Usinage sous arrosage : Contrôle de la qualité de l’air par la récupération efficace de la fumée

Rédigé par Nick Welter, responsable de district Donaldson Torit

La récupération des brouillards constitue un moyen décisif de contrôler la qualité de l’air dans le secteur de la métallurgie. Les procédés d’usinage sous arrosage peuvent créer un brouillard de gouttelettes ou une fumée liquide dont la collecte est requise pour des raisons écologiques, sanitaires et de sécurité. La fumée liquide découlant de l’usinage sous arrosage est la plus difficile à capturer. Cet article traite de la fumée et des méthodes de récupération.

Définition de la fumée

On pense généralement à la fumée comme étant un nuage sombre résultant d’un feu de camp, d’une cigarette allumée ou d’une fusion de métal. Or, la nature de la fumée émise lors de l’usinage sous arrosage est très différente. Pour les besoins de cet article, la fumée est définie comme des gouttelettes liquides se condensant à l’état liquide ou de vapeur, mesurant généralement entre 0,7 et 1,0 micron ; un brouillard d’origine thermique ; ou une fumée huileuse.

Cette fumée liquide est induite par les processus qui échauffent et/ou compressent les liquides à haute pression, et peuvent ensuite générer une vapeur capable de se condenser en un nuage. La fumée liquide est généralement présente lors des applications métallurgiques comme : la frappe à froid, l’usinage d’alliages de métaux durs avec des liquides de refroidissement à l’huile entière, les réservoirs à huile de lubrification sur les générateurs de grande taille, le traitement thermique et/ou la formation de plastique.   

Capture de la fumée

Afin de capturer correctement la fumée liquide, vous devez comprendre la différence fondamentale entre la fumée et le brouillard. Les brouillards sont constitués de gouttelettes liquides mesurant généralement 20 microns (à titre de référence, un cheveu humain mesure environ 40 microns de diamètre). Les brouillards sont créés à partir de lubrifiants et de liquides de refroidissement à base d’huile et hydrosolubles. Plus la chaleur et/ou la pression appliquées à ces liquides de refroidissement à partir de la hauteur de refoulement ou du procédé d’usinage sont importantes, plus la taille des gouttelettes du brouillard est réduite. Si une chaleur ou une pression suffisante est appliquée au liquide de refroidissement, les gouttelettes sont si petites qu’une fumée liquide peut être générée. À 0,7 micron, la fumée liquide est environ 30 fois plus petite que la gouttelette de brouillard moyenne. Comme on peut l’imaginer, la capture de cette gouttelette extrêmement fine nécessite un condenseur de vapeur particulièrement efficace.

Même si la fumée liquide est facile à recueillir, il est généralement préférable de commencer par limiter la quantité de fumée générée à la source du procédé. Le premier moyen d’y parvenir consiste à refroidir le procédé en question. Comme mentionné précédemment, la fumée liquide est souvent créée par la chaleur. Par conséquent, si le processus est refroidi avant l’intervention du condenseur de vapeur, la fumée a une chance de se condenser à l’état liquide. Pour ce faire, il convient d’aspirer un air plus frais dans le flux d’air du processus. Nous recommandons de refroidir l’air à moins de 40,6 °C (105 °F) à une distance d’au moins 4,6 m (15 pi) du condenseur de vapeur. Cela permet de garantir que la fumée ne se condense pas après l’intervention du condenseur de vapeur, ce qui pourrait dans le cas contraire donner l’impression d’une efficacité médiocre.

Réduire la vitesse de l’air dans un système de conduites peut également permettre à la fumée de se condenser davantage avant l’intervention des condensateurs, à des vitesses atteignant 762 mètres par minute (2 500 pieds par minute), ce qui laisse souvent suffisamment de temps pour une condensation plus complète. La réduction de la vitesse dans la conduite, quelle que soit son intensité, peut présenter un défi car une baisse trop importante peut favoriser l’accumulation et une concentration de brouillards dans la conduite. Une pratique courante consiste à toujours favoriser une pente légère dans les conduites afin de réduire au minimum la concentration de brouillards à l’intérieur.

Si de la fumée s’échappe encore d’un collecteur malgré la mise en place des modifications ci-dessus, un effort ciblé lors de la filtration finale peut constituer la meilleure stratégie. Prenez en compte la quantité générale de fumée émise pour établir votre stratégie. Si la quantité de fumée générée est considérable, un condenseur de vapeur à plusieurs étages peut être la meilleure option. Toutefois, pour les quantités de fumée moins importantes, une stratégie répandue consiste simplement à ajouter un filtre terminal en aval du filtre principal.

Filtres terminaux

Deux types de filtres terminaux sont couramment utilisés lors des applications d’usinage sous arrosage : filtres HEPA ou 95 % DOP. Les filtres HEPA offrent par définition 99,97 % d’efficacité sur les matériaux mesurant 0,3 micron. L’inconvénient de l’utilisation d’un filtre HEPA est la capacité de rétention limitée de la filtration. Un filtre 95 % DOP peut avoir une durée de vie cinq fois supérieure à celle d’un filtre HEPA, mais en offrant une efficacité de 95 % sur les matériaux de 0,3 micron. L’expérience montre que les filtres 95 % DOP sont souvent acceptables dans la mesure où la plupart des fumées huileuses font en moyenne 0,7 micron. Un filtre 95 % DOP peut avoir une efficacité comprise entre 98 et 99 % à 0,7 micron. Ce niveau d’efficacité peut permettre à la qualité de l’air issue d’un condenseur de vapeur de répondre aux normes fédérales, nationales ou locales. Enfin, un filtre 95 % DOP coûte généralement le même prix qu’un filtre HEPA malgré sa longévité habituellement supérieure. Ces caractéristiques expliquent les différents avantages des filtres 95 % DOP et la raison pour laquelle ils ont acquis une plus grande notoriété ces dernières années.

Si un procédé d’usinage sous arrosage génère une quantité significative de fumée, capturer et extraire efficacement la fumée avant les filtres terminaux devient la meilleure option pour des raisons économiques. Pour capturer la fumée avant un filtre terminal, il faut connaître l’efficacité des équipements de condensation de la vapeur répandus dans le secteur.

Epurateurs de brouillard d'huile

Le condenseur de vapeur centrifuge est un équipement de récupération des brouillards d'huile très fréquemment utilisé. Les condenseurs de vapeur centrifuges sont généralement de taille réduite, relativement peu onéreux et ne nécessitent souvent qu’un remplacement minimal des filtres. De nombreux condenseurs de vapeur centrifuges peuvent même être adaptés sur avec un filtre terminal. Un condenseur de vapeur typique peut offrir une efficacité d’environ 98 % sur des matériaux de 1 micron. Cette efficacité diminue en même temps que la taille des matériaux. Étant donné que la taille moyenne de la fumée huileuse est de 0,7 micron, l’efficacité d’un condensateur centrifuge peut ne pas répondre aux normes, auquel cas un filtre terminal serait considéré comme nécessaire. La capacité de débit d’air limitée des condensateurs centrifuges est un autre de leurs inconvénients. Un condensateur centrifuge typique est limité à une capacité de débit d’air de 14,2 mètres cubes par minute (500 cfm) ou moins.

Le filtre barrière est également un mode de filtration des brouillards répandu (Figure 1). Les condensateurs à filtre barrière sont généralement constitués d’écrans maillés en aluminium pour les brouillards épais et massifs, ainsi que d’une série de panneaux ou cartouches à base de polyester. Lorsqu’un procédé génère une quantité significative de fumée, un filtre barrière peut offrir des niveaux de filtration optimaux et des débits d’air supérieurs à ceux des condensateurs centrifuges. À titre d’exemple, un filtre en fibre à courant transversal permet l’affluence à l’horizontale de l’air vicié dans les parois du filtre et la vidange des brouillards d'huile récupérés dans le filtre. Cette option peut apporter une efficacité de filtration de 99,3 % sur les matériaux de 1,2 micron avec des débits d’air atteignant 28,3 m³/min (1 000 cfm) sur 101,6 mm (4 po) de pression statique externe. Ces niveaux de performance sont exigeants et coûteux à atteindre pour les condensateurs centrifuges. Cette conception du condensateur augmente la durée de vie du filtre et limite les coûts de maintenance.

En résumé, la capture de la fumée liquide peut être un véritable défi. Toutefois, une solution de filtration est généralement à portée de main lorsque l’on comprend le processus de génération de la fumée. Maintenir une vitesse appropriée dans la conduite, incliner les conduites et diminuer les températures dans la conduite sont des mesures qui contribuent à simplifier le problème de filtration de la fumée liquide. Enfin, le recours à un filtre terminal doit généralement être envisagé lors de la manipulation de ces matériaux complexes.  

Choisir l’équipement de filtration adapté à votre procédé d’usinage sous arrosage vise à permettre la réduction des frais d’exploitation du système tout en résolvant le matériau problématique dans votre flux d’air.