Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016 Faasipiirrokset, osa 3 Ternääristen ja monikomponenttipiirrosten tulkinta Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 1 - Luento 5

Tavoite Oppia tulkitsemaan 3-komponentti- systeemien faasipiirroksia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternääriset tasapainopiirrokset Vapaaenergiafunktiot ovat käyrien sijasta koveria pintoja, joilla on minimipiste Binäärisysteemien tangenttisuoria vastaavat vapaaenergiapintoja sivuavat tasot Tasapainot eivät ole sen monimutkaisempia kuin binäärisysteemeissäkään Graafisen esittämisen mahdollistamiseksi on kiinnitettävä useampia olosuhdemuuttujia (paineen lisäksi) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärinen pohjakolmio Kärjet edustavat puhtaita komponentteja Sivut vastaavat binäärisysteemejä Lämpötila kuvataan kohtisuoraan koostumustasoa vastaan Koostumus luetaan kolmion sivuilta –Asteikot kuvaavat etäisyyttä kolmion kärjistä Binäärinen B-C-systeemi Komponentin A pitoisuus = 0 % Komponentin A pitoisuus = 80 %Komponentin A pitoisuus = 50 %Komponentin A pitoisuus = 20 % Puhdas aine A (pitoisuus = 100 %) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärisistä faasipiirroksista tehtävät leikkaukset Ternääristen tasapainopiirrosten tulkinta kolmesta ulottuvuudesta johtuen hankalaa jo yksinkertaisimmissakin tapauksissa  Kiinnitetään paineen lisäksi myös toinen olosuhdemuuttuja  Helpommin luettavat kaksiulotteiset piirrokset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärisistä piirroksista tehtävät leikkaukset Leikkaus voidaan tehdä –Isotermisesti kiinnittämällä lämpötila (a) Usein merkitään samaan kuvaan useita leikkauksia (b) Likviduspinnan esittäminen korkeuskäyrinä (b) Näkyvissä vain likviduslämpötilat - solidus ei näy kuvassa –Kiinnittämällä yksi koostumusmuuttujista (c) Tällaiset leikkaukset toteuta kaikkia tasapainopiirroksille ominaisia piirteitä (d) Esim. ei voida soveltaa binääristä vipusääntöä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Koostumusmuuttujien kiinnittäminen pohjakolmiossa Kolmion sivun suuntainen suora  Sivun vastaista kärkeä edustavan komponentin pitoisuus on vakio Kärjen kautta piirretty suora  Kahta muuta kärkeä vastaavien komponenttien pitoisuuksien suhde on vakio Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Isotermiset leikkaukset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Isotermiset leikkaukset ja likviduspintojen esittäminen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Solidus- ja likvidus-pinnat ternäärisessä systeemissä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Sideviivat Ternäärisen tasapaino- piirroksen isotermisen leikkauksen kaksifaasialueille piirrettyjä viivoja Niiden avulla voidaan esittää keskenään tasapainossa olevien faasien koostumukset ja määräsuhteet –vrt. vipusääntö binäärisysteemissä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärinen eutektinen tasapaino Likvidus- ja solidus-käyriä vastaavat pinnat Binääriset eutektiset pisteet (e 1, e 2 ja e 3 ) “venyvät” laaksoiksi (e 1 E, e 2 E ja e 3 E), jotka yhtyvät ternäärisessä eutektisessa pisteessä (E) Ternäärinen eutektinen lämpötila < Binääriset eutektiset lämpötilat Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärinen eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärinen eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Satulapiste Voi esiintyä ternäärisissä systeemeissä, joissa –Esiintyy välifaaseja –On lukuisia eutektisia pisteitä Kahta eutektista pistettä yhdistävissä laaksoissa esiintyvä piste, jossa likvidus- pinnalla on sekä maksimi että minimi –Maksimi esiintyy eutektisen laakson suunnassa likvidus- ja soliduspintojen sivutessa toisiaan –Minimi esiintyy kohtisuorassa eutektista laaksoa vastaan laakson erottaessa kaksi puuroaluetta toisistaan Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Satulapiste Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärinen peritektinen tasapaino Ternäärinen peritektinen lämpötila (T X ) < Binäärinen eutektinen lämpötila (E) > Binääriset peritektiset lämpötilat (P 1 ja P 2 ) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärinen peritektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Ternäärinen eutektis- peritektinen lämpötila (T X ) > Toinen binäärinen eutektinen lämpötila (E 1 ) < Toinen binäärinen eutektinen lämpötila (E 2 ) < Binäärinen peritektinen lämpötila (P) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Vipusääntö kolmen faasin alueella Faasien x, y ja z osuudet tarkastelupisteessä t: Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Ternäärisessä faasipiirroksessa esiintyviä merkintöjä Likviduspinnat Eutektiset, peritektiset ja monotektiset laaksot Satulapisteet Primäärijähmettymiskenttä/-faasikenttä Puhtaiden aineiden koostumukset Alkemaden viivat Poikkiviivat Alkemaden viivoissa Yhteensopivuuskolmiot Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Likviduspinnat Isotermisinä korkeuskäyrinä ohuin viivoin esim. 100  C:een välein Merkitty käyrää vastaavat lämpötilat Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Eutektiset, peritektiset ja monotektiset laaksot Paksummat viivat Nuoli osoittaa laskevan lämpö- tilan suuntaan –1: Eutektinen –2: Peritektinen –3: Monotektinen Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Satulapisteet Yksittäinen poikkiviiva eutektisisissa tai muissa laaksoissa Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Primäärijähmettymiskentät (tai Primäärifaasikentät) Eutektisten ym. laaksojen rajaamat alueet Kertovat 1. kiteytyvän faasin, kun kentän koostumusalueelle osuvaa sulaa jäähdytetään Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Puhtaiden aineiden koostumukset Avoin ympyrä Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Alkemaden viivat Yhdistävät yhdisteiden koostumuksia kuvaavia pisteitä Piirretty joskus kuvaajaan ja joskus erikseen Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Poikkiviivat Alkemaden viivoissa Kuvaavat kiinteän tilan liukoisuuksia Jos soliduspinnat olisi piirretty kuvaan, niin näitä ei tarvittaisi Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Yhteensopivuuskolmiot Alkemaden viivojen rajaamat kolmiot Sulan jähmettyttyä syntyneet kiinteät faasit voidaan lukea sen kolmion nurkista, jonka sisään sulan koostumus sijoittuu Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Esimerkki tasapainopiirrosten hyödyntämisestä terästeollisuudessa Konvertterikuona koostuu –Teräksen ja siihen liuenneiden aineiden hapettumistuotteista –Vuorauksesta –Kuonanmuodostajista ja flukseista  Yleensä silikaattipohjaisia oksidisulia (CaO, SiO 2 sekä lisäksi pienempinä määrinä MgO, FeO, MnO, Al 2 O 3 ) Kuonanmuodostus –Si:n, Mn:n ja Fe:n hapettuminen oksideiksi –Kalkin liukeneminen –2CaO  SiO 2 :n stabiilisuusalueella a FeO on suuri  FeO:n pelkistyminen takaisin teräkseen Konvertterikuonan tehtäviä –Epäpuhtauksien sitominen pois teräksestä –Lämpöhäviöiden ehkäiseminen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Konvertteriprosessin tarkastelu kuonatien avulla Kuonatien avulla voidaan kuvata prosessin kulkua tasapainopiirroksia hyödyntäen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Tehtävä Sula, jonka koostumus on: –40 % SiO 2 –30 % MgO –30 % FeO jäähdytetään 1450  C:een Mitä faaseja tasapainossa esiintyy Mitkä ovat eri faasien osuudet ja koostumukset? Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Useamman kuin kolmen komponentin systeemit Käytännön tilanteissa –Lähes aina vähintään kolme pääkomponenttia –Lisäksi epäpuhtaudet ym. pienempinä pitoisuuksina esiintyvät aineet  Binääriset ja ternääriset tasapainopiirrokset eivät ole riittäviä Useamman komponentin tasapainopiirrokset –Faasisäännön soveltaminen ei ole ongelmallista –Erilaiset tasapainotyypit vastaavia kuin binäärisissä ja ternäärisissä systeemeissä –Olosuhdemuuttujien määrä kasvaa  Graafinen esittäminen vaikeaa  Kvaternäärisiä systeemejä (puhumattakaan monimutkaisemmista tapauksista) esitettäessä sidotaan lähes aina paineen ja lämpötilan lisäksi vähintään yksi pitoisuusmuuttuja Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Kvaternääriset systeemit Kärjet (A, B, C ja D) edustavat puhtaita aineita Särmät (AB, AC, AD, BC, BD ja CD) edustavat binäärisiä systeemejä Pinnat (ABC, ABD, ACD ja BCD) edustavat ternäärisiä systeemejä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Kvaternääriset systeemit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Kvaternääristen systeemien leikkaukset Jo isotermisenkin leikkauksen esittämiseen tarvitaan kolme ulottuvuutta  Mielekästä kiinnittää paineen ja lämpötilan lisäksi vähintään yksi pitoisuusmuuttuja  Kuvaajasta helpommin tulkittava Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Kvaternääristen systeemien leikkaukset 2-ulotteinen leikkaus kvaternäärisestä tasapainopiirroksesta Piirretään 2 tetraedrin kahden eri tahkon suuntaista tasoa Leikkaussuora kuvaa tilannetta, jossa kaksi kvaternäärisen systeemin komponenteista esiintyy vakiopitoisuudella Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Kvaternääristen systeemien leikkaukset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Kvaternääristen systeemien leikkaukset Leikkaus on voidaan tehdä myös käyttäen tason päätepisteinä systeemissä esiintyvien välifaasiyhdisteiden koostumuksia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Faasien nollaosuuskäyrät (ZPF-lines, Zero Phase Fraction) Kuvaa tietyn faasin stabiilisuusalueen rajoja –Raja, jossa a = 1 ja n = 0 –Rajan toisella puolella ao. faasi on stabiili, toisella puolella ei Alkavat ja loppuvat akseleilta tai muodostavat silmukan Apuna monikomponentti- systeemeistä tehtyjen leikkausten tarkastelussa sekä kuvaajien laadinnassa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Liuosominaisuuksien esittäminen pohjakolmion avulla Pohjakolmiota käytetään myös kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksien esittämiseen Piirretään kuvaajaan tietyn ominaisuuden arvoja kuvaavia korkeuskäyriä samaan tapaan kuin likviduspintoja esitettäessä Voidaan nopeasti arvioida koostumuksen vaikutusta systeemin ominaisuuksiin kuten aktiivisuuteen, viskositeettiin, tiheyteen, pintajännitykseen, sähkönjohtavuuteen tai lämmönjohtavuuteen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Liuosominaisuuksien esittäminen pohjakolmion avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016

Yhteydet tasapainopiirrosten ja ominaisuuskuvaajien välillä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2016