Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016 Sulamisen ja jähmettymisen tarkastelu faasipiirroksia hyödyntäen Ilmiömallinnus.

Esitys aiheesta: "Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016 Sulamisen ja jähmettymisen tarkastelu faasipiirroksia hyödyntäen Ilmiömallinnus."— Esityksen transkriptio:

1 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016 Sulamisen ja jähmettymisen tarkastelu faasipiirroksia hyödyntäen Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 1 - Luento 6

2 Tavoite Oppia muutamien esimerkkien avulla tarkastelemaan monikomponentti- systeemien sulamista ja jähmettymistä tasapainopiirroksia hyödyntäen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

3 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, 2016

4 Binäärisysteemi: Aukoton liukoisuus Millä lämpötilavälillä sulaminen tapahtuu? Faasien osuudet ja koostumukset puuroaluella? 30% FeO & 70% MgO 50% FeO & 50% MgO Sulaminen alkaa 2-faasi- alueella 1. sulapisaran koostumus 2-faasialueella sulan koostumus seuraa likvidusta Viimeisenä sulavan kiinteän faasin koostumus 2-faasialueella kiinteän faasin koostumus seuraa solidusta Sulaminen päättyy Materiaali on täysin sulanut Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

5 Binäärisysteemi: Aukoton liukoisuus 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 Faasien osuudet 2-faasialueella määritetään vipusäännön avulla Sulan osuus =Sulan osuus = (83-70)/(83-52) = 0,42 (42%) Kiinteä osuus = (70-52)/(83-52) = 0,58 (58%) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

6 Binäärisysteemi: Aukoton liukoisuus Millä lämpötilavälillä jähmettyminen tapahtuu? Mitkä ovat faasien osuudet ja koostumukset kaksifaasialuella? Cr 2 O 3 = 40% Cr 2 O 3 = 80% Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

7 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, 2016

8 Binäärisysteemi: Välifaasi sekä eutekt./monotekt. tasap. Missä lämpötilassa jähmettyminen alkaa ja päättyy? Faasimuutokset? Faasien osuudet ja koostumukset kaksifaasialueilla? SiO 2 = 10 %, 28 %, 38 % Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

9 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, 2016

10 Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Tarkastellaan sulan jähmettymistä kolmen komponentin systeemissä. Miten jähmettyminen etenee sulalle, jonka koostumus ennen jähmettymisen alkua on: MnO: 56 % SiO 2 : 9 % Al 2 O 3 : 35 %

11 SiO 2 : 9 % MnO: 56 % Al 2 O 3 : 35 % Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Etsitään sulaa vastaava koostumuspiste kuvaajasta.

12 Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Koostumus sijaitsee korundin (corundum, Al 2 O 3 ) primäärifaasikentässä. Ensimmäinen jähmettyvä faasi on siis Al 2 O 3. Jäljelle jäävä köyhtyy Al 2 O 3 :n suhteen ja rikastuu MnO:n ja SiO 2 :n suhteen. Jäljelle jäävä köyhtyy Al 2 O 3 :n suhteen ja rikastuu MnO:n ja SiO 2 :n suhteen, kunnes tullaan primäärifaasikenttien rajalle.

13 Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Tästä eteenpäin jähmettyy kahta kiinteää faasia: - korundia (Al 2 O 3 ) - galaksiittia (MnO  Al 2 O 3 ) Jäljelle jäävän sulan koostumus seuraa peritektistä laaksoa, kunnes tullaan pisteeseen A. A Jäljelle jäävän sulan koostumus seuraa peritektistä laaksoa, kunnes tullaan pisteeseen A, minkä jälkeen galaksiitti on ainoa jähmettyvä faasi.

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

15 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)

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

17 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, 2016

18 Ternäärisysteemit Koostumuspiste Yhteen- sopivuus- kolmio Kolmion komponenttien primääri- faasikentät Ensimmäinen sula Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

19 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, 2016

20 Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

21 Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

22 Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

23 Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

24 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, 2016

25 Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Jos käytössä on termodyn. laskentaohjelmistoja, niin alkusulan koostumuksen voi tietysti laskea –Vihreä piste on laskettu FactSage-ohjelmistolla (alkukoost.: 11 % Cr 2 O 3, 15 % Al 2 O 3 ja 73 % MgO) Tasapainopiirrosta ei tarvita kuin sulakoostumuksen havainnollistamiseen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

26 Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Sulaminen alkaa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

27 Ternäärisysteemit: Kiinteän tilan liukoisuus Alkusulan koostumus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2016

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