Между содержанием углерода в ванне [% C] и в корольках [% С]_к существует тесная связь (рис. 82). Количество выгоревшего в корольках углерода соответствует уравнению

? [ % C]_выг.к = [% С] — [% С]_к = 0,57 [% С]^1.28.
(12.5)

Если известно время пребывания корольков в шлаке тпреб, то скорость выгорания углерода в корольках можно рассчитать по формуле

(12.6)

Непосредственно определить ?_преб трудно. Расчеты по известным формулам скорости оседания сферических частиц (формулы Стокса, Рыбчинского, Адамара и др.) дают лишь ориентировочные результаты, так как при наличии в шлаке циркуляционных потоков фактическая скорость оседания может отличаться от расчетной. В описанных ниже лабораторных экспериментах установлено, что ?_преб не превышает 10 с. Этот показатель хорошо согласуется с полученным по уравнениям массопереноса.

Расчеты показывают, что скорость выгорания углерода в корольках во время их пребывания в шлаке огромна. Она на два-три порядка больше, чем в мартеновской ванне и на один — чем в ванне конвертора. Так, при [% С] = 1,0; ?[% С]_выг,к = 0,6% и ?_преб = 10 c v_С,к = 3,6% С/мин.

Возможную скорость окисления углерода в корольках можно определить по уравнению массопереноса в наиболее медленном звене процесса обезуглероживания. При среднем и высоком [% С] в корольках (более 0,3), как показали расчеты, процесс ли митируется диффузией кислорода в пограничном слое металл — шлак (возможные скорости других звеньев процесса, например диффузии углерода в объеме металла и закиси железа в пограничном слое шлак — металл, значительно больше). Поэтому результаты, близкие к действительным, можно получить по уравнению

(12.7)
где 6/d_к — отношение поверхности королька к его объему; выражение в знаменателе (в скобках) учитывает повышение [% О] при окислении углерода; m = 0,002 — равновесное произведение [% С] [% О] при Р_CO = 10⁵ Па; ?_[O] — коэффициент массопереноса кислорода.

Рис. 82. Зависимость между содержанием углерода в мартеновской ванне [% С]_ванн (1), количеством, %, выгоревшего в корольках углерода ?[С]_к (2) и содержанием углерода в корольках [% С]_к (3) (цифры у точек — число проб)

Пример. Содержание закиси железа в шлаке (FeO) = 0,1 м.д.; ?_(FeO) = 2.5; a_(FeO) = 0.1 • 2.5 = 0.25; L_O = 0.23 (при 1600° C; ?_[O] = 4 • 10^–4 м/с = 0.04 см/с (для большей убедительности расчета принято минимальное значение ?_[O]); mР_CO 10^–5 = 0,002; d_к = 5 ? 10^–4 м (0,05 см). Согласно уравнению (12.7) скорость выгорания углерода в корольках мало зависит от [% С] (в интервале 1,0—0,4) и в среднем составляет 0,19%/с, что на три-четыре порядка больше, чем в ваннах большегрузных мартеновских печей.

За последние годы высокая скорость окисления углерода в каплях металла в окислительном шлаке достаточно убедительно подтверждена экспериментально. А. X. Дымнич и сотрудники (Дон-НИИчермет) на специальной установке исследовали время пребывания капель расплава Fe—С в окислительном шлаке (CaO)/SiO₂ = 1,3—2,0; FeO = 10—11%; t = 1600—1740° С) и скорость выгорания углерода в них. Положение в шлаке, а следовательно, и скорость вертикального перемещения предварительно активированной радиоактивным изотопом капли фиксировали детектированием коллимированного пучка радиоактивного излучения. Скорость опускания капли рассчитывали по расстоянию между щелями коллиматора и времени прохождения частицей этого расстояния. Это время определяли на основе сигналов, поступающих от датчиков, воспринимающих излучение частицы.

Во время интенсивного окисления углерода в результате флотации пузырьками СО капля витает в шлаке или поднимается к его поверхности. При некотором критическом [% С]_п.в скорость выгорания углерода резко уменьшается, витание капли прекращается и она весьма быстро (со скоростью около 20 см/с) опускается на дно тигля. Общее время пребывания капли в шлаке зависело от начального [% С] и колебалось в пределах 4—12 с. Средняя скорость окисления углерода в каплях во время их витания в шлаке

(12.8)
где [% С]_п.в — содержание углерода в металле после прекращения витания капли в шлаке; ?_в — время витания капли. Величина v_С,к при [% С]_нач = 2,0—4,0 и 1,0—1,5 составляла соответственно 0,40—0,80 и 0,06—0,20 %С/с.

До настоящего времени недостаточно выяснен вопрос о механизме зарождения пузырьков СО в объеме королька или на поверхности его контакта с гомогенным жидким шлаком. В. И. Баптизманский считает, что активными центрами зарождения СО в объеме капли и на границе металл — шлак могут служить твердые оксидные включения и частицы графита, выделившиеся из расплава в результате его пересыщения углеродом при окислении железа в поверхностных слоях капли. По мнению Е. В. Челищева, окисление углерода возможно на поверхности раздела металл — шлак.