Выше было отмечено, что при продувке сталеплавильной ванны сверху кислородом углерод наиболее интенсивно окисляется в верхних слоях
металла, окружающих кислородный кратер, т. е. во вторичной реакционной зоне. Активными центрами для выделения CO из металла в газовую фазу могут служить пузырьки кислорода.

Однако можно считать, что и в этом случае роль подовых пузырьков в процессе обезуглероживания металла существенна. Во время продувки одновременно возрастают ?_[O] и ?[% О]. Небольшое увеличение ? [% О] обеспечивает огромное ускорение роста подовых пузырьков и повышение v_C. Математический анализ процесса, выполненный автором, показал, что скорость выгорания углерода при подовом кипении пропорциональна ? [% O]⁴:

V_C ? К’ (?_[O] ? [% О]⁴ ?³_преб.
(6.75)

Это уравнение имеет следующий физический смысл: частота отрыва пузырьков от подины пропорциональна (?_[O] ? [% О]), а их объем — (?_[O] ? [% О] ?_преб)³, где ?_преб — время пребывания пузырьков в ванне.

Скорость выгорания углерода vC в конверторной ванне можно увеличить в 100 раз по сравнению с v_C в период чистого кипения мартеновской плавки, повысив сверхравновесное содержание кислорода в ванне ? [% О] в 100^1/4 = 3,2 раза. Еели учесть некоторое повышение ?_[O], то увеличение vC на два порядка может быть обеспечено в конверторах при росте ? [% О] примерно в два раза, что вполне реально.

Так, по данным ряда плавок, в 130-т конверторах а отбором проб металла без прекращения продувки ? [% О] = 0,020—0,035 (при [% С] = 0,3—2,4%). Это примерно в три раза больше, чем в период кипения мартеновской ванны. Однако расчет усложняется тем, что по мере роста интенсивности газовыделения увеличивается скорость всплывания пузырьков U_CO, в связи с чем уменьшается ?_преб (несмотря на повышение уровня металла H_O + ?Н). Этот вывод подтвержден исследованиями автора и сотрудников, выполненными в лабораторных и промышленных условиях. Установлено, что при движении группы пузырьков скорость их всплывания значительно превышает скорость всплывания одиночного пузырька и увеличивается с ростом интенсивности газовыделения W_г, м³/(м² • с) (рис. 52, 53).

По увеличению уровня металла в конверторе ?Н и секундному действительному расходу окиси углерода v_CO (с учетом температуры и среднего давления) можно определить среднемассовое время пребывания пузырьков в ванне:

(6.76)
где S_в — площадь зеркала ванны, м². Расчеты показали, что в 130-т конверторе ?_npe6 ? 0,5 с. Незначительная его величина в некоторой степени обусловлена тем, что основная масса CO выделяется в верхних слоях ванны. Поскольку ?_преб в конверторе уменьшается примерно в два раза (по сравнению с чистым кипением мартеновской ванны), необходимо в соответствии с уравнением (6.75) увеличить произведение ?_[O] ?[% О] в 3,2 • 2^3/4 = 5,4 раза. Такое увеличение реально. Однако полученные по уравнению (6.52) расчетные конечные размеры подовых пузырьков столь большие (более 7 см), что при количестве активных центров на подине N_a.ц = 10³ 1/м² уже в середине ванны пузырьки должны слиться в сплошной поток.

Рис. 52. Зависимость относительного увеличения уровня продуваемой жидкости ?Н/H₀ от удельного расхода газа W_г при значениях начального уровня H₀, м:
1 — 0,25; 2 — 0,50; 3 — 0,75; 4 — 1,0, 5 — 0,5 (продувка бромоформа)

Рис. 53. Влияние удельного расхода газа на скорость всплывания газовых пузырьков U(1) и среднюю длительность их пребывания в двухфазном слое жидкость — газ ?_преб (2) (обозначения точек такие же, как и на рис. 52)

Если из чисто «геометрических» соображений искусственно уменьшить (как это сделано А. Рамаччиоти) до 100 1/м², т. е. в 10 раз, то потребуется дополнительно увеличить ? [% О] (или произведение ?_[O] ? [% О]). Ho при этом конечный диаметр пузырьков превысит 13 см, и они не поместятся на площадках по 100 см² (10 см x 10 см), т. е. тоже сольются в сплошной поток, что приведет к постоянным выбросам металла.

На наш взгляд, можно считать реальным следующий механизм процесса обезуглероживания стали с участием подовых пузырьков. Известно, что рост пузырьков в жидкости возможен лишь до определенного критического радиуса r_кр, величина которого

(6.77)
где K_f = 0,5 — коэффициент сопротивления. При ? = 1,2 Н/м; ?_г = 0,2 кг/м³; ?_ж = 7000 кг/м³; И ? 1 м/с r_кр ? 10^–2 м. Если r > r_кр, то происходит дробление пузырька.

Образование в результате дробления из одного пузырька новых в количестве n_дроб обусловит уменьшение радиуса пузырька:

(6.78)

Период от момента дробления до восстановления r_кр

(6.79)

Количество пузырьков, образовавшихся от одного активного центра на подине в секунду,

(6.80)
где v — частота отрыва пузырьков от одного активного центра на подине, 1/с; ?_преб — время всплывания одного подового пузырька и его «потомков», с; К — линейная скорость роста пузырьков в металле, пропорциональная произведению ?_[O] ?[% О], м/с (6.53).

Для случая, когда происходит дробление пузырьков, формула (6.56) принимает вид

(6.81)

Рассчитаем скорость выгорания углерода по уравнению (6.81). Пусть К = 3,5 • 10^–2 м/с; n_дроб = 2; N_а,ц = 10³ 1/м²; ?r₀ = 2 • 10^–3 м;
; Т_преб = 0,5 с; r_кp = 10^–2 м; ?_CO = 0,19 кг/м³. Тогда v_C = 10³ • 17,5 • 2^8.5 • 1,0^–6 x 10^–6 • 0,19 • 12/28 = 0,53 кг/(м² • с). Если H_м = 1,5 м, то M_м = 10 500 кг/м² и v_C = 0,30%/мин.

Таким образом, при сравнительно малых значениях ?_преб и К дробление пузырьков в ванне обеспечивает высокую v_C, хорошее размещение пузырьков по площади зеркала ванны и в объеме металла.

Расчеты показывают, что если уровень металла в конверторной ванне увеличивается в два-три раза (при v_C = 0,2—0,3%/мин), то величина относительного объема газовой фазы в ванне (50—67%) приближается к коэффициенту заполнения кристаллической решетки атомами. В данном случае в узлах «решеток» располагаются пузырьки. При малых значениях V_C имеются «вакансии», а при больших — достигается максимальная «плотность упаковки» пузырьков (по аналогии с упаковкой в гексагональной решетке, плотность которой составляет 74%).

Можно показать, что огромное развитие суммарной поверхности пузырьков CO за счет их дробления обеспечивает реально достижимые в конверторах скорости выгорания углерода при сравнительно небольших величинах ?_[O] и ? [% О]. Так, если отношение объема газа в ванне к объему металла v_CO/v_м = 1 м³/м³ и r_кр = 10^–2 м, то для грибовидных пузырьков [(6,34) и (6.35)]

(6.82)

(6.83)
При ?_[O] = 0,5 • 10^–3 м/с; ? [% О] = 0,02%

(6.84)

Описанный механизм обеспечивает окисление углерода преимущественно в верхних слоях металла (в районе зоны продувки), т. е. не противоречит современным экспериментальным данным. Следовательно, и при продувке ванны кислородом роль подового кипения значительна, так как от количества подовых пузырьков зависит создание поверхности, необходимой для высокой скорости обезуглероживания.

Во многих исследованиях, выполняемых с использованием математических и физических моделей, детально изучаются зоны преимущественного окисления углерода при продувке сталеплавильной ванны кислородом. Однако вопрос о поверхностях контакта фаз остается актуальным и недостаточно изученным.