Продукты сгорания металла, образующиеся в первичной реакционной зоне и состоящие преимущественно из окислов железа, переходя через границу зон, вступают в пределах вторичной реакционной зоны в контакт с металлом ванны.
На основании лабораторного и производственного опыта можно утверждать, что в условиях контакта жидких окислов железа с металлом системы Fe—С реакции их взаимодействия протекают весьма быстро и зачастую носят взрывообразный характер.
На поверхности контакта окислов железа с металлом во вторичной зоне в зависимости от содержания элементов и температурных условий протекают реакции
[Si] + 2(FeO) (SiO2) + 2[Fe]; (1.57)
[Mn] + (FeO) -»- (MnO) + [Fe]; (1.58)
[С] + (FeO) -> {СО} + [Fe] (1.59)
И другие данного типа.
Если доставка примесей к границе раздела фаз и протекание реакций затруднены (низкая температура ванны, большая вязкость жидких фаз, отсутствие готовых пузырей СО) и не вся подводимая к границе из внутренних участков FeO расходуется на окисление Элементов, она может частично растворяться в металле:
(FeO) – [Fe] + [О]. (1.60)
Особенно интенсивно данный процесс протекает в период обезуглероживания. При этом растворенный кислород в результате перемешивания металла ванны переносится на некоторое расстояние от поверхности растворения, пока не создадутся условия, обеспечивающие его взаимодействие с другими элементами (наличие растворенных в металле примесей, термодинамически готовых к окислению, и соответствующих поверхностей раздела с зародышами конденсированной или газовой фаз). В этих условиях возможно протекание реакций
[Si] + 2[0] – V (SiO2); (1.61)
[Mn] + [О] – V (MnO); (1.62)
1С] + [О] – V {СО} и др. (1.63)
2*
35
Нужно отметить, что во вторичной реакционной зоне постоянно существуют развитые поверхности раздела, на которых возможны реакции (1.57) — (1.59) и (1.61) — (1.63). Для окисления марганца и кремния необходим контакт с окисной фазой, которой и являются частицы окислов железа, поступающие из первичной реакционной зоны, а также возникающие при эмульгировании шлака в металл.
Продукты реакций — кремнезем и закись марганца — переходят через границу раздела в окисную фазу.
В процессе окисления углерода зародышами газовой фазы являются те объемы газа, которые образуются при сгорании металла в пределах первичной реакционной зоны (полые капли, пузыри) и, выходя из нее, попадают во вторичную зону.
Для комплекса же реакций (1.61), (1,62) в гомогенном металле за пределами вторичной реакционной зоны в качестве границ раздела с конденсированной фазой могут служить поверхность неметаллических включений и граница раздела металл — шлаковая фаза. Но эндогенные неметаллические включения содержатся в металле в ограниченном количестве, а условия образования экзогенных включений (э/мульгирование шлака) на периферии ванны неблагоприятны из-за слабого перемешивания этого участка. Следовательно, условия окисления кремния и марганца вне реакционной зоны в целом неблагоприятны. Еще большие затруднения возникают здесь для протекания реакций (1.59) и (1.63). Неметаллические включения могут служить местом зарождения газовой фазы лишь при значительных пересыщениях металла кислородом, очевидно, достигаемых в ограниченных объемах металла (капель), но не в основной части конвертерной ванны. Поэтому для протекания реакций (1.59) и (1.63) остается пригодной только поверхность раздела металл — футеровка, где углерод окисляется по типу, характерному для кипения мартеновской ванны, когда местом зарождения газовой фазы служат поры футеровки, не заполненные металлом и шлаком. Эта поверхность раздела находится на значительном расстоянии от вторичной реакционной зоны и не в состоянии обеспечить достаточно высокую скорость выгорания углерода, сопоставимую по величине с фактически наблюдаемой.
В последние годы были проведены эксперименты, позволяющие утверждать, что основная часть примесей ванны окисляется в пределах реакционной зоны. В значительной степени этому способствует развивающийся здесь процесс окисления углерода. Выделение СО в результате реакций (1.59) и (1.63) и его перемешивающее действие значительно интенсифицируют процессы массопереноса в реакционной зоне как в результате увеличения коэффициентов массопереноса, так и вследствие возрастания и обновления поверхностей раздела. Все это в ограниченных пределах вторичной реакционной зоны обеспечивает интенсивное усвоение кислорода, поступающего с окислами железа heo из первичной зоны I и расходуемого на окисление примесей, подводимых из объема ванны к границе со вторичной зоной II (рис. 1.14).
Memm
I г
(С, Si, Mn,…}
Рис. 1.14. Схема массопото – ков в реакционной зоне и ванне
Сера и фосфор могут переходить из металла в окисную фазу лишь при определенном химическом составе последней (в частности, в окислы железа на первых этапах их контакта с металлом ванны в пределах вторичной реакционной зоны). Однако этот процесс осуществляется в ограниченных пределах, поскольку серо – и фос – форопоглотительная способность окислов железа при обычной высокой температуре конвертерной ванны весьма невелика. Кроме того, по мере окисления кремния, марганца и углерода окислами железа концентрации серы и фосфора в оставшейся массе окислов повышаются, что при увеличивающемся содержании БЮг в шлаковой фазе вызывает ресульфурацию и рефосфорацию, т. е. обратный переход серы и фосфора из окислов в металл. Вследствие этого десульфурация и дефосфорация металла шлаком в пределах реакционной зоны практически не протекают.