بخشی از مقاله
بررسي بازيافت دانه هاي تغيير شکل يافته (ضايعاتي ) حاصل از مصرف پودر جوشکاري زيرپودري
چکيده
انسان عصر جديد در فکر و تلاش عملي براي يافتن راهحل هاي مناسبي است تا بتواند قسمت اعظم ضايعات صنعتي را به جاي
دور ريختن در آب ها و اقيانوسها و انباشتن در کويرهاي بي سرنشين جهان سوم ، به طريقي مورد مصرف مجدد قرار دهد.
ضايعات حاصل از مصرف پودر هاي جوشکاري زير پودري نيز يکي از ضايعات صنعتي آلوده کننده محيط زيست است . در اين تحقيق سعي شده با کمک دستگاههاي تعيين کننده نوع فازها (ايکس ري ديفراکتومتري XRD) ، تعيين کننده ترکيب شيميايي (ايکس ري فلوروسنس XRF)، بررسي نوع و شکل فازها (الکتروميکروسکوپ روبشي SEM)، تعيين کننده آناليز فازها در ضمن بررسيهاي الکتروميکروسکوپ روبشي (پراکنده کننده انرژي اشعه ايکس EDX)، تعيين کننده مقدار کربن و گوگرد (دستگاه اشترولاين ) و با استفاده از روشهاي آسياب، جداسازي، فرآوري، فرمولاسيون و زينترسراميکي روشي براي مصرف مجدد ضايعات جوشکاري زيرپودري يافته شود.
طي اين تحقيق مشخص گرديد که با جداسازي ذرات آهني افزوده شده ضمن کاربرد به ترکيب پودر، ميتوان ضايعات حاصل از
پودر تغيير شکل يافته را مجددًا جهت ساخت پودر جوشکاري مورد استفاده قرار داده و اثرات زيست محيطي آن را کاهش داد.
واژه هاي کليدي : بازيافت ، جوشکاري زيرپودري ، الکترو ميکروسکوپ روبشي ، گل جوش
مقدمه
در جوشکاري صنعتي فلزات روش هاي متعددي وجود دارد که يکي از متداول ترين آن ها روش جوشکاري زير پودري است که از آن براي متصل نمودن لوله هاي فلزي بزرگ که درخطوط طولاني انتقال آب ، نفت وگازبه کاربــرده مي شود ويا اتصال قطعات بزرگ فلزي استفاده هاي زيـادي مي شود. در اين روش فلزات تحت پوشش لايه اي از پودر داراي فرمول و دانه بندي خاص به کمک سيم مفتولي شکل الکترود به هم جوشکاري و متصل مي شود.
در روش جوشکاري زيرپودري (تحت اثر عناصري که در پودر جوش وجود دارد) واکنش هاي الکتروشيميايي بين فلز مذاب در بستر جوشکاري و پودر تبديل شده به سرباره مذاب انجام مي شود. در اين هنگام عناصر لازم براي بستر جوش مذاب در سيم الکترود و پودر جوشکاري وجود دارد که ضمن فرآيند جوشکاري ذوب گشته و وارد مذاب فلزي بستر جوش مي گردد. هم زمان عناصر جانبي فلز مذاب بستر جوش جذب سرباره مذاب مي شود.
به اين طريق پودر جوشکاري زير پودري در هنگام کاربرد داراي اثرات الکتريکي ، متالوژيکي و فيزيکي متفاوتي است که در اين تحقيق فقط فرآيند توليد ضايعات پودر جوشکاري به صورت دانه هاي تغير شکل يافته ونحوه فرآوري آن مطالعه شده است .
يکي از ضايعات اين روش ايجاد سرباره شيشه مانند پودر جوشکاري بر روي بستر جوش است . اين سرباره که به آن گل جوش مي گويند حاصل ذوب پودرجوشکاري روي بستر جوش بر اثر قوس ايجاد شده بين فلز مورد جوش و مفتول الکترود به وجود مي آيد و به سهم خود اثرات واکنشي بر مذاب فلز دارد.
يکي ديگر از ضايعات مهم اين روش تغيير شکل يافتن دانه هاي تشکيل دهنده پودر در اثر خرد شدن و سائيده شدن پودر جوشکاري ضمن عمليات حمل و نقل و تبديل شدن آن به پودر داراي ذرات تغيير شکل يافته مي باشد. که اين پودر تا اندازه زيادي تحت عوامل نفوذ مذاب الکترود دچار آلودگي ذرات آهني مي شود. اين قسمت پودر ضمن الک شدن از دانه هاي سالم جدا گشته و به عنوان ضايعات پودر جوشکاري از سيستم خارج مي گردد.
به اين ترتيب قسمتي از پودر مورد مصرف در فرآيند جوشکاري زير پودري به صورت پودري خرد شده و تغيير شکل يافته غير قابل مصرف در مي آيد و در حالي که محتوي مواد با ارزشي است به صورت زباله در بيابان ها دور ريخته مي شود.
مواد موجود در اين زباله در تماس با آب به صورت محلول هاي سمي وارد آب هاي سطحي و زير زميني مي گردد و باعث تأثيرات نامطلوب بر گياهان و موجودات زنده مي شود. لذا هدف از اين بررسي ارايه يک فرآيند بازيافت و مصرف مجدد اين ضايعات مي باشد تا مواد مفيد و گران قيمت به کار رفته در آميز اين پودر مجددًا مصرف شود و باعث آلودگي محيط زيست نگردد.
١- عوامل انتخاب پودر مورد تحقيق
براي انتخاب پودر مناسب عوامل در نظر گرفته شده عبارتند از:
الف ) ضايعات توليد شده طي مصرف پودر براي محيط زيست مضر باشد.
ب) مقدار مصرف پودر در اندازه اي باشد که تحقيق در مورد بازيافت ضايعات آن قابل ارزيابي باشد.
ج) بازيافت ضايعات به طريقي باشد که از نظر اقتصادي مقرون به صرفه باشد .
د) فرايند تحقيق در مورد بازيافت و فرمولاسيون هاي مجدد ضايعات بايد خطري براي محققان و محيط زيست ايجاد نکند.
١-١- انواع پودرهاي جوشکاري زير پودري
پودرهاي جوشکاري زير پودري داراي انواع متفاوت با ترکيبات متفاوتي محتوي اکسيدهاي فلزي مثل اکسيد منگنز، اکسيد سيلسيم ، اکسيد تيتانيوم ، اکسيد کلسيم ، اکسيد منيزيوم و اکسيد زيرکونيم وبه همراه ساير اکسيدهاي فلزي و مواد افزودني مانند فلورايد کلسيم مي باشد که طي فرايندهاي مشخصي باهم آميخته شده و با دانه بندي استاندارد به مصرف کننده ارايه مي شود(١ و ٢) و به همين دليل ضايعات حاصل شده از مصرف آن ها نيز داراي انواع متفاوتي است .
الف - پودرهايي که به طريقه فرايند ذوبي توليد مي شوند
در اين روش مواد اوليه فرموله شده پودر و سپس ذوب مي شود و مواد ذوب شده در آسياب خرد گشته ، به صورت دانه بندي با توزيع دانه مناسب در آمده و به مصرف کننده ارايه مي شود. ترکيب اين پودر بسيار همگن است و در مقابل عوامل رطوبت و نم حساسيت ندارد و مي توان از آن در جوشکاري زير پودري با سرعت زياد استفاده کرد (٣).
ب- پودر هاي آگلومره به هم چسبانيده شده زينتر نشده
مواد اوليه اين پودر را به صورت ميکرو نيزه در مي آورند و سپس با چسب سيليکات سديم يا سيليکات پتاسيم مخلوط شده و به صورت تکه هاي کوچک خشک در مي آيد و بعد با آسياب گلوله خرد گشته و با توزيع اندازه دانه مناسب مصرف مي شود.
به کارگيري اين پودر با توجه به سرعت مصرف و اندازه دانه هاي آن به علت توانايي جذب رطوبت محدود مي باشد. اين عيب را مي توان تا حدي با اضافه کردن مواد محتوي آلياژ آهن و عناصر آنتي آکسيدان برطرف نمود. اين پودر نسبت به انواع ديگر داراي وزن مخصوص کمتر است و ضمن عمليات ايجاد سرباره ضخيم تري را روي بستر جوش مي نمايد. اين سرباره به راحتي از روي بستر جوش جدا مي شود .(3)
73 ج- پودرهاي آگلومره ايي زينتر شده
مواد اوليه اين پودر در اندازه ميکرونيزه با به کاربري چسب هاي معدني در فرمول آن تهيه مي شود و سپس به صورت خمير به کمک چرخ گردان داراي زاويه به صورت دانه هاي آگلومره ايي کوچک درمي آيد و پس از خشک شدن در کوره دوار در حرارت ٦٠٠-٩٠٠ درجه سانتي گراد زينتر مي شود و دانه بندي و توزيع دانه هاي آن به صورت استاندارد درآورده مي شود. اين پودرها داراي خواص هر دو نــوع قبلي مي باشد (٣).
١-٢- گل جوش
در ضمن جوشکاري پودر پوشش دهنده سيم الکترود و بستر فلز در حال جوش کاري ذوب مي شود (شکل ١) و به علت سبکي روي بستر مذاب فلز قرار گرفته و به صورت يک لايه سرباره اين مذاب سرد گشته و ايجاد گل جوش مي کند.
پودر ذوب شده بر روي بستر محل جوشکاري فلز و الکترود اثر واکنشي خود را به کارمي برد و در طي اين عمل عناصر آلياژي پودر به محل اتصال مذاب فلز نفوذ کرده و همزمان عناصري که حضور آن ها مورد نياز محل اتصال نيست توسط سرباره پودر مذاب شده جذب مي شود (١ و ٢).
ضمن سرد شدن محل اتصال جوش سرباره تشکيل شده توسط پودر ذوب شده سريعاً به شکل سرباره شيشه اي شکل بر روي بستر جوش سرد و منجمد مي گردد (شکل ١)که بعد از عمليات توسط چکش شکسته شده و از روي بستر جوش برداشته مي شـود که به اين مجموعه سرباره يا گل جــوش مي گويند (٢ و ٩). گل جوش يکي از ضايعاتي است که فرآوري آن در اين پژوهش مورد بررسي قرار نگرفته است .
١- مفتول جوشکاري ، ٢- تغذيه کننده مفتول ، ٣- محل اتصال برق به مفتول ، ٤- قوس الکتريکي بين مفتول و قطعه در حال جوشکاري ، ٥- تغذيه پودر جوشکاري زير پودري ، ٦- حوضچه مذاب الکترود و قطعه ، ٧- حوضچه مذاب پودر زير پودري ، ٨- سرباره يا گل جوش ، ٩- بستر بالايي پودر جوشکاري زير پودري ، ١٠- قطعه در حال جوشکاري ، ١١- جوش منجمد شده .
١-٣- ذرات پودر تغيير شکل يافته و خرد شده
در طي فرايند جوشکاري زيرپودري ، پودر مورد مصرف تحت عوامل جابه جا شدن و نقل و انتقالات فرآيند (شکل ١) دچار تغيير شکل ، خرد شدگي و ساييدگي و آلودگي حاصل از مصرف مي گردد در نتيجه قسمتي از آن در اندازه هاي ميکروني خرد گشته و به علت مزاحمت در فرآيند جوشکاري قابل مصرف مجدد نيست .
لذا آن را از پودر درشت دانه جدا کرده و در رديف ضايعات برطرف شده قرار مي دهند، مقدار اين پودر به ١٥% وزن کل پودر به کار برده شده در عمليات جوشکاري مي رسد.
٢- اثرات
ذرات فيوم حاصل از فرآيند جوشکاري بين نيم تا پنج درصد جرم کلي الکترود مي باشد. فيوم توليد شده توسط روپوش الکترودها شامل : اکسيد هاي آهن و منگنز، فلورايدها، دي اکسيد سيليس ، ترکيبات تيتانيوم ، نيکل ، کرم ، واناديم ، تنگستن ، مس ، کبالت ، سرب و روي مي باشد و ترکيبات منگنز در حدود ١٠-٣ درصد فيوم مي رسد (١٢) .
اکسيد آهن که بخش اعظم فيوم را تشکيل مي دهد.
قدرت بيماري زايي خيلي شديد ندارد و فقط توليد ناراحتي ريوي بنام سيدروزيس مي کند که بيماري خفيفي است . فرآيند جوشکاري زيرپودري به دليل پوشش قوس با فلاکس نسبت به ساير روش هاي جوشــکاري داراي خطـرات کمتر مي باشد و فيوم حاصل يک هشتم ساير روش ها است (١٢).
٣- مطالعات تجربي
مشخصات پودر انتخاب شده
با درنظر گرفتن عوامل فوق پودر جوشکاري زير پودري با نام ٦٨٠ LW با استاندارد ٦١-٨٥٥٧-DIN براي مطالعه انتخاب شد، اين پودر توليد آلمان است و نمونه مشابه آن نيز توسط کارخانجات داخلي در کشور توليد مي شود .
آناليز مينرالي (XRD)، (٤) اين پودر در جدول ١و آناليز عنصري آن طبق استاندارد در جدول ٢ ارايه گشته است .
آناليز توزيع اندازه ذرات آن بر اساس استاندارد ٣٢٥٢٢ DIN مي باشد. وليکن آناليز (XRF)، (٥) اين پودر با اندازه گيري مجدد در جدول ٣ ذکر شده . تصوير الکتروميکروسکوپي (SEM) (٦) پودر قبل از کاربرد در شکل ٢ نشان داده شده است .
پودر ٦٨٠ LW اکثرًا در جوشکاري فولادهاي ساختماني کم آلياژ و جوشکاري فلزات دير گداز محتوي کرم (Cr) مانند ١٥ Cr Mo44 با استفاده از سيم مفتولي الکترود تيپ S2CrMo1 مصرف مي شود (جدول ٤). محصولات جوشکاري شده با اين پودر شامل لوله هاي بزرگ انتقال آب ، نفت و گاز مي شود که صدها کيلومتر طول دارند (٧). طبق آمارهاي مختلف وزارت بازرگاني (٨) و بر اساس تحقيقات انجام شده مصرف اين نوع پودر در کشور حدود ٥٦٠ تن در سال برآورد گشته است در حالي که بنابر مطالعه انجام شده در مورد مصرف آن ضمني اين پژوهش ٨٥% ضايعات باقي مانده از آن به صورت گل جوش (سرباره ) و بقيه به صورت پودر دفرمه خرد شده در اثر سائيدگي ها و عوامل حمل و نقل از سيکل مصرف خارج مي گردند.
ذرات تغيير شکل يافته و خرد شده پودر ٦٨٠ LW ضمن فرآيند مصرف پودر خرد شده با الک از دانه هاي درشت تر جدا مي شود. شناسايي عناصر تشکيل دهنده آن در جدول ٥ و شناسايي مقادير کربن و گوگرد به کمک دستگاه اشترولاين در جدول ٦ ارايه شده است . به طوري که مشاهده مي شود درصد عناصر آن نيز با درصد عناصر ٦٨٠ LW متفاوت است .
در بررسي هاي الکترو ميکروسکوپي (شکل ٣) ذرات کروي همراه ذرات پودر شده مشاهده مي شود که بر اساس آناليز ضمن الکتروميکروسکوپي (EDX)، (٦). جدول ٤ و آناليز توزيع عناصر (MAP)، شکل ٤ ذرات کروي متعلق به سيم مفتول جوشکاري ، داري عنصرهاي تشکيل دهنده مندرج در جدول ٤ مي باشد.
علت به وجود آمدن اين ذرات ، تبديل سيم مفتول الکترود به ميليون ها ذره مذاب در طي فرايند جوشکاري است که تعداد زيادي از آن ها به داخل پودر جوشکاري پوشش دهنده مفتول الکترود پرتاب گشته و در آن جا منجمد شده است . اندازه اين ذرات کروي آهن بين ١٠ ، ٢٥٠ ميکرو متر است که بيشتر آن ها در زير اندازه هاي ١٠٠ ميکرو متر مي باشد و در مجموع ٢٥% وزن پودر تغيير شکل يافته ضايعاتي را تشکيل مي دهد.
٤- بررسي چگونگي بازيافت ذرات پودر تغيير شکل يافته
علي رغم فقدان منابع تحقيقاتي موثق در مورد فرآوري ضايعات جوشکاري زير پودري روش هاي معقولي براي فرآوري آن ابداع شد. لذا طبق تحقيق چون اين پودر پس از جدايي ذرات آهن آلوده کننده از آن ، از نظر آناليز فرقي با پودر اصلي ٦٨٠ LW
نداشت ، بهترين طريقه مصرف مجدد آن در توليد پودر جوشکاري ٦٨٠ LW برآورد شد. براي اين هدف دو طريقه پيشنهاد مي گردد. همان طور که توضيح داده شد (٢) در ضمن عمليات الکترود به قطرات مذاب تبديل مي شود، اندازه قطرات الکترود وابسته است به شدت جريان ، به طوري که در شدت جريان هاي کم قطرات درشت تر است و مي تواند ايجاد مشکل کند، در بعضي مواقع حتي احتمال تماس آن ها با اتمسفر وجود دارد که باعث کم شدن محافظت سرباره مي شود و مي تواند در روابط تعادلي بين سرباره -گاز و فلز ايجاد اشکال نمايد. ذرات کروي شکل آهن به راحتي توسط مگنت از پودر تغيير شکل يافته قابل جدا شدن است . اندازه دانه هاي پودر ٦٨٠ LW قبل از تغيير شکل و بعد از تغيير شکل پس از جدا کردن ذرات آهني از آن در جدول ٧ ارايه شده که نشان دهنده به هم ريختگي شديد توزيع اندازه دانه هاي آن نسبت به پودر قبل از مصرف است .
طريقه اول
توليد پودر جوشکاري زير پودري جديد از طريق ذوبي ، براي اين کار اول پودر تغيير شکل يافته با مگنت قوي آهن زدايي و سپس در کوره قوس الکتريکي آزمايشگاهي ذوب شد و مواد حاصل اول به کمک آسياب فکي و سپس با آسياب مخروطي خرد گرديد.
