При изучении механизма окислительных процессов в конверторной ванне, скорость которых на два порядка больше, чем в мартеновской (без продувки кислородом), весьма важно уточнить размеры поверхности контакта фаз, обусловливающие огромные скорости поглощения ванной вдуваемого кислорода и окисления примесей металла. Поверхность кислородного кратера ничтожно мала и не может обеспечить значительной массопередачи. По расчетам В. И. Баптизманского и Ю. С. Паниотова в 130-т конверторе она составляет около 0,1 м², т. е. 10^–3 м²/т, что на два порядка меньше отношения площади зеркала ванны к массе металла в 900-т мартеновской печи (~ 0,2 м³/т).

Согласно теории обновления поверхности контакта фаз, предложенной Хигби, уменьшение времени обновления ? приводит к увеличению коэффициента массопередачи

(7.29)

Так, если принять, что средняя скорость движения газа в кратере w_cp и металла одинакова (это маловероятно), то при w_cp = 200 м/с, глубине кратера h = 0,5 м ? = h/w_cp = 2,5 • 10^–3 с. Согласно уравнению (7.29), если D_O2 ? 5 • 10^–4 м²/с (в газовой фазе) и D_[O] = 10^–8 м²/с (в металле), то ?_O2 ? 0,5 м/с, а ?_[O] ? 2 • 10^–3 м/с соответственно. В период кипения мартеновской ванны ?_O2 ? 0,1 м/с; ?_[O] ? 5 • 10^–4 м/с. Таким образом, обновление поверхности проявляется в увеличении коэффициента массопередачи.

Если использовать для расчетов нереально большое значение ?_O2 = 5 м/с [на один порядок выше рассчитанного по уравнению (7.29)], то при максимальном перепаде концентраций кислорода в газовой фазе ? C_O2 ? 0,2 кг/м³ (T = 1873 К) общий диффузионный поток через поверхность кислородного кратера

M_O2 = ?_O2? C_O2S
(7.30)
составит ~ 0,1 кг/с (6 кг/мин), что на два порядка меньше количества фактически используемого кислорода (более 400 кг/мин) в 130-т конверторе.

Наблюдение за поведением струи газа и жидкости на моделях, а также практика пульверизационного (так называемого струйного) рафинирования убедительно свидетельствуют о возможности распыления жидкого металла на мелкие капли и вовлечения их в струю газа. Опытами на моделях установлено, что присоединенная масса капель металла m_к/m_O2 ? 3,0 кг/кг O₂.

Суммарную поверхность капель в кратере можно рассчитать по уравнению

(7.31)
где V_крат — объем кратера, м³; ?_м = 7000 кг/м³ — плотность металла; ?_O2 ? 0,2 кг/м³ — плотность кислорода при T = 2500 К и среднем давлении в кратере P_cp = 1,3 • 10⁵ Па. Если средний диаметр капли d_cp ? 10^–5 м, a V_крат ? 0,01 м³, то ?S_к ? 0,5 м². Следовательно, при малом d_cp (0,01 мм) суммарная поверхность капель в кратере на один порядок больше его поверхности, однако удельная поверхность капель в кратере (~ 10^–2 м²/т стали) на один порядок меньше удельной поверхности зеркала ванны в мартеновской печи.

Для оценки суммарной поверхности пузырьков кислорода, образующихся в нижней части кратера и всплывающих через толщу металла, автором выполнен расчет, согласно которому в 130-т конверторе при интенсивности продувки I_O2 = 390 м³³/(т x мин), среднем времени пребывания пузырька в ванне ?_преб = 0,5 с и начальном его радиусе r_нач = 10^–2 м суммарная поверхность пузырьков кислорода в ванне ?S_по2 составляет около 1500 м² или 12 м²/т стали, что почти на два порядка выше удельной поверхности зеркала ванны в мартеновской печи и на четыре — поверхности кратера.

Ввиду значительной сложности выполненного расчета ниже излагаем лишь его схему. При отсутствии растворения кислорода в металле объем пребывающих в ванне пузырьков O₂

(7.32)
(где P_cp — среднее давление в пузырьках, Па) составил бы ~ 19 м³.

Критический радиус пузырька, превышение которого приводит к его дроблению, можно рассчитать по уравнению (6.77):

(7.33)
где K_f ? 0,5 — коэффициент сопротивления. При ? = 1,2 Дж/²; ?_г = 0,2 кг/м³; ?_ж = 7000 кг/м³; U = 1 м/с r_кр ? 0,01 м = 1 см.

Предположим, что r_п = 10^–2 м (максимально возможный размер). В этом случае минимальная поверхность пузырьков O₂ в ванне

(7.34)
составит 5700 м². Однако при решении задачи о растворении пузырьков O₂ в металле необходимо учесть уменьшение их объема и поверхности в ходе всплывания (задача является обратной по сравнению с задачей роста пузырьков CO). Результаты расчетов показали, что вследствие сокращения среднего объема и радиуса пузырьков ?S_пO2 приблизительно в три-четыре раза меньше значения, полученного из уравнения (7.34), и составляет 1400—1900 м² или 11,0—14,5 м²/т стали, что на четыре порядка больше величины поверхности кратера (10^–3 м²/т).

Приведенные выше расчеты являются ориентировочными, но даже при значительном их уточнении остается в силе вывод об огромном влиянии поверхности пузырьков окислительного газа на интенсивность поглощения кислорода ванной во время ее продувки.

На вопрос, как образуется поверхность, обеспечивающая высокую интенсивность выделения CO при продувке ванны кислородом, можно дать лишь качественный ответ. В настоящее время большинство исследователей считают, что при продувке ванны обезуглероживание, а следовательно, и выделение CO протекают преимущественно в реакционной зоне, точнее, в зоне продувки или вблизи нее.

В этой зоне образуется значительное количество зародышей окиси углерода, так как часть кислорода непосредственно реагирует с углеродом поверхностных слоев металла. Зародышами для выделения из ванны CO могут быть и пузырьки кислорода (до покрытия их сплошной окисной пленкой). Вопросы определения количественных параметров зоны обезуглероживания металла в конверторе (число и размеры зародышей, скорость их роста, время пребывания в ванне и т. д.) находятся в стадии разработки.