В последнее время в промышленном масштабе исследуется и частично внедряется в производство разновидность непрерывного процесса — струйное рафинирование , основанное на распылении и рафинировании жидкого чугуна струями кислорода в вертикальном реакторе шахтного типа. Примеси в каплях чугуна частично окисляются (во время их падения) кислородом газовой фазы. Завершается процесс в нижней части реактора за счет окислов железа шлака. Массовое испытание нового процесса было впервые проведено в Англии в 1966 г. на заводе Мил лом институтом БИСРА.
Данные о непрерывном пульверизационном рафинировании (НПР) убедительно подтвердили возможность огромной vC в каплях во время их пребывания в окислительном газе и шлаке. При малом размере капель vC,к на два-три порядка больше, чем в конверторной ванне, что согласуется с нашими выводами. А. А.Казаков и сотрудники доказали, что при НПР во время пребывания капель в газовой фазе окисляется около 0,54% С, а в шлаке — до 2,5%. С помощью скоростной киносъемки было установлено, что металл находится в газовой фазе 0,2 с. В этот период средняя величина vC,к равнялась 2,7% с. Более 85% капель имели радиус 0,015—0,125 см.
Из результатов исследований, проведенных В. И. Явойским и сотрудниками, видно, что тпреб капель металла в газовой фазе реакционной камеры установки НПР составляло 0,04—0,13 с (измерено с помощью фотоэлектрических датчиков). За это время окислялось до 1,5% С и vC,к достигала 900%/мин.
В период нахождения капли в шлаке процесс окисления углерода лимитируется диффузией кислорода в пограничном слое металл — шлак (см. §2 гл. 12). Величина vC,к может быть рассчитана по уравнению (12.7). Так, при [% С] > 0,3; rк = 0,025 и 0,010 см vC,к = 0,19 и 0,5%/с соответственно.
Во время пребывания капли в окислительном газе возможны два режима процесса обезуглероживания. В начальной стадии рафинирования при [% С] выше определенной переходной концентрации процесс лимитируется внешней диффузией кислорода в пограничном слое газ — металл. Если [% С] ниже переходной концентрации (после появления на поверхности капли окисной пленки), процесс лимитируется диффузией кислорода в пограничном слое металл — шлак. Если [% С] выше переходной концентрации, то скорость выгорания углерода в капле может быть рассчитана по уравнению
(12.15)
где ?O2 — коэффициент массопереноса кислорода в газе, м/с; ?i и ?м — соответственно плотность газа и металла, кг/м3. Однако уравнение (12.15) справедливо лишь при сравнительно большом радиусе капель. Так, например, если rк = 5 • 10–4 м; (% О) = 100; ?O2 = 0,4 м/с (такая величина ?O2 получена для условий мартеновской плавки; в условиях ПНР она, вероятно, несколько больше); ?г = 0,2 кг/м3 (при Т = 2000 К) и ?м = 7000 кг/м3, то значение vС,к<?sub> = 5,15%/с. Результат расчета по порядку величины vС,к близок к опытным данным В. И. Явойского и сотрудников, А. А. Казакова и других исследователей.
Если же rк<?sub> = 10–4 м, то для приведенных выше значений других параметров по уравнению (12.15) получаем vC,к = 25,70%/с, что на порядок больше величин vС,к во время пребывания капель в окислительном газе.
Следовательно, при высоком [% С] и rк < 0,5 мм процесс обезуглероживания в каплях во время их падения в окислительном газе лимитируется диффузией кислорода в пограничном слое газ — металл. В очень мелких каплях (rк < 0,1 мм) процесс лимитируется диффузией кислорода в пограничном слое металл — окисная пленка, и vС,к может быть рассчитана по уравнению (12.7).
Скорость выгорания углерода в каплях металла, падающих в окислительной газовой фазе, на три порядка больше, чем средняя vC в объеме конверторной ванны и на один порядок выше, чем vC в каплях, которые находятся в шлаке. Однако в связи с малым временем их падения в газовой фазе основное количество углерода при НПР окисляется в шлакометаллической эмульсии.
