В условиях мартеновской плавки и кислородно-конверторного процесса с верхней продувкой (поступление кислорода в металл сверху вниз) содержание кислорода в верхних слоях металла и в среднем во всей ванне должно превышать равновесное, соответствующее давлению в пузырьках у подины, на величину ? [% О]. Последняя обеспечивает диффузию кислорода из верхнего слоя металла в нижний и из основной его массы к поверхности пузырьков. Поэтому в верхних горизонтах металла

(6.15)
где [% O]_р.с.н — равновесное с углеродом содержание кислорода в нижнем слое.

По мере подъема пузырьков CO в ванне давление столба металла на пузырек снижается в связи с уменьшением H_м. При этом непрерывно уменьшается [% O]_р.с (6.12). Одновременно происходит некоторое, хотя и небольшое, увеличение [% О] в объеме металла вблизи всплывающего пузырька. В итоге перепад концентраций в стали у поверхности пузырька достигает максимума в верхнем слое металла:

(6.16)

На основе большого количества опытов автором выявлено, что зависимость [% O] от [% С] в ваннах 185 и 370-т мартеновских печей в период чистого кипения (рис. 37, кривая 2) достаточно точно описывается уравнением

(6.17)

Это уравнение может быть применено при оценке окисленности металла в современных большегрузных агрегатах (при [% С] < 0,15, как показано в § 10, необходима небольшая поправка, учитывающая окисленность шлака).

Из рис. 37 видно, что разность концентраций кислорода в металле при равновесии со шлаком и в объеме металлической ванны

?[% O]_м.ш = [% O]_р.ш — [% О] = a_(FeO)L_O — [% О](6.18)
значительно больше, чем разность концентраций кислорода в объеме металла и при равновесии с углеродом, т. е.

?[% O]_м.ш >> ?[% О].(6.19)

Следовательно, химический потенциал кислорода в шлаке во время кипения ванны намного выше, чем в металле. Химический потенциал кислорода в металле незначителен, но все же заметно больше, чем у поверхности пузырьков. Это свидетельствует о том, что при переходе из шлака в металл диффузионный поток кислорода встречает значительно большее сопротивление, чем в последующих звеньях процесса в металле. Высокое сопротивление пограничного слоя шлак—металл обусловлено в основном малой суммарной поверхностью контакта указанных фаз по сравнению с суммарной поверхностью границы раздела металл — пузырьки.

Пробы для определения содержания кислорода обычно отбирают из верхних слоев металла. Казалось бы, что в этих слоях, где P_CO в пузырьках близко к 10⁵ Па, [% О] должно быть ниже, чем в металле у подины, в котором давление значительно выше (6.12). Однако ввиду того, что диффузионный поток кислорода направлен сверху вниз (за исключением потока кислорода в конверторах с донной продувкой), [% О] в верхних слоях всегда выше, чем в нижних. В противном случае прекратилась бы диффузия кислорода к месту зарождения пузырьков (к подине) и приостановилось кипение (всплывание и рост пузырьков CO). Это неизбежно привело бы к росту [% O] в верхнем слое металла за счет поступающего из шлака кислорода до установления определенного перепада концентраций, зависящего от сопротивления данного звена стационарного процесса (см. § 1 гл. 5).

Рис. 37. Влияние содержания углерода на концентрации кислорода в металле:
1 — максимально возможные при равновесии металла со шлаком [% O]_р.ш = a_(FeO) L_O; 2 — фактические в ванне больших печей в период чистого кипения; 3 и 4 — в условиях равновесия с углеродом при P_CO = 0,15 и 0,1 Мпа соответственно