Nachricht

Aug 15, 2023

Effizienz des Schutzgasverbrauchs

Anmerkung des Herausgebers: Dies ist der erste eines zweiteiligen Artikels, der sich mit der Abschirmung befasst

Anmerkung des Herausgebers: Dies ist der erste eines zweiteiligen Artikels, der sich mit der Effizienz von Schutzgasen befasst. Der zweite Teil erscheint auch auf thefabricator.com.

Obwohl Argon das am häufigsten verwendete Schutzgas für Anwendungen mit Massivdrahtelektroden ist, wissen viele Manager und Schweißer wenig über dieses Inertgas und seine Kosten. Den meisten Schweißern wird gesagt, dass Argon eine glatte Schweißnaht erzeugt, kein Flussmittel hinterlässt, teuer ist und in geschlossenen Umgebungen zum Ersticken führen kann. Den meisten wird auch gesagt, dass sie dieses Gas sparen sollen, indem sie es in den Pausen, beim Mittagessen und am Ende einer Schicht an ihren Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißbrennern (GTAW) abschalten.

Argon wird im Allgemeinen mit dem Begriff Centicubic Foot (CCF) quantifiziert. Ein CCF Argon entspricht 100 Kubikfuß Argongas – der Menge, die man braucht, um einen 4 Fuß mal 7-3/4 Zoll großen Kasten zu füllen.

Wenn die Kosten für Argon 2,50 $ pro CCF betragen, kostet es nur 2,50 $, die Box auf Meereshöhe mit Argon zu füllen. Das Füllen der Box mit Argon bei 45 Kubikfuß pro Stunde (CFH) würde 2 Stunden und 13 Minuten dauern. Da eine Durchflussrate von 30 bis 45 CFH für die meisten Anwendungen beim Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) ausreichend ist, könnte man sagen, dass 2,50 US-Dollar für 2 Stunden und 13 Minuten ununterbrochenes Schweißen nicht viel Geld sind. In einer perfekten Welt entspräche dies etwa 9,00 US-Dollar Gaskosten pro Schweißstation und achtstündiger Schicht bei 100 Prozent Lichtbogenzeit.

Unter der Annahme, dass die tatsächlichen Lichtbogenzeiten der meisten manuellen Schweißstationen zwischen 15 und 30 Prozent und nicht bei 100 Prozent liegen, reduzieren sich die Kosten auf 1,35 bis 2,70 US-Dollar pro Acht-Stunden-Schicht. Das hört sich nicht nach viel an, aber diese Zahlen repräsentieren eine perfekte Umgebung mit nur einer Schweißstation und einer Arbeitsschicht an einem Arbeitstag. Wenn andere Umstände berücksichtigt werden, können diese 135 bis 270 Cent schnell ansteigen.

Beispielsweise verbrauchen 300 Schweißstationen, die mit 100 Prozent Effizienz bei 30 Prozent Lichtbogenzeit, drei Schichten pro Tag und 312 Tagen im Jahr arbeiten, Argon im Wert von 758.160 US-Dollar pro Jahr. Allerdings arbeiten die meisten Anlagen mit einem Wirkungsgrad von weniger als 50 Prozent, was im vorherigen Beispiel bedeutet, dass jährlich mehr als 1,5 Millionen US-Dollar für Schweißgas ausgegeben werden.

Einige Werke gehen fälschlicherweise davon aus, dass die Effizienz erhalten bleibt, da der Verbrauch von Jahr zu Jahr kaum schwankt und das Produktionsniveau konstant bleibt. Schließlich sind die Gaskosten in den Kosten des fertigen Produkts enthalten. Dies kann eine sehr teure Annahme sein.

Die meisten Schweißingenieure scheinen sich darin einig zu sein, dass Argongas (oder eine Mischung davon) die einzige Wahl ist. Doch trotz seiner vielen Vorteile kann Argon bei unklugem Einsatz schnell zu einem zweischneidigen Schwert werden.

Der Kauf von Argon und anderen Gasen in großen Mengen und in flüssigem Zustand reduziert die Stückkosten pro CCF. Im Vergleich zu typischen 336-Kubikfuß-Stahlflaschen kann Gas für ein Massensystem für etwa halb so viel pro CCF gekauft werden. Darüber hinaus trägt der Arbeitsaufwand, der dadurch entsteht, dass keine Zylinder manipuliert werden müssen, und Produktionsausfälle für den Austausch von Zylindern dazu bei, die Installationskosten eines Massensystems relativ schnell zu decken.

Wenn eine Anlage ein Massensystem verwendet, kann sie wahrscheinlich ihren Gasverbrauch reduzieren. Viele Anlagen können den Verbrauch in einem einzigen Jahr um 50 bis 80 Prozent oder mehr reduzieren, indem sie eine Reihe konservativer Maßnahmen ergreifen; Es gibt keine einheitliche Lösung. Der Vorteil besteht jedoch darin, dass selbst wenn mehrere Maßnahmen ergriffen werden, keine davon im Vergleich zu den Vorteilen besonders teuer ist. Die Kapitalrendite kann im Allgemeinen in Tagen gemessen werden, nicht in Monaten oder Jahren.

Oftmals besteht der erste Schritt darin, die Mitarbeiter über die jährlichen Verbrauchskosten des Unternehmens zu informieren. Diese Daten können dann mit anderen Verbrauchsmaterialien (hauptsächlich Kabel) verglichen werden, die in direktem Zusammenhang mit dem Gasverbrauch stehen. Dies kann durch die Bestimmung einer durchschnittlichen Drahtgeschwindigkeit (bei MSG-Anwendungen) für eine Anlage oder einen Anlagenbereich erreicht werden. Anhand dieser Drahtgeschwindigkeit kann die Menge an Schutzgas berechnet werden, die erforderlich ist, um 1 Pfund Draht bei einem bestimmten Gasdurchfluss an der Brennerspitze zu verbrennen. Angenommen, ein Weichstahldraht mit einem Durchmesser von 0,045 Zoll wird bei einer durchschnittlichen Drahtgeschwindigkeit von 300 Zoll pro Minute (IPM) und einem Schutzgasdurchfluss von 35 CFH verwendet. Wenn etwa 2.210 Zoll Weichstahldraht mit einem Durchmesser von 0,045 Zoll erforderlich sind, um 1 Pfund zu ergeben, gilt Folgendes:

(300) (60) / 2.210 = 8,14 Pfund Weichstahldraht pro Stunde

Da die Gasdurchflussrate 35 CFH beträgt, beträgt das Gas-zu-Draht-Verhältnis 35 dividiert durch 8,14 oder 4,29 CFH Gas zu 1 Pfund Draht (4,29-1). Wenn also der jährliche Drahtverbrauch einer Anlage 500.000 Pfund beträgt, beträgt der Der jährliche Schutzgasverbrauch sollte etwa 2.149.500 Kubikfuß betragen.

Bedenken Sie, dass dieses Szenario eine 100-prozentige Verbrauchseffizienz darstellt und nicht unbedingt eine reale Umgebung darstellt. Mehrere Faktoren können diese Vergleichsmethode beeinflussen, wie zum Beispiel:

Die meisten Anlagen, die durchgängig die gleichen Weichstahlprodukte herstellen, weisen eine recht einheitliche Drahtgeschwindigkeit und -größe auf. Diese Anlagen können im Allgemeinen Verbrauchsdaten überprüfen, und der einzige nicht schweißtechnische Verbrauch, der überprüft werden muss, ist Abfall. Somit bleibt Punkt 2 (große Durchflussschwankungen) der vorherrschende Faktor bei dieser Art von Vergleich.

In Anlagen dieser Art sind sich die meisten Schweißingenieure und andere Experten auf diesem Gebiet darin einig, dass ein Verhältnis von 10:1 oder weniger akzeptabel ist, auch wenn dies mehr als das Doppelte des im vorherigen Beispiel (4,29-1) angegebenen Verhältnisses ist. Einige Pflanzen weisen ihren Daten zufolge anfangs Verhältnisse von bis zu 55 zu 1 und von nur 7 zu 1 auf. Viele Pflanzen können ihre Verhältnisse von 18 zu 1 auf 30 zu 1 auf den Bereich von 9 zu 1 zu 14 zu 1 reduzieren, indem sie einige scheinbar unbedeutende Probleme angehen, die in einem späteren Abschnitt besprochen werden.

Bei richtiger Planung, Installation und Wartung kann ein Großbehältersystem viele Kosten- und Produktivitätsvorteile im Vergleich zu herkömmlichen Zylindern bieten.

Bei der Entwicklung, Konstruktion und Konstruktion von Massensystemen sollten verschiedene Aspekte berücksichtigt werden. Erstens sollten sie einen geschlossenen Kreislauf haben, der alle gegenwärtigen und zukünftigen Durchflussanforderungen mit minimalem Systemdruck und minimalem Druckabfall im gesamten System bewältigen kann. Das System sollte so konzipiert sein, dass es den Schlauchbedarf minimiert und maximalen Schutz vor äußeren Einflüssen bietet und dennoch für Inspektionen, Modifikationen und Reparaturen leicht zugänglich bleibt. Die Baumaterialien sollten je nach Anwendungsbereich des Systems variieren.

Kupferrohre mit Silber-Phosphor-Verbindungen eignen sich für die meisten Anwendungen. Allerdings funktionieren in manchen Systemen auch Stahlrohre mit Schraubverbindungen und Schweißverbindungen gut, abhängig von der Schwere der Umgebungsbedingungen. Wenn Schweißverbindungen verwendet werden, ist die Art der Muffenschweißung im Allgemeinen besser, da die meisten Wartungsabteilungen nicht über qualifizierte Schweißer für offene Stumpfrohre verfügen, um Änderungen und Reparaturen durchzuführen. Alle Formen von PVC-Rohren sollten nach Möglichkeit vermieden werden.

Systemtropfen sollten von der Oberseite des Verteilers ausgehen und zu einem kleinen Verteiler mit einem Absperrkugelventil direkt darüber laufen. Diese Absperrventile sollten so installiert werden, dass jede auf den Ventilgriff ausgeübte Schwerkraft das Ventil schließt. Jeder Tropfen sollte mit der entsprechenden Anzahl an Auslässen und einem dazugehörigen Absperrventil ausgestattet sein. Alle nicht verwendeten Auslassventile sollten geschlossen und verschlossen sein.

Diese Tropfen sollten zugänglich, aber nicht unbedingt bequem sein. Mitarbeiter nutzen sie häufig zum Aufhängen von Mänteln, Schleifschilden, Hüten und Schläuchen. Diese Praxis kann zu einer unbeabsichtigten Freisetzung von Schutzgas führen, die lange Zeit unentdeckt bleiben kann. Aus diesem und anderen Gründen sollten Tropfenverteiler normalerweise aus größeren Rohren bestehen als die Tropfenversorgungsleitung und, wenn möglich, aus Messing, Stahl oder einem anderen harten Material bestehen, das gegen Verformung durch Missbrauch beständig ist.

Alle Anschlüsse sollten aus geschmiedetem Stahl der Güteklasse 300# (oder höher) mit Gewinde bestehen. Tropfenverteiler sollten sicher montiert und mit einem Tropfbein von mindestens 6 Zoll ausgestattet sein, das zu Abblasezwecken entfernt werden kann und eine Möglichkeit für zukünftige Änderungen am Verteilerrohr bietet, ohne das gesamte System herunterzufahren. Y-Anschlüsse an Fallrohrauslässen sollten ebenfalls vermieden werden.

In älteren Anlagen ist das bestehende Schutzgas-Rohrleitungs- und -Verteilungssystem oft über die Ziele seines ursprünglichen Entwurfs hinausgewachsen. Dies ist vor allem auf Anlagenerweiterungen, interne Umbauten, Änderungen des verwendeten Schutzgases usw. zurückzuführen.

Für die Durchführung einer Durchflussanalyse in jedem System ist eine genaue Dokumentation aller Rohrleitungen erforderlich. Diese Dokumentation sollte die Position und die Typen aller Ventile, Rohrgrößenänderungen, Druckregler und alle entsprechenden Maßangaben enthalten. In den meisten Fällen sind keine größeren Änderungen erforderlich, um ein System auf den neuesten Stand zu bringen.

Die Art der Geräte, die zur Regulierung des Durchflusses zu jeder Schweißstation verwendet werden sollten, ist Gegenstand erheblicher Debatten. Anlagen, die einstellbare Durchflussgeräte oder Rotormesser verwenden, müssen sicherstellen, dass die erforderlichen Durchflussmengen für den Schweißvorgang in einem angemessenen Bereich bleiben. Dies ist bei Nicht-Massensystemen noch kritischer. Die Inspektion von Hunderten von Anlagen, die Rotormeter zur Durchflussregulierung verwenden, zeigt, dass weniger als 20 Prozent auf die richtige Durchflussrate eingestellt sind.

Typischerweise liefert dieser Zählertyp bis zu 450 CFH bei oder nahe der vollständig geöffneten Position (je nach Modell und Systemdruck). Nur weil die Anzeige den oberen Rand des Schauglases erreicht, heißt das nicht, dass die Durchflussrate nicht mehr ansteigt, wenn das Ventil weiter geöffnet wird.

Für das zuvor angeführte Beispiel bezüglich der idealen Schutzgaskosten von 2,70 US-Dollar (bei 45 CFH) pro Acht-Stunden-Schicht betragen die Kosten jetzt 11,25 US-Dollar pro Schicht. Selbst bei einem Einschichtbetrieb steigen die jährlichen Schutzgaskosten von 842,40 $ auf 3.510,00 $ pro Schweißstation. Jährlich steigt der Argonverbrauch der Anlage von 252.720 US-Dollar auf über 1 Million US-Dollar. Durch die Einstellung eines einstellbaren Durchflussmessers auf oder nahe seiner maximalen Öffnungsposition kann sich der Schutzgasverbrauch einer Anlage verzehnfachen.

Die Gründe dafür, dass diese Rotormeter oft offen sind, sind völlig unterschiedlich. In den Sommermonaten verfügt das Schweißpersonal oft über mehr Belüftung oder Ventilatoren, die direkt auf es blasen, und erhöht so die Durchflussrate, um die Schutzgasspülung aufrechtzuerhalten. Bei kälterem Wetter verschwinden die Ventilatoren, aber die Einstellung des Durchflussmessers ändert sich nicht.

Manche Schweißer denken: „Wenn ein bisschen gut ist, ist viel noch besser.“ Das ist nicht unbedingt wahr. Je nach Winkel zwischen Brenner und Werkstück kann dieser Hochgeschwindigkeits-Schutzgasstrahl tatsächlich eine atmosphärische Verunreinigung der Schweißpfütze hervorrufen und mehr Probleme durch Schweißverunreinigungen verursachen als lösen. Außerdem ist es verschwenderisch.

Rotormeter sollten immer an den harten Rohrleitungsabzweigungen an jeder Schweißstation montiert werden. Die Länge des typischen 1/4-Zoll-Schlauchs, der zum Drahtvorschub führt, sollte berücksichtigt werden. Der Schlauch bietet aufgrund seiner inneren Zusammensetzung im Allgemeinen einen hohen Reibungskoeffizienten. Darüber hinaus ist der Schlauch meist nach oben, unten und rundherum verlegt, was den Gasfluss einschränkt. Sofern der Schlauch nicht gerade verläuft, sollte er eine Länge von 25 bis 30 Fuß nicht überschreiten.

Wenn Rotormeter an oder in der Nähe der Drahtvorschubgeräte montiert werden, sollte der Montageort stabil, aufrecht und außerhalb der Gefahrenzone sein. Rotormeter sind nicht sehr stoßfest und führen bei dieser Montage häufig zu Undichtigkeiten und können eine Gasverunreinigung verursachen.

Ein weiteres Risiko, das mit am Drahtvorschubgerät montierten Rotor-Durchflussmessern verbunden ist, ist die Schwere der Leckage. An Schläuchen kann es vor dem Messgerät zu Undichtigkeiten kommen, deren kombinierte Durchflussrate viel höher ist, als ein Rotormeter selbst in vollständig geöffneter Position durchlässt. Wenn am Tropfen ein Durchflussmesser montiert ist und der Schlauch ein Leck aufweist, schränkt das Messgerät den Durchfluss ein, wodurch die Gaszufuhr zum Brenner verringert wird, was für den Bediener erkennbar wäre.

Wenn das Durchflussmessgerät am Drahtvorschubgerät montiert ist, steht das Leck ständig unter Leitungsdruck, wobei der Durchfluss nur durch die Größe der Lecköffnung und den Betriebsdruck begrenzt wird. Diese Konfiguration gibt keinen Hinweis auf den stromaufwärtigen Durchfluss und führt normalerweise dazu, dass der Bediener einen Ausgleich durch Erhöhung des Durchflusses am Messgerät vornimmt.

Dieses Szenario führt im Laufe der Zeit auch zu einer Verunreinigung der Atmosphäre in das System. Mit zunehmender Häufigkeit werden die ursprünglichen Entwurfsparameter überbeansprucht, was zu einem größeren Druckabfall im gesamten System führt. Dies wiederum führt normalerweise zu einem erhöhten Gesamtsystemdruck, um den höheren Druckabfall auszugleichen. Diese Maßnahme erhöht den Druckabfall im gesamten System noch weiter und verschärft die Schwere aller Systemlecks und anderer Verluste.

Unabhängig von seinem Montageort sollte der Rotordurchflussmesser in lesbarem Zustand gehalten und dem ordnungsgemäß kalibrierten Druck ausgesetzt werden. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Durchflussmesser, die für 20 Pfund pro Quadratzoll (PSIG) kalibriert sind, in Systemen installiert sind, die mit 60 PSIG arbeiten. Dabei kann es zu Fördermengen kommen, die um bis zu 15 bis 18 Prozent über der auf der Skala des Durchflussmessers angezeigten Fördermenge liegen. Diese Vorgehensweise kann im gesamten Werk sehr kostspielig sein.

Der anfängliche Strömungsstoß, der an der Brennerspitze auftritt, wenn das Magnetventil am Drahtvorschubgerät aktiviert wird, sollte ebenfalls berücksichtigt werden. Dieser Strömungsstoß ist typischerweise mit Strömungsgeräten verbunden, die an der Systemabzweigung montiert sind, und/oder wenn eine große Menge an Schläuchen oder anderen Rohrleitungen zwischen dem Strömungsmessgerät und dem Magnetventil des Drahtvorschubgeräts verwendet wird. Dieses größere Innenvolumen ist dem Hauptsystemdruck ausgesetzt, wenn das Drahtvorschubgerät nicht verwendet wird.

Wenn der Drahtvorschub aktiviert wird, entweicht der angesammelte Druck schnell von der Brennerspitze und verringert sich allmählich auf den von der Durchflussvorrichtung eingestellten Wert. Wenn das Strömungsgerät näher an der Brennerspitze (am Drahtvorschubgerät) montiert wird, wird dieses Innenvolumen minimiert, was die Zeit verkürzt, die der Durchfluss benötigt, um die eingestellte Durchflussrate zu erreichen. Dies wiederum verringert die Menge an Gas, die durch vorübergehenden Überstrom oder Überlauf verschwendet wird. Bei einigen Roboter- und anderen Anwendungen mit hoher Taktrate (Heftschweißungen usw.) kann dieser Überlauf erheblich sein.

Angenommen, ein Durchflussgerät befindet sich an einem Abhang des Hauptsystems und ein 15 Fuß langer Schlauch mit einem Innendurchmesser von 1/4 Zoll ist an den Drahtvorschub angeschlossen. Wenn das Drahtvorschubgerät nicht verwendet wird, baut sich der Druck im Schlauch schnell auf den Systemdruck von beispielsweise 30 PSIG auf. Wenn der Drahtvorschub aktiviert wird, sinkt der Schlauchdruck auf nahezu Null (je nach Anschluss des Magnetventils). Dadurch werden etwa 0,01 Kubikfuß Schutzgas als überschüssiges Gas verschwendet, bis eine stabile Strömung erreicht ist. Basierend auf der oben genannten Beispielanlage kostet dieser Abfall etwa 3/100 eines Pennys pro Anfall.

Gehen Sie nun davon aus, dass die Schlauchlänge von 25 auf 75 Fuß erhöht wird. Der Wert dieses Überlaufs beträgt nun bei jeder Aktivierung jedes Drahtvorschubgeräts 14/100 eines Pennys. Auch diese Art von Verlust scheint pro Ereignis nicht viel zu sein, aber wenn man ihn mit der Anzahl der Drahtvorschubgeräte im gesamten Werk und der Zyklusrate oder der Häufigkeit, mit der jeder Drahtvorschubgerät täglich aktiviert wird, multipliziert, kann er sehr schnell sehr erheblich werden .

Nehmen Sie zur Vereinfachung der Verwendung runder Zahlen an, dass jeder Drahtvorschub in der Beispielanlage einmal pro Minute aktiviert wird. Dies entspricht 8 (Stunden), 60 (Minuten), 300 (Schweißern) oder 144.000 Aktivierungen pro Schicht im gesamten Werk. Bei Kosten von 14/100 Cent pro Vorfall und bei dreischichtigem Betrieb belaufen sich die Gesamtkosten auf etwa 540 US-Dollar pro Tag und mehr als 168.000 US-Dollar pro Jahr.

Ein einzelner Schutzgasverlust scheint unbedeutend zu sein, aber wenn er über einen längeren Zeitraum auftritt, können die Kosten erheblich sein.