MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op)

Samankaltaiset tiedostot
Ellinghamin diagrammit

Korkealämpötilakemia

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Kellogg-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2012 Teema 1 - Luento 1

Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

Korkealämpötilakemia

Kellogg-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 1 - Luento 1

Konvertteriprosessien ilmiöpohjainen mallinnus Tutkijaseminaari , Oulu

MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op) 5. Luento - Ti Tulenkestävien aineiden käyttö Case esimerkkejä

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Korkealämpötilakemia

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

17. Tulenkestävät aineet

MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op)

MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op)

Chem-C2400 Luento 3: Faasidiagrammit Ville Jokinen

Standarditilat. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 2 - Luento 2. Tutustua standarditiloihin

Ratkaisu. Tarkastellaan aluksi Fe 3+ - ja Fe 2+ -ionien välistä tasapainoa: Nernstin yhtälö tälle reaktiolle on:

Sähkökemian perusteita, osa 1

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Kuonanmuodostus ja faasipiirrosten hyödyntäminen kuonatarkasteluissa

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Korkealämpötilakemia

Kuonien rakenne ja tehtävät

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Korkealämpötilakemia

Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta

- Termodynaamiset edellytykset - On olemassa ajava voima prosessin tapahtumiselle - Perusta - Kemiallinen potentiaali

Ruostumattoman teräksen valmistaminen loppupään terässulattoprosessit.

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

METALLIEN JALOSTUKSEN YLEISKUVA

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

Korkealämpötilakemia

Gibbsin energia ja kemiallinen potentiaali määräävät seosten käyttäytymisen

Uusi ejektoripohjainen hiilidioksidin talteenotto-menetelmä. BioCO 2 -projektin loppuseminaari elokuuta 2018, Jyväskylä.

Korkealämpötilakemia

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Entalpia - kuvaa aineen lämpösisältöä - tarvitaan lämpötasetarkasteluissa (usein tärkeämpi kuin sisäenergia)

Rautapelletin ominaisuudet masuunia jäljittelevissä olosuhteissa Selvitys pelkistyvyydestä, turpoamisesta ja pehmenemisestä

Tehtävä 1. Tasapainokonversion laskenta Χ r G-arvojen avulla Alkyloitaessa bentseeniä propeenilla syntyy kumeenia (isopropyylibentseeniä):

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Käytännön esimerkkejä on lukuisia.

Kemian koe kurssi KE5 Reaktiot ja tasapaino koe

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

Johanna Tikkanen, TkT

Puhtaat aineet ja seokset

MOOLIMASSA. Vedyllä on yksi atomi, joten Vedyn moolimassa M(H) = 1* g/mol = g/mol. ATOMIMASSAT TAULUKKO

Rak Betonitekniikka 2 Harjoitus Rakennussementit, klinkkerimineraalikoostumus ja lämmönkehitys

Dislokaatiot - pikauusinta

11. Valuteräksen sulatus ja käsittely

Sähkökemialliset tarkastelut HSC:llä

ATOMIN JA IONIN KOKO

(l) B. A(l) + B(l) (s) B. B(s)

KEMA KEMIALLINEN TASAPAINO ATKINS LUKU 7

Kemia 3 op. Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut. Kurssin sisältö

MINERAALI- TUOTTEET Kierrätys ja Mineraalituotteet


Luento 1 Rauta-hiili tasapainopiirros Austeniitin hajaantuminen perliittimekanismilla

MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op) 7. Luento Ke Peitosteet / Valupulverit teräksen valmistuksessa

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

Voimalaitoksen vesikemian yleiset tavoitteet ja peruskäsitteitä

Faasi: Aineen tila, jonka kemiallinen koostumus ja fysikaalinen ominaisuudet ovat homogeeniset koko näytteessä. P = näytteen faasien lukumäärä.


Johdantoa. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

Lapin alueen yritysten uudet teräsmateriaalit Raimo Ruoppa

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

LUKU 16 KEMIALLINEN JA FAASITASAPAINO

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Faasipiirrokset, osa 3 Ternääristen ja monikomponenttipiirrosten tulkinta

c) Tasapainota seuraava happamassa liuoksessa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio:

Teollinen kaivostoiminta

Raudan valmistus masuunissa

Esimerkiksi ammoniakin valmistus typestä ja vedystä on tyypillinen teollinen tasapainoreaktio.

Elektrolyysi Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen!

Osio 1. Laskutehtävät

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Erilaisia entalpian muutoksia

Harjoitus 5. Mineraaliset seosaineet, Käyttö ja huomioonottaminen suhteituksessa

Ratkaisee kulumisongelmat lähes kaikissa tilanteissa Kalenborn GmbH:n tuotteiden avulla.

Oppikirjan tehtävien ratkaisut

LPK / Oulun yliopisto

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

Nikkeliraaka-aineiden epäpuhtausprofiilin määritys

Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa

8. Induktiokouru-uunit

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

Reaktioyhtälö. Sähköisen oppimisen edelläkävijä Empiirinen kaava, molekyylikaava, rakennekaava, viivakaava

Syöttöveden kaasunpoisto ja lauhteenpuhdistus

Reaktiosarjat

Erilaisia entalpian muutoksia

1. Malmista metalliksi

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

Eksimeerin muodostuminen

Transkriptio:

MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op) 6. Luento - Ke 11.11.2015 Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Marko Kekkonen MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3op) Luennon sisältö Reaktiotermodynamiikka käyttömahdollisuudet tulenkestävien materiaalien valinnassa käytössä huomioitavia ja sitä rajoittavia seikkoja 2 1

Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Tulenkestävien materiaalien valinnassa pyritään löytämään sellainen materiaali- ja rakenneratkaisu, joka optimaalisimmin täyttää sille asetetut vaatimukset - kestävyyden, - taloudellisuuden ja - prosessin toiminnan kannalta. Materiaalin valinnassa on huomioitava siihen kohdistuvat - termiset, - mekaaniset ja - kemialliset rasitukset. Termodynaaminen mallinnus on menetelmä, jolla voidaan laskennallisesti arvioida tulenkestävien kemiallista kestävyyttä erilaisissa olosuhteissa. Tarkastelun kohteena vain yksi materiaaleihin kohdistuva rasitusmuoto muista rasitusmuodoista irrallisena tapahtumana. Lähde: Eetu-Pekka Heikkinen, Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. 3 Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Suuri osa tulenkestävistä materiaaleista koostuu oksidisista yhdisteistä, joiden kemiallista pysyvyyttä eli termodynaamista stabiilisuutta voidaan tarkastella laskennallisesti. - Gibbsin vapaaenergia Yhdiste on sitä stabiilimpi mitä negatiivisemman arvon sen muodostumis- Gibbsin energia saa. esim. 2Me + O 2 (g) = 2MeO - Ellinghamin diagrammi ln Gibbsin energiat esitettynä graafisesti lämpötilan funktiona. 4 2

Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Ellinghamin diagrammi Ellinghamin diagrammia voidaan hyödyntää mm. - Vertailtaessa erilaisten oksidisten vuorausmateriaalien kemiallista pysyvyyttä. Pystyykö jokin prosessissa esiintyvä aine (esim. metallisulaan liuenneet aineet tai kaasuatmosfääri) esim. pelkistämään vuorauksen oksidisia komponentteja aiheuttaen vuorauksen kulumista ja vuorauksesta liukenevien aineiden kulkeutumista prosessiin Pelkistimiä: C, CO, H 2, Metalli 5 Luentotehtävä Ellinghamin diagrammilla voidaan (tiettyjen rajoitusten puitteissa) suhteellisen helposti ja nopeasti tarkastella yhtä tulenkestävien materiaalien valintaperustetta eli niiden kemiallista kestävyyttä. Vastaa allaoleviin kysymyksiin käyttäen apuna oheista kuvaa. a) Samottituotteet (SiO 2 -Al 2 O 3 ) sisältävät aina sitoutumatonta SiO 2 :a. Määritä Ellinghamin diagrammin avulla missä lämpötilassa silikan pelkistyminen hiilellä tulee mahdolliseksi? b) Kromiittituotteet sisältävät epäpuhtautena vaihtelevia määriä mm. rautaa, joka voi esiintyä kahden tai kolmen arvoisena (FeO, Fe 2 O 3 ). Voidaanko näitä tuotteita käyttää turvallisesti 1000 C:ssa kaasuatmosfäärissä, jossa kaasun koostumus on: 50% CO 50% CO 2? 6 3

Pelkistys hiilellä MeO + C =Me + CO Esim. Missä lämpötilassa vuorauksen oksidikomponentin pelkistyminen metallisulan sisältämällä hiilellä tulee termodynaamisesti mahdolliseksi? 7 Pelkistys kaasulla MeO + CO/H 2 fi Me + CO 2 /H 2 O Apuasteikoiden - pco/pco 2 - ph 2 /ph 2 O avulla voidaan nopeasti arvioida oksidi-metalli tasapainoissa vallitsevia kaasukoostumuksia eri lämpötiloissa. 8 4

Samottituotteet (SiO 2 -Al 2 O 3 ) sisältävät aina sitoutumatonta SiO 2 :a. Missä lämpötilassa silikan pelkistyminen hiilellä tulee mahdolliseksi? ~ 1650ºC 9 Kromiittituotteet sisältävät epäpuhtautena vaihtelevia määriä mm. rautaa, joka voi esiintyä kahden tai kolmen arvoisena (FeO, Fe 2 O 3 ). Voidaanko näitä tuotteita käyttää turvallisesti 1000 C:ssa kaasuatmosfäärissä, jossa kaasun koostumus on: 50% CO 50% CO 2? Pelkistyminen Fe 2 O 3 fl Fe 3 O 4 fl FeO mahdollista Fe:n muodostuminen ei mahdollista 10 5

Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Ellinghamin diagrammi Kahden yhdisteen keskinäisiä stabiilisuuksia vertailtaessa kemiallisesti pysyvämpi on se, jonka muodostumis-gibbsin energia on alhaisempi. Jos esimerkiksi vuorausmateriaalin kemiallisessa kestävyydessä on havaittu ongelmia, voidaan harkita sen korvaamista materiaaleilla, jotka koostuvat termodynaamisesti stabiilimmista oksideista. 11 Deoksidoidun teräksen hapen osapaine (p O2 ) on ~ 10-15 bar Jotta vältytään hapen liukenemiselta vuorauksesta teräkseen, täytyy tulenkestävän oksidin hapenpaine olla tätä pienempi (Al 2 O 3, MgO, CaO) 12 6

Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Ellinghamin diagrammi Vapaaenergiapiirroksia voidaan laatia (esim. HSC-ohjelmalla) myös muille yhdisteille kuin oksideille. Helppoa ja nopeaa tarkastella yhdisteiden suhteellisia stabiilisuuksia fi Käytetään varsin yleisesti tulenkestävien materiaalien kemiallisen kestävyyden arvioinnissa. Vapaaenergiapiirroksia hyödynnettäessä tulisi muistaa, että kuvaajien laadinnassa on käytetty tiettyjä oletuksia: - Aktiivisuus = 1 - Paine = 1 - Laadittu vain yhdenlaiset yhdisteet huomioiden (esim. oksidisille yhdisteille) Hyödyntäminen sovellettavuusalueen ulkopuolella voi johtaa virheellisiin tulkintoihin tarkasteltavasta aiheesta. 13 Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Esimerkkejä tilanteista, joihin vapaaenergiapiirrosten soveltaminen ei onnistu ilman tiettyjen reunaehtojen erillistä huomiota. - Aktiivisuus 1 esim. Tulenkestävän materiaalin aiheuttama teräksen reoksidaatio. - Paine 1 atm esim. Vakuumikäsittely - Ei-oksidisten yhdisteiden muodostuminen esim. CaO fi CaCO 3, Ca(OH) 2 MgO fi MgCO 3, Mg(OH) 2 14 7

Reaktiotermodynamiikan käytössä huomioitavia seikkoja Aktiivisuus Vapaaenergiapiirrokset on pääsääntöisesti piirretty puhtaille aineille. - Hajoavan yhdisteen ja hajoamisen yhteydessä syntyvien aineiden on oletettu esiintyvän aktiivisuudella 1. Tämä oletus ei kuitenkaan vastaa todellisuutta, kun tarkastellaan esim. tilannetta, jossa oksidinen vuorausmateriaali hajoaa siten, että hajoamistuotteet liukenevat vuorauksen kanssa kontaktissa olevaan metallisulaan (aktiivisuus 1). - Tällaisenkin kemiallisen kulumisen tarkastelu onnistuu reaktiotermodynamiikkaa hyödyntäen, mutta tarkastelussa on tällöin huomioitava hajoamistuotteiden todelliset aktiivisuudet metallisulassa sekä se, minkä koostumuksen omaavasta metallista on kyse. 2Me + O 2 (g) = 2MeO = = ln 15 Reaktiotermodynamiikan käytössä huomioitavia seikkoja Aktiivisuus Ideaalinen liuos a i = f i [%i] f i = aktiivisuuskerroin = 1 aktiivisuus = konsentraatio (pitoisuus) 16 8

Reaktiotermodynamiikan käytössä huomioitavia seikkoja Aktiivisuus a i = f i [%i] aktiivisuuskerroin (f i ) < 1 aktiivisuus < konsentraatio (pitoisuus) 17 Reaktiotermodynamiikan käytössä huomioitavia seikkoja Aktiivisuus a i = f i [%i] aktiivisuuskerroin (f i ) > 1 aktiivisuus > konsentraatio (pitoisuus) 18 9

Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Aktiivisuus: Tulenkestävän materiaalin aiheuttama teräksen reoksidaatio Teräksen deoksidointi Teräs kaadetaan konvertterista teräsenkkaan ja samalla tehdään deoksidointiaineiden lisäys ja suoritetaan karkea seostus. Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Aktiivisuus: Tulenkestävän materiaalin aiheuttama teräksen reoksidaatio Teräksen deoksidointi Teräksen deoksidoinnissa teräksestä saostetaan ylimääräinen happi liukenemattomien oksidien muodossa Raakaraudan mellotus [O] > tasapainoarvo Lämpötilan laskiessa hapen liukoisuus sulaan teräkseen pienenee [C] Fe + [O] Fe = CO(g) huokoinen valukappale teräksen deoksidointi eli tiivistäminen voimakkailla hapen sitojilla esim. Al, Si x[me] + y[o] = Me x O y esim. 2[Si] + [O] = SiO 2 2[Al] + 3[O] = Al 2 O 3 20 10

Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Aktiivisuus: Tulenkestävän materiaalin aiheuttama teräksen reoksidaatio x[me] + y[o] = Me x O y Deoksidaatiossa sekä happi että deoksidoiva aine (esim. Al, Si) ovat liuenneina metallisulaan (a 1) Oksidien stabiilisuuksia liuenneiden aineiden pitoisuuden (aktiivisuuden) funktiona puhtaassa raudassa Tavallisista metalleista alumiini on selvästi voimakkain hapensitoja. - Muutama sadasosaprosentti alumiinia riittää sitomaan hapen niin tarkkaan, että liuokseen jää vain <10 ppm happea. Pii on alumiinia heikompi hapensitoja Reaktiiviset metallit kuten Mg ja Zr ovat voimakkaita hapensitojia. oksidin kationikomponentin (Si, Al, Zr, Cr, Mg) pitoisuus (aktiivisuus) metallisulassa 21 Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Aktiivisuus: Tulenkestävän materiaalin aiheuttama teräksen reoksidaatio Deoksidaatiodiagrammia voidaan käyttää vuorauksen stabiilisuutta arvioitaessa. - Tulenkestävissä materiaaleissa voi olla useita eri oksideja, jotka ovat epästabiileja sulaa deoksidoitua terästä vastaan. Liuenneen hapen pitoisuus sulassa teräksessä liuenneen metallin tasapainokoostumuksen (a) ja lämpötilan (b) funktiona eräille tulenkestäville oksideille. a a b oksidin kationikomponentin (Si, Al, Zr, Cr, Mg) pitoisuus (aktiivisuus) metallisulassa 22 11

Esim. alumiinitiivistetyn teräksen happipitoisuus määräytyy tasapainosta Al 2 O 3 :n kanssa. Mikäli vuorausmateriaalin vastaava käyrä on Al 2 O 3 :n määräämää tasapainohappipitoisuutta korkeampi, on ko. vuorausmateriaalin kemialliselle liukenemiselle olemassa ajava voima. Tarkastelu vastaa tilannetta, jossa oksidit liukenevat puhtaaseen rautaan ja se on sovellettavissa niukkaseosteisille teräksille, joissa liuenneiden aineiden pitoisuudet ovat pieniä ja joissa liuottimen voidaan olettaa olevan lähes puhdasta rautaa. 23 Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Aktiivisuus: Tulenkestävän materiaalin aiheuttama teräksen reoksidaatio Esim. SiO 2 ja Cr 2 O 3 -pitoiset vuorausmateriaalit ovat epästabiileita Aldeoksidoitua terästä vastaan. Varmoja inerttejä vuoraus ratkaisuja ovat mm. magnesia ja zirkoniumoksidi, sekä CaO Al 2 O 3. 24 12

Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Aktiivisuus: Tulenkestävän materiaalin aiheuttama teräksen reoksidaatio Edellä esitettyjen tasapainolaskelmien perusteella voidaan vetää mm. seuraavia johtopäätöksiä: - Lämpötilan noustessa tulenkestävän materiaalin stabiilisuus heikkenee ja sen taipumus syöttää happea sulaan kasvaa. - Sulan teräksen koostumuksella on suuri merkitys tulenkestävän materiaalin mahdollisuuksiin syöttää happea sulaan teräkseen. - Jos tulenkestävä materiaali sisältää paljon esim. pii- ja kromioksidia, on sillä voimakas pyrkimys liueta reoksidoiden terästä. 25 Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Esimerkkejä tilanteista, joihin vapaaenergiapiirrosten soveltaminen ei onnistu ilman tiettyjen reunaehtojen erillistä huomiota. - Aktiivisuus 1 esim. Tulenkestävän materiaalin aiheuttama teräksen reoksidaatio. - Paine 1 atm esim. Vakuumikäsittely - Ei-oksidisten yhdisteiden muodostuminen esim. CaO, MgO 26 13

Reaktiotermodynamiikan käytössä huomioitavia seikkoja Paine Se, että vapaaenergiapiirrokset on yleensä laadittu puhtaille aineille, rajoittaa niiden käyttöä paitsi tilanteissa, joissa hajoamistuotteet liukenevat vuorausmateriaalin kanssa kontaktissa olevaan metallisulaan (aktiivisuus 1), myös tilanteissa, joissa tarkasteltavan systeemin kokonaispaine poikkeaa 1 atm:n normaalipaineesta. Tällöin on paineen muutos otettava huomioon niiden oksidien stabiilisuutta tarkasteltaessa, jotka tarkasteltavalla lämpötila-alueella ovat kaasumaisia tai joiden hajoamistuote vastaavissa olosuhteissa on kaasumainen. 27 Reaktiotermodynamiikan käytössä huomioitavia seikkoja Paine: esim. vakuumikäsittely Tankkivakuumilla tehdään teräkselle tyhjiökäsittely, jonka tarkoituksena on poistaa liuenneita kaasuja kuten vetyä. Tyhjökäsittelyuunien vuorauksena käytetään usein MgO-C tiiliä. 14

Reaktiotermodynamiikan käytössä huomioitavia seikkoja Paine: esim. vakuumikäsittely MgO:n ja CO:n Gibbsin vapaaenergiat lämpötilan funktiona eri magnesiumin ja hiilimonoksidin osapaineilla. MgO(s) + C(s) = Mg(g) + CO(g) CO on normaalipaineessa MgO:a stabiilimpi vasta yli 2200 K:n lämpötiloissa Osapaineiden ollessa 0,0001 MPa, on CO MgO:a stabiilimpi jo 1550 K:ä korkeammissa lämpötiloissa. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että käytettäessä MgO-C-tiiliä tyhjökäsittelyssä, on yhtälössä esitetylle vuorauksen tuhoutumisreaktiolle olemassa ajava voima kaikissa 1550 K:a korkeammissa lämpötiloissa. 29 Reaktiotermodynamiikan käytössä huomioitavia seikkoja Paine: esim. vakuumikäsittely Mikseivät MgO-C tiilet kuitenkaan haihdu hetkessä? MgO(s) + C(s) = Mg(g) + CO(g) - Kontaktipinta-ala usein pieni (kiinteä-kiinteä reaktio) - Reaktio mahdollinen vain kontaktipisteissä fi Hidas reaktio 30 15

Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Esimerkkejä tilanteista, joihin vapaaenergiapiirrosten soveltaminen ei onnistu ilman tiettyjen reunaehtojen erillistä huomiota. - Aktiivisuus 1 esim. Tulenkestävän materiaalin aiheuttama teräksen reoksidaatio. - Paine 1 atm esim. Vakuumikäsittely - Ei-oksidisten yhdisteiden muodostuminen esim. CaO, MgO 31 Reaktiotermodynamiikan käytössä huomioitavia seikkoja Ei-oksidisten yhdisteiden muodostuminen Vapaaenergiapiirrokset on laadittu vain yhdenlaiset yhdisteet huomioiden (esim. oksidit) fi ei voida hyödyntää sellaisten tulenkestävien materiaalien kemiallisten kulumismekanismien tarkasteluun, joihin liittyy muiden kuin tarkastelussa huomioitujen yhdisteiden muodostumista. Vaikka vuorausmateriaalin oksidit sinällään olisivatkin erittäin stabiileja, voi niiden kemiallinen tuhoutuminen olla mahdollista, mikäli oksidit pyrkivät reagoimaan joksikin toiseksi yhdisteeksi esim. reagoimalla hiilidioksidin tai vesihöyryn kanssa : - CaO fi CaCO 3, Ca(OH) 2 - MgO fi MgCO 3, Mg(OH) 2 32 16

MgO Matalammissa lämpötiloissa hydroksidin ja karbonaattin muodostumiselle on ajava voima jo varsin matalilla vesihöyryn ja hiilidioksidin osapaineilla. MgO:n ja Mg(OH) 2 :n välinen faasiraja lämpötilan ja H 2 O:n osapaineen funktiona, kun hapen osapaine on vakio. MgO:n ja MgCO 3 :n välinen faasiraja lämpötilan ja CO 2 :n osapaineen funktiona, kun hapen osapaine on vakio. 33 Magnesiittitiilen hydratoituminen Tiileen imeytynyt kosteus on reagoinut magnesiitin kanssa, jolloin hydratoitumisen seurauksena on syntynyt Mg(OH) 2 :a. Oksidista hydroksidiksi vaihtumisen myötä kideranne muuttuu ja aikaansaa 115 % tilavuuskasvun. Hydratoituminen johtaa lopulta tiilen mekaanisten ominaisuuksien täydelliseen menettämiseen. Rikkoutunut magnesiittiä sisältävä kaatoreikätiili, joka on ollut alle 200ºC asteisena kontaktissa veden kanssa. Lähde: Lauri Pesonen, Metallurgisten uunien jäähdytysjärjestelmät, Diplomityö, TKK, 2007. 34 17

CaO Matalammissa lämpötiloissa hydroksidin ja karbonaattin muodostumiselle on ajava voima jo varsin matalilla vesihöyryn ja hiilidioksidin osapaineilla. CaO:n ja Ca(OH) 2 :n välinen faasiraja lämpötilan ja H 2 O:n osapaineen funktiona, kun hapen osapaine on vakio. CaO:n ja CaCO 3 :n välinen faasiraja lämpötilan ja CO 2 :n osapaineen funktiona, kun hapen osapaine on vakio. 35 Reaktiotermodynamiikan käytössä huomioitavia seikkoja Ei-oksidisten yhdisteiden muodostuminen Vesihöyryn ja hiilidioksidin lisäksi myös - alkalit - rikki - kloori fi matalalla sulaviksi alkaliyhdisteiksi (mm. alkalisilikaatit). fi sulfideiksi, sulfaateiksi fi klorideiksi voivat aikaansaada tilanteita, joissa tulenkestävät materiaalit joutuvat kemiallisen rasituksen alaiseksi niissä esiintyvien oksidien pyrkiessä reagoimaan muiksi yhdisteiksi. 36 18

Reaktiotermodynamiikan käyttö tulenkestävien valinnassa Reaktiotermodynamiikka on yksi käyttökelpoinen menetelmä, jolla voidaan helposti ja suhteellisen nopeasti tarkastella yhtä tulenkestävien materiaalien valintaperustetta eli niiden kemiallista kestävyyttä. Tarkastelun yhteydessä on kuitenkin huomioitava: - tulenkestävissä materiaaleissa olevien yhdisteiden ja niiden hajoamisessa syntyvien aineiden todelliset aktiivisuudet - systeemin kokonaispaine - yhdisteet joita vuorausten kemiallisen hajoamisen yhteydessä voi muodostua 37 Reaktiotermodynamiikan käyttöä rajoittavia seikkoja Reaktiotermodynamiikan käyttöä kokonaisuudessaan puolestaan rajoittavat tilanteet, joissa tulenkestävien materiaalien kemiallinen kuluminen ei kulumismekanismista johtuen ole termodynamiikan vaan esimerkiksi reaktiokinetiikan tai aineensiirron rajoittamaa. Näissäkin tapauksissa termodynamiikka voi kertoa, onko kemialliselle kulumiselle olemassa ajavaa voimaa, mutta sen avulla ei saada vastausta siihen, millä nopeudella kuluminen käytännössä tapahtuu. 38 19

MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosessissa (3 op) Alustava aikataulu Syksy 2015 - Ti 27.10 Johdanto tulenkestäviin materiaaleihin - Ke 28.10 Tulenkestävät materiaalit - Ti 3.11 Tulenkestävien materiaalien käyttömuodot ja ominaisuudet - Ke 4.11 Vuorauksiin kohdistuvat rasitukset - Ti 10.11 Tulenkestävien materiaalien käyttö Case esimerkkejä - Ke 11.11 Reaktiotermodynamiikan käyttö materiaalivalinnassa - Ti 17.11 Ei luentoa - Ke 18.11 Peitosteet/Valupulverit - Ti 1.12 Tentti klo 12-16, MTG:n sem.huone B329 39 20