Капли металла выносятся в шлак и атмосферу печи во время кипения ванны (или под воздействием струи окислительного газа при ее продувке) в результате образования пленок на пузырьках СО и вдуваемого газа или вследствие разбрызгивания и фонтанирования металла. Корольки имеют шарообразную форму, что обусловлено действием сил поверхностного натяжения. Минимум поверхностной энергии капли достигается при минимальном отношении поверхности к объему, т. е. при шарообразной ее форме.

Детальное исследование корольков в сталеплавильных шлаках, выполненное автором еще в 1947—1950 гг., позволило выявить ряд закономерностей эмульгирования металла и существенную его роль в интенсификации обезуглероживания и других процессов в ванне.

Корольки обладают огромной удельной S_yд, м²/т, и суммарной S_?, м², поверхностью, что обусловливает весьма большую скорость выгорания углерода в них во время контакта с окислительной фазой (шлаком, газом). Диаметры корольков составляют 0,1—3,0 мм, удельная поверхность — 300—17 000 м²/т, ее вычисляют по формуле

(12.1)

Для корольков наиболее часто наблюдаемого размера (d_к = 0,5 мм) S_уд составляет 1700 м²/т, что на четыре порядка больше, чем удельная площадь зеркала ванны в мартеновских печах (0,18— 0,40 м²/т в зависимости от емкости ванны). Это обусловливает огромную скорость многих процессов в корольках.

По известному количеству корольков в каждой фракции можно рассчитать общую их поверхность, м²/100 кг корольков:

(12.2)
где Ф_i, % — количество корольков данной фракции, мас.%; d_i — средний диаметр королька в данной фракции, м; ?_м = 7000 кг/м³ — плотность жидкой стали. Результаты подобного расчета приведены в табл. 8.

Таблица 8. Фракционный состав корольков в шлаке 180-т основной мартеновской печи в период чистого кипения

Суммарная поверхность корольков в шлаке значительно больше или во всяком случае соизмерима с площадью зеркала ванны мартеновской печи. Так, на 900-т печи (S_B = 160 м²) при массе шлака 45 т (5% массы металла) и наличии в нем 0,5% корольков общая их поверхность составит 0,01 • 0,5 • 45 000 • 1,35 ? 300 м², где 1,35 — суммарная поверхность корольков всех фракций, м²/кг (табл. 8).

Итак, огромная удельная поверхность корольков обеспечивает высокую скорость процессов в них при контакте со шлаком или газовой фазой, а весьма большая суммарная поверхность обусловливает значительную долю их участия в процессах, протекающих в ванне.

В настоящее время еще нет данных для прямого расчета количества корольков, выбрасываемых из металла в шлак в единицу времени. Однако эту величину можно определить косвенным путем, зная содержание и размеры корольков в шлаке и время их пребывания в нем ?_преб.

При установившемся процессе кипения содержание корольков в шлаке (% К) изменяется мало, т. е. количество корольков, выброшенных в секунду из металлической ванны (v_к, % к массе металла) и опустившихся за это же время из шлака в металл, одинаково. Поэтому

(12.3)
где M_ш/M_м — отношение массы шлака к массе металла. Так как v_к пропорциональна v_C, а ?_преб — вязкости шлака ?_ш и толщине его слоя h_ш, то в общем случае

(12.4)

Таким образом, количество корольков в шлаке должно увеличиваться с ростом скорости выгорания углерода, вязкости шлака, толщины его слоя и с уменьшением отношения массы шлака к массе металла. Симбатный рост (% К) и v_C подтвержден в работах автора и других исследователей.

В шлаках основных мартеновских печей (% К) колеблется в пределах 0,5—5,0, а в шлаках основных кислородных конверторов — достигает 35—40% (во время максимальной скорости выгорания углерода).

При высокой интенсивности выделения СО из ванны рост (% К) с увеличением v_C замедляется. Это обусловлено повышением скорости циркуляционных потоков в шлаке и коалесценцией корольков, что сокращает время их пребывания в нем.

Содержание корольков в шлаке является достаточно объективной характеристикой степени эмульгирования верхних слоев металла. Исследования проб шлака, отобранных на различной глубине с помощью тарельчатого прибора (см. рис. 44), показали, что в нижних слоях содержание корольков выше и у них [% С] больше, чем в верхних.