Kuonien kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet

Esitys aiheesta: "Kuonien kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet"— Esityksen transkriptio:

1 Kuonien kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet
Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2014 Teema 8 - Luennot 2 ja 3 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

2 Tavoite Kerrata, mitä kuonien emäksisyydellä tarkoitetaan
Arvioida kuonien käyttäytymistä ja keskeisimpiä ominaisuuksia metallurgisissa prosesseissa emäksisyyden näkökulmasta ja kuonan koostumuksen funktiona Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

3 Sisältö Kertaus: Emäksiset ja happamat kuonakomponentit silikaattisissa kuonasulissa Optinen emäksisyys Kuonien ominaisuudet koostumuksen funktiona emäksisyyden näkökulmasta tarkasteltuna Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

4 Silikaattisten kuonien rakenne
Silikaattisten kuonien pohjan muodostaa silikaatti-ionien muodostama verkkorakenne Komponentit, jotka kuonaan liuetessaan rikkovat verkkorakennetta, ovat emäksisiä Komponentit, jotka kuonaan liuetessaan rakentavat verkkoa, ovat happamia Amfoteeriset komponentit voivat toimia emäksisesti tai happamasti Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

5 Emäksisyys silikaattisten kuonien rakenteen kuvaajana
(Silikaattisessa) kuonassa oleva happi voi olla sidoksissa kahteen (Si-)kationiin (’happisillat’) sidoksissa yhteen (Si-)kationiin (osa silikaattiketjua, mutta ’avoin’) kationeihin sitoutumattomana vapaana happi-ionina Emäksisyys kuvaa vapaiden happi-ionien määrää Yleensä emäksisyys kuvataan kuitenkin emäksisten ja happamien komponenttien määrien suhteena Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

6 Kirjallisuudessa esitettyjä tapoja esittää kuonan emäksisyys
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

7 Emäksisyyden vaikutus
Kaikkiin kemiallisiin reaktioihin, joissa vapaat happi-ionit ovat mukana Esim. rikin- ja fosforinpoisto Kaikkiin fysikaalisiin ilmiöihin, joissa on merkitystä ... ... ovatko kuonakomponentit vapaasti liikkuvia vai ketjuuntuneita ... onko kuonassa sähkövarausta kuljettavia ja vapaasti liikkuvia ioneja Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

8 Optinen emäksisyys,  Taustalla riippuvuus kuonan tai lasin emäksisyyden sekä siihen suunnatun UV-alueella olevan säteilyn taajuudessa tapahtuvan muutoksen välillä Mahdollisuus ’mitata kuonien emäksisyyttä’ määrittämällä taajuudessa tapahtuneet muutokset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

9 Optinen emäksisyys,   on optinen emäksisyys
x on elektronegatiivisuus Pauligin asteikolla mitta siitä, kuinka voimakkaasti atomi vetää puoleensa sidoselektroneja Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

10 Optinen emäksisyys,  HUOM! Optisen emäksisyyden ja ’normaalin emäksisyyden’ arvot eivät ole yhteneviä! ts.   B Kuonaseokselle, jossa on useita komponentteja: i on komponentin i optinen emäksisyys Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

11 Kuonien ominaisuudet Kuonakomponenttien aktiivisuudet
Aineiden jakautuminen kuonan ja metallin kesken Happi, rikki, vety, typpi Diffuusio Tiheys Viskositeetti Sähkönjohtavuus Lämmönjohtavuus Lämpölaajeneminen Pintajännitys ja rajapintajännitys Kuvat: Slag Atlas. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

12 Kertausta: Ternäärinen pohjakolmio
Käytetään ternääristen tasapainopiirrosten pohjana Lisäksi myös seoksen ominaisuuksien esittämiseen Kärjet edustavat puhtaita komponentteja Sivut vastaavat binäärisysteemejä Koostumus luetaan kolmion sivuilta Asteikot kuvaavat etäisyyttä kolmion kärjistä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

13 Kuonakomponenttien aktiivisuudet
Komponenttien aktiivisuudet kuvaavat ko. aineen reagointiherkkyyttä toisten kuonakomponenttien kanssa (esim. kiinteitä yhdisteitä muodostaen) metallifaasin komponenttien kanssa Kuonasulia voidaan mallintaa esim. kvasikemiallista tai assosiaattimallia käyttäen (vrt. teema 2) Mallien pohjana kokeelliset mittaukset, joita myös taulukoitu kuvaajina (esim. Slag atlas) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

14 Kuonakomponenttien aktiivisuudet
Kun ai = 1, niin komponentti i erkaantuu omaksi faasikseen (liukoisuusraja) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

15 Kuonakomponenttien aktiivisuudet
ai = vakio sillä koostumusalueella, jossa komponentti i esiintyy tietyssä yhdisteessä/ yhdisteissä (välifaasit) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

16 Kuonakomponenttien aktiivisuudet
Edellä esitetty pätee myös useamman komponentin systeemeille SiO2:n aktiivisuus CaO-Al2O3-SiO2-systeemissä kasvaa SiO2-nurkkausta lähestyttäessä ja saavuttaa arvon 1 koostumuksella, jossa SiO2 erkautuu omaksi faasikseen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

17 Kuonakomponenttien aktiivisuudet
CaO:n aktiivisuus saavuttaa arvon 1 alueella, jossa CaO erkautuu omaksi faasikseen Jos/kun erkautuva faasi on välifaasi (esim. 2CaOSiO2), niin tällöin tarkasteltavan komponentin aktiivisuus saavuttaa erkautumisrajalla sen arvon, joka sillä on ko. välifaasissa CaO:n aktiivisuus saavuttaa arvon 1 alueella, jossa CaO erkautuu omaksi faasikseen Jos/kun erkautuva faasi on välifaasi (esim. 2CaOSiO2), niin tällöin tarkasteltavan komponentin aktiivisuus saavuttaa erkautumisrajalla sen arvon, joka sillä on ko. välifaasissa CaO:n aktiivisuus saavuttaa arvon 1 alueella, jossa CaO erkautuu omaksi faasikseen Jos/kun erkautuva faasi on välifaasi (esim. 2CaOSiO2), niin tällöin tarkasteltavan komponentin aktiivisuus saavuttaa erkautumisrajalla sen arvon, joka sillä on ko. välifaasissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

18 Kuonakomponenttien aktiivisuudet
Kuonakomponenttien aktiivisuuksia on esitetty myös optisen emäksisyyden avulla Esim. CaO:n aktiivisuutta voidaan kuvata hyvin optisen emäksisyyden avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

19 Kuonakomponenttien aktiivisuudet
Joidenkin komponenttien (esim. FeO) käyttäytyminen ei kuitenkaan ole selitettävissä optisen emäksisyyden avulla Yleisemminkin on todettu, että optisen emäksisyyden käsite toimii huonosti siirtymä-ryhmien alkuaineiden muodostamilla oksideilla CaO & MgO ok; FeO & MnO ei Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

20 Hapen jakautuminen Kuonakomponenttien aktiivisuuksien lisäksi optisen emäksisyyden avulla on kuvattu mm. hapen jakautumista metallin ja kuonan kesken Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

21 Rikinpoisto Tarkasteltaessa rikin jakautumista metallin ja kuonan välillä on havaittu, että kuonassa oleva rikki on sulfaattina, kun pO2 > 10-5 atm kuonassa oleva rikki on sulfidina, kun pO2 < 10-5 atm Tiivistetyssä teräksessa hapen aktiivisuus on matala, jolloin yleensä on perustellumpaa olettaa rikki sulfidiseen muotoon Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

22 Rikinpoisto - Rikkikapasiteetti
Rikinpoistotehokkuutta ja rikin jakautumista tietyn metallin ja tietyn kuonan välillä voidaan kuvata ns. rikkikapasiteetin avulla [S]Fe + (O2-) = [O]Fe + (S2-) ½ S2(g) + (O2-) = ½ O2(g) + (S2-) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

23 Rikinpoisto - Rikkikapasiteetti
IRSID:llä (Ranska) kehitetty kuonamalli mahdollistaa rikkikapasiteettien laskennallisen määrittämisen Al2O3-CaO-Cr2O3-CrO-FeO-Fe2O3-MgO-MnO-SiO2-S-systeemeissä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

24 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

25 Rikinpoisto - Rikkikapasiteetti
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

26 Rikinpoisto ja optinen emäksisyys
Rikkikapasiteetin ja rikin jakautumisen riippuvuus kuonan optisesta emäksisyydestä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

27 Rikinpoisto ja optinen emäksisyys
Uudemmissa tarkasteluissa on esitetty omat lausekkeet suurille (yli 0,8) ja pienille (alle 0,8) optisen emäksisyyden arvoille Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

28 Rikinpoisto - Jakautumiskerroin
Rikkikapasiteetin lisäksi rikin jakautumista metallin ja kuonan välillä voidaan tarkastella ns. rikin jakautumiskertoimen avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

29 Rikin jakautumiskerroin ja optinen emäksisyys
Kuonan optisen emäksisyyden vaikutus rikin jakautumiskertoimeen kuonan ja raakaraudan välillä SSAB:n Luleån tehtaan masuunissa. (T = C) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

30 Vesikapasiteetti Rikkikapasiteetin ja rikin jakautumiskertoimen kaltaisia suureita käytetään kuvaamaan myös muiden aineiden jakautumista metallin ja kuonan välillä Esim. vesikapasiteetti kuvaa kuonan kykyä sitoa itseensä vettä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

31 Vesikapasiteetti Myös vesikapasiteetin ja optisen emäksisyyden välillä on havaittu olevan selkeä riippuvuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

32 Veden liukoisuus kuoniin
Veden liukoisuus kuonaan riippuu myös vesihöyryn osapaineesta (l. ilman kosteudesta) kuonan kanssa tasapainossa olevan kaasussa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

33 Veden liukoisuus kuoniin
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

34 Veden liukoisuus kuoniin
Usemman komponentin tarkasteluissa on selkeyden vuoksi vesihöyryn osapaine kaasussa tavallisesti kiinnitetty tiettyyn vakioarvoon Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

35 Typpi kuonissa Kuonaan liuenneen typen määrä riippuu typen osapaineesta kuonan kanssa tasapainossa olevassa kaasussa Typpi ei esiinny kuonissa kaasumaisena (N2) eikä atomaarisena (N), vaan ioneina esim. (N3-), (CN-) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

36 Typpi kuonissa Kuonan C- ja N-pitoisuuksien välillä on havaittu olevan korrelaatioita, jotka viittaisivat (CN-)-ionien esiintymiseen kuonissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

37 Typpi kuonissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

38 Kuonakomponenttien diffuusiokertoimet
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

39 Kuonakomponenttien diffuusiokertoimet
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

40 Tiheys Kuonan tiheyden on oltava selkeästi pienempi kuin metallilla, jotta faasit erottuvat metallurgisissa prosesseissa omiksi kerroksikseen Lämpötilan nosto laskee yleensä kuonien tiheyttä (suurempi lämpöliike/värähtely) Lämpötilan vaikutus on kuitenkin yleensä vähäinen verrattuna koostumuksen vaikutukseen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

41 Tiheys Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

42 Tiheys Joissain tapaukissa lämpötilan nosto voi myös nostaa kuonan tiheyttä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

43 Tiheys SiO2:n tiheys (2,15 g⋅cm C:ssa) on huomattavasti alhaisempi kuin muiden kuona-komponenttien Tämän vuoksi SiO2:n lisäys saa yleensä aikaan kuonan tiheyden laskun Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

44 Tiheys FeO- ja MnO-lisäykset puolestaan yleensä nostavat kuonien tiheyttä Esimerkkinä FeO:n vaikutus FeO-CaO-MgO-SiO2-P2O5-kuonien tiheyksiin Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

45 Tiheys FeO:n tiheyttä kasvattava vaikutus näkyy myös monikomponenttisysteemeissä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

46 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

47 Viskositeetti Viskositeetilla tarkoitetaan nestemolekyylien välisestä koheesiosta johtuvaa sisäistä kitkaa Lämpötilan noustessa koheesio heikkenee, jolloin sulan viskositeetti pienenee Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

48 Viskositeetti Lämpötilan lisäksi viskositeettiin vaikuttaa sulan rakenne Happamien kuonakomponenttien muodostamat ketjut kasvattavat viskositeettia Emäksiset kuonakomponentit rikkovat ketjuja, jolloin viskositeetti pienenee Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

49 Viskositeetti CaO-Al2O3-SiO2-systeemin isoviskositeettikäyrät ovat lähes Al2O3-SiO2-sivun suuntaisia Al2O3 ja SiO2 toimivat happamasti ja nostavat viskositeettia CaO on emäksinen ja laskee viskositeettia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

50 Viskositeetti CaO-Al2O3-MgO-systeemin isoviskositeettikäyrät ovat lähes CaO-MgO-sivun suuntaisia SiO2 toimii happamasti ja nostaa viskositeettia CaO ja MgO ovat emäksisiä ja laskevat viskositeettia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

51 Viskositeetti CaO:n ja MgO:n samankaltainen vaikutus alumiinisilikaattisen verkon rikkojana on nähtävissä myös CaO-MgO-Al2O3-SiO2 -systeemin isoviskositeetti-käyristä (1500 C) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

52 Viskositeetti On havaittu, että alle 20 %:n Al2O3-pitoisuuksilla CaO-SiO2-, CaO-SiO2-Al2O3-, CaO-SiO2-Al2O3-MgO- ja CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FeO-kuonien viskositeetit ovat yksiselitteisesti riippuvaisia SiO2- ja Al2O3-pitoisuuksien summasta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

53 Viskositeetti Huom! Al2O3 on amfoteerinen komponentti
Emäksisessä kuonassa se toimii happamasti eli nostaa viskositeettia (luo happisiltoja) Happamassa kuonassa se toimii emäksisesti eli laskee viskositeettia (katkoo happisiltoja) Na2O-SiO2-Al2O3-kuonan viskositeetti, kun Na2O:a korvataan Al2O3:lla: Tietyn rajan jälkeen emäksisyys on laskenut niin paljon, että Al2O3 alkaa toimia emäksisesti Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

54 Viskositeetti Lämpötilan ja koostumuksen lisäksi kuonan viskositeettiin vaikuttaa merkittävästi kuonassa olevan kiintoaineen (tai liukenemattoman toisen sulan) määrä Kaksifaasialueella viskositeettia kuvataan ns. efektiivisen viskositeetin (e) avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

55 Viskositeetti Efektiivinen viskositeetti (e)
 on kuonan viskositeetti ilman kiintoainehiukkasia q on monodispergoituneen pyöreän hiukkasen tai nestepisaran tilavuusosuus kuonasulassa Muodoltaan monimutkaisempien hiukkasten vaikutus viskositeettiin on vieläkin suurempi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

56 Viskositeetti Esimerkkinä masuunikuonan viskositeetti lämpötilan funktiona: Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

57 Viskositeetti Konvertteriprosessille tyypillisen CaO-FeO-SiO2-kuonan viskositeetti (1400C) Kuvasta havaitaan: FeO:n viskositeettia alentava vaikutus Korkeassa lämpötilassa sulavan dikalsiumsilikaatin aikaansaama ns. silikaattinenä, jossa viskositeetti saa korkeita arvoja johtuen suhteellisen korkeasta kiinteän aineen osuudesta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

58 Viskositeetti Erilaisten teollisten kuonien viskositeettien vertailua
Raudan ja teräksen valmistus BF = masuuni BOS = konvertteri MF = valupulverit Ferroseosten valmistus FeCr sm = ferrokromin valmistus Kuparin valmistus Cu-sm = kuparin liekkisulatus CaFe = kuparin (tai nikkelin) konvertointi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

59 Viskositeetti Monikomponenttikuonien viskositeettien laskemiseksi on kehitetty useita laskennallisia malleja Riboudin malli Pohjana silikaattisula, jonka ominaisuuksia muuttavat muut kuonakomponentit on jaettu neljään kategoriaan Urbainin malli Perustuu CaO-Al2O3-SiO2-systeemiin Kuonakomponentit jaetaan kolmeen kategoriaan: lasia muodostaviin, kuonanmuodostajiin sekä amfoteerisiin. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

60 Viskositeetti Viskositeetin ja optisen emäksisyyden välillä on myös havaittavissa korrelaatio Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

61 Sähkönjohtavuus Metallurgiset prosessit, joissa energia saadaan hapettumisreaktioista tai fossiilisia polttoaineita käyttämällä  Kuonan sähkönjohtavuudella ei ole suurta merkitystä Sähkönjohtavuudella on merkitystä: Sähköuuniteknologiaa käytettäessä Prosessien instrumentoinnin ja säädön yhteydessä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

62 Sähkönjohtavuus Silikaattisissa kuonissa SiO44--anionit ovat huonosti liikkuvia Varauksenkuljettajina toimivat pääasiassa emäksisten komponenttien katioinit Sähkönjohtavuus on kiinteästi yhteydessä kationien diffuusioon kuonissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

63 Sähkönjohtavuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

64 Sähkönjohtavuus Konvertterikuonien sähkönjohtavuus 0,5 – 1,5 -1cm-1
Senkkakuonien sähkönjohtavuus 0,4 – 0,7 -1cm-1 Kuonien sähkönjohtavuutta nostavat Korkea lämpötila Korkea emäksisyys Suuria määriä (yli 70 %) FeO:a tai MnO:a sisältävissä kuonissa elektronijohtavuus nousee hallitsevimmaksi sähkönjohtumismekanismiksi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

65 Sähkönjohtavuus Myös sähkönjohtavuutta voidaan kuvata optisen emäksisyyden avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

66 Lämmönjohtavuus Lämmönjohtuminen tapahtuu joko elektronien liikkeen, hilan värähtelyn tai säteilyn välityksellä (lisäksi konvektio) Efektiivinen lämmönjohtavuus (keff) on summa eri mekanismeilla tapahtuvasta lämmönsiirrosta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

67 Lämmönjohtavuus Kuonien lämmönjohtavuuksista on vain vähän kokeellista informaatiota Ongelmia aiheuttavat mm. Lämmönsiirron useat esiintymismuodot Epävarmuus silikaattisulien rakenteesta Teräksenvalmistuksen kuonien lämmönjohtavuudet ovat suuruusluokkaa 0,5 – 1,2 Wm-1K-1 Selvästi alle sulien metallien lämmönjohtavuuksien Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

68 Lämmönjohtavuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

69 Lämmönjohtavuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

70 Lämpölaajeneminen Lämpölaajenemisen ja optisen emäksisyyden välinen yhteys Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

71 Pintajännitys Sulien kuonien pintajännitys on alhaisempi kuin metallien ja se vaihtelee yleensä välillä mNm-1 Pintajännitystä alentavat pinta-aktiiviset aineet, joita kuonissa ovat mm. SiO2, P2O5, Na2O sekä rikki Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

72 Pintajännitys Yleisesti binääristen silikaattikuonien pintajännitys on alhainen ja se laskee SiO2-pitoisuuden kasvaessa Poikkeuksen muodostavat mm. PbO-SiO2- ja K2O-SiO2-kuonat Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

73 Pintajännitys SiO2:n alentava vaikutus FeO-SiO2- ja CaO-SiO2-kuonien pintajännityksiin Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

74 Pintajännitys Pinta-aktiiviset P2O5 ja SiO2 alentavat pintajännitystä myös ternäärisissä kuonasulissa Mm. CaO, FeO, MnO (ja jossain määrin myös MgO) nostavat ternääristen silikaattikuonien pintajännityksiä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

75 Pintajännitys SiO2-pitoisuuden ollessa vakio pintajännitys pienenee FeO/CaO-suhteen kasvaessa SiO2 vakio FeO/CaO kasvaa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

76 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

77 Pintajännitys P2O5:n alentava vaikutus FeO-P2O5-kuonan pintajännitykseen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

78 Pintajännitys Nesteiden pintajännitys yleensä laskee, kun lämpötilaa nostetaan Joillain nesteillä vaikutus on päinvastainen: Paljon SiO2:a sisältävät kuonasulat, joissa on paljon kompleksisia anioneja (silikaattiverkko) Lämpötilan noustessa assosiaatit hajoavat, jolloin pinnalle jää ilman paria olevia molekyylisidoksia, josta seuraa pintaenergian kasvu Rauta/teräs, jossa on VI ryhmän alkuaineita (O, S, Se, Te), jotka pinta-aktiivisina alentavat pintaenergiaa Lämpötilan noustessa ’pinta-aktiivisuus’ vähenee, jolloin aineiden pintaenergiaa laskeva vaikutus pienenee ja pintajännitys kasvaa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

79 Pintajännitys Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

80 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys
Rajapintajännitykseen vaikuttaa paitsi kuonan, myös metallin koostumus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

81 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys
Sulan kuonan ja metallin välisen rajapintajännityksen arvot ovat yleensä vastaavien kuona-kaasu- ja metalli-kaasu-pintajännitysten välissä siten, että pinta-aktiivisten aineiden lisääminen kuonaan ja/tai metalliin luonnollisesti alentaa faasien välistä rajapintajännitystä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

82 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys
Rikin ja hapen vaikutukset sulan raudan ja CaO-Al2O3-SiO2-kuonasulan väliseen rajapinta-jännitykseen sekä Fe-S-/Fe-O-sulien pintajännityksiin C:ssa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

83 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys
Mitä suurempi on rauta/terässulan happipitoisuus, sitä yksiselitteisemmin se määrää metallin ja kuonasulan välisen rajapintajännityksen arvon riippumatta metallin ja kuonan koostumuksesta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

84 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys
Rajapintajännityksiä tarkasteltaessa on huomioitava ’kokonaisvaikutus’ Esim. FeO-pitoisuuden kasvu CaO-FeO-SiO2-kuonassa Kuonan pintajännitys kasvaa (riippuen tosin siitä kasvaako FeO-pitoisuus CaO:n vai SiO2:n ’kustannuksella’) FeO kuitenkin epästabiilina oksidina syöttää enemmän happea teräkseen, jolloin teräksen happipitoisuus kasvaa  Kuonan ja metallin välinen rajapintajännitys laskee Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

85 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys
Kahden sulafaasin välinen rajapintajännitys laskee, kun faasien välillä tapahtuu aineensiirtoa Esim. 3 (FeO) + 2 [Al]Fe = (Al2O3) + 3 Fe(l) On havaittu, että Al-tiivistetyn teräksen ja hapettavan (FeO-pitoisen) alumiinisilikaattisen kuonan välinen raja-pintajännitys alenee lähes nollaan, kun em. reaktio on nopeimmillaan Reaktion hidastuessa rajapintajännityksen arvo alkaa taas nousta, ja se saavuttaa tasapainoarvonsa termodyn. tasapainossa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

86 Rajapintajännitysten laskenta
Kahden faasin välisen rajapintajännityksen laskemiseksi ei ole kehitetty yleistä teoriaa Laaditut mallit on yleensä johdettu kokeellisista mittaustuloksista jonkin tietyn systeemin tarkastelua varten Sulien välisiä rajapintajännityksiä määritetään perustuen sulafaasien ja kaasufaasin välisiin rajapintajännityksiin ja sulafaasien väliseen kostutukseen Helpompi mitata kuin suora mittaus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

87 Rajapintajännitysten laskenta: Neumannin laki
Kahden (toisiinsa liukenemattoman) nesteen välisen kostutuksen mittaus on vaikeaa, koska kelluva pisara/linssi on osittain uponnut alla olevaan nesteeseen Näkyvä kostutuskulma () on pienempi kuin todellinen kostutuskulma ( =  + ). Rajapintajännitys ja kostutuskulma voidaan kuitenkin laskea Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

88 Rajapintajännitysten laskenta: Raleighin laki
Neumannin lain yksinkertaistus Todellinen ja näkyvä kostutuskulma oletetaan nolliksi Mallin on kuitenkin havaittu sopivan suhteellisen huonosti mitattuun dataan Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

89 Rajapintajännitysten laskenta: Antonowin laki
Neumannin lain yksinkertaistus Kahden sulan välinen rajapintajännitys on yhtä suuri kuin suuremman ja pienemmän pintajännityksen erotus Antonow’in lakia käytetään vain kuonien tarkasteluun ja se soveltuukin runsaasti FeO:a sisältäville kuonille. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

90 Rajapintajännitysten laskenta: Girifalcon ja Goodin laki
Rajapinnan vapaaenergia voidaan esittää sulafaasien koheesion vapaaenergioiden avulla  on karakteristinen tekijä Saa arvon nolla, kun faasien välillä ei ole vuorovaikutusta Arvo kasvaa faasien välisten vuorovaikutusten kasvaessa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

91 Rajapintajännitysten laskenta: Girifalcon ja Goodin laki
Kun vuorovaikutusparametrin  = 180  Kostutuskulma on nolla  Rajapintajännitys on yhtä suuri kuin komponenttien pintajännitys  Kaasufilmi erottaa metallin ja kuonan toisistaan Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014