Faasipiirrokset, osa 3 Ternääristen ja monikomponenttipiirrosten tulkinta Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 1 - Luento 5 Tavoite Oppia tulkitsemaan 3-komponenttisysteemien faasipiirroksia 1
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) Ternäärinen pohjakolmio Kärjet edustavat puhtaita komponentteja Sivut vastaavat binäärisysteemejä Lämpötila kuvataan kohtisuoraan koostumustasoa vastaan Koostumus luetaan kolmion sivuilta Asteikot kuvaavat etäisyyttä kolmion kärjistä Binäärinen Puhdas B-C-systeemi aine A Komponentin (pitoisuus A pitoisuus = 100 = %) 080 50 20 % 2
Ternäärisistä faasipiirroksista tehtävät leikkaukset Ternääristen tasapainopiirrosten tulkinta kolmesta ulottuvuudesta johtuen hankalaa jo yksinkertaisimmissakin tapauksissa Kiinnitetään paineen lisäksi myös toinen olosuhdemuuttuja Helpommin luettavat kaksiulotteiset piirrokset 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 3
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 Isotermiset leikkaukset 4
Isotermiset leikkaukset ja likviduspintojen esittäminen 5
Solidus- ja likvidus-pinnat ternäärisessä systeemissä Sideviivat Ternäärisen tasapainopiirroksen isotermisen leikkauksen kaksifaasialueille piirrettyjä viivoja Niiden avulla voidaan esittää keskenään tasapainossa olevien faasien koostumukset ja määräsuhteet vrt. vipusääntö binäärisysteemissä 6
Ternäärinen eutektinen tasapaino Likvidus- ja solidus-käyriä vastaavat pinnat Binääriset eutektiset pisteet (e 1, e 2 ja e 3 ) venyvät laaksoiksi (e 1 E, e 2 E ja e 3 E), jotka yhtyvät ternäärisessä eutektisessa pisteessä (E) Ternäärinen eutektinen lämpötila < Binääriset eutektiset lämpötilat Ternäärinen eutektinen tasapaino 7
Ternäärinen eutektinen tasapaino 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 8
Satulapiste Ternäärinen peritektinen tasapaino Ternäärinen peritektinen lämpötila (T X ) < Binäärinen eutektinen lämpötila (E) > Binääriset peritektiset lämpötilat (P 1 ja P 2 ) 9
Ternäärinen peritektinen tasapaino Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Ternäärinen eutektisperitektinen lämpötila (T X ) > Toinen binäärinen eutektinen lämpötila (E 1 ) < Toinen binäärinen eutektinen lämpötila (E 2 ) < Binäärinen peritektinen lämpötila (P) 10
Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino 11
Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino Vipusääntö kolmen faasin alueella Faasien x, y ja z osuudet tarkastelupisteessä t: x1t x x x y 1 y1t y y 1 z1t z z z 1 12
Ternäärisessä faasipiirroksessa esiintyviä merkintöjä Likviduspinnat Eutektiset, peritektiset ja monotektiset laaksot Satulapisteet Primäärijähmettymiskenttä/-faasikenttä Puhtaiden aineiden koostumukset Alkemaden viivat Poikkiviivat Alkemaden viivoissa Yhteensopivuuskolmiot Likviduspinnat Isotermisinä korkeuskäyrinä ohuin viivoin esim. 100 C:een välein Merkitty käyrää vastaavat lämpötilat Esim. 13
Eutektiset, peritektiset ja monotektiset laaksot Paksummat viivat Nuoli osoittaa laskevan lämpötilan suuntaan 1: Eutektinen 2: Peritektinen 3: Monotektinen Esim. Satulapisteet Yksittäinen poikkiviiva eutektisisissa tai muissa laaksoissa Esim. 14
Primäärijähmettymiskentät (tai Primäärifaasikentät) Eutektisten ym. laaksojen rajaamat alueet Kertovat 1. kiteytyvän faasin, kun kentän koostumusalueelle osuvaa sulaa jäähdytetään Esim. Puhtaiden aineiden koostumukset Avoin ympyrä Esim. 15
Alkemaden viivat Yhdistävät yhdisteiden koostumuksia kuvaavia pisteitä Piirretty joskus kuvaajaan ja joskus erikseen Esim. Poikkiviivat Alkemaden viivoissa Kuvaavat kiinteän tilan liukoisuuksia Jos soliduspinnat olisi piirretty kuvaan, niin näitä ei tarvittaisi Esim. 16
Yhteensopivuuskolmiot Alkemaden viivojen rajaamat kolmiot Sulan jähmettyttyä syntyneet kiinteät faasit voidaan lukea sen kolmion nurkista, jonka sisään sulan koostumus sijoittuu Esim. Esimerkki tasapainopiirrosten hyödyntämisestä terästeollisuudessa Konvertterikuona koostuu Teräksen ja siihen liuenneiden aineiden hapettumistuotteista Vuorauksesta Kuonanmuodostajista ja flukseista Yleensä silikaattipohjaisia oksidisulia (CaO, SiO 2 sekä lisäksi pienempinä määrinä MgO, FeO, MnO, Al 2 O 3 ) Kuonanmuodostus Si:n, Mn:n ja Fe:n hapettuminen oksideiksi Kalkin liukeneminen 2CaO SiO 2 :n stabiilisuusalueella a FeO on suuri FeO:n pelkistyminen takaisin teräkseen Konvertterikuonan tehtäviä Epäpuhtauksien sitominen pois teräksestä Lämpöhäviöiden ehkäiseminen 17
Konvertteriprosessin tarkastelu kuonatien avulla Kuonatien avulla voidaan kuvata prosessin kulkua tasapainopiirroksia hyödyntäen Tehtävä Sula, jonka koostumus on: 40 % SiO 2 30 % MgO 30 % FeO jäähdytetään 1450 C:een Mitä faaseja tasapainossa esiintyy Mitkä ovat eri faasien osuudet ja koostumukset? 18
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 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 19
Kvaternääriset systeemit Kvaternääristen systeemien leikkaukset Jo isotermisenkin leikkauksen esittämiseen tarvitaan kolme ulottuvuutta Mielekästä kiinnittää paineen ja lämpötilan lisäksi vähintään yksi pitoisuusmuuttuja Kuvaajasta helpommin tulkittava 20
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 Kvaternääristen systeemien leikkaukset 21
Kvaternääristen systeemien leikkaukset Leikkaus on voidaan tehdä myös käyttäen tason päätepisteinä systeemissä esiintyvien välifaasiyhdisteiden koostumuksia 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 22
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 Liuosominaisuuksien esittäminen pohjakolmion avulla 23
Yhteydet tasapainopiirrosten ja ominaisuuskuvaajien välillä 24