IMPM-15-01-05
Faasipiirrokset, osa 3 Ternääristen ja monikomponenttipiirrosten tulkinta Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2015 Teema 1 - Luento 5 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Tavoite • Oppia tulkitsemaan 3-komponenttisysteemien faasipiirroksia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Ternäärinen pohjakolmio Binäärinen Puhdas B-C-systeemi aine A Komponentin 80%% 50 20 (pitoisuus A pitoisuus = 100 = %)0 • Kärjet edustavat puhtaita komponentteja • Sivut vastaavat binäärisysteemejä • Lämpötila kuvataan kohtisuoraan koostumustasoa vastaan • Koostumus luetaan kolmion sivuilta – Asteikot kuvaavat etäisyyttä kolmion kärjistä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Ternäärisistä faasipiirroksista tehtävät leikkaukset • Ternääristen tasapainopiirrosten tulkinta kolmesta ulottuvuudesta johtuen hankalaa jo yksinkertaisimmissakin tapauksissa Kiinnitetään paineen lisäksi myös toinen olosuhdemuuttuja Helpommin luettavat kaksiulotteiset piirrokset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Isotermiset leikkaukset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Isotermiset leikkaukset ja likviduspintojen esittäminen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Solidus- ja likvidus-pinnat ternäärisessä systeemissä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Sideviivat • Ternäärisen tasapainopiirroksen isotermisen leikkauksen kaksifaasialueille piirrettyjä viivoja • Niiden avulla voidaan esittää keskenään tasapainossa olevien faasien koostumukset ja määräsuhteet – vrt. vipusääntö binäärisysteemissä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Ternäärinen eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Ternäärinen eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Satulapiste • Voi esiintyä ternäärisissä systeemeissä, joissa – Esiintyy välifaaseja – On lukuisia eutektisia pisteitä • Kahta eutektista pistettä yhdistävissä laaksoissa esiintyvä piste, jossa likviduspinnalla 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Satulapiste Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Ternäärinen peritektinen tasapaino • Ternäärinen peritektinen lämpötila (TX) < Binäärinen eutektinen lämpötila (E) > Binääriset peritektiset lämpötilat (P1 ja P2) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Ternäärinen peritektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino • Ternäärinen eutektisperitektinen lämpötila (TX) > Toinen binäärinen eutektinen lämpötila (E1) < Toinen binäärinen eutektinen lämpötila (E2) < Binäärinen peritektinen lämpötila (P) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Vipusääntö kolmen faasin alueella • Faasien x, y ja z osuudet tarkastelupisteessä t: x x1t x1 x y1t y y1 y z1t z z1 z Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Ternäärisessä faasipiirroksessa esiintyviä merkintöjä • Likviduspinnat • Eutektiset, peritektiset ja monotektiset laaksot • Satulapisteet • Primäärijähmettymiskenttä/-faasikenttä • Puhtaiden aineiden koostumukset • Alkemaden viivat • Poikkiviivat Alkemaden viivoissa • Yhteensopivuuskolmiot Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Likviduspinnat • Isotermisinä korkeuskäyrinä ohuin viivoin esim. 100 C:een välein • Merkitty käyrää vastaavat lämpötilat • Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Eutektiset, peritektiset ja monotektiset laaksot • Paksummat viivat • Nuoli osoittaa laskevan lämpötilan suuntaan – 1: Eutektinen – 2: Peritektinen – 3: Monotektinen • Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Satulapisteet • Yksittäinen poikkiviiva eutektisisissa tai muissa laaksoissa • Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Primäärijähmettymiskentät (tai Primäärifaasikentät) • Eutektisten ym. laaksojen rajaamat alueet • Kertovat 1. kiteytyvän faasin, kun kentän koostumusalueelle osuvaa sulaa jäähdytetään • Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Puhtaiden aineiden koostumukset • Avoin ympyrä • Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Alkemaden viivat • Yhdistävät yhdisteiden koostumuksia kuvaavia pisteitä • Piirretty joskus kuvaajaan ja joskus erikseen • Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Poikkiviivat Alkemaden viivoissa • Kuvaavat kiinteän tilan liukoisuuksia • Jos soliduspinnat olisi piirretty kuvaan, niin näitä ei tarvittaisi • Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Yhteensopivuuskolmiot • Alkemaden viivojen rajaamat kolmiot • Sulan jähmettyttyä syntyneet kiinteät faasit voidaan lukea sen kolmion nurkista, jonka sisään sulan koostumus sijoittuu • Esim. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Konvertteriprosessin tarkastelu kuonatien avulla • Kuonatien avulla voidaan kuvata prosessin kulkua tasapainopiirroksia hyödyntäen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Tehtävä • Sula, jonka koostumus on: – 40 % SiO2 – 30 % MgO – 30 % FeO • jäähdytetään 1450 C:een • Mitä faaseja tasapainossa esiintyy • Mitkä ovat eri faasien osuudet ja koostumukset? Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kvaternääriset systeemit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kvaternääristen systeemien leikkaukset • Jo isotermisenkin leikkauksen esittämiseen tarvitaan kolme ulottuvuutta Mielekästä kiinnittää paineen ja lämpötilan lisäksi vähintään yksi pitoisuusmuuttuja Kuvaajasta helpommin tulkittava Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kvaternääristen systeemien leikkaukset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kvaternääristen systeemien leikkaukset Leikkaus on voidaan tehdä myös käyttäen tason päätepisteinä systeemissä esiintyvien välifaasiyhdisteiden koostumuksia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Faasien nollaosuuskäyrät (ZPF-lines, Zero Phase Fraction) • Kuvaa tietyn faasin stabiilisuusalueen rajoja – Raja, jossa a = 1 ja n = 0 – Rajan toisella puolella ao. faasi on stabiili, toisella puolella ei • Alkavat ja loppuvat akseleilta tai muodostavat silmukan • Apuna monikomponenttisysteemeistä tehtyjen leikkausten tarkastelussa sekä kuvaajien laadinnassa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Liuosominaisuuksien esittäminen pohjakolmion avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Yhteydet tasapainopiirrosten ja ominaisuuskuvaajien välillä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
© Copyright 2024