В мартеновской ванне (в период чистого кипения) и в конверторной (после окисления кремния и марганца) скорость выгорания углерода примерно постоянна (при стабильных условиях подвода кислорода в ванну и [% С] ? 0,2—0,3). В это время поступление кислорода в ванну приблизительно равно его расходу на окисление углерода, концентрации (FeO) и [% О] изменяются незначительно. Подобные процессы называются квазистационарными.

При постоянной v_C можно вычислить [% О], исходя из равенства скоростей отдельных звеньев, по следующему методу. Поскольку диффузионный поток кислорода в пограничном слое металл — шлак равен потоку в слое металл — пузырьки, то

(6.85)
где K₁ = ?_[O] S_м.п/V_м, 1/с; K₂ = ?_[O]S_м.п/V_м, 1/с; a_(FeO) — активность закиси железа в шлаке, м. д. или мол.%; L_O —коэффициент распределения; V_m — объем металла, м³; ?_[O] — коэффициент массопереноса кислорода в металле, м/с; S_м.ш и S_м.п — соответственно суммарные поверхности контакта металла со шлаком и металла с пузырьками CO, м²; K_[С] ? 500 — константа равновесия реакции [С] + [O] = [CO].

Согласно уравнению (6.85)

(6.86)

Рассмотрим два крайних случая: константа скорости процесса диффузии кислорода в пограничном слое шлак — металл намного больше (K₁ >> K₂) или намного меньше (K₁ << K₂), чем в пограничном слое металл—пузырьки. В первом случае [% O] ? a_(FeO)L_O и [% О] близко к равновесию со шлаком, во втором — [% O] ? P_CO 10^–5/(K_[С] [% С]) и [% О] близко к равновесию с пузырьками CO и углеродом. Для действительной же ситуации характерно промежуточное положение, при котором [% О] ближе к равновесию с углеродом.

Исследования автора и сотрудников показали, что в период чистого кипения ванны в большегрузных мартеновских печах доля влияния a_(FeO) на [% О] незначительна в области концентраций [% С] > 0,15 и увеличивается при [% С] < 0,15%. Так, если [% С] > 0,15, то

(6.87)

Сравнивая уравнения (6.86) и (6.87), получаем интересные данные: K₂/K₁ = 9; P_CO = 1,75 ? 10⁵ Па. Это значит, что суммарная поверхность пузырьков CO примерно в девять раз больше, чем поверхность раздела металл — шлак, а величина P_CO отвечает давлению, испытываемому пузырьками CO в месте их зарождения, т. е. на подине (при глубине ванны ? 1 м) При [% C] < 0,15

(6.88)

В указанной области концентраций углерода K₂/K₁ = 2,7; P_CO = 1.75 • 10⁵ Па. Это означает, что при низком [% С] в связи с уменьшением v_C отношение суммарной поверхности пузырьксрв CO к поверхности металл—шлак значительно меньше, чем при повышенном [% С]. В результате доля влияния a_(FeO) на [% O] возрастает.

С учетом К_[С] = 500 и вычисленного значения P_CO уравнения (6.87) и (6.88) можно записать следующим образом: при [% C] > 0,15

(6.89)
при [% C] < 0,15

(6.90)

Отрицательные значения свободного члена в этих уравнениях свидетельствуют о том, что на границе металл — шлак a_(FeO) несколько меньше, чем в объеме шлака.

Из приведенных выше теоретических соображений и экспериментальных данных видно, что при низком содержании углерода в металле увеличение активности закиси железа в шлаке существенно влияет на окисленность металла. Этот вывод относится и к конверторной стали. Так, по данным исследований В. И. Явойского и сотрудников, в малоуглеродистой стали ([% С] < 0,15), выплавленной в кислородном конверторе, среднее содержание кислорода, а также пределы его колебаний в металле различных плавок резко возрастают при увеличении интенсивности продувки ванны и окисленности шлака.

Таким образом, как в подовом, так и в конверторном процессе увеличение интенсивности подвода кислорода в ванну вызывает значительное повышение окисленности малоуглеродистой стали. При производстве такой стали необходимы некоторые меры предосторожности: предотвращение значительного повышения a_(FeO) в конце продувки; прекращение продувки ванны или уменьшение ее интенсивности за некоторое время перед выпуском; улучшение методов раскисления стали в ковше.

Большое значение для повышения качества малоуглеродистой стали имеет процесс самораскисления металла в конце плавки.

Из опытных данных многих исследователей видно, что по истечении 2—10 мин после окончания продувки ванны кислородом ? [% О] снижается до уровня обычного при чистом кипении мартеновской ванны. Результаты выполненного автором теоретического анализа кинетики раскисления стали растворенным углеродом согласуются с этими данными.

После окончания продувки количество избыточного кислорода уменьшается по мере продолжения реакции окисления углерода, скорость которой пропорциональна ? [% О]⁴. Решение дифференциального уравнения кинетики самораскисления стали и выполненные расчеты показали, что ? [% О] снижается до нормального уровня через 1—2 мин после окончания продувки ванны кислородом. Однако на практике необходимо учитывать, что в послепродувочный период самораскисление стали несколько ослабляется в результате поступления в металл кислорода из шлака. Опытные данные показали, что при выплавке малоуглеродистой стали продолжительность такого периода в мартеновской печи должна быть не менее 10 мин. Это относится и к большегрузным плавкам, хотя длительность их выпуска составляет 25—30 мин, так как при отсутствии послепродувочного периода первые порции попавшего в ковш металла оказываются переокисленными по сравнению с последними. В условиях конверторной плавки тоже необходим кратковременный период самораскисления стальной ванны.