IMPM-15-08-02_03
Kuonien kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2015 Teema 8 - Luennot 2 ja 3 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Tavoite • Kerrata, mitä kuonien emäksisyydellä tarkoitetaan • Arvioida kuonien käyttäytymistä ja keskeisimpiä ominaisuuksia metallurgisissa prosesseissa emäksisyyden näkökulmasta ja kuonan koostumuksen funktiona Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Sisältö • Kertaus: Emäksiset ja happamat kuonakomponentit silikaattisissa kuonasulissa • Optinen emäksisyys • Kuonien ominaisuudet – koostumuksen funktiona – emäksisyyden näkökulmasta tarkasteltuna Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Silikaattisten kuonien rakenne • Silikaattisten kuonien pohjan muodostaa silikaatti-ionien muodostama verkkorakenne • Komponentit, jotka kuonaan liuetessaan rikkovat verkkorakennetta, ovat emäksisiä • Komponentit, jotka kuonaan liuetessaan rakentavat verkkoa, ovat happamia • Amfoteeriset komponentit voivat toimia emäksisesti tai happamasti Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Emäksisyys silikaattisten kuonien rakenteen kuvaajana • (Silikaattisessa) kuonassa oleva happi voi olla – sidoksissa kahteen (Si-)kationiin (’happisillat’) – sidoksissa yhteen (Si-)kationiin (osa silikaattiketjua, mutta ’avoin’) – kationeihin sitoutumattomana vapaana happi-ionina • Emäksisyys kuvaa vapaiden happi-ionien määrää • Yleensä emäksisyys kuvataan kuitenkin emäksisten ja happamien komponenttien määrien suhteena Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kirjallisuudessa esitettyjä tapoja esittää kuonan emäksisyys Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Emäksisyyden vaikutus • Kaikkiin kemiallisiin reaktioihin, joissa vapaat happi-ionit ovat mukana – Esim. rikin- ja fosforinpoisto • Kaikkiin fysikaalisiin ilmiöihin, joissa on merkitystä ... – ... ovatko kuonakomponentit vapaasti liikkuvia vai ketjuuntuneita – ... onko kuonassa sähkövarausta kuljettavia ja vapaasti liikkuvia ioneja Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Optinen emäksisyys, • Taustalla riippuvuus kuonan tai lasin emäksisyyden sekä siihen suunnatun UValueella olevan säteilyn taajuudessa tapahtuvan muutoksen välillä • Mahdollisuus ’mitata kuonien emäksisyyttä’ määrittämällä taajuudessa tapahtuneet muutokset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Optinen emäksisyys, • on optinen emäksisyys • x on elektronegatiivisuus Pauligin asteikolla – mitta siitä, kuinka voimakkaasti atomi vetää puoleensa sidoselektroneja Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Optinen emäksisyys, HUOM! Optisen emäksisyyden ja ’normaalin emäksisyyden’ arvot eivät ole yhteneviä! ts. B Kuonaseokselle, jossa on useita komponentteja: i on komponentin i optinen emäksisyys Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonien ominaisuudet • Kuonakomponenttien aktiivisuudet • Aineiden jakautuminen kuonan ja metallin kesken – Happi, rikki, vety, typpi • Diffuusio • • • • • • Tiheys Viskositeetti Sähkönjohtavuus Lämmönjohtavuus Lämpölaajeneminen Pintajännitys ja rajapintajännitys Kuvat: Slag Atlas (ellei toisin mainittu) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kertausta: Ternäärinen pohjakolmio • • • • • Käytetään ternääristen tasapainopiirrosten pohjana Lisäksi myös seoksen ominaisuuksien esittämiseen Kärjet edustavat puhtaita komponentteja Sivut vastaavat binäärisysteemejä Koostumus luetaan kolmion sivuilta • Asteikot kuvaavat etäisyyttä kolmion kärjistä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonakomponenttien aktiivisuudet • Komponenttien aktiivisuudet kuvaavat ko. aineen reagointiherkkyyttä – toisten kuonakomponenttien kanssa (esim. kiinteitä yhdisteitä muodostaen) – metallifaasin komponenttien kanssa • Kuonasulia voidaan mallintaa esim. kvasikemiallista tai assosiaattimallia käyttäen (vrt. teema 2) • Mallien pohjana kokeelliset mittaukset, joita myös taulukoitu kuvaajina (esim. Slag atlas) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonakomponenttien aktiivisuudet • Kun ai = 1, niin komponentti i erkaantuu omaksi faasikseen (liukoisuusraja) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonakomponenttien aktiivisuudet • ai = vakio sillä koostumusalueella, jossa komponentti i esiintyy tietyssä yhdisteessä/ yhdisteissä (välifaasit) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonakomponenttien aktiivisuudet • Edellä esitetty pätee myös useamman komponentin systeemeille • SiO2:n aktiivisuus CaO-Al2O3SiO2-systeemissä kasvaa SiO2nurkkausta lähestyttäessä ja saavuttaa arvon 1 koostumuksella, jossa SiO2 erkautuu omaksi faasikseen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonakomponenttien aktiivisuudet • CaO:n aktiivisuus saavuttaa arvon 1 alueella, jossa CaO erkautuu omaksi faasikseen • Jos/kun erkautuva faasi on välifaasi (esim. 2CaOSiO2), niin tällöin tarkasteltavan komponentin aktiivisuus saavuttaa erkautumisrajalla sen arvon, joka sillä on ko. välifaasissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonakomponenttien aktiivisuudet • Kuonakomponenttien aktiivisuuksia on esitetty myös optisen emäksisyyden avulla • Esim. CaO:n aktiivisuutta voidaan kuvata hyvin optisen emäksisyyden avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonakomponenttien aktiivisuudet • Joidenkin komponenttien (esim. FeO) käyttäytyminen ei kuitenkaan ole selitettävissä optisen emäksisyyden avulla • Yleisemminkin on todettu, että optisen emäksisyyden käsite toimii huonosti siirtymäryhmien alkuaineiden muodostamilla oksideilla – CaO & MgO ok; FeO & MnO ei Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Hapen jakautuminen • Kuonakomponenttien aktiivisuuksien lisäksi optisen emäksisyyden avulla on kuvattu mm. hapen jakautumista metallin ja kuonan kesken Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Rikinpoisto • Tarkasteltaessa rikin jakautumista metallin ja kuonan välillä on havaittu, että – kuonassa oleva rikki on sulfaattina, kun pO2 > 10-5 atm – kuonassa oleva rikki on sulfidina, kun pO2 < 10-5 atm • Tiivistetyssä teräksessa hapen aktiivisuus on matala, jolloin yleensä on perustellumpaa olettaa rikki sulfidiseen muotoon Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Rikinpoisto - Rikkikapasiteetti • Rikinpoistotehokkuutta ja rikin jakautumista tietyn metallin ja tietyn kuonan välillä voidaan kuvata ns. rikkikapasiteetin avulla [S]Fe + (O2-) = [O]Fe + (S2-) K aO aS 2 aS aO 2 aO S 2 % S aS aO 2 K aO 2 aS aS ' % S CS S 2 aO aO Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 ½ S2(g) + (O2-) = ½ O2(g) + (S2-) K pO1 22 aS 2 pO1 22 S 2 % S p aO 2 p1S 22 aO 2 12 K aO 2 p1S 2 p S % S 1 22 C S 1 22 S 2 pO2 pO2 12 S2 Rikinpoisto - Rikkikapasiteetti • IRSID:llä (Ranska) kehitetty kuonamalli mahdollistaa rikkikapasiteettien laskennallisen määrittämisen Al2O3-CaO-Cr2O3-CrO-FeOFe2O3-MgO-MnO-SiO2-Ssysteemeissä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Rikinpoisto - Rikkikapasiteetti Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Rikinpoisto ja optinen emäksisyys • Rikkikapasiteetin ja rikin jakautumisen riippuvuus kuonan optisesta emäksisyydestä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Rikinpoisto ja optinen emäksisyys • Uudemmissa tarkasteluissa on esitetty omat lausekkeet suurille (yli 0,8) ja pienille (alle 0,8) optisen emäksisyyden arvoille Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Rikinpoisto - Jakautumiskerroin • Rikkikapasiteetin lisäksi rikin jakautumista metallin ja kuonan välillä voidaan tarkastella ns. rikin jakautumiskertoimen avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Rikin jakautumiskerroin ja optinen emäksisyys Kuonan optisen emäksisyyden vaikutus rikin jakautumiskertoimeen kuonan ja raakaraudan välillä SSAB:n Luleån tehtaan masuunissa. (T = 1428-1490 C) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Vesikapasiteetti • Rikkikapasiteetin ja rikin jakautumiskertoimen kaltaisia suureita käytetään kuvaamaan myös muiden aineiden jakautumista metallin ja kuonan välillä • Esim. vesikapasiteetti kuvaa kuonan kykyä sitoa itseensä vettä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Vesikapasiteetti • Myös vesikapasiteetin ja optisen emäksisyyden välillä on havaittu olevan selkeä riippuvuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Veden liukoisuus kuoniin • Veden liukoisuus kuonaan riippuu myös vesihöyryn osapaineesta (l. ilman kosteudesta) kuonan kanssa tasapainossa olevan kaasussa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Veden liukoisuus kuoniin Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Veden liukoisuus kuoniin • Usemman komponentin tarkasteluissa on selkeyden vuoksi vesihöyryn osapaine kaasussa tavallisesti kiinnitetty tiettyyn vakioarvoon Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Typpi kuonissa • Kuonaan liuenneen typen määrä riippuu typen osapaineesta kuonan kanssa tasapainossa olevassa kaasussa • Typpi ei esiinny kuonissa kaasumaisena (N2) eikä atomaarisena (N), vaan ioneina – esim. (N3-), (CN-) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Typpi kuonissa • Kuonan C- ja N-pitoisuuksien välillä on havaittu olevan korrelaatioita, jotka viittaisivat (CN-)-ionien esiintymiseen kuonissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Typpi kuonissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonakomponenttien diffuusiokertoimet Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonakomponenttien diffuusiokertoimet Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Tiheys • Kuonan tiheyden on oltava selkeästi pienempi kuin metallilla, jotta faasit erottuvat metallurgisissa prosesseissa omiksi kerroksikseen • Lämpötilan nosto laskee yleensä kuonien tiheyttä (suurempi lämpöliike/värähtely) • Lämpötilan vaikutus on kuitenkin yleensä vähäinen verrattuna koostumuksen vaikutukseen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Tiheys Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Tiheys • Joissain tapaukissa lämpötilan nosto voi myös nostaa kuonan tiheyttä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Tiheys • SiO2:n tiheys (2,15 g⋅cm-3 1700 C:ssa) on huomattavasti alhaisempi kuin muiden kuonakomponenttien • Tämän vuoksi SiO2:n lisäys saa yleensä aikaan kuonan tiheyden laskun Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Tiheys • FeO- ja MnO-lisäykset puolestaan yleensä nostavat kuonien tiheyttä • Esimerkkinä FeO:n vaikutus FeO-CaO-MgO-SiO2-P2O5kuonien tiheyksiin Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Tiheys • FeO:n tiheyttä kasvattava vaikutus näkyy myös monikomponenttisysteemeissä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • Viskositeetilla tarkoitetaan nestemolekyylien välisestä koheesiosta johtuvaa sisäistä kitkaa • Lämpötilan noustessa koheesio heikkenee, jolloin sulan viskositeetti pienenee Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • Lämpötilan lisäksi viskositeettiin vaikuttaa sulan rakenne – Happamien kuonakomponenttien muodostamat ketjut kasvattavat viskositeettia – Emäksiset kuonakomponentit rikkovat ketjuja, jolloin viskositeetti pienenee Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • CaO-Al2O3-SiO2-systeemin isoviskositeettikäyrät ovat lähes Al2O3-SiO2-sivun suuntaisia • Al2O3 ja SiO2 toimivat happamasti ja nostavat viskositeettia • CaO on emäksinen ja laskee viskositeettia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • CaO-Al2O3-MgO-systeemin isoviskositeettikäyrät ovat lähes CaO-MgO-sivun suuntaisia • SiO2 toimii happamasti ja nostaa viskositeettia • CaO ja MgO ovat emäksisiä ja laskevat viskositeettia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • CaO:n ja MgO:n samankaltainen vaikutus alumiinisilikaattisen verkon rikkojana on nähtävissä myös CaO-MgO-Al2O3-SiO2 -systeemin isoviskositeettikäyristä (1500 C) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • On havaittu, että alle 20 %:n Al2O3-pitoisuuksilla CaOSiO2-, CaO-SiO2-Al2O3-, CaO-SiO2-Al2O3-MgO- ja CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FeOkuonien viskositeetit ovat yksiselitteisesti riippuvaisia SiO2- ja Al2O3-pitoisuuksien summasta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • Huom! Al2O3 on amfoteerinen komponentti – Emäksisessä kuonassa se toimii happamasti eli nostaa viskositeettia (luo happisiltoja) – Happamassa kuonassa se toimii emäksisesti eli laskee viskositeettia (katkoo happisiltoja) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Na2O-SiO2-Al2O3-kuonan viskositeetti, kun Na2O:a korvataan Al2O3:lla: Tietyn rajan jälkeen emäksisyys on laskenut niin paljon, että Al2O3 alkaa toimia emäksisesti Viskositeetti • Lämpötilan ja koostumuksen lisäksi kuonan viskositeettiin vaikuttaa merkittävästi kuonassa olevan kiintoaineen (tai liukenemattoman toisen sulan) määrä • Kaksifaasialueella viskositeettia kuvataan ns. efektiivisen viskositeetin (e) avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • Efektiivinen viskositeetti (e) e 1 1,35 q 5 2 – on kuonan viskositeetti ilman kiintoainehiukkasia – q on monodispergoituneen pyöreän hiukkasen tai nestepisaran tilavuusosuus kuonasulassa • Muodoltaan monimutkaisempien hiukkasten vaikutus viskositeettiin on vieläkin suurempi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • Esimerkkinä masuunikuonan viskositeetti lämpötilan funktiona: Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • Konvertteriprosessille tyypillisen CaO-FeO-SiO2-kuonan viskositeetti (1400C) • Kuvasta havaitaan: – FeO:n viskositeettia alentava vaikutus – Korkeassa lämpötilassa sulavan dikalsiumsilikaatin aikaansaama ns. silikaattinenä, jossa viskositeetti saa korkeita arvoja johtuen suhteellisen korkeasta kiinteän aineen osuudesta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • Erilaisten teollisten kuonien viskositeettien vertailua – Raudan ja teräksen valmistus • BF = masuuni • BOS = konvertteri • MF = valupulverit – Ferroseosten valmistus • FeCr sm = ferrokromin valmistus – Kuparin valmistus • Cu-sm = kuparin liekkisulatus • CaFe = kuparin (tai nikkelin) konvertointi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • Monikomponenttikuonien viskositeettien laskemiseksi on kehitetty useita laskennallisia malleja • Riboudin malli – Pohjana silikaattisula, jonka ominaisuuksia muuttavat muut kuonakomponentit on jaettu neljään kategoriaan • Urbainin malli – Perustuu CaO-Al2O3-SiO2-systeemiin – Kuonakomponentit jaetaan kolmeen kategoriaan: lasia muodostaviin, kuonanmuodostajiin sekä amfoteerisiin. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Viskositeetti • Viskositeetin ja optisen emäksisyyden välillä on myös havaittavissa korrelaatio Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Sähkönjohtavuus • Metallurgiset prosessit, joissa energia saadaan hapettumisreaktioista tai fossiilisia polttoaineita käyttämällä Kuonan sähkönjohtavuudella ei ole suurta merkitystä • Sähkönjohtavuudella on merkitystä: – Sähköuuniteknologiaa käytettäessä – Prosessien instrumentoinnin ja säädön yhteydessä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Sähkönjohtavuus • Silikaattisissa kuonissa SiO44-anionit ovat huonosti liikkuvia • Varauksenkuljettajina toimivat pääasiassa emäksisten komponenttien katioinit • Sähkönjohtavuus on kiinteästi yhteydessä kationien diffuusioon kuonissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Sähkönjohtavuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Sähkönjohtavuus • Konvertterikuonien sähkönjohtavuus 0,5 – 1,5 -1cm-1 • Senkkakuonien sähkönjohtavuus 0,4 – 0,7 -1cm-1 • Kuonien sähkönjohtavuutta nostavat – Korkea lämpötila – Korkea emäksisyys • Suuria määriä (yli 70 %) FeO:a tai MnO:a sisältävissä kuonissa elektronijohtavuus nousee hallitsevimmaksi sähkönjohtumismekanismiksi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Sähkönjohtavuus • Myös sähkönjohtavuutta voidaan kuvata optisen emäksisyyden avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Lämmönjohtavuus • Lämmönjohtuminen tapahtuu joko elektronien liikkeen, hilan värähtelyn tai säteilyn välityksellä (lisäksi konvektio) • Efektiivinen lämmönjohtavuus (keff) on summa eri mekanismeilla tapahtuvasta lämmönsiirrosta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Lämmönjohtavuus • Kuonien lämmönjohtavuuksista on vain vähän kokeellista informaatiota • Ongelmia aiheuttavat mm. – Lämmönsiirron useat esiintymismuodot – Epävarmuus silikaattisulien rakenteesta • Teräksenvalmistuksen kuonien lämmönjohtavuudet ovat suuruusluokkaa 0,5 – 1,2 Wm-1K-1 – Selvästi alle sulien metallien lämmönjohtavuuksien Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Lämmönjohtavuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Likviduslämpötilassa Lämmönjohtavuus おざわ えんど すさ Kuvat: 小澤, 遠藤 & 須佐: R2O-CaO-SiO2 (R=Li, Na, K) スラグの熱伝導度とその推算. 鉄と鋼. Vol. 93. 2007. No. 6, s. 416-423. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Lämmönjohtavuus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Lämpölaajeneminen • Lämpölaajenemisen ja optisen emäksisyyden välinen yhteys Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Pintajännitys • Sulien kuonien pintajännitys on alhaisempi kuin metallien ja se vaihtelee yleensä välillä 200-700 mNm-1 • Pintajännitystä alentavat pinta-aktiiviset aineet, joita kuonissa ovat mm. SiO2, P2O5, Na2O sekä rikki Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Pintajännitys • Yleisesti binääristen silikaattikuonien pintajännitys on alhainen ja se laskee SiO2pitoisuuden kasvaessa • Poikkeuksen muodostavat mm. PbOSiO2- ja K2O-SiO2-kuonat Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Pintajännitys • SiO2:n alentava vaikutus FeOSiO2- ja CaO-SiO2-kuonien pintajännityksiin Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Pintajännitys • Pinta-aktiiviset P2O5 ja SiO2 alentavat pintajännitystä myös ternäärisissä kuonasulissa • Mm. CaO, FeO, MnO (ja jossain määrin myös MgO) nostavat ternääristen silikaattikuonien pintajännityksiä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Pintajännitys • SiO2-pitoisuuden ollessa vakio pintajännitys pienenee FeO/CaO-suhteen kasvaessa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 SiO2 vakio FeO/CaO kasvaa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Pintajännitys • P2O5:n alentava vaikutus FeO-P2O5-kuonan pintajännitykseen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Pintajännitys • Nesteiden pintajännitys yleensä laskee, kun lämpötilaa nostetaan • Joillain nesteillä vaikutus on päinvastainen: – Paljon SiO2:a sisältävät kuonasulat, joissa on paljon kompleksisia anioneja (silikaattiverkko) • Lämpötilan noustessa assosiaatit hajoavat, jolloin pinnalle jää ilman paria olevia molekyylisidoksia, josta seuraa pintaenergian kasvu – Rauta/teräs, jossa on VI ryhmän alkuaineita (O, S, Se, Te), jotka pinta-aktiivisina alentavat pintaenergiaa • Lämpötilan noustessa ’pinta-aktiivisuus’ vähenee, jolloin aineiden pintaenergiaa laskeva vaikutus pienenee ja pintajännitys kasvaa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Pintajännitys Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys • Rajapintajännitykseen vaikuttaa paitsi kuonan, myös metallin koostumus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys • Sulan kuonan ja metallin välisen rajapintajännityksen arvot ovat yleensä vastaavien kuona-kaasu- ja metalli-kaasupintajännitysten välissä siten, että pintaaktiivisten aineiden lisääminen kuonaan ja/tai metalliin luonnollisesti alentaa faasien välistä rajapintajännitystä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys • Rikin ja hapen vaikutukset sulan raudan ja CaO-Al2O3SiO2-kuonasulan väliseen rajapintajännitykseen sekä Fe-S-/Fe-O-sulien pintajännityksiin 1600 C:ssa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys • Mitä suurempi on rauta/terässulan happipitoisuus, sitä yksiselitteisemmin se määrää metallin ja kuonasulan välisen rajapintajännityksen arvon riippumatta metallin ja kuonan koostumuksesta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys • Rajapintajännityksiä tarkasteltaessa on huomioitava ’kokonaisvaikutus’ • Esim. FeO-pitoisuuden kasvu CaOFeO-SiO2-kuonassa – Kuonan pintajännitys kasvaa (riippuen tosin siitä kasvaako FeO-pitoisuus CaO:n vai SiO2:n ’kustannuksella’) – FeO kuitenkin epästabiilina oksidina syöttää enemmän happea teräkseen, jolloin teräksen happipitoisuus kasvaa Kuonan ja metallin välinen rajapintajännitys laskee Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Metallin ja kuonan välinen rajapintajännitys • 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 hapettavan (FeO-pitoisen) alumiinisilikaattisen kuonan välinen raja-pintajännitys alenee lähes nollaan, kun em. reaktio on nopeimmillaan – Reaktion hidastuessa rajapintajännityksen arvo alkaa taas nousta, ja se saavuttaa tasapainoarvonsa termodyn. tasapainossa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Rajapintajännitysten laskenta • Kahden faasin välisen rajapintajännityksen laskemiseksi ei ole kehitetty yleistä teoriaa • Laaditut mallit on yleensä johdettu kokeellisista mittaustuloksista jonkin tietyn systeemin tarkastelua varten • Sulien välisiä rajapintajännityksiä määritetään perustuen sulafaasien ja kaasufaasin välisiin rajapintajännityksiin ja sulafaasien väliseen kostutukseen – Helpompi mitata kuin suora mittaus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Rajapintajännitysten laskenta: Neumannin laki • 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 2 metal slag 2 2 metal gas slag gas 2 metal gas slag gas cos metal slag sin slag gas sin Rajapintajännitysten laskenta: Raleighin laki • Neumannin lain yksinkertaistus • Todellinen ja näkyvä kostutuskulma oletetaan nolliksi • Mallin on kuitenkin havaittu sopivan suhteellisen huonosti mitattuun dataan metalslag metal gas slag gas 2 metal gas slag gas 0,5 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Rajapintajännitysten laskenta: Antonowin laki • Neumannin lain yksinkertaistus • Kahden sulan välinen rajapintajännitys on yhtä suuri kuin suuremman ja pienemmän pintajännityksen erotus • Antonow’in lakia käytetään vain kuonien tarkasteluun ja se soveltuukin runsaasti FeO:a sisältäville kuonille. metal slag metal gas slag gas Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Rajapintajännitysten laskenta: Girifalcon ja Goodin laki • Rajapinnan vapaaenergia voidaan esittää sulafaasien koheesion vapaaenergioiden avulla metalslag metal gas slag gas 2 metal gas slag gas 0,5 • on karakteristinen tekijä – Saa arvon nolla, kun faasien välillä ei ole vuorovaikutusta – Arvo kasvaa faasien välisten vuorovaikutusten kasvaessa a G slag metal c c Gmetal gas G slag gas Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Rajapintajännitysten laskenta: Girifalcon ja Goodin laki • Kun vuorovaikutusparametrin = 180 Kostutuskulma on nolla Rajapintajännitys on yhtä suuri kuin komponenttien pintajännitys Kaasufilmi erottaa metallin ja kuonan toisistaan Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
© Copyright 2024