אלקטרודה מצופה דלת נדפי מנגן

מאת: קיריל קירייבסקי*, אדוארד פקר-לוינזון**

מטרת מאמר זה הינה להציג יכולת ממשית לייצור אלקטרודות ריתוך מצופות, רוטיליות ובסיסיות, אשר פליטת המנגן שלהן מופחתת משמעותית ממקביליהן.

פורסם גם במגזין "מכונות וכלים" | עיתון לענף המתכת בגיליון דצמבר 17'-ינואר 18' עמ' 10-11

הפטנט הישראלי היחיד בעולם!

פיתוח חדשני עולמי ובלעדי בתחום הריתוך של חברת זיקה עם אלקטרודה דלת מנגן

ריתוך באמצעות אלקטרודות דלות נדפי מנגן מתוצרת זיקה, מפחית משמעותית את חשיפתו של הרתך לאדי המנגן המסוכנים. פורמולת הציפוי החדישה לאלקטרודות של זיקה מספקת תכונות מכאניות תוך עמידה בסטנדרטים הבינלאומיים. מאחר ולא נמצא פתרון שכזה אצל אף יצרן אחר בעולם וכחלק מתהליך הפיתוח, נרשמה הבקשה לרישום פטנט בישראל (פטנט מספר 253605). פלדת פחמן הנה החומר הנפוץ ביותר מבין החומרים המבניים. פלדה היא חומר שמבוסס על ברזל ומסוגסגת לכל הפחות עם היסודות כגון: פחמן, מנגן וסיליקון. אלקטרודות רוטיליות E6013 ובסיסיות E7018, משמשות בדרך כלל לריתוך ידני של פלדות דלות פחמן. באמצעות שיטת הריתוך עם אלקטרודה מצופה (Shielded Metal Arc Welding – SMAW). כתוצאה מתהליך הריתוך נפלט עשן שהוא תערובת של מתכות מחומצנות, סיליקטים ופלואורידים. פליטת העשן נגרמת כתוצאה מחימום הפלדה אל מעבר לטמפרטורת הרתיחה שלה, אשר מובילה להתעבות של הנדפים לחלקיקים מוצקים. חשיפת הרתך לפליטת נדפי המנגן מוכרת כמסוכנת מאחר והיא יכולה לגרום לנזק בלתי הפיך לבריאותו.

בואו נבין קצת יותר מהו המנגן

המנגן הינו מסגסג חיוני מאוד בפלדות, ויחד עם הפחמן הוא מקנה לאותן פלדות תכונות קשיות וחוזק. למנגן כמסגסג יתרונות נוספים כמו שיפור משמעותי של יכולת הפלדה לעבור דפורמציה פלסטית, שיפור קשיות של החומר, ותפקוד כמסיר תחמוצות וסולפידים. למעשה, מאחר והוא כה חיוני עבור הפלדות אין פלדה מבנית כלשהי שלא מכילה כמות מסוימת של מנגן. בריתוך באמצעות אלקטרודה מצופה מקורו של מנגן הוא בחוט הליבה המתכתי של האלקטרודה ובציפוי שלה. בדרך כלל, תכולתו של מנגן בחוט הליבה עומד בטווח שבין 0.35-0.50 אחוז משקלי, ושאר המנגן מגיע כאמור מציפוי האלקטרודה. אלמנט המנגן בציפוי מגיע בצורת אבקת פרו- מנגן או מנגן אלקטרוליטי מתכתי מאחר ולחץ הנדפים של מנגן הוא יחסית גבוה, יעילות המעבר אל תוך המתכת המרותכת נמוכה. מסיבה זו, ריכוז המנגן בציפוי, שחייב להיות גבוה, מסוכן עבור הרתך כאשר הוא נחשף אליו. בטבלה מספר 1 ניתן לראות את ריכוז מנגן בציפוי האלקטרודה ובמתכת הרתך עבור אלקטרודות בסיסיות ורוטיליות רגילות.

 

סוג הציפוי	ריכוז Fe-Mn טיפוסי בציפוי [%-wt]	ריכוז Mn טיפוסי במתכת הרתך [%-wt]
E6013 רוטיליות	9 – 10	0.4 – 0.5
E7018 בסיסיות	5 – 6	1.0 – 1.1

טבלה 1: ריכוז מנגן באלקטרודות רגילות.

 

סוג הציפוי	ריכוז Fe-Mn טיפוסי בציפוי [%-wt]	ריכוז Mn טיפוסי במתכת הרתך [%-wt]
E6013 רוטילי	5 – 6	0.24 – 0.28
E7018 בסיסי	3	0.6 – 0.7

טבלה 2: ריכוז מנגן באלקטרודות דלות נדפי המנגן של זיקה.

ההשפעה הבריאותית של נדפי המנגן

במהלך השנים האחרונות חלה עלייה במודעות לסיכון הבריאותי הנגרם כתוצאה מחשיפה למנגן. בשנת 2013, הארגון האמריקאי להיגיינה החמיר את רף החשיפה (ACGIH) המותרת (TLV – Threshold Limit Value) למנגן. הרף החדש, שעומד על כ- 0.02 מ"ג/מ"ק מקטע בר נשימה או 0.1 מ"ג/מ"ק מקטע בר שאיפה. העשן אשר נפלט בעקבות הריתוך באלקטרודה המצופה מכיל חלקיקים מאוד קטנים אשר נפלטים מהאלקטרודה. החומר העיקרי אשר חלקיקיו נמצאים בעשן תלוי במרכיבי האלקטרודה בה מרתכים) בכימיה שלהם (אשר מקורו בציפוי, בצבע ובליבת האלקטרודה המתכתית. המרכיבים העיקריים שמצויים בעשן הנפלט מריתוך פלדות כוללים בין היתר תחמוצות של ברזל, סיליקון ומנגן (תיתכן כמובן הימצאות של חלקיקים נוספים אחרים).

רתכים אשר נחשפים יתר על המידה לאותם חלקיקים אשר מצויים בעשן הנפלט במהלך הריתוך, נמצאים בסיכון למגוון מחלות, הן לטווח הקרוב (חשיפה אקוטית) והן לטווח הרחוק (חשיפה כרונית). מחקרים מראים כי לחשיפה של טווח ארוך למנגן קשר ישיר עם בעיות תפקוד מערכת העצבים המרכזית (CNS) שדומות בתסמיניהן למחלת הפרקינסון. ישנה עדיין מחלוקת האם החשיפה למנגן גורמת למחלת הפרקינסון עצמה או האם היא גורמת למחלה אחרת בעלת תסמינים דומים.

מה אנו למדים מכך?

כך או כך, ניתן לומר בוודאות כי החשיפה למנגן יכולה לגרום לבעיות בתפקוד העצבים שיכולים אף להחמיר לאחר הופעת הסימפטומים הראשוניים. הגדרת הבעיה: במהלך ריתוך באמצעות אלקטרודה מצופה, מנגן עובר מהאלקטרודה המתכלה למתכת הרתך במהלך מעבר החומר לפאזה נוזלית. במצב זה, לחץ אדי המנגן גבוה מלחץ אדי שאר המרכיבים האחרים באלקטרודה, ולכן הוא מסווג כמתנדף בלחץ חזק יותר. עובדה זו גורמת לכך שיעילות המעבר של המנגן מהאלקטרודה המתכלה אל מתכת הרתך היא יחסית נמוכה. מבין האלקטרודות המצופות השונות, יעילות מעבר המנגן הנמוכה ביותר מתקבלת עבור אלקטרודות בעלות ציפוי רוטילי. מסיבה זו, מרכיבי נדפי מנגן המצויים בסביבת עבודתם של רתכים, נמדדים בריכוזים גבוהים יחסית.

הפתרון המוכר אשר מוצע ע"י החברות המובילות בתחום הריתוך הוא שימוש במערכת יניקת אוויר, פתרון שהוא טוב, אבל פתרון חלקי. אחד מהפתרונות העדכניים לבעיה, שמוצע על ידי חברות גדולות כמו Hobart ו-Esab הוא שימוש בחוט לבוב בעלת תכולת מנגן נמוכה. חברת זיקה בעצם היא החברה הראשונה, והיחידה בעולם שמציעה פתרון לבעיה, תוך כדי שימוש באלקטרודה בעלת תכולת מנגן נמוכה בציפוי, אשר מאפשרת הפחתה משמעותית של חשיפת הרתך למנגן.

האתגר הטכנולוגי

מאחר ולחץ אדי המנגן גבוה, הדרך היחידה להקטין את פליטתו במהלך תהליך הריתוך, היא להפחית את מינונו באלקטרודה המצופה כאשר הדגש הוא על הציפוי שלה. בדרך זו תהיה הפחתה גם במינון המנגן במתכת הרתך שכמובן פוגעת בתכונותיה המכאניות. האתגר המרכזי הוא "להשלים" את החסר תוך קבלת התכונות המכאניות הדרושות עבור אותה מתכת הרתך.

פיתוח פורמולה לציפוי אלקטרודה

מאחר והפורמולה המדויקת של הציפוי האלקטרודה היא "סוד מסחרי" של כל חברה ייצרנית, הפורמולה שפותחה בזיקה לא תפורט. עם זאת, יוצגו תכולות המנגן באלקטרודות המצופות החדשות של זיקה כפי שניתן לראות בטבלה מספר 2. על מנת להגיע לתכולת המנגן שבטבלה מספר 2 היה צורך להפחית את ריכוז אבקת הפרו-מנגן שבציפוי האלקטרודה כמעט בחצי מריכוזה הקודם. הפחתה משמעותית כזו של מנגן בציפוי, שמתנדף עקב לחץ נדפים גבוה, מביאה ישירות לירידה בתכולת המנגן שמתנדף במהלך הריתוך כולו. יחד עם זאת, ההרכב הכימי של מתכת הרתך גם ישתנה ותכולת המנגן בו תרד, כפי שניתן לראות בטבלה מספר 3.

למרות תכולת מנגן נמוכה במתכת הרתך, הפורמולה החדשנית של זיקה, מאפשרת קבלת תכונות מכאניות של מתכות הרתך, שעדיין עומדות בתקנים הנדרשים כפי שניתן לראות בטבלה מספר 4.

סוג האלקטרודה	C	Mn	Si	P	S	Ni	Cr	Mo	V
Z11-LMn E6013	0.07	0.25	0.18	0.016	0.007	0.24	0.07	0.002	0.014
Z4-LMn E7018	0.06	0.7	0.38	0.018	0.005	0.18	0.14	0.008	0.05

טבלה 3: ההרכב הכימי [%wt] של מתכות הרתך שהתקבלו לאחר שימוש באלקטרודות דלות נדפי המנגן של זיקה.

 

סוג האלקטרודה	Yield point [MPa]	UTS [MPa]	Elongation [%]	V-charpy Impact energy [J]
Z11-LMn E6013	440	500	25	65 @ 0°C
AWS A5.1 E6013 req.	330<	430<	17<	–
EN ISO 2560-A E 38 0 R R 1 2 req.	380<	470-600	20<	>47 @ 0°C
Z4-LMn E7018	520	570	27	130 @-30°C
A5.1 E7018 H4R req.	400<	490<	22<	>27 @-30°C
EN ISO 2560-A E 46 3 B 3 2 H5 req.	460<	530-680	20<	>47 @-30°C

טבלה 4: תוצאות בדיקות התכונות המכאניות והשוואתן לסטנדרטים הבינלאומיים.

מדידת ריכוז המנגן בעשן הנפלט בעת ריתוך

איור 1: שרטוט סכמתי של מערכת הניסוי למדידת פליטת המנגן.

לצורך מדידת ריכוז המנגן בעשן שנפלט במהלך הריתוך נעשה שימוש בשתי שיטות שונות. השיטה הראשונה למדידת חשיפת הרתך לנדפי המנגן נבחנה במהלך ריתוך ממושך של פלטה אשר מרותכת לצורך בחינת התכונות המכאניות של חומר הרתך בהתאם לתקן AWS A5.1 הסטנדרטי. כל אחד מניסויי ריתוך הפלטה בוצע יחד עם הפעלת שתי מערכות יניקה, בתנאי מעבדה שקרובים לאידיאליות. הניסויים נערכו במשך 6 שעות בממוצע ובסופם נלקחו דגימות אשר תוצאותיהן מוצגות בטבלאות מספר 5 ו-6.

סוג האלקטרודה	חשיפת הרתך לנדפי המנגן
Z-11 E6013	0.007
E 6013 (competitor 1)	0.008
Zika – 11 LMn	0.003

סוג האלקטרודה	חשיפת הרתך לנדפי המנגן
Z-11 E6013	0.007
E 6013 (competitor 1)	0.008
Zika – 11 LMn	0.003

טבלה 5 (למעלה): תוצאות הבדיקות הראשוניות עבור החשיפה למנגן באלקטרודה מצופה E6013 והשוואתה למתחרים.

טבלה 6 (למטה): תוצאות הבדיקות הראשוניות עבור החשיפה למנגן באלקטרודה מצופה E7018 והשוואתה למתחרים.

השיטה השנייה שנבחנה במערכת

השיטה השנייה נבחנה עם מערכת שתוכננה במיוחד למדידת חשיפת הרתך לנדפי המנגן (מוצגת באיור מספר 1). כפי שניתן לראות, בחלקה העליון של המערכת ישנה מערכת אשר שואבת את כל העשן הנפלט. בחלקה הצר של מערכת השאיבה ממוקם צינור פילטר צלולוזי שמכיל גם ציקלון, הפילטר מחובר עם צינור למשאבת מעבדה אשר דוגמת את פליטת העשן באופן מדויק. בדרך זו מרבית העשן שנפלט עובר דרך הפילטר הצלולוזי ואת תוצאותיו ניתן לראות בטבלאות מספר 7 ו-8.

סוג האלקטרודה	Z11 E6013	Z11-LMn E6013	(competitor 1) E6013	(competitor 2) E6013
מספר הניסוי
1	0.99	0.31	0.51	0.48
2	0.67	0.32	0.72	0.52
3	0.62	0.26	0.47	0.47
4	0.82	0.31	0.54	0.61
5	0.77	0.32	0.55	0.54
ממוצע	0.77	0.30	0.56	0.52
שונות	0.02083	0.00063	0.0092	0.0031
מס' בחינות	5	5	5	5
מקדם פירסון	0.46		0.212
Hypothesized Mean Difference	0		0
df	4		4
t Stat	7.80		0.76
P(T<=t) one-tail	0.0007		0.25
t Critical one-tail	2.13		2.13
P(T<=t) two-tail	0.0015		0.49
t Critical two-tail	2.78		2.78

טבלה 7: תוצאות הבדיקות הראשוניות עבור החשיפה למנגן באלקטרודה רוטילית מצופה E6013 והשוואתה למתחרים.

 

סוג האלקטרודה	Z4 E7018	Z4-LMn E7018	(competitor) E7018
מספר הניסוי
1	1.11	1.09	1.40
2	1.31	1	1.09
3	1.08	0.64	0.91
4	1.2	1.04	1.37
5	2.1	0.85	1.31
6	1.05	0.9	–
7	1.11	0.74	–
ממוצע	1.28	0.89	1.22
שונות	0.138	0.027	0.210
מס' בחינות	7	7	5
מקדם פירסון	-0.0063
Hypothesized Mean Difference	0
df	6
t Stat	2.50
P(T<=t) one-tail	0.023
t Critical one-tail	1.94
P(T<=t) two-tail	0.046
t Critical two-tail	2.45

טבלה 8: תוצאות הבדיקות הראשוניות עבור החשיפה למנגן באלקטרודה בסיסית מצופה E7018 והשוואתה למתחרים.

סיכום ומסקנות

אז מה למדנו?

מבחינה הטכנולוגית, ניתן להשיג תכונות מכאניות הנדרשות ע"י סטנדרטים בינלאומיים בריתוך עם האלקטרודות המצופות 6013 ו-7018, כאשר תכולת מנגן מופחת ב-40 אחוז לפחות. בעזרת פורמולת הציפוי הייחודית, אשר מספקת סגסוג וטיהור של מתכת הרתך, ניתן לקבל את התכונות המכאניות הנדרשות.

קיימת התאמה בין שתי השיטות למדידת נדפי המנגן. כצפוי, ישנו קשר בין תכולת המנגן באלקטרודה המתכלה לבין נדפי המנגן שמצויים בעשן הנפלט במהלך הריתוך. הפחתה של תכולת מנגן בציפוי האלקטרודה, בערך של כ-40% , הציגה אף תוצאות טובות יותר בהיבט חשיפת הרתך לנדפי המנגן המסוכנים המצויים בעשן הנפלט. האלקטרודות המצופות דלות נדפי המנגן של זיקה, הרוטילית Z11-LMn והבסיסית Z4-LMn, אפשרו פליטת מנגן נמוכה יותר, משמעותית, מהאלקטרודות המקבילות של המתחרים.

האלקטרודות ריתוך מופחתות נדפי מנגן Z11-LMn E6013 ו-Z4-LMn E7018 עברו הסמכה על ידי גוף פיקוח American Bureau of Shipping – ABS.

* טכנולוג/מהנדס חומרים, חברת זיקה
** סגן מנהל תחום מעבדה ארצית לגהות תעסוקתית במשרד העבודה, הרווחה והשירותים חברתיים