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Fumos metálicos no corte a plasma
Mesas aspiradas x Mesas d´água
Artigo Técnico
Objetivo
As operações de corte de metais à plasma, tanto manuais como automatizadas (CNC), apresentam riscos ambientais
derivados principalmente das radiações ultra-violetas do arco-elétrico e da intensa geração de fumos metálicos, óxidos de
nitrogênio (NOx) e ozônio (O3), além de ruído e outros riscos de segurança genéricos. Este artigo tem por objetivo
apresentar os métodos de controle mais utilizados no Brasil para os fumos metálicos e gases gerados neste processo, bem
como uma comparação entre eles.
Introdução
O processo de corte à plasma é largamente utilizado na indústria metal-mecânica e está esquematicamente indicado na figura
1 abaixo. Como a intenção deste artigo é tratar especificamente da questão do controle dos poluentes, não vamos detalhar os
aspectos relativos ao processo em si. As taxas de emissão de poluentes do processo variam, em cada caso, em função de uma
série de fatores tais como o metal a ser cortado, espessura, número de tochas de corte em trabalho simultâneo, velocidade
de corte entre outros.
Eletrodo
Água refrigerante
Fonte de
energia
Plasma
Arco
Metal
fundido
Figura 1
Um jato plasma gerado por um arco elétrico e um fluxo de gás alimentado em alta pressão e velocidade fornece a
energia térmica e mecânica necessária para o corte da chapa metálica.
O manuseio da tocha ou a operação via comando numérico (CNC) permitem um corte preciso no perímetro desejado.
Devido às altas energias envolvidas e à velocidade do corte, a geração de fumos metálicos é muito intensa podendo atingir
taxas de emissão da ordem de 26g/min no corte de aço carbono e 40g/min no corte de aço inox (Bromsen B. et al). Essas taxas
de emissão, por si só, constituem um alarmante nível de poluição do local de trabalho excedendo, na grande maioria dos casos,
os limites de concentração de poluentes permitidos pela legislação brasileira (NR-15 Anexo 11). As emissões de gases tóxicos,
basicamente os óxidos de nitrogênio (NOx) e ozônio (O3), também são muito intensas e representam um risco elevado apesar
das melhores condições de dissipação dos gases em relação ao particulado (fumos). Especial atenção porém deve ser
dispensada ao processo de corte manual uma vez que o operador entra em contato direto com os poluentes antes que estes se
dispersem no ambiente de trabalho.
Para o controle e redução dos níveis de emissão de poluentes é necessário que a mesa onde se apóie a chapa seja dotada de
meios de absorção ou exaustão destes poluentes. Deste modo, os tipos mais utilizados de mesas no Brasil são as mesas úmidas,
ou mesas d'água (wet cutting), e as mesas aspiradas (downdraft tables). No corte manual o principal método de controle é via
aspiração e no corte mecanizado (CNC) o método ainda predominante no Brasil é a mesa d'água. Apesar de haver uma
significativa diferença em termos de eficiência de captação em favor das mesas aspiradas, desde que tenham a vazão correta, as
mesas d'água também têm condições de reduzir a emissão de fumos.
Mesas d’água
Antes de mais nada é necessário que se faça uma distinção entre o plasma submerso e as mesas d'água. No método de corte a
plasma submerso, o corte é realizado abaixo do nível da água. Este método praticamente elimina os problemas ambientais mas
sua utilização tem grandes limitações do ponto de vista do processo produtivo. Desde razões de qualidade da peça cortada até a
produtividade, vários são os fatores que impedem a disseminação de seu uso.
As chamadas mesas d'água são constituídas basicamente pela estrutura de apoio das chapas a serem cortadas e um reservatório de
água logo abaixo do nível de corte (nível de apoio da chapa). A água atua como um absorvente dos poluentes gerados e ajuda a
reduzir os níveis de ruído do processo. Para que a água possa, de fato, atuar como meio de controle é necessário que a distância
entre sua superfície e o nível de corte seja a menor possível. Quanto maior for a distância entre a superfície da água e o nível de
corte, menor a eficiência de captação dos fumos. A espessura da lâmina d'água é, usualmente, 100mm e é necessário o uso de
aditivos para redução da tensão superficial e prevenção da disseminação de bactérias.
Figura 2
A mesa contém uma lâmina d'água logo abaixo do nível de corte que
absorve parte dos fumos e reduz o nível de ruído do processo.
As mesas d'água têm como principal vantagem seu baixo valor de investimento inicial. Uma outra vantagem é a redução do nível
de ruído do processo. Estas vantagens porém são largamente superadas por desvantagens de custo de operação e pelas
crescentes exigências de controle ambiental, conforme detalhado mais à frente neste artigo.
Mesas de corte aspiradas
As mesas de corte aspiradas são constituídas por uma estrutura de suporte da chapa a ser cortada e um sistema de compartimentos
(setores) e válvulas (dampers) que possibilitam a captação dos poluentes via sistema de exaustão e filtragem. As mesas de corte
aspiradas, também chamadas “downdraft tables” são as mais utilizadas em mercados tecnologicamente mais avançados onde já
não se admite o uso de água como meio de absorção dos fumos metálicos.
Figura 3
Uma mesa de corte setorizada, com sistemas de dampers e acoplada a um sistema de exaustão e filtragem, faz a
coleta dos poluentes e os conduz, via tubulação, até o filtro.
A compartimentação consiste na segmentação transversal da mesa em trechos que variam de 0,5m a 1,0m de comprimento (C) e
largura (L) igual à da mesa de corte (ver figura 3). Essa compartimentação permite uma redução muito grande da vazão requerida e
conseqüentemente do dimensionamento do sistema de exaustão e filtragem. Para que a exaustão seja eficiente é necessário que
um sistema de válvulas (dampers) abra e feche automaticamente provendo exaustão no seguimento onde o corte está sendo
realizado. O acionamento destes dampers é usualmente mecânico e executado pelo próprio pórtico da máquina de corte através de
um sistema de alavancas (cames). Deste modo, à medida que a tocha se movimenta ao longo da chapa, a exaustão estará sempre
presente na área de corte, evitando-se desperdício de vazão em outras áreas da mesa onde não há poluente sendo gerado.
O correto dimensionamento da mesa e do sistema de exaustão e filtragem é, neste caso, fator crítico para um bom funcionamento
desta solução ao longo do tempo. A filtragem dos poluentes gerados no corte à plasma não é trivial, assim a especificação do filtro
deve ser realizada por empresa qualificada e com experiência específica neste tipo de aplicação. Não raro, filtros mal
dimensionados saturam-se em pouco tempo exigindo trocas constantes de elementos filtrantes e, em casos extremos, o abandono
do sistema. No caso de processos de corte à plasma manual, a mesa normalmente é de menor dimensão, o que dispensa a
compartimentação. O principio de exaustão e filtragem porém é o mesmo e os cuidados no dimensionamento do sistema idênticos
aos acima mencionados.
VANTAGENS, LIMITAÇÕES E DESVANTAGENS DE CADA MÉTODO
MESAS D’ÁGUA
Vantagens
As mesas d'água apresentam como principal vantagem
um menor custo inicial do investimento uma vez que
dispensam os mecanismos internos e o sistema de
exaustão e filtragem necessários nas mesas aspiradas.
Uma outra vantagem das mesas d'água é a redução do
ruído do processo. Para que isso ocorra porém, é
necessário que a superfície da água esteja à mínima
distância do nível de corte o que pode levar a outros
inconvenientes conforme descrito a seguir.
Limitações
Devido à concepção da mesa contendo um “tanque
d'água”, um bloco único estanque e soldado, não há
modularidade no equipamento. Deste modo, qualquer
alteração de lay-out ou de processo requer profundas
mudanças no equipamento, quando não sua troca
completa. No corte de metais susceptíveis a “choques
térmicos” como, por exemplo, aços liga, aços
inoxidáveis, alumínio e outros, o risco de uma alteração
metalúrgica indesejável da área de corte pelo contato
com água, deve ser considerado como uma limitação
deste método assim como a corrosão. Porém, talvez a
maior limitação das mesas d'água seja sua reduzida
capacidade de retenção dos poluentes. Devido, entre
outros fatores, à tensão superficial da água, uma
significativa parte dos poluentes gerados não é
absorvida e permanece contaminando o ambiente. Os
gases tóxicos nitrosos (NOx) e ozônio (O 3 ),
praticamente não são captados visto que a água não os
retém. Desta forma a água pode ser considerada uma
solução paliativa e não uma solução no estrito senso da
boa técnica.
Desvantagens
Há uma série de desvantagens nas mesas d'água, algumas
com conseqüências potenciais graves. Para maior
facilidade de entendimento abaixo estão listadas as mais
importantes:
§Elevado custo de operação: os custos decorrentes das
freqüentes paradas para limpeza com necessidade de
esvaziamento e re-enchimento do tanque de água,
emprego de maior número de pessoas, maior tempo de
parada do processo e tratamento da água utilizada, são
muito mais elevados quando comparados às mesas
aspiradas.
§Menor produtividade: ao se considerarem os tempos de
parada do processo ao longo de um ano por exemplo,
verifica-se que a produtividade é muito prejudicada.
Estes tempos de parada se explicam pela dificuldade da
operação de limpeza do tanque de água e pela constante
manutenção que o equipamento requer.
§Passivo ambiental potencial: no caso de descarte da
água contaminada com metais pesados (o que é
totalmente irregular) a contaminação de mananciais,
solos, lençol freático ou esgotos pode se constituir num
passivo ambiental enorme que ameaça a própria
existência de algumas empresas. Nos casos em que a
água é tratada há que se verificar se a estação de
tratamento utilizada possui as características necessárias
para o tratamento destes poluentes. Nos casos em que a
água de descarte é coletada por empresa de tratamento
terceirizada, além dos custos elevados, há sempre o risco
de que o tratamento não esteja sendo adequadamente
realizado, recaindo sobre a empresa contratante a
responsabilidade.
§Menor vida útil dos equipamentos: devido às
características de operação e, principalmente, à presença
da água e vapor d'água, o equipamento apresenta
reduzida vida útil, em média, metade de uma mesa
aspirada. Além disso a própria máquina de corte é afetada
pelo aumento de umidade com conseqüentes impactos
nos custos de manutenção e na sua vida útil.
MESAS ASPIRADAS
Vantagens
As mesas aspiradas apresentam uma longa lista de vantagens quando
comparadas com as mesas d'água. Estas vantagens podem ser
apresentadas na realidade, como um contra-ponto às desvantagens
mencionadas para as mesas d'água. Assim temos:
§Menor custo de operação: a utilização de um sistema seco, onde o acesso
ao interior da mesa é fácil, sem necessidade de operações especiais, torna
o custo de operação muito menor já que as operações de limpeza são
rápidas e requerem pouca mão de obra. Os únicos resíduos desta operação
são as borras e os retalhos, além do pó mais pesado. O volume de resíduos
não é menor apenas porque não há água de descarte mas também porque
uma grande quantidade de particulado que outra forma teria contaminado
o ambiente ou gerado lodo foi coletado diretamente no filtro do sistema de
exaustão.
§Maior produtividade: dado ao tempo muito menor das operações de
limpeza e a menor necessidade de manutenção, os tempos de parada do
processo são muito reduzidos. Isso afeta diretamente a produtividade que
aumenta proporcionalmente. Além disso, um sistema automático de
limpeza de resíduos pode ser instalado na maioria dos modelos,
praticamente eliminando os tempos de parada para limpeza.
§Eliminação do passivo ambiental: com a eliminação da água e o sistema
de coleta de particulado via exaustão e filtragem, elimina-se também o
risco de contaminação de mananciais, solos, etc. Os resíduos coletados
são tratados de mesma forma que os demais resíduos sólidos oriundos da
produção sem custos adicionais.
§Maior vida útil dos equipamentos: conforme descrito acima, o vapor e os
fumos metálicos constituem-se num agressivo meio para os dispositivos
mecânicos eletrônicos de um equipamento de corte CNC. Podem também
prejudicar outros equipamentos da produção. O sistema de exaustão das
mesas aspiradas elimina os vapores e reduzem drasticamente a emissão de
fumos metálicos para o ambiente interno e externo. Desta forma
preservam-se os equipamentos reduzindo as manutenções e aumentando
sua vida útil.
§Modularidade: por se constituir de compartimentos modulares, as mesas
aspiradas apresentam grande flexibilidade em termos de lay-out e
alteração de capacidade de produção. Basta retirar ou acrescentar
módulos que a mesa pode ser estendida ou reduzida em seu comprimento
sem necessidade de nenhuma outra alteração.
§Qualidade do corte: as mesas aspiradas não interferem na qualidade do
corte. Não há o problema de efeitos metalúrgicos ou corrosão indesejável
já que não há contato da chapa com água.
§Maior eficiência de captação: desde que acoplada a um sistema de
exaustão e filtragem adequadamente dimensionado, a mesa aspirada
possui maior eficiência de captação dos poluentes, inclusive aqueles não
abatidos pela água como os gases nitrosos (NOx) e ozônio (O3).
Limitações
A principal limitação das mesas aspiradas refere-se à
vazão de projeto. Na grande maioria dos casos o
sistema de exaustão é dimensionado para uma
determinada “área aberta”, ou seja, considera-se que
a chapa a ser cortada ocupe uma porcentagem da
superfície da mesa; usualmente de 30% a 50%. À
medida que outras dimensões de chapa venham a ser
utilizadas as mesas aspiradas podem ter sua
eficiência de captação comprometida. Deste modo é
muito importante que se estude o processo em
detalhes para que se determine com segurança a área
aberta a ser considerada no projeto de exaustão e
filtragem.
Outra limitação da mesa aspirada é que o filtro seja
adequado para este tipo de aplicação. Como já
mencionado anteriormente, a filtragem dos fumos
(particulado) do corte à plasma não é trivial. É
necessário que o filtro tenha as características
adequadas para esta aplicação. Eventuais fagulhas
que atinjam um elemento filtrante podem oferecer
risco de incêndio. Assim é necessário que este
sistema possua um defagulhador para eliminação do
risco de incêndio do filtro.
Desvantagens
O maior custo inicial do investimento na mesa aspirada
deve-se não somente à mesa em si mas, principalmente,
ao sistema de exaustão e filtragem necessário. Este
valor do investimento porém é compensado pela
redução no custo de operação. Alguns estudos mostram
que o tempo de retorno do investimento na mesa de
exaustão, quando comparado com os custos de
operação da mesa d'água, varia de 1 a 3 anos. Outra
desvantagem do sistema de mesa aspirada é a
necessidade de monitoramento e substituição periódica
dos elementos filtrantes (em geral 6.000hs) do sistema
de filtragem. Este monitoramento é a garantia de um
sistema funcional que preserva a eficiência de captação
e as vantagens da solução adotada. Finalmente a mesa
aspirada não tem as mesmas propriedades de redução de
ruído da mesa d'água.
Conclusão
Em vista das evidentes vantagens do uso de mesas aspiradas acopladas a sistemas de exaustão e filtragem e a facilidade de
equacionar suas poucas limitações e desvantagens, conclui-se que seu uso é o mais indicado para os processos de corte à
plasma tanto CNC como manuais.
Some-se a isso a longa lista de desvantagens e o abandono do uso das mesas d'água em países tecnologicamente mais
desenvolvidos, a conclusão é clara em favor das mesas aspiradas.
Finalmente, o uso de soluções ambientalmente corretas e que de fato ofereçam segurança ao trabalhador, permitem a
redução do chamado “fator previdenciário” e dos encargos sociais incidentes sobre atividades com riscos ambientais (Art
10 Lei 10.666/2003).
A Nederman é um dos líderes mundiais na oferta de produtos e serviços no setor de tecnologia ambiental. Os produtos e sistemas da
empresa contribuem para a criação de ambientes de trabalho e processos industriais limpos e seguros, com foco em tratamento do ar,
reciclagem e manejo de materiais. A Nederman oferece ao mercado desde o projeto até a instalação, comissionamento e assistência
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