Sulamisen ja jähmettymisen tarkastelu faasipiirroksia hyödyntäen Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2014 Teema 9 - Luennot 2 & 3 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Tavoite Oppia muutamien esimerkkien avulla tarkastelemaan monikomponentti-systeemien sulamista ja jähmettymistä tasapainopiirroksia hyödyntäen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Binäärisysteemi: Aukoton liukoisuus Millä lämpötilavälillä sulaminen tapahtuu? Faasien osuudet ja koostumukset puuroaluella? 30% FeO & 70% MgO 50% FeO & 50% MgO Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Binäärisysteemi: Aukoton liukoisuus Materiaali on täysin sulanut Millä lämpötilavälillä sulaminen tapahtuu? Faasien osuudet ja koostumukset puuroaluella? 30% FeO & 70% MgO 50% FeO & 50% MgO 2-faasialueella sulan koostumus seuraa likvidusta Sulaminen päättyy 2-faasialueella kiinteän faasin koostumus seuraa solidusta 2-faasi- alueella Sulaminen alkaa 1. sulapisaran koostumus Viimeisenä sulavan kiinteän faasin koostumus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Binäärisysteemi: Aukoton liukoisuus Faasien osuudet 2-faasialueella määritetään vipusäännön avulla Binäärisysteemi: Aukoton liukoisuus Sulan osuus = (83-70)/(83-52) = 0,42 (42%) Sulan osuus = Kiinteä osuus = (70-52)/(83-52) = 0,58 (58%) Millä lämpötilavälillä sulaminen tapahtuu? Faasien osuudet ja koostumukset puuroaluella? 30% FeO & 70% MgO 50% FeO & 50% MgO Sulaminen alkaa 1. sulapisaran koostumus Viimeisenä sulavan kiinteän faasin koostumus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Binäärisysteemi: Aukoton liukoisuus Millä lämpötilavälillä jähmettyminen tapahtuu? Mitkä ovat faasien osuudet ja koostumukset kaksifaasialuella? Cr2O3 = 40% Cr2O3 = 80% Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Binäärisysteemi: Eutektinen tasapaino & Välifaasi Mitä faasimuutoksia tapahtuu ja missä lämpötiloissa? Faasien osuudet ja koostumukset 2-faasialueilla? 28% MgO 20% MgO Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Binäärisysteemi: Välifaasi sekä eutekt./monotekt. tasap. Missä lämpötilassa jähmettyminen alkaa ja päättyy? Faasimuutokset? Faasien osuudet ja koostumukset kaksifaasialueilla? SiO2 = 10 %, 28 %, 38 % Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Binäärisysteemi: Useita välifaaseja, eril. tasapainoja Missä lämpötilassa jähmettyminen alkaa ja päättyy? Faasimuutokset? Faasien osuudet ja koostumukset kaksifaasialueilla? Sn = 10 %, 20 %, 30 %, 40 % Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Tarkastellaan sulan jähmettymistä kolmen komponentin systeemissä. Miten jähmettyminen etenee sulalle, jonka koostumus ennen jähmettymisen alkua on: MnO: 56 % SiO2: 9 % Al2O3: 35 %

Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Al2O3: 35 % Etsitään sulaa vastaava koostumuspiste kuvaajasta. MnO: 56 % SiO2: 9 %

Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Koostumus sijaitsee korundin (corundum, Al2O3) primäärifaasikentässä. Ensimmäinen jähmettyvä faasi on siis Al2O3. Jäljelle jäävä köyhtyy Al2O3:n suhteen ja rikastuu MnO:n ja SiO2:n suhteen, kunnes tullaan primäärifaasikenttien rajalle. Jäljelle jäävä köyhtyy Al2O3:n suhteen ja rikastuu MnO:n ja SiO2:n suhteen.

Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Tästä eteenpäin jähmettyy kahta kiinteää faasia: - korundia (Al2O3) - galaksiittia (MnOAl2O3) Jäljelle jäävän sulan koostumus seuraa peritektistä laaksoa, kunnes tullaan pisteeseen A, minkä jälkeen galaksiitti on ainoa jähmettyvä faasi. Jäljelle jäävän sulan koostumus seuraa peritektistä laaksoa, kunnes tullaan pisteeseen A. A

Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Jäljelle jäävän sulan koostumus siirtyy poispäin galaksiitin koostumuksesta, kunnes tullaan taas primäärifaasikenttien rajalle. Jäljelle jäävän sulan koostumus siirtyy poispäin galaksiitin koostumuksesta. Tämän jälkeen jähmettyvät galaksiitti ja MnO. Jäljelle jäävän sulan koostumus seuraa eutektista laaksoa.

Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Ternäärinen eutektinen piste kertoo viimeisenä jähmettyvän sulapisaran koostumuksen. Tämä piste rajoittuu MnO:n, galaksiitin ja spessartiitin primäärifaasikenttiin, joten nämä kolme mineraalia ovat tasapainossa keskenään, kun viimeinen sulapisara jähmettyy. (vrt. yhteensopivuuskolmiot)

Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Tarkastele sulan jähmettymistä kolmen komponentin systeemissä. Miten jähmettyminen etenee sulille, joiden koostumukset ennen jähmettymisen alkua on merkitty faasipiirrokseen punaisilla ympyröillä?

Ternäärisysteemit: Sulaminen Ternääriset kuvaajat yleensä piirretty siten, etteivät solidus-käyrät ole näkyvissä Yhteensopivuuskolmioista voidaan kuitenkin lukea ensimmäisen sulan muodostuessa läsnä olevat kiinteät faasit Ensimmäisen sulan koostumus saadaan pisteestä, jossa kolmion kärjissä olevien komponenttien primäärifaasikentät yhdistyvät Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Ternäärisysteemit Koostumuspiste Yhteen- sopivuus- kolmio Kolmion komponenttien primääri- faasikentät Ensimmäinen sula Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Systeemeissä, joissa kiinteässä tilassa esiintyy liukoisuutta, ei välifaaseilla ole yksittäisiä koostumuspisteitä, joiden kautta muodostaa yhteensopivuus-kolmioita Sulamisen tarkasteluun sovellettava binäärikuvia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Binäärikuvaajatarkastelujen pohjalta saatiin jonkinlainen arvio ensimmäisen sulan koostumuksesta, mutta tarkempaa määritystä varten tarvittaisiin tietoa ternäärisysteemin soliduskäyristä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2014

Piirrä Alkemaden viivat Mitkä ovat merkittyjä koostumuspisteitä vastaavat yhteensopivuuskolmiot? Mitkä ovat kolmion kärkiä vastaavien komponenttien primäärifaasikentät? Mikä on ensimmäisen sulan koostumus? Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2011