В первичной реакционной зоне для всех конвертерных переделов основным процессом является усвоение вдуваемого кислорода, протекающее на границе раздела окислительный газ — металл.
Как показано выше, внедрение газовой струи в жидкость сверху, сбоку или снизу вызывает эжекцию металла в газовый поток и дробление газового потока на отдельные объемы. С увеличением динамического напора газового потока в месте встречи с ванной (в определенных пределах) возрастает степень эжекции металла.
Эжектированные металл и шлак, попадая в газовый поток, дробятся под действием динамического напора на капли различных размеров. Этот процесс имеет сложный механизм и определяется соотношением инерционных сил газового потока и поверхностного натяжения жидкости, из которой состоит капля. Для процессов в реакционной зоне максимальный диаметр капли с? к max, стабильной в газовом потоке данных параметров, находится из условия
PrWrUlc тах /3«
Где р0 — коэффициент массопереноса; Co2 и Co2 равн — концентрации кислорода в объеме газа и равновесная с металлом на границе раздела.
В металле, в зависимости от интенсивности и направленности циркуляционных потоков в нем, развивается массоперенос растворенных элементов к границе раздела. Удельная интенсивность массопереноса каждого из них
(1.50)
Где Pi — коэффициент массопереноса t’-ro элемента; С,- и Сгравн— концентрация элемента в объеме металла и равновесная с газовой фазой на границе раздела. Величина (3, при наличии циркуляционных потоков в капле определяется конвективной диффузией, а при их отсутствии — молекулярной. Если коэффициенты массопереноса молекулярной диффузией неодинаковы для различных элементов, то при конвективной диффузии величины р* одинаковы для всех элементов и определяются лишь интенсивностью перемешивания металла.
Углерод, кремний, марганец и другие элементы могут на границе раздела взаимодействовать с подводимым из газовой фазы кислородом, усваивая его. Если величину и для каждого элемента пересчитать на потребляемый таким образом кислород и просуммировать полученные значения, то можно определить удельный расход кислорода на границе раздела, необходимый для окисления подводимых к ней из объема металла элементов is-
В первые мгновения контакта металла с окислительным газом is ^ io. При этом элементы, подводимые с удельной интенсивностью ii к границе раздела, полностью усваивают весь находящийся здесь кислород. Если продуктом окисления элемента является конденсированная фаза (SiC>2, MnO, FeO), то на границе раздела образуется пленка окислов О. В случае, когда элементы окисляются с образованием газообразных компонентов (углерод), последние переходят в газовую фазу. Исследования показывают, что в начальной стадии контакта газа-окислителя с расплавами системы Fe—С наиболее благоприятные условия поверхностного окисления создаются для углерода, так как продукты реакции выделяются в имеющуюся газовую фазу. Образование же новой фазы конденсированных окислов возможно только при значительных пересыщениях металла кислородом. Однако большие значения соотношения Po/Pi, например высокая скорость газового потока, могут привести к очень быстрому израсходованию массы элементов в прилегающих к поверхности слоях металла. В дальнейшем доставка элементов из объема металла будет осуществляться значительно медленнее, что приведет к уменьшению is-
Если is, < i0, то часть кислорода у границы раздела, не израсходованного на окисление массы подведенных примесей, начнет взаимодействовать с атомами железа, из которого в основном состоит металл, окисляя его. Согласно теоретическому анализу соотношения величин I0 и is, проведенному с помощью новейших данных для определения скорости массопереноса применительно ко всем вероятным в реальной конвертерной ванне условиям, практически в течение всего взаимодействия i„ > is. Важнейшими причинами этого являются большие скорости движения окислителя в газовой фазе и малые размеры образующихся в реакционной зоне капель, в которых практически мгновенно подавляется или прекращается конвективная диффузия. Следовательно, в реальных условиях на границе раздела окислительный газ — металл взаимодействие сводится к поверхностному окислению капли или металла вокруг пузырей, которое можно назвать сжиганием поверхностных слоев металла. Окисление носит не избирательный с термодинамической точки зрения, а тотальный характер, и так как основной составляющей металла является железо, продукты сжигания содержат преимущественно его окислы.
Для системы Fe—С—Si—Mn с различным содержанием элементов в пределах чистое железо — чугун экспериментально установлено, что содержание окислов железа в шлаковой фазе первичной реакционной зоны достигает 90—98 %. Это отвечает расчетным данным для случая тотального сжигания. Содержание других окислов, в частности БЮг и MnO, составляет 1—15 и 1 —10 % соответственно, и тем больше, чем выше концентрация кремния и марганца в чугуне.
Таким образом, первичным актом усвоения кислорода из окислительного газа, вдуваемого в ванну, является поверхностное окисление металла на границе раздела газ — металл. Схема этого процесса представлена на рис. 1.13, б. На границе раздела газ—металл образуется пленка окисла (слой О), передача кислорода через которую осуществляется по следующим этапам: граница газ — металл
2(FeO) +{02} -V (Fe2O3); (1.51)
Массоперенос Fe203 через слой окислов; граница окисел — металл (Fe2O3) + [Fe] 3(FeO). (1.52)
Накопление (FeO) на границе раздела окисел — металл вызывает массоперенос (FeO) к границе раздела газ — окисел; растворение кислорода в металле по уравнению
(FeO) ->¦ [Fe] + [О]. (1.53)
По мере окисления металла толщина слоя окислов возрастает, и, начиная с некоторой критической для конкретных условий величины, скорость окисления лимитирует перенос ионов железа через слой окислов и окисление замедляется.
Горение металла в кислороде протекает в температурном режиме, определяемом тепловым балансом процесса:
Qrop = Qh + Qn0T, (1-54)
33
Где Qrop, Qu, Qn0T — тепло, соответственно выделившееся при окислении (горении) металла, затраченное на нагрев всех фаз и потерянное в окружающую среду путем конвекции, излучения и испарения. Из всех составных частей теплового баланса при горении металла в кислороде основным является Qr0p, а в потерях тепла — та их часть, которая связана с испарением. При горении металла в воздухе, когда затраты тепла на нагрев азота дутья велики, растет значимость Qu. Горение развивается в нестационарном режиме, в ходе процесса повышается температура реагирующих фаз до некоторого максимально возможного предела. Затем, если толщина слоя окислов по мере окисления и в дальнейшем нарастает, уменьшаются скорость окисления и Qrop, что вызывает снижение температуры горения. Максимальная температура горения металла (согласно законам горения конденсированных систем) зависит от
2 193 температур кипения горящей фазы, продуктов сгорания и приблизительно равна меньшей из них. Это происходит потому, что при минимальной температуре кипения парциальное давление пара той фазы, которой она соответствует, становится равным общему внешнему давлению (~ 0,1 МПа) и, следовательно, интенсивность испарения данной фазы резко повышается. В таких условиях значительная часть выделяющегося при горении тепла расходуется на испарение этой фазы, нарастание температуры горения замедляется и она достигает максимума.
В рассматриваемых условиях кипеть может металл системы Fe—С или его окислы. Температура кипения металла составляет около 2820—2850 0C, а его окислов 2400—2500 0C по разным оценкам. При таком соотношении должны преимущественно испаряться окислы железа. Это тем более вероятно, так как последние контактируют с газовой фазой, благодаря чему облегчается удаление их паров в объем газа от границы раздела. Таким образом, температура горения металла в кислороде не должна превышать 2400— 2500 0C, что соответствует экспериментально полученным значениям температуры реакционной зоны 2100—27000C (если учесть трудности проведения svroro эксперимента и возможные погрешности) .
В условиях продувки воздухом или другими смесями кислорода с нейтральным газом увеличиваются затраты тепла на нагрев инертного газа и температура горения металла снижается до пределов 1700—1900 0C (при содержании кислорода в смеси около 20 %)¦ Вдувание с кислородом восстановительных газов или твердых холодных пылевидных частиц также снижает температуру горения и реакционной зоны. Положительной стороной этого является уменьшение парциального давления паров испаряющейся фазы и пылеобразования.
Специфика процесса горения металла системы Fe—С заключается в возможности взаимодействия растворенного в металле углерода с кислородом. Оно протекает на границе металл—окисел
[С] + (FeO) — V {СО} + [Fe] (1.55)
И в объеме металла
[С] + [О] — {СО}. (1.56)
В первом случае выделяющаяся окись углерода образует газовые пузыри, которые, вырастая, прорывают пленку окислов и переходят в газовую фазу, что интенсифицирует массоперенос веществ через слой окислов и увеличивает скорость горения металла. Во втором случае газовая фаза зарождается в объеме металла (в первую очередь это происходит, если металл диспергирован в газовой фазе на капли), что вызывает взрывообразный разрыв первоначальной капли на несколько капель меньшего размера, названный выше химическим дроблением.
Из описания процесса тотального сжигания металла в окислительном газе в пределах первичной реакционной зоны вытекает интересное следствие. Углерод и сера, растворенные в металле и сгорающие с ним, образуют газообразные продукты сгорания. Таким образом, окисление углерода и переход серы в газовую фазу не зависят от термодинамических условий.