Sulamisen ja jähmettymisen tarkastelu faasipiirroksia hyödyntäen

Transkriptio

1 Sulamisen ja jähmettymisen tarkastelu faasipiirroksia hyödyntäen Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2015 Teema 1 - Luento 6 Tavoite Oppia muutamien esimerkkien avulla tarkastelemaan monikomponenttisysteemien sulamista ja jähmettymistä tasapainopiirroksia hyödyntäen 1

2 Binäärisysteemi: Aukoton liukoisuus Millä lämpötilavälillä sulaminen tapahtuu? Faasien osuudet ja koostumukset puuroaluella? 30% FeO & 70% MgO 50% FeO & 50% MgO 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 Sulaminen päättyy seuraa likvidusta 2-faasialueella Sulaminen alkaa 2-faasialueella kiinteän faasin koostumus seuraa solidusta 1. sulapisaran koostumus Viimeisenä sulavan kiinteän faasin koostumus 2

3 Binäärisysteemi: Aukoton liukoisuus Faasien osuudet 2-faasialueella määritetään vipusäännön avulla Sulan osuus = (83-70)/(83-52) = 0,42 (42%) Kiinteä osuus = (70-52)/(83-52) = 0,58 (58%) Millä lämpötilavälillä sulaminen tapahtuu? Faasien osuudet ja koostumukset puuroaluella? Sulaminen alkaa 30% FeO & 70% MgO 50% FeO & 50% MgO 1. sulapisaran koostumus Viimeisenä sulavan kiinteän faasin koostumus Binäärisysteemi: Aukoton liukoisuus Millä lämpötilavälillä jähmettyminen tapahtuu? Mitkä ovat faasien osuudet ja koostumukset kaksifaasialuella? Cr 2 O 3 = 40% Cr 2 O 3 = 80% 3

4 Binäärisysteemi: Eutektinen tasapaino & Välifaasi Mitä faasimuutoksia tapahtuu ja missä lämpötiloissa? Faasien osuudet ja koostumukset 2- faasialueilla? 28% MgO 20% MgO Binäärisysteemi: Välifaasi sekä eutekt./monotekt. tasap. Missä lämpötilassa jähmettyminen alkaa ja päättyy? Faasimuutokset? Faasien osuudet ja koostumukset kaksifaasialueilla? SiO 2 = 10 %, 28 %, 38 % 4

5 Binäärisysteemi: Useita välifaaseja, eril. tasapainoja Missä lämpötilassa jähmettyminen alkaa ja päättyy? Faasimuutokset? Faasien osuudet ja koostumukset kaksifaasialueilla? Sn = 10 %, 20 %, 30 %, 40 % 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 % 5

6 Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Etsitään sulaa vastaava koostumuspiste kuvaajasta. SiO 2 : 9 % 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. suhteen, kunnes tullaan primäärifaasikenttien rajalle. 6

7 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, minkä jälkeen galaksiitti on ainoa jähmettyvä faasi. A Ternäärisysteemit: Jähmettyminen Jäljelle jäävän sulan koostumus siirtyy poispäin galaksiitin koostumuksesta. koostumuksesta, kunnes tullaan taas primäärifaasikenttien rajalle. Tämän jälkeen jähmettyvät galaksiitti ja MnO. Jäljelle jäävän sulan koostumus seuraa eutektista laaksoa. 7

8 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? 8

9 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 Ternäärisysteemit Koostumuspiste Yhteensopivuuskolmio Kolmion komponenttien primäärifaasikentät Ensimmäinen sula 9

10 Ternäärisysteemit: Systeemeissä, joissa kiinteässä tilassa esiintyy liukoisuutta, ei välifaaseilla ole yksittäisiä koostumuspisteitä, joiden kautta muodostaa yhteensopivuuskolmioita Sulamisen tarkasteluun sovellettava binäärikuvia Ternäärisysteemit: 10

11 Ternäärisysteemit: Ternäärisysteemit: 11

12 Ternäärisysteemit: Ternäärisysteemit: Binäärikuvaajatarkastelujen pohjalta saatiin jonkinlainen arvio ensimmäisen sulan koostumuksesta, mutta tarkempaa määritystä varten tarvittaisiin tietoa ternäärisysteemin soliduskäyristä 12

13 Ternäärisysteemit: 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 Ternäärisysteemit: Sulaminen alkaa 13

14 Ternäärisysteemit: Alkusulan koostumus 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,