jump to navigation

กระบวนการตัดวัสดุด้วยน้ำแรงดันสูง การตัดที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม August 2, 2013

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

กระบวนการตัดวัสดุด้วยน้ำแรงดันสูงผสมผงตัด หรือ Abrasive waterjets เป็นกระบวนการตัดวัสดุวิธีหนึ่งที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม คำถามหนึ่งที่น่าสนใจคือ “กระบวนการตัดนี้ส่งผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมมากน้อยเท่าใด?”

Abrasive waterjet เป็นกระบวนการตัดที่จัดว่ามีความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเมื่อเทียบกับกระบวนการตัดแบบดั้งเดิมอื่นๆ กระบวนการนี้ไม่ต้องการการหล่อเย็นหรือหล่อลื่นในระหว่างการตัดเช่นเดียวกับกระบวนการตัดด้วยวิธีทางกล ดังนั้นจึงไม่มีการใช้สารเคมีในการตัด นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการที่ใช้ความร้อนในการตัด กระบวนการตัดด้วยน้ำนี้ไม่ก่อให้เกิดก๊าซพิษขี้นในระหว่างการตัด ดังเช่นที่เกิดขึ้นในกระบวนการตัดวัสดุด้วยพลาสมา หรือ เลเซอร์ เป็นต้น

เนื่องจากการตัดวัสดุด้วย Abrasive waterjet นั้น จะใช้เพียง น้ำ และ ผงตัดประเภทโกเมน (garnet abrasive) ดังนั้นจึงไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม อีกทั้งน้ำและผงตัดยังสามารถหาได้ง่ายโดยทั่วไป อาศัยเพียงขั้นตอนเล็กน้อยในการเตรียมน้ำและผงตัดก่อนถูกนำมาใช้ในกระบวนการตัด

เศษตัดที่เกิดขึ้นภายหลังการตัดโดยทั่วไปก็คือเศษที่แตกหักของผงตัดรวมกับเศษผงวัสดุที่ถูกตัด นั่นหมายความว่าถ้าวัสดุที่ถูกตัดไม่ได้เป็นวัสดุที่มีความเป็นพิษ เช่น ตะกั่ว เศษที่เกิดจากการตัดสามารถถูกกำจัดได้อย่างปลอดภัยโดยการฝังกลบโดยไม่ต้องมีกระบวนการใดๆ ที่ต้องทำเพิ่มเติม นอกจากนี้เศษผงวัสดุที่ถูกตัดโดยเฉพาะวัสดุกลุ่มโลหะที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ เช่น อลูมิเนียม เหล็ก ไทเทเนียม ยังสามารถถูกดึงกลับมาใช้ในสายการผลิตได้อีกเพื่อให้เกิดการใช้วัสดุได้อย่างมีประโยชน์สูงสุด (maximum material utilization)

hydrocutltdnozzle

ผลกระทบของกระบวนการตัดด้วย Abrasive waterjet

กระบวนการตัดนี้อาศัย ผงตัด ไฟฟ้า และ น้ำ ผลกระทบในเชิงสิ่งแวดล้อมที่สำคัญที่ได้จากการตัดด้วยวิธีการนี้คือ ความร้อน น้ำ และของเสียในรูปแข็ง (เศษผงตัด) ที่ง่ายในการกำจัด เพื่อตอบคำถาม “กระบวนการตัดนี้ส่งผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมมากน้อยเท่าใด?” ได้อย่างชัดเจนและง่ายในการทำความเข้าใจ เราจะพิจารณาการตัดเหล็กยาว 2.5 m หนา 25 mm ด้วยกระบวนการ Abrasive waterjet

สมมติว่าเราตัดเหล็กแผ่นดังกล่าวด้วยแรงดันน้ำที่ 50,000 psi ผ่านหัวฉีดขนาด 0.35 mm ใช้ garnet flow ที่ 340 g/min เพื่อให้ได้ผิวงานตัดที่เรียบ จะใช้เวลาในการตัด 57.1 นาที และใช้ garnet ไปทั้งสิ้น 19.14 kg กระบวนการตัดใช้ไฟฟ้าไปประมาณ 25 kWh และ น้ำประมาณ 197 ลิตร ในการตัดเหล็กแผ่นนี้ก่อให้เกิดเศษเหล็กหนักประมาณ 454 g จากข้อมูลเหล่านี้ เกิดผลกระทบขึ้นทั้งหมดเท่าไหร่?

สิ่งที่แพงที่สุดในกระบวนการคือ ผงตัด garnet และส่วนใหญ่ของต้นทุนคือค่าขนส่ง ระยะทางที่ใช้ในการขนส่ง garnet โดยเฉลี่ยโดยรถบรรทุกอยู่ที่ประมาณ 1,610 km รถบรรทุกหนึ่งคันสามารถบรรทุก garnet ได้ประมาณ 18.14 ตัน หากคิดอัตราสิ้นเปลืองของรถบรรทุกที่ 3.4 km/l การขนส่ง garnet หนัก 19.14 kg ที่ระยะทาง 1,610 km จะใช้เผาผลาญน้ำมันดีเซลไปประมาณ 0.5 ลิตร นอกจากนี้ กระบวนการตัดใช้ไฟฟ้า 25 kWh เมื่อพิจารณาการผลิตไฟฟ้าด้วยโรงไฟฟ้าสมัยใหม่แล้ว ปริมาณไฟฟ้านี้จะเทียบเท่ากันการเผาผลาญน้ำมันดีเซลไปอีกประมาณ 4.5 ลิตร ดังนั้น เราอาจกล่าวได้ว่า Carbon footprint ที่เกิดจากการตัดเหล็กหนา 25 mm ยาว 2.5 m จะใช้น้ำมันดีเซลไปประมาณ 5 ลิตร เทียบเท่ากับปริมาณน้ำมันที่ใช้การขับรถได้ระยะทางประมาณ 50 km

ความร้อนที่เกิดขึ้นในกระบวนการตัดวัสดุด้วย Abrasive waterjet ไม่มีก่อให้เกิดผลกระทบใดๆ ต่อสิ่งแวดล้อม หากทำการตัดวัสดุภายในห้องที่ควบคุมอุณหภูมิด้วยเครื่องปรับอากาศ ปริมาณไฟฟ้าที่ใช้สำหรับเครื่องปรับอากาศอาจจะเพิ่มมากขึ้นอีกเล็กน้อยเท่านั้น

น้ำที่ใช้ในกระบวนการประมาณ 197 ลิตร เทียบเท่ากับการรดน้ำต้นไม้ประมาณ 10 นาที ซึ่งมีผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมต่ำ น้ำภายหลังการตัดสามารถระบายทิ่งสู่สิ่งแวดล้อมได้โดยไม่ต้องผ่านกระบวนการใดๆ หรือถ้าจำเป็นอาจจะผ่านการกรองเอาเศษโลหะหนักออกเพียงเท่านั้นก็เพียงพอแล้ว แต่ถ้าทำการตัดวัสดุที่ก่อให้เกิดพิษในน้ำ ต้องทำการกรองเอาสารพิษออกก่อนปล่อยลงสู่แหล่งน้ำ หรือในอีกกรณีหนึ่งคือ ทำการกรองน้ำ deionized และทำให้น้ำเย็นตัวลง และดูดกลับมาใช้ใหม่ก็สามารถทำได้

ของเสียในรูปแข็ง (เศษผงตัด) ประมาณ 19.14 kg (และเศษผงเหล็กที่ปนอยู่อีกประมาณ 454 g) สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้กว่า 50% บริษัทในยุโรปบางแห่งรับซื้อ garnet ที่ใช้แล้ว นำมา recycle และนำกลับไปขายใหม่ หรือนำไปใช้ทำกระดาษทราย หรือผลิตภัณฑ์ garnet อื่นๆ garnet ที่ใช้แล้วสามารถนำไปฝังกลบได้โดยไม่เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม

เมื่อเปรียบเทียบกับการตัดเหล็กแผ่นหนา 25 mm ยาว 2.5 m ด้วยเลื่อยที่ใช้มอเตอร์ 1 แรงม้า สามารถตัดเสร็จภายใน 37 นาที และใช้ไฟฟ้า 0.5 kWh อย่างไรก็ตามกระบวนการตัดด้วยเลื่อยจะให้คุณภาพผิวงานตัดและความแม่นยำที่แย่กว่า Abrasive waterjet สำหรับกระบวนการตัดที่ให้คุณภาพผิวและความแม่นยำที่ดีอย่างกระบวนการ wire-EDM นั้น เมื่อใช้ปัจจัยในการตัดดังนี้ Wire diameter ขนาด 0.3 mm Linear speed ที่ 6.35 m/min Wire consumption ที่ 0.47 kg/hr Wire cost คิดเป็น 180 บาทต่อชั่วโมง Wire type ที่ใช้เป็น Hard brass (65% copper, 35% zinc) และใช้ไฟประมาณ 10 kWh การตัดจะใช้เวลาประมาณ 480 นาที ปริมาณไฟฟ้าที่ใช้รวมทั้งสิ้น 80 kWh อีกทั้งยังต้องพิจารณาถึงการกรองน้ำที่มีส่วนผสมของโลหะหนักประเภท ทองแดง-สังกะสี จากลวดอิเล็กโทรด ก่อนทิ้งหรือนำกลับมาใช้ใหม่ และการกำจัดหรือ Deionization ชุดกรองเรซินก็เป็นอีกประเด็นหนึ่งที่ต้องพิจารณาในกระบวนการ wire-EDM

เมื่อเปรียบเทียบทั้งการตัดเหล็กแผ่นหนา 25 mm ยาว 2.5 m ด้วยเลื่อยสายพาน Abrasive waterjet และ Wire-EDM สามารถสรุปได้ดังนี้

Band Saw: Cutting time = 37 min, Energy = 0.5 kWh, Effects = สารเคมี สารหล่อลื่น/หล่อเย็นในการตัด
Abrasive waterjet: Cutting time = 57 min, Energy = 25 kWh, Effects = Waste garnet
Wire EDM: Cutting time = 480 min, Energy = 80 kWh, Effects = Wire and deionization residue

จะเห็นได้ว่า ผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมหลักๆ ของกระบวนการตัดวัสดุด้วย Abrasive waterjet จะอยู่ที่พลังงานที่ใช้ ซึ่งมีค่าประมาณ 50 เท่าของการตัดด้วยเลื่อย และคิดเป็น 1/3 ของพลังงานที่ใช้ในการตัดด้วย wire-EDM หรืออาจกล่าวโดยสรุปได้ว่า พลังงานที่สิ้นเปลืองไปกับการตัดวัสดุด้วย Abrasive waterjet ประมาณเทียบเท่ากับการที่ใช้พลังงานในการขับรถที่ความเร็ว 50 km/h ในระยะเวลาเท่าๆ กัน

Ref: http://www.thefabricator.com/article/waterjetcutting/green-cutting-with-waterjets


Tags: , ,

Related posts: