Все реакции, протекающие в сталеплавильной ванне, являются гетерогенными, так как в них участвуют вещества, растворенные в нескольких фазах. Так, реакция окисления углерода протекает в системе, которая состоит из двух жидких (металла и шлака), одной или нескольких газообразных (окись углерода, атмосфера печи, вдуваемый в ванну кислород или воздух) и одной или нескольких твердых (подина, руда, остатки нерастворенных в шлаке кусков шлакообразующих материалов) фаз. В реакциях удаления фосфора и серы из металла участвуют металл, шлак и т. д. Следовательно, все сталеплавильные реакции по сути являются сложными процессами, в каждом из которых собственно химическая реакция — лишь одна из стадий.

Любой химический процесс в ванне состоит из следующих стадий:

1. Подвод реагентов к зоне реакции, где сталкиваются частицы (молекулы, атомы, ионы) реагирующих веществ.

2. Собственно химическая реакция — акт, в результате которого частицы, обладающие определенным уровнем энергии, превышающим средний ее уровень в частицах исходных веществ на величину энергии активации, превращаются в частицы продуктов реакции.

3. Отвод продуктов реакции из зоны реакции.

Первая и вторая стадии процессов, в свою очередь, состоят из ряда звеньев — диффузионных, адсорбционных, химических реакций на границах раздела фаз.

Скорость каждого звена гетерогенного процесса v_i может быть вычислена по формуле

V_i = ?_i?C_i – S_i,
(5.1)
где ?_i — коэффициент массопереноса, или скорости химической реакции, м/с; ?C_i — разность концентраций диффундирующего (реагирующего) вещества на входе в данное звено и на выходе из него, кг/м²; S_i — диффузионная поверхность в данном звене, м².

Уравнение (5.1), как будет показано ниже, наиболее применимо для расчета v_i массообменных и теплообменных звеньев (во втором случае при замене ?C_i перепадом температур ?t_i). Для химических звеньев гетерогенного процесса его можно использовать лишь при реакции первого порядка относительно концентрации диффундирующего и реагирующего вещества (например, когда скорость химического звена процесса окисления углерода зависит от сверхравновесной концентрации кислорода ? [% О] в первой степени, или, если система далека от равновесия, — от [% О] в первой степени). Этот случай позволяет описать диффузионные и химические стадии или звенья одинаковыми по форме уравнениями и получить наиболее простые математические решения.

Если процесс состоит из ряда последовательных звеньев и носит стационарный характер, то по закону сохранения массы скорости отдельных звеньев (секундные диффузионные потоки или секундные массы прореагировавших веществ, отнесенные к единице объема металла, кг/ (м³ • с)) и скорость процесса в целом равны между собой:

V_? = v₁ = v₂ = v₃= • • • = ?_??C_? = K₁?C₁ = K₂?C₂ = …,
(5.2)
где K_i = ?_iS_i/V_M — константа скорости процесса диффузии (или химической реакции) в звене i, 1/с; ?C_i — перепад концентраций в пограничном слое звена i, кг/м³; S_i — поверхность раздела фаз в звене i, м².

Очевидно, чем меньше K_i, тем больше должен быть ?C₁, так как при стационарном процессе их произведение — величина постоянная (5.2) и перепад концентраций обратно пропорционален константе скорости процесса в данном звене. Это позволяет сделать весьма важный вывод: при стационарном процессе максимальные перепады концентраций соответствуют его наиболее медленным последовательно протекающим звеньям, т. е. наблюдается полная аналогия с гидравликой, переносом электричества, тепла. Наибольшие падения напора, напряжения, температуры происходят в звеньях с максимальным сопротивлением или минимальной проводимостью.

Сопротивление каждого звена выразим следующей формулой:

(5.3)

Тогда сопротивление всей системы

(5.4)

Общая скорость процесса

(5.5)
где ?C_? — суммарный перепад концентраций во всех звеньях процесса, кг/м³. Согласно уравнению (5.5) суммарная константа скорости процесса

(5.6)

Очевидно, если константа скорости наиболее медленного звена неизмеримо меньше (например, на два порядка), чем остальных звеньев, то суммарная константа скорости всего процесса равна константе скорости наиболее медленного звена. Так, при K₁ << K₂ << K₃ K_? ? K₁. Если имеется несколько медленных звеньев с соизмеримыми значениями констант скорости, то константа скорости всего процесса будет намного меньше, чем наиболее медленного звена. Так, если K₂ = 2К₁ и K₃ = 4K₁ то при неизмеримо больших значениях K_i остальных звеньев, что значительно меньше величины константы скорости наиболее медленного звена K₁. Однако в литературе это обстоятельство часто не учитывается.

В металлургии стали наиболее часты случаи, когда процесс в целом лимитируется не одним, а несколькими медленными звеньями. По этой причине значительные перепады концентраций наблюдаются в нескольких звеньях. Максимальные перепады характерны для диффузионных звеньев и, хотя коэффициенты скорости в некоторых из них относительно большие, значения ?C_i во всех звеньях соизмеримы (величины одного порядка). Например, в процессе обезуглероживания стали перепады концентраций кислорода в газовой фазе, шлаке и металле, кг/м³, несколько отличаются по абсолютной величине, но они соизмеримы.