Download
1 / 48
480 likes | 777 Views
Faasipiirrokset, osa 3 Ternääristen ja monikomponenttipiirrosten tulkinta. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2012 Teema 1 - Luento 5. Tavoite. Oppia tulkitsemaan 3-komponentti-systeemien faasipiirroksia. Ternääriset tasapainopiirrokset.
E N D
Faasipiirrokset, osa 3Ternääristen ja monikomponenttipiirrosten tulkinta Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2012 Teema 1 - Luento 5
Tavoite • Oppia tulkitsemaan 3-komponentti-systeemien faasipiirroksia
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
Ternäärinen pohjakolmio • 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
Sideviivat • Ternäärisen tasapaino-piirroksen isotermisen leikkauksen kaksifaasialueille piirrettyjä viivoja • Niiden avulla voidaan esittää keskenään tasapainossa olevien faasien koostumukset ja määräsuhteet • vrt. vipusääntö binäärisysteemissä
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 piirroksistatehtävät 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
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
Satulapiste • Voi esiintyä ternäärisissä systeemeissä, joissa • Esiintyy välifaaseja • On lukuisia eutektisia pisteitä • Kahta eutektista pistettä yhdistävissä laaksoissa esiintyvä piste, jossa likvidus-pinnalla 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
Ternäärinen peritektinen tasapaino • Ternäärinen peritektinen lämpötila (TX) < Binäärinen eutektinen lämpötila (E) > Binääriset peritektiset lämpötilat (P1 ja P2)
Ternäärinen eutektis-peritektinen tasapaino • Ternäärinen eutektis-peritektinen lämpötila (TX) > Toinen binäärinen eutektinen lämpötila (E1) < Toinen binäärinen eutektinen lämpötila (E2) < Binäärinen peritektinen lämpötila (P)
Vipusääntö kolmen faasin alueella • Faasien x, y ja z osuudet tarkastelupisteessä t:
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.
Eutektiset, peritektiset ja monotektiset laaksot • Paksummat viivat • Nuoli osoittaa laskevan lämpö-tilan suuntaan • 1: Eutektinen • 2: Peritektinen • 3: Monotektinen • Esim.
Satulapisteet • Yksittäinen poikkiviiva eutektisisissa tai muissa laaksoissa • Esim.
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.
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.
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, 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
Konvertteriprosessin tarkastelu kuonatien avulla • Kuonatien avulla voidaan kuvata prosessin kulkua tasapainopiirroksia hyödyntäen
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?
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
Kvaternääristen systeemien leikkaukset • Jo isotermisenkin leikkauksen esittämiseen tarvitaan kolme ulottuvuutta Mielekästä kiinnittää paineen ja lämpötilan lisäksi vähintään yksi pitoisuusmuuttuja Kuvaajasta helpommin tulkittava
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 Leikkaus on voidaan tehdä myös käyttäen tason päätepisteinä systeemissä esiintyvien välifaasiyhdisteiden koostumuksia
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
