Исследования процессов в висящих или падающих в окислительной газовой среде каплях представляют большой интерес. Такие эксперименты выполнены советскими учеными и рядом зарубежных исследователей.
Ф. Ричардсон исследовал кинетику обезуглероживания капель, висящих в электромагнитном поле, при их взаимодействии с газовой фазой, окислительный потенциал которой изменяли в широких пределах. Автор установил, что при высоком содержании углерода его окисление происходит на поверхности капель, в результате чего их форма и размеры остаются почти неизменными. На основании этого исследователь сделал вывод, что массоперенос кислорода в газовой фазе совершается медленнее, чем углерода из объема капли к ее поверхности.
При пониженном [% С] диффузионный поток кислорода в пограничных слоях газ — металл (со стороны газа) и металл — газ (со стороны металла) превышает диффузионный поток углерода в пограничном слое металл — газ и реакция окисления углерода перемещается с поверхности капель в их объем. Этот момент экспериментально определяется вскипанием металла и частым взрывом капель, Переходная концентрация углерода равна 0,5—1,0%.
В. И. Явойский считает, что у поверхности капли при отрицательном значении радиуса кривизны газовой фазы давление выделения P0CO2 резко повышается с уменьшением радиуса капли rк (6.23). В результате этого становится более эффективным защитный барьер, который образуют атомы углерода в поверхностном слое металла против проникновения кислорода в объем капли. Следовательно, с уменьшением rк снижается [% С], при котором происходит переход от поверхностного окисления углерода к объемному.
Л. Бэкер и сотрудники исследовали окисление углерода висящих капель в окислительном газе O2 + Не или СO2 при 1660° С. По их данным, vC,к контролируется скоростью диффузии в газе. Исключение представляют низкие [% С], при которых процесс лимитируется диффузией углерода в металле.
Р. Каплан и Ф. Фильбрук установили, что взвешенные капли металла взрывались в атмосфере O2 + Не, когда [% С] снизилось до 0,8—1,0 и tм ? 1650° С. При tм > 1850° С и том же [% С] капли не взрывались. Это интересное явление авторы объясняли тем, что с ростом температуры замена поверхностного окисления углерода (торможения процесса массопереносом в газовой фазе) объемным происходит при более низком [% С].
П. Роддис изучал окисление углерода в каплях, падающих в сосуде, наполненном окислительным газом. С помощью скоростной киносъемки (8000 кадров/с) и фотосъемки (выдержка 1/1000 с) определяли момент перемещения реакции обезуглероживания с поверхности в объем капли. Установлено, что движение последней облегчает объемную реакцию. При 1600° С в атмосфере чистого кислорода переходная концентрация углерода, ниже которой поверхностная реакция, лимитируемая диффузией в газе, заменяется объемной, составляет 3%. Если газ разбавить азотом до 30 и 50%, эта величина снизится до 2 и 1 %.
В. И. Явойский и сотрудники исследовали кинетику рафинирования падающих капель в установке струйного рафинирования. Было определено, что скорость выгорания углерода в них на один-два порядка больше, чем в кислородном конверторе.
Как установили А. А. Казаков и сотрудники, при взаимодействии падающих капель с кислородом в агрегате струйного рафинирования окисляется большое количество железа (по балансу примесей и составу шлака — около 40% всей массы металла). Это является одним из доказательств ограниченности прямого окисления примесей металла.
А. М. Бигеев и сотрудники исследовали окисление примесей в каплях во время их контакта с газовой фазой при струйном рафинировании (расход O2 60—100 м3/т). Если диаметр капли больше 2,5 мм, ее рафинирование незначительно. В каплях диаметром менее 1 мм окисляется 50% начального содержания углерода и 30% серы. Авторы предполагают, что окисление примесей в каплях происходит на границе раздела металл — газ и лимитируется молекулярной диффузией примесей из центра капли к поверхности (вну-тридиффузионный режим окисления). Однако этот вывод не согласуется с расчетными и экспериментальными данными, полученными другими авторами.
