Korkealämpötilakemia

Esitys aiheesta: "Korkealämpötilakemia"— Esityksen transkriptio:

1 Korkealämpötilakemia
Pinnat prosessimetallurgiassa Ma klo 8-10 PR101

2 Tavoite Oppia pintojen ominaispiirteet ja niiden kuvaamiseen käytetyt laskennalliset suureet Oppia tunnistamaan pintailmiöiden rooli ja merkitys prosessimetallurgiassa

3 Sisältö Peruskäsitteet Pintojen erityispiirteitä
Pinta ja rajapinta Pintojen erityispiirteitä Pintojen merkitys prosessimetallurgiassa Ydintyminen Kostutus Reaktiivinen kostutus Pintoja kuvaavat ominaisuudet (Raja)pintaenergia ja –jännitys, pinta-aktiivisuus Pintaominaisuuksien kokeellinen määritys

4 Keskeiset käsitteet Pinta Rajapinta Jäätelön (ja ilman) välinen pinta
Kondensoituneen (l. kiinteän tai nestemäisen) faasin ’ulkopinta’ (kaasufaasia vasten) Pintaan liittyvät ominaisuudet ovat yhteen faasiin (esim. metalli- tai kuonasula) liittyviä ominaisuuksia esim. kuonan pintajännitys engl. surface Rajapinta Kahden kondensoituneen faasin välinen rajapinta Rajapintaan liittyvät ominaisuudet liittyvät aina useampaan kuin yhteen faasiin esim. kuonan ja teräksen välinen rajapintajännitys engl. interface Jäätelön (ja ilman) välinen pinta Jäätelön ja paputahnan välinen rajapinta

5 Pintojen erityispiirteitä
Kondentoituneilla faaseilla on aina (raja)pinta Materiaalin rakenne ja ominaisuudet pinnoilla eivät vastaa bulkkifaasin vastaavia Pinta on yleensä vähemmän järjestäytynyt Pintaan on sitoutunut ylimääräistä energiaa Erittäin ohut Vain kymmeniä atomikerroksia Pintoja on erilaisia Eri olomuodon omaavien faasien välillä Saman olomuodon omaavien faasien välillä Ulkopinta kaasua vasten Raerajat kiinteän aineen sisällä jne. Skemaattinen kuvaus pinnan rakenteesta. Kuva: Heikki Jalkanen, 2006.

6 Pintojen merkitys prosessi-metallurgiassa
Metallurgiset prosessit ovat aina heterogeenisiä systeemejä – Useita faaseja, joiden välillä on aina rajapintoja Pintojen rooli on erityisen merkittävä systeemeissä, joissa on paljon pinta-alaa suhteessa tilavuuteen Hienojakoiset materiaalit Pienet kuplat, pisarat, jne. Pintojen tarkastelussa hallittavia asioita Heterogeeniset reaktiot rajapinnoilla Edellytyksenä yhteinen rajapinta Aineen- ja lämmönsiirto rajapinojen yli Pintoihin sitoutunut energia Pisaroiden ja kuplien koko ja muoto Uuden faasin muodostuminen ja kasvu Faasien väliset kontaktit

7 Pintojen merkitys prosessi-metallurgiassa
Heterogeenisen reaktion edellytyksenä on kontakti faasien välillä – Yhteinen rajapinta Voi olla rajoittava tekijä erityisesti kiinteä-kiinteä-reaktioissa Reaktiot etenevät usein epäsuorasti kaasufaasin kautta esim. pelkistysreaktiot hiilellä Sulan ja kiinteän faasin välinen kontaktipinta-ala riippuu faasien välisestä kostutuksesta Aina suurempi kuin reaktiopinta kiinteiden faasien välillä Partikkelikoolla merkittävä rooli Kiinteä-kaasu-reaktioissa reaktiopinta-alan suuruuteen vaikuttavat erityisesti Kiinteän materiaalin huokoisuus Mahdollisen reaktiotuotekerroksen rakenne Passivaatio Sula-sula- ja sula-kaasu-reaktioissa reaktiopinta- alaa voidaan kasvattaa pisaroittamalla ja kuplittamalla Kuvat: Timo Fabritius.

8 Pintojen merkitys prosessi-metallurgiassa
Pintaan sitoutuneen energian minimointipyrkimys toimii ajavana voimana kappale-, rae-, pisara- ja kuplakoon kasvulle Suuremmissa kappaleissa on vähemmän pinta-alaa suhteessa tilavuuteen Sulafaasin läsnäollessa (esim. osittaissulaminen sintraantumisen yhteydessä) aineensiirto ja siten myös kappalekoon kasvu nopeutuvat Sintraantuminen, kuplien kasvu, sulkeumien kasvu, jne. Kuva: Wikström, Nakajima, Shibata, Tilliander & Jönsson: Materials Science and Engineering A 495(2008) Kuva: Timo Fabritius.

9 Ydintyminen Uuden faasin muodostuminen Seurausta muutoksista esim.
Muodostuu rajapintaa erottamaan uutta faasia vanhasta Homogeeninen tai heterogeeninen Seurausta muutoksista esim. lämpötilassa kiinteän faasin jähmettyminen sulasta kaasukuplien synty nesteen kiehuessa koostumuksessa sulkeumien erkautuminen liukoisuustulon ylittyessä lämpötilassa ja koostumuksessa erkaumien synty jäähdytyksen aikana paineessa kaasukuplien muodostuminen samppanjapullo avatessa Edellytyksenä systeemin kokonaisenergian pieneneminen Muutokseen/faasin muodostumiseen liittyvä Gibbsin vapaaenergian muutos + Pintaenergia

10 Homogeeninen ydintyminen
Ydintyminen toisen faasin sisään Ydintymiselle on ajava voima, kun uuteen pintaan sitoutuneen energian määrä ei ole suurempi kuin vapaaenergian muutos uuden faasin muodostumiselle G kasvaa suhteessa tilavuuteen (r3) Pintaenergia kasvaa suhteessa pinta-alaan (r2) Kriittinen säde, jota suuremmilla säteen arvoilla vapaaenergia pienenee säteen kasvaessa eli ytimen kasvu on spontaania G* kuvaa, kuinka suuri ylikyllästyminen tai alijäähtyminen tarvitaan ydinten muodostumiseksi Kuva: Porter & Easterling: Phase transformations in metals and alloys London. Chapman and Hall. 446 s.

11 Heterogeeninen ydintyminen
Ydintyminen kahden faasin rajapinnalle Energeettisesti edullisempi kuin homogeeninen ydintyminen Vaaditaan vähemmän uutta pintaa, jolloin tarvittava ydintymisenergia on pienempi Ero homogeenisen ja heterogeenisen ydintymisen välillä on sitä suurempi, mitä paremmin muodostuva faasi kostuttaa olemassa olevaa faasia Kuva: Porter & Easterling: Phase transformations in metals and alloys London. Chapman and Hall. 446 s.

12 Ydinten kasvumekanismit
Kasvumekanismi riippuu siitä, minkälaisesta ytimestä on kyse Kiinteän faasin ydintyminen metallin jähmettyessä Kasvavien kiteiden pinnalla vapautuu lämpöä (jähmettymislämpö), jonka on päästävä siirtymään pois rajapinnalta (kiinteään tai sulaan faasiin), jotta jähmettyminen etenee Käytännössä vaaditaan aina tietty alijäähtyminen Sulkeumien tai kaasukuplien kasvu metallisulassa Kasvu diffuusion välityksellä Kasvu ydinten törmätessä toisiinsa Erilaisia mekanismeja – virtaukset, noste, jne.

13 Kostutus Youngin yhtälö kuvaa pienen nestepisaran käyttäytymistä kiinteällä alustalla sv on kiinteä-kaasu-rajapintajännitys sl on kiinteä-neste-rajapintajännitys lv on neste-kaasu-rajapintajännitys  on faasien välinen kostutuskulma Kostutuskulma kuvaa sulan kykyä kostuttaa alustaansa  < 90 = Hyvä kostutus  > 90 = Huono kostutus Kuvat: Aksay, Hoge & Pask: The Journal of Physical Chemistry 78(1974)12,

14 Kostutus Nestepisara toisen nesteen pinnalla:
Käytännössä  oletetaan hyvin pieneksi  cos() = 1 Kostutuksesta ja kostutuskulmasta kuonasysteemeissä on kerrottu tarkemmin esim. Slag Atlaksen luvuissa 10 ja 12 Luvussa 12 on lisäksi lukuisia kokeellisesti määritettyjä kostutuskulman arvoja metallurgisiin systeemeihin liittyen Kuva: Verein Deutscher Eisenhüttenleute. Schlackenatlas. 2nd ed. Düsseldorf Verlag Stahleisen M. B. H. 616 s.

15 Metallin ja kuonan välinen rajapinta-jännitys
Kahden faasin välisen rajapintajännityksen laskemiseksi ei ole kehitetty yleistä teoriaa Laaditut mallit on johdettu kokeellisista mittaustuloksista jonkin tietyn systeemin tarkastelua varten Rajapintajännityksiä määritetään sulafaasien (ja kaasun välisten) pintajännitysten ja mitattavien kostutuskulmien pohjalta 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 Neumannin laki Raleighin laki Antonowin laki Girifalcon ja Goodin laki

16 Metallin ja kuonan välinen rajapinta-jännitys
Neumannin laki Raleighin laki Neumannin lain yksinkertaistus Todellinen ja näkyvä kostutuskulma oletetaan nolliksi Malli ei sovi hyvin yksiin mitatun datan kanssa Antonowin laki Kahden sulan välinen rajapintajännitys on yhtä suuri kuin suuremman ja pienemmän pintajännityksen erotus Käytetään vain kuonien tarkasteluun Soveltuu runsaasti FeO:a sisältäville kuonille

17 Metallin ja kuonan välinen rajapinta-jännitys
Girifalcon ja Goodin laki Rajapinnan vapaaenergia esitetään sulafaasien koheesion vapaaenergioiden avulla  on karakteristinen tekijä saa arvon nolla, kun faasien välillä ei ole vuorovaikutusta arvo kasvaa faasien välisen vuorovaikutuksen kasvaessa

18 Reaktiivinen kostutus
Systeemi, joka ei ole saavuttanut tasapainotilaa Reaktioita ja/tai aineensiirtoa nestemäisen ja kiinteän faasin välillä Faasien välinen kostutus paranee, kun reaktio on nopea aineensiirto faasien välillä on nopeaa Kostutukseen vaikuttaa myös reaktioiden seurauksena rajapinnalle mahdollisesti muodostuva tuotekerros Kuva: Eustathopoulos & Drevet. Composite Interfaces 2(1994)1, Kuva: Landry, Rado, Voitovich & Eustathopoulos. Acta Materialia 45(1997)7,

19 Pintoja kuvaavat ominaisuudet (1/3)
Pintaenergia,  Kuvaa pintaan sitoutunutta energiaa Pinta-alayksikköä kohden määritetty/ilmoitettu skalaarisuure Pyrkimys minimoida systeemin kokonaisenergia (sis. pintaan sitoutuneen energian) Kuplien ja pisaroiden pyrkimys pallomaiseen muotoon Ajava voima kuplien, pisaroiden ja rakeiden kasvulle Merkittävässä roolissa pienillä pisaroilla, kuplilla, jne., jolloin pinta-alaa on paljon suhteessa tilavuuteen Yksikkönä J/m2 Pintajännitys,  Kuvaa pinnassa vaikuttavaa voimaa Vektorisuure, jolla on suunta Yksikkönä N/m Sulilla aineilla: Pintaenergian arvo = Pintajännityksen arvo Jännityksettömillä kiinteillä aineilla: Pintaenergian arvo  Pintajännityksen arvo Kiinteillä aineilla pinta-alan kasvu tiettyyn suuntaan aiheuttaa jännityksen, jonka suuruus riippuu muutoksen suuruudesta Tästä johtuen pintaenergia ja –jännitys voivat poiketa toisistaan Ero suuri matalissa lämpötiloissa – pienenee, kun T kasvaa

20 Pintoja kuvaavat ominaisuudet (2/3)
Rajapintaenergia ja -jännitys Kahden kondensoituneen faasin (kiinteä-sula tai sula-sula) välillä olevaa rajapintaa kuvaavat ominaisuudet Rajapintaenergia on skalaarisuure Rajapintajännitys on vektorisuure Yksiköt samat kuin pintaenergialla ja -jännityksellä Yleensä rajapintajännitys pienenee, mikäli faasien välillä on aineensiirtoa Pyrometallurgiassa tärkeimpiä ovat kuona- ja metallisulien väliset rajapintaominaisuudet Kuvat: Kasama et al. Canadian Metallurgical Quarterly. 22(1983)1, 9-17. Boni & Derge Transactions AIME Journal of Metals ,

21 Pintoja kuvaavat ominaisuudet (3/3)
Pinta-aktiivisuus Kuvaa joidenkin aineiden taipumusta konsentroitua pinnoille Terässulissa mm. rikki ja happi Kuonasulissa mm. SiO2, P2O5, Na2O ja rikki Taustalla pintaan sitoutuneen energian minimointipyrkimys Pinta-aktiiviset aineet alentavat pintaenergiaa Vaikuttavat mm. aineensiirtoon pinnan yli esim. typen absorptio ja desorptio sulaan metalliin hidastuu merkittävästi, mikäli metallin rikki- ja/tai happipitoisuus on korkea Kuvat: Ono-Nakazato et al. ISIJ Int. 46(2006)9, & Nakashima & Mori. ISIJ Int. 32(1992)1,11-18.

22 Pintajännitys SiO2-pitoisuuden nosto alentaa sekä FeO- SiO2- että CaO-SiO2-kuonien pintajännityksiä

23 Pintajännitys Nesteiden pintajännitys yleensä laskee lämpötilaa nostettaessa Tietyillä nesteillä vaikutus on päinvastainen: Korkean SiO2-pitoisuuden happamat kuonasulat, joissa on paljon kompleksisia anioneja (silikaattiverkko) Lämpötilan noustessa assosiaatit hajoavat Pinnalle jää ilman paria olevia molekyylisidoksia Pintaenergia kasvaa Rauta-/terässula, jossa on VI-ryhmän alkuaineita (O, S, Se, Te), jotka pinta-aktiivisina aineina alentavat pintaenergiaa Lämpötilan noustessa em. aineiden ”pinta-aktiivisuus” vähenee Pintaenergiaa laskeva vaikutus heikkenee Pintajännitys kasvaa Koostumuksen vaikutukseen verrattuna lämpötilan vaikutus silikaattisten kuonasulien pintajännitykseen on vähäinen

24 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys
Rajapintajännitykseen vaikuttaa kuonan koostumuksen lisäksi myös metallin koostumus Kuona- ja metallisulien välisten rajapintajännitysten arvot ovat yleensä vastaavien kuona-kaasu- ja metalli-kaasu- pintajännitysten välissä Pinta-aktiivisten aineiden lisääminen kuonaan ja/tai metalliin alentaa faasien välistä rajapintajännitystä CaO-Al2O3-SiO2-sula Fe-S- / Fe-O-sula + @ 1600 C Kuvalähde: ET Turkdogan: Fundamentals of steelmaking.

25 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys
Mitä suurempi rauta-/terässulan O-pitoisuus, sitä yksiselitteisemmin se määrää metalli- ja kuonasulien välisen rajapintajännityksen arvon metallin ja kuonan muusta koostumuksesta riippumatta Kuvalähde: ET Turkdogan: Fundamentals of steelmaking.

26 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys
Rajapintajännityksiä tarkasteltaessa on huomioitava ”kokonaisvaikutus” esim. FeO-pitoisuuden kasvu CaO-FeO-SiO2-kuonassa Kuonan pintajännitys kasvaa (ainakin jos FeO-pitoisuus kasvaa SiO2:n kustannuksella) FeO on epästabiilimpi oksidi kuin CaO ja SiO2 Syöttää enemmän happea teräkseen Teräksen happipitoisuus nousee Pinta-aktiivisena aineena happi alentaa teräksen pintajännitystä Rajapintajännityskin laskee 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 FeO-pitoisen alumiinisilikaattisen kuonan välinen rajapintajännitys alenee lähes nollaan reaktion ollessa nopeimmillaan Reaktion hidastuessa (lähestyessä tasapainoa) rajapintajännityksen arvo alkaa taas nousta ja se saavuttaa tasapainoarvonsa termodynaamisessa tasapainotilassa.

27 Pintaenergian huomiointi tasapaino-tarkasteluissa
Tasapainon määritys Gibbsin vapaaenergian minimikohdan avulla Tunnettava G:n käyttäytyminen paineen, lämpötilan, koostumuksen, jne. funktiona Käytännössä tarvitaan puhtaiden aineiden termodynaamiset taulukkoarvot eri olosuhteissa liuosten epäideaalisuuden matemaattiset kuvaukset (aktiivisuuskertoimet) erilaisille liuoksille

28 Pintaenergian huomiointi tasapaino-tarkasteluissa
Tasapainon määritys Gibbsin vapaaenergian minimikohdan avulla Tunnettava G:n käyttäytyminen paineen, lämpötilan, koostumuksen, jne. funktiona Käytännössä tarvitaan puhtaiden aineiden termodynaamiset taulukkoarvot eri olosuhteissa liuosten epäideaalisuuden matemaattiset kuvaukset (aktiivisuuskertoimet) erilaisille liuoksille Tasapainon määritys Puhtaat aineet bulkkifaaseina: Entropiatermi (TDII) - SdT Tilavuudenmuutostyö + VdP Seosominaisuuksien huomiointi: Kemiallinen työ + (idni) Sähkömagneettisten kenttien huomiointi: Työ sähkö- ja magn.kenttää vastaan + (zjFjdnj) Pintaominaisuuksien huomiointi: Pintaenergiat + (sdAs) Pintaenergian riippuvuus pinnan kaarevuudesta +C1dc Huomioitava erittäin pienillä kappaleilla (< 50 Å) Tasapainon määritys Gibbsin vapaaenergian minimikohdan avulla Tunnettava G:n käyttäytyminen paineen, lämpötilan, koostumuksen, jne. funktiona Käytännössä tarvitaan puhtaiden aineiden termodynaamiset taulukkoarvot eri olosuhteissa liuosten epäideaalisuuden matemaattiset kuvaukset (aktiivisuuskertoimet) erilaisille liuoksille Tasapainon määritys Puhtaat aineet bulkkifaaseina: Entropiatermi (TDII) - SdT Tilavuudenmuutostyö + VdP Seosominaisuuksien huomiointi: Kemiallinen työ + (idni) Sähkömagneettisten kenttien huomiointi: Työ sähkö- ja magn.kenttää vastaan + (zjFjdnj) Pintaominaisuuksien huomiointi: Pintaenergiat + (sdAs) Tasapainon määritys Gibbsin vapaaenergian minimikohdan avulla Tunnettava G:n käyttäytyminen paineen, lämpötilan, koostumuksen, jne. funktiona Käytännössä tarvitaan puhtaiden aineiden termodynaamiset taulukkoarvot eri olosuhteissa liuosten epäideaalisuuden matemaattiset kuvaukset (aktiivisuuskertoimet) erilaisille liuoksille Tasapainon määritys Puhtaat aineet bulkkifaaseina: Entropiatermi (TDII) - SdT Tilavuudenmuutostyö + VdP Seosominaisuuksien huomiointi: Kemiallinen työ + (idni) Tasapainon määritys Gibbsin vapaaenergian minimikohdan avulla Tunnettava G:n käyttäytyminen paineen, lämpötilan, koostumuksen, jne. funktiona Käytännössä tarvitaan puhtaiden aineiden termodynaamiset taulukkoarvot eri olosuhteissa liuosten epäideaalisuuden matemaattiset kuvaukset (aktiivisuuskertoimet) erilaisille liuoksille Tasapainon määritys Puhtaat aineet bulkkifaaseina: Entropiatermi (TDII) - SdT Tilavuudenmuutostyö + VdP Tasapainon määritys Gibbsin vapaaenergian minimikohdan avulla Tunnettava G:n käyttäytyminen paineen, lämpötilan, koostumuksen, jne. funktiona Käytännössä tarvitaan puhtaiden aineiden termodynaamiset taulukkoarvot eri olosuhteissa liuosten epäideaalisuuden matemaattiset kuvaukset (aktiivisuuskertoimet) erilaisille liuoksille Tasapainon määritys Puhtaat aineet bulkkifaaseina: Entropiatermi (TDII) - SdT Tilavuudenmuutostyö + VdP Seosominaisuuksien huomiointi: Kemiallinen työ + (idni) Sähkömagneettisten kenttien huomiointi: Työ sähkö- ja magn.kenttää vastaan + (zjFjdnj)

29 Pintaominaisuuksien kokeellinen määritys
Koejärjestelyissä kiinnitetään Systeemin geometria Aineiden koostumukset/määrät Olosuhteet Mitataan Kostutuskulma Voima ja/tai Etäisyydet ja dimensiot Näiden pohjalta määritetään laskennallisesti Pintaominaisuudet kuten pintaenergia ja -jännitys Yhtälöt määritetään systeemin geometrian pohjalta

30 Pintaominaisuuksien kokeellinen määritys
Kapillaarimenetelmät Tarkasteltavaan nesteeseen upotetaan kapillaariputki Voidaan määrittää nesteen pintajännitys, joka saadaan laskettua, kun nestepatsaan korkeus, pinnan kaareutuma ja nesteen tiheys tunnetaan Kostuttavat systeemit käyttäytyvät kuvan mukaisesti Kostuttamattomilla systeemeillä kaarevuus toisin päin Nesteen pinta putkessa alempana kuin ympärillä Etuja Tarkka Rajoituksia/heikkouksia Tarkasteltavan nesteen ja kapillaarimenetelmän välinen kostutuskulma on tunnettava Kapillaariputken oltava mahdollisimman tasainen ja läpinäkyvä (visuaalinen havainnointi) Lasiputket reagoivat metallisulien kanssa (rajoittaa käyttöä) Vaatii kohtalaisen määrän täytenestettä Halkaisijan kasvaessa painovoima vaikuttaa kaarevuuteen (tarvitaan korjauskertoimia) Kuva: Salmang & Scholze. Keramik – Teil 1: Allgemeine Grundlagen und wichtige Eigenschaften. Sechste Auflage. Berlin. Springer-Verlag s.

31 Pintaominaisuuksien kokeellinen määritys
Irrottamismenetelmät Tarkasteltavaan nesteeseen upotetaan kappale Rengas, ohut levy, putki tai sylinteri Kostuttava neste kiinnittyy kappaleeseen Kappaletta nostetaan ylöspäin – nostamiseen tarvittava voima mitataan Vaadittava voima saavuttaa maksimin hetkellä, jolla neste irtoaa kappaleesta Pintajännitys voidaan laskea maksimivoiman pohjalta Kaasukuplan ja pisaran maksimipainemenetelmät Tarkasteltavaan nesteeseen upotetaan kapillaariputki, jonka sisällä vallitsevaa painetta nostetaan Paine saavuttaa maksimiarvonsa hetkellä, jolloin putken päähän muodostuva kupla irtoaa putkesta Pintajännitys voidaan laskea maksimipaineen pohjalta Tunnettava upotussyvyys, putken halkaisija ja nesteen tiheys Käytännössä tarvitaan lisäksi erilaisia kapillaarivakioita ja korjauskertoimia, koska kuplan muoto ei ole pallomainen Etuna nopeus ja soveltuvuus reaktiivisille systeemeille Putken halkaisijan määrittäminen vaikeaa, jos reagoi voimakkasti Mittausvirhettä voi aiheuttaa liian suuri kuplimisnopeus Pintaominaisuuksien kokeellinen määritys Kuvat: Verein Deutscher Eisenhüttenleute. Schlackenatlas. 2nd ed. Düsseldorf Verlag Stahleisen M. B. H. 616 s.

32 Pintaominaisuuksien kokeellinen määritys
Pisaran painomenetelmä Nestettä valutetaan putken päähän, kunnes muodostunut pisara kasvaa niin suureksi, ettei pintajännitys enää pysty estämään pisaran putoamista Pintajännitys voidaan laskea, kun pisaran massa, putken halkaisija ja pisarasta putoamatta jäävää osaa kuvaava korjauskerroin tunnetaan Etuna se, ettei nesteen tiheyttä tarvitse tietää Edellytys mittausten onnistumiselle Pisaraa on kasvatettava riittävän hitaasti juuri ennen putoamista, jotta pintajännityksen voittamiseen tarvittava massa saataisiin määritettyä mahdollisimman tarkasti Yleensä pudotetaan useita pisaroita, joiden lukumäärä lasketaan Alla olevaan astiaan kertyneen nesteen kokonaismassan pohjalta voidaan määrittää keskimääräinen yhden pisaran massa, kun lukumäärä tunnetaan Kuva: Adamson: Physical chemistry of surfaces. 3rd ed. New York. John Wiley & Sons Ltd. 1976

33 Pintaominaisuuksien kokeellinen määritys
Pisaran muotoon perustuvat menetelmät Pienet pisarat pyrkivät pallomaiseen muotoon Pintaenergian minimointipyrkimys – pallomaisilla kappaleilla on pienin pinta-ala suhteessa tilavuuteen Pintajännitys voidaan määrittää pisaran muodon pohjalta, kun tarkastellaan systeemiä, jossa gravitaatio- ja pintavoimat ovat tasapainossa Tarkastellaan pisaran muotoa tilanteessa, jossa siihen vaikuttavat pinta- ja gravitaatiovoimat Sessile drop – Näytepisara makaa alustalla Pendant drop – Näytepisara roikkuu kapillaariputken päässä Pendant drop –menetelmä Pintaominaisuuksien määrittäminen laskemalla putken päässä roikkuvan pisaran muodon pohjalta Etuna pieni näytemäärä Vaikeutena pisaran dimensioiden tarkka määritys visuaalisesti Kuva: Verein Deutscher Eisenhüttenleute. Schlackenatlas. 2nd ed. Düsseldorf Verlag Stahleisen M. B. H. 616 s.

34 Pintaominaisuuksien kokeellinen määritys
Sessile drop –menetelmä – Optinen dilatometri Pisaran dimensioiden pohjalta lasketaan halutut pintaominaisuudet (kostutuskulma, pintajännitys, jne.) Tarkastelu joko häiriöttömissä tasapaino-olosuhteissa tai jonkin olosuhdemuuttujan (esim. lämpötila) funktiona Yleensä inertissä atmosfäärissä (Ar), jotta pinta-aktiivinen happi ei sotkisi mittauksia (ellei haluta tarkastella hapen vaikutusta) Suurin virhelähde yleensä muuttujien epätarkka määritys kuvista visuaalisesti Erityisesti jos epäsymmetrinen tilanne Soveltuu myös muihin tarkasteluihin: Materiaalin sulamis- ja pehmenemiskäyttäytyminen Alustan ja näytteen välisten reaktioiden analysointi esim. poikkileikkaushie – SEM 1 Tutkittava näyte 2 Alusta 3 Näytekelkka 4 Kuljetin 5 Uuniputki 6 Termoelementti 7 Videokamera 8 Tietokone 9 TV-monitori 10 Virtalähde 11 Sähkövastus 12 Datalogger 13 Lämpötilan säädin Kuonasula vs. Al2O3 Kuonasula vs. grafiitti

35 Pintaominaisuuksien kokeellinen määritys
Oskilloivan pisaran menetelmä Gravitaatiovoimien kompensointi sähkömagneettisen voiman avulla Sulapisara on jatkuvassa oskilloivassa liikkeessä sähkömagneettisen kentän ja pintaa ylläpitävän pintaenergian vaikutuksesta Oskillointitaajuus on verrannollinen pintajännitykseen, joten pintajännitys voidaan määrittää laskennallisesti Etu kaikkiin em. menetelmiin verrattuna se, ettei tarkasteltava neste ole kontaktissa minkään mittauslaitteistoon kuuluvan osan (alusta, kapillaariputki, upokas, jne.) kanssa Näyte kontaktissa vain atmosfäärin kanssa Ei vuorovaikutuksia, joiden seurauksena näytteen koostumus ja ominaisuudet voisivat muuttua Soveltuvuus myös hyvin korkeissa lämpötiloissa (yli 2000 C) sulavien materiaalien tarkasteluun Kuva: Verein Deutscher Eisenhüttenleute. Schlackenatlas. 2nd ed. Düsseldorf Verlag Stahleisen M. B. H. 616 s.

36 Teeman 5 suoritus Kirjallinen raportti Arvostelu
Laaditaan annetusta aiheesta yksin tai pareittain Sopiva pituus n. 8 – 12 sivua Palautettava Eetu Heikkiselle viimeistään Paperiversiona (luennoille tai huoneeseen TF214) tai sähköisesti sähköpostin liitteenä (pdf) Yleisiä ohjeita kirjallisista töistä Aiheet päätetään luennolla Jos et pääse paikalle, niin ota yhteyttä Eetu Heikkiseen Lähdeaineistoksi 3 artikkelia kurssin www-sivuilla Salasanan saa Eetu Heikkiseltä Lisäksi oma-alotteista aineistonhakua tarpeen mukaan Arvostelu Pisteytys nollasta kymmeneen Arvioidaan sisällön oikeellisuutta, kattavuutta ja selkeyttä Ohjeet löytyvät myös kurssin www-sivuilta

37 Teeman 5 suoritus Mahdolliset aiheet
Kuonien pintajännitys ja niiden matemaattinen mallintaminen Oksidisen kuonasulan ja metallisulan välinen rajapintajännitys Kuonan kuohuminen ja siihen vaikuttavat tekijät Sulkeumien poisto teräksestä ja siihen vaikuttavat tekijät (sis. pintailmiöiden vaikutus) Kaasumaisina poistettavat epäpuhtaudet tyhjökäsittelyssä ja poistoon vaikuttavat tekijät (sis. pintailmiöiden vaikutus) Vuorausmateriaalien kuluminen terässenkan kuonarajalla Jatketiilen/valuputken tukkeutumiseen vaikuttavat tekijät teräksen jatkuvavalussa (sis. pintailmiöiden vaikutus) Pinta-aktiiviset aineet metallisulissa Pinta-aktiiviset aineet kuonasulissa Dynaaminen kostutus Lisäksi jokaiseen koosteeseen tulee liittää luettelo vähintään viidestä metallurgian kannalta keskeisestä prosessivaiheesta tai tapahtumasta, joissa pintailmiöillä on merkittävä rooli Jokainen esimerkki tulee kuvata 2-5 virkkeellä, joista käy lyhyesti ilmi millainen rooli pintailmiöillä ko. prosessissa/tapahtumassa on

38 Yhteenveto Pinnat ovat osa kaikkia pyrometallurgisia prosesseja
Huomioitava prosessien tarkastelussa Keskeisimmät käsitteet Pinta Rajapinta Pintojen ominaisuuksia kuvataan (raja)pintaenergian ja (raja)pintajännityksen avulla