При [% C] < 0,1 (и особенно при [% C] < 0,05) v_C резко уменьшается. Так, например, если [% C] = 0,04, то v_C в 10—15 раз меньше, чем v_C,max, наблюдаемая при [% С] > 0,3. Это обусловлено тем, что по мере снижения концентрации углерода система металл — шлак приближается к равновесию по кислороду. Перепады концентраций ? [% O]_м.ш = a_(FeO) L_O — [% О] и ? [% O]_м.п = [ % О] — mР_CO 10^–5/[ % С] становятся незначительными, что соответственно уменьшает v_O2. К тому же поступающий в ванну кислород расходуется в основном на увеличение его концентрации в металле и содержания FeO в шлаке [(6.97) и рис. 55].

Присадка руды или продувка ванны кислородом недостаточно ускоряет окисление углерода при [% С] < 0,05. В этом случае для интенсификации обезуглероживания стали более эффективно снижение P_CO в пузырьках, что возможно при использовании вакуума. Ho такая технология сложна, к тому же длительная выдержка металла в вакуумной камере может привести к значительному его охлаждению. Более эффективно глубокое обезуглероживание металла при сочетании вакуумирования с продувкой металла газообразным кислородом или аргонокислородными смесями.

Самым простым способом увеличения v_C при [% C] < 0,05 является продувка ванны инертным газом (аргоном) или воздухом. Как показали опытные плавки, проведенные автором в 1962 г. На Чепельском машиностроительном заводе, продувка ванны воздухом обеспечивает более высокую v_C и глубокое обезуглероживание электротехнической стали по сравнению с продувкой кислородом. Это интересное и на первый взгляд парадоксальное явление объясняется тем, что пузырьки азота снижают среднюю величину P_CO в контактирующей с металлом газовой фазе. В результате увеличивается скорость выгорания углерода:

(6.103)

К такому же выводу приходим, предположив, что процесс лимитируется диффузией углерода:

(6.104)

Все сказанное выше позволяет сделать следующие выводы по теории обезуглероживания.

1. Тепловой эффект реакции [C] + [O] = [CO] невелик, поэтому константа ее равновесия мало изменяется с температурой и составляет ~500. Произведение f_[C] f_[O] ? 1 (при [% С] ? 2,0), и в расчетах можно вместо активностей использовать концентрации, выраженные в массовых процентах.

2. Суммарный тепловой эффект реакции [С] + ? [O₂] = [CO] значителен (около 125 кДж/моль), поэтому продувка ванны кислородом и использование горячего кислорода атмосферы подовой печи являются наиболее эффективными методами интенсификации сталеплавильных процессов.

3. Выделение окиси углерода из расплава Fe — С возможно на шероховатой поверхности футеровки ванны, твердых частицах размером больше критического радиуса, готовых газовых пузырьках и полостях. В объеме гомогенного расплава зародыши CO не образуются из-за огромного капиллярного давления.

4. Процесс обезуглероживания металла состоит из ряда адсорбционно-химических и диффузионных звеньев. Последние — наиболее медленные, так как химические процесськпротекают при высоких температурах с большой скоростью. Это подтверждается малой энергией активации процесса. Сопротивление каждого из диффузионных звеньев – заметно влияет на общее сопротивление всех звеньев процесса, о чем свидетельствует наличие соизмеримых градиентов концентраций в газе, шлаке и металле.

5. Во время чистого кипения мартеновской ванны фактическая поверхность раздела металл — шлак и шлак — атмосфера печи примерно в два раза превышает геометрическую площадь зеркала ванны, а суммарная поверхность пузырьков на один порядок больше поверхности металл— шлак. Это приближает [% О] к равновесному с углеродом в металле.

При продувке ванны кислородом необходимая (для достижения огромных скоростей поглощения кислорода металлом) поверхность контакта газа с металлом обеспечивается суммарной поверхностью пузырьков кислорода, которая на пять порядков больше поверхности кислородной струи (кратера) в металле. Сочетание их с подовыми пузырьками создает в кислородном конверторе огромную поверхность для выделения CO и способствует увеличению v_C на два порядка по сравнению с v_C в период чистого кипения мартеновской ванны.

6. Скорость окисления углерода обусловлена в основном интенсивностью ввода кислорода в ванну и зависит от содержания углерода в металле лишь при [% С] ниже критического. Последнее в производственных условиях составляет 0,2—0,3%. Переходная концентрация углерода, ниже которой поверхностное реагирование углерода и внешнедиффузионное торможение процесса сменяются объемным реагированием и внутридиффузионным торможением процесса, растет с увеличением интенсивности поступления кислорода к поверхности металла.

7. При концентрации углерода, ниже переходной, но выше критической, v_C с уменьшением [% С] почти всегда увеличивается. В случае [% C] < [% С]_кр снижение v_C обусловлено расходованием части вводимого в ванну кислорода на увеличение [% О] и (% FeO). При [% С] < 0,04 процесс лимитируется диффузией углерода к поверхности пузырьков CO.

8. В мартеновской ванне наибольшее количество углерода окисляется в верхних слоях металла, где поверхность всплывающих пузырьков и ? [% О] максимальны по сравнению со значениями этих величин в расположенных ниже слоях металлической ванны.

9. В кислородно-конверторной ванне самое большое количество углерода окисляется в окружающих зону продувки слоях металла, на поверхностях всплывающих пузырьков O₂ и CO.

10. Мощность перемешивания мартеновской ванны пузырьками CO составляет в зависимости от v_C 0,1—0,2 кВт/т стали. При продувке ванны окислительным газом эта величина растет пропорционально интенсивности продувки (в результате адиабатического расширения вдуваемого газа, изотермического расширения пузырьков CO и неассимилированной части вдуваемого газа).

11. При продувке ванны кислородом или воздухом прямое окисление углерода и других примесей металла ограничено, так как в зоне продувки с кислородом реагирует в основном железо. Углерод и другие примеси окисляются преимущественно косвенным путем во вторичной реакционной зоне посредством закиси железа, образованной при реагировании с кислородом капель металла (в струе окислительного газа) и поверхностных слоев стали, окружающих всплывающие пузырьки окислительного газа.

12. Окисленность металла зависит в основном от [% С]. В малоуглеродистой стали ([% С] < 0,15) некоторый рост [% О] обусловливается увеличением а_FeO. Поэтому при производстве такой стали необходимо принять меры для предотвращения переокисления металла в конце плавки.

13. Ускорению процесса выгорания углерода способствует продувка ванны кислородом в конверторах, кислородом или кислородосодержащими смесями в мартеновских печах (значительный эффект дает продувка мартеновской ванны воздухом, в сочетании с повышением интенсивности поступления в ванну кислорода из атмосферы печи); увеличение a_(FeO) (присадки твердых окислителей при достаточном перегреве металла и интенсивном подводе тепла в ванну); сочетание интенсивного подвода кислорода в ванну с энергичным ее перемешиванием; увеличение химического потенциала кислорода газовой фазе и скорости движения окислительного газа у поверхности его контакта со шлаком и металлом; перегрев металла выше линии ликвидуса не менее 40° С; продувка малоуглеродистой стали (менее 0,05% С) нейтральным газом или кислородом в вакуумной камере.