Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2013 Teema 1 - Luento 5 Faasipiirrokset, osa 3 Ternääristen ja monikomponenttipiirrosten tulkinta Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2013 Teema 1 - Luento 5 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Tavoite Oppia tulkitsemaan 3-komponentti-systeemien faasipiirroksia Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
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) Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Ternäärinen pohjakolmio Kärjet edustavat puhtaita komponentteja Sivut vastaavat binäärisysteemejä Lämpötila kuvataan kohtisuoraan koostumustasoa vastaan Koostumus luetaan kolmion sivuilta Asteikot kuvaavat etäisyyttä kolmion kärjistä Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Ternäärisistä faasipiirroksista tehtävät leikkaukset Ternääristen tasapainopiirrosten tulkinta kolmesta ulottuvuudesta johtuen hankalaa jo yksinkertaisimmissakin tapauksissa Kiinnitetään paineen lisäksi myös toinen olosuhdemuuttuja Helpommin luettavat kaksiulotteiset piirrokset Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
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 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
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 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Isotermiset leikkaukset Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Isotermiset leikkaukset ja likviduspintojen esittäminen Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Solidus- ja likvidus-pinnat ternäärisessä systeemissä Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Sideviivat Ternäärisen tasapaino-piirroksen isotermisen leikkauksen kaksifaasialueille piirrettyjä viivoja Niiden avulla voidaan esittää keskenään tasapainossa olevien faasien koostumukset ja määräsuhteet vrt. vipusääntö binäärisysteemissä Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Ternäärinen eutektinen tasapaino Likvidus- ja solidus-käyriä vastaavat pinnat Binääriset eutektiset pisteet (e1, e2 ja e3) “venyvät” laaksoiksi (e1E, e2E ja e3E), jotka yhtyvät ternäärisessä eutektisessa pisteessä (E) Ternäärinen eutektinen lämpötila < Binääriset eutektiset lämpötilat Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Ternäärinen eutektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Ternäärinen eutektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
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 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Satulapiste Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Ternäärinen peritektinen tasapaino Ternäärinen peritektinen lämpötila (TX) < Binäärinen eutektinen lämpötila (E) > Binääriset peritektiset lämpötilat (P1 ja P2) Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Ternäärinen peritektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Ternäärinen eutektis-peritektinen lämpötila (TX) > Toinen binäärinen eutektinen lämpötila (E1) < Toinen binäärinen eutektinen lämpötila (E2) < Binäärinen peritektinen lämpötila (P) Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Vipusääntö kolmen faasin alueella Faasien x, y ja z osuudet tarkastelupisteessä t: Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Ternäärisessä faasipiirroksessa esiintyviä merkintöjä Likviduspinnat Eutektiset, peritektiset ja monotektiset laaksot Satulapisteet Primäärijähmettymiskenttä/-faasikenttä Puhtaiden aineiden koostumukset Alkemaden viivat Poikkiviivat Alkemaden viivoissa Yhteensopivuuskolmiot Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Likviduspinnat Isotermisinä korkeuskäyrinä ohuin viivoin esim. 100 C:een välein Merkitty käyrää vastaavat lämpötilat Esim. Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Eutektiset, peritektiset ja monotektiset laaksot Paksummat viivat Nuoli osoittaa laskevan lämpö-tilan suuntaan 1: Eutektinen 2: Peritektinen 3: Monotektinen Esim. Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Satulapisteet Yksittäinen poikkiviiva eutektisisissa tai muissa laaksoissa Esim. Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Primäärijähmettymiskentät (tai Primäärifaasikentät) Eutektisten ym. laaksojen rajaamat alueet Kertovat 1. kiteytyvän faasin, kun kentän koostumusalueelle osuvaa sulaa jäähdytetään Esim. Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Puhtaiden aineiden koostumukset Avoin ympyrä Esim. Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Alkemaden viivat Yhdistävät yhdisteiden koostumuksia kuvaavia pisteitä Piirretty joskus kuvaajaan ja joskus erikseen Esim. Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Poikkiviivat Alkemaden viivoissa Kuvaavat kiinteän tilan liukoisuuksia Jos soliduspinnat olisi piirretty kuvaan, niin näitä ei tarvittaisi Esim. Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Yhteensopivuuskolmiot Alkemaden viivojen rajaamat kolmiot Sulan jähmettyttyä syntyneet kiinteät faasit voidaan lukea sen kolmion nurkista, jonka sisään sulan koostumus sijoittuu Esim. Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Esimerkki tasapainopiirrosten hyödyntämisestä terästeollisuudessa Konvertterikuona koostuu Teräksen ja siihen liuenneiden aineiden hapettumistuotteista Vuorauksesta Kuonanmuodostajista ja flukseista Yleensä silikaattipohjaisia oksidisulia (CaO, SiO2 sekä lisäksi pienempinä määrinä MgO, FeO, MnO, Al2O3) Kuonanmuodostus Si:n, Mn:n ja Fe:n hapettuminen oksideiksi Kalkin liukeneminen 2CaOSiO2:n stabiilisuusalueella aFeO on suuri FeO:n pelkistyminen takaisin teräkseen Konvertterikuonan tehtäviä Epäpuhtauksien sitominen pois teräksestä Lämpöhäviöiden ehkäiseminen Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Konvertteriprosessin tarkastelu kuonatien avulla Kuonatien avulla voidaan kuvata prosessin kulkua tasapainopiirroksia hyödyntäen Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Tehtävä Sula, jonka koostumus on: jäähdytetään 1450 C:een 40 % SiO2 30 % MgO 30 % FeO jäähdytetään 1450 C:een Mitä faaseja tasapainossa esiintyy Mitkä ovat eri faasien osuudet ja koostumukset? Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
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 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
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 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Kvaternääriset systeemit Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Kvaternääristen systeemien leikkaukset Jo isotermisenkin leikkauksen esittämiseen tarvitaan kolme ulottuvuutta Mielekästä kiinnittää paineen ja lämpötilan lisäksi vähintään yksi pitoisuusmuuttuja Kuvaajasta helpommin tulkittava Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
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 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Kvaternääristen systeemien leikkaukset Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Kvaternääristen systeemien leikkaukset Leikkaus on voidaan tehdä myös käyttäen tason päätepisteinä systeemissä esiintyvien välifaasiyhdisteiden koostumuksia Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
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 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Liuosominaisuuksien esittäminen pohjakolmion avulla Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Yhteydet tasapainopiirrosten ja ominaisuuskuvaajien välillä Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Teema 1 - Kotitehtävä 5 Deadline = 14.10.2013 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013
Teema 1 - Kotitehtävä 5 Deadline = 14.10.2013 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2013