debe disponerse fuera de la zona de corte, especialmente en el caso de máquinas de alta potencia.

Tabla 1 - Registro de datos de la prueba de velocidad del viento

 FundacionesOpción 1Opción 2Opción 3
Superficie de la mesa de trabajo Velocidad media real del viento Vx (m/s-1)0.520.630.740.84
Distancia de la superficie de la mesa de trabajo a la boca de aspiración H /m0.60 0.50 0.400.30
Volumen de aire del ventilador de prueba Lp (m3/h-36000600060006000

2.3 Reducción de la pérdida de presión del sistema de eliminación de polvo

Según el gráfico de Moody, el coeficiente de amortiguación λ a lo largo del recorrido puede determinarse mediante el número de Reynolds Re y la relación ε/d (donde ε es la rugosidad absoluta de la pared del conducto de aire, y d es el diámetro equivalente de la tubería).

Cuanto mayor sea la λ, mayor será la pérdida de presión a lo largo del recorrido.

Si se combina con el flujo real de aire en el conducto de aire, se observa que cuanto mayor sea el diámetro equivalente d del conducto de aire, menor será λ, y cuanto menor sea la superficie s (con una longitud y una circunferencia seccional c constantes), menor será la pérdida por fricción.

Por lo tanto, para reducir la pérdida de presión en el trayecto, hay que preferir primero los tubos redondos, luego los cuadrados y, por último, los rectangulares.

Como se muestra en la Tabla 2, con la misma sección transversal, el diámetro equivalente del tubo redondo es el mayor, y la superficie en el interior del tubo es la menor.

Tabla 2 Diámetro equivalente y circunferencia seccional de tubo redondo, tubo cuadrado y tubo rectangular.

TuberíasTubo circular
(Φ,114)  
Tubo cuadrado
(100×100)   
Tubo rectangular
(150×67)
Diámetro equivalente d  114100 92
Circunferencia seccional c354400434

Debido a las restricciones en la estructura de las máquinas de corte por láser, es difícil utilizar tubos circulares para estructuras de conductos de aire.

Generalmente, se utilizan tubos cuadrados y tubos rectangulares para el conducto de aire principal. Por ejemplo, se utiliza un tubo rectangular con un tamaño de 250×150 y un tubo cuadrado con un tamaño de 200×200.

El diámetro equivalente del tubo rectangular es de 0,19 m y el del tubo cuadrado es de 0,2 m. Los ensayos han demostrado que, con un volumen de aire constante de 5000m3/h y la longitud del conducto de aire, la pérdida de presión unitaria del tubo rectangular es de 34,86Pa/m y la del tubo cuadrado es de 26,93Pa/m, con una reducción de 23%.

El intervalo recomendado para la velocidad del viento dentro del conducto de aire de la máquina de corte por láser es de 15-18m/s.

Según la fórmula V=Q/S, se puede comprobar si la selección de la sección del conducto de aire es razonable o no en función del volumen de aire del colector de polvo y de la velocidad del viento recomendada en el interior del conducto.

Si la velocidad del viento en el interior del conducto es demasiado baja, es probable que se acumulen humo y polvo en su interior; por otro lado, si la velocidad del viento en el interior del conducto es demasiado alta, aumentará la pérdida de presión del sistema y disminuirá la eficacia de eliminación del polvo.

Por lo tanto, al seleccionar un colector de polvo, no sólo debe elegirse un colector de polvo que se corresponda con el volumen de aire, sino que también debe tenerse en cuenta la pérdida de presión del sistema de eliminación de polvo de la máquina de corte por láser. La presión del viento de entrada del colector de polvo no debe ser inferior a la pérdida de presión del sistema de eliminación de polvo de la máquina de corte por láser.

Es necesario seleccionar la curva de rendimiento correspondiente del ventilador suministrado por el fabricante (véase la figura 3) para la selección, y no hacer generalizaciones basadas únicamente en la potencia del ventilador.

Figura 3: Diagrama Modi

3. Resumen

(1) La velocidad de actualización del sistema de eliminación de polvo de las máquinas de corte por láser nacionales está muy por detrás de la velocidad de desarrollo de potencia del láser. Los problemas de eliminación de polvo se expondrán en las máquinas de alta potencia.

(2) El efecto de eliminación de polvo de las máquinas de corte por láser también está relacionado con factores como las juntas de la tolva y el número de curvas en los conductos de aire. Por lo tanto, incluso con el mismo sistema estructurado de eliminación de polvo, el efecto de eliminación de polvo de los productos fabricados por diferentes fabricantes de máquinas de corte por láser puede variar mucho.

(3) La cantidad de humo y polvo que genera el corte por láser puede ser una cuestión que se ha ignorado. La cantidad de humo y polvo emitidos por el corte por láser depende de las características materiales del propio metal, así como de los parámetros de la velocidad de corte y la presión de corte durante el procesamiento. Establecer los parámetros de corte que minimicen las emisiones de humo y polvo para diferentes materiales es también una forma importante de mejorar el efecto de eliminación de polvo de las máquinas de corte por láser.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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