Как ведущего звена процесса

По самому определению наиболее медленным звеном процесса является поступление молекул кислорода из объема газовой фазы к поверхности расплавленного металла, или поглощение кислорода подповерхностными слоями металла, прилегающими к его поверхности.

Впервые этот процесс был изучен Нернстом и Лэнгмюром [37] создавшими "пленочную" теорию массопереноса, согласно которой перенос даже от очень интенсивно движущегося объема газа к твердому или жидкому телу происходит через неподвижную "пленку" газа, охватывающую это тело. Массопередача через эту пленку носит стационарный характер, т.е. происходит по законам молекулярной диффузии.

Впоследствии Прандтль и Тейлор [36, 37], подробно изучавшие газодинамику течения газов и жидкостей у поверхности твердого тела, установили, что даже в случае развитого турбулентного течения газа вблизи твердой стенки существует тонкий ламинарно движущийся, но не неподвижный слой, толщина и движение которого определяются природой самого газа или жидкости и характером их движения в основном потоке. Несмотря на многие другие модели, выдвинутые позднее, эта теория сейчас общепринята.

Например, для металлической капли, висящей в потоке кислорода, на поверхности которой протекают реакции

[C]+1/2{O₂}

и [C]+{O₂}={CO₂}

(реакционная зона или плавка во взвешенном состоянии) имеем:

, (45)

где J – интенсивности массопереноса O₂, СО и СО₂. С другой стороны, , например, определяется выражением:

(46)

где k – коэффициент массопереноса кислорода в газовой фазе(моль/см²×сек);

и – молярные доли кислорода в объеме газовой фазы и на поверхности ее контакта с металлической каплей.

Коэффициент массопереноса рассчитывается с помощью критерия Нуссельта для массопередачи:

Nu=k¢_md/D×c, (47)

где d - диаметр капли (см);

D – коэффициент диффузии кислорода в газе (моль/см²×с);

с - молярная концентрация кислорода в газовой фазе (Моль/см³).

Для вынужденного массопереноса от движущегося газового потока к висящему в нем сферическому телу величина критерия Нуссельта описывается уравнением Ранца-Маршалла [35, 70]

Nu_f=2,0+0,60Re^0,50×Sc^0,33, (48)

где первое слагаемое в правой части уравнения есть число Нуссельта для сферы, находящейся в неподвижной газовой фазе.

Re=dVr/m – критерий Рейнольдса, определяющий характер течения газа

Sc=m_f/r_fD – критерий Шмидта, характеризующий физические свойства газовой среды (для газов его величина близка к единице),

V – относительная скорость движения газа вдоль капли (см/с),

r_f – плотность газа при температуре, характерной для его пленки, контактирующей с металлом (г/см³),

m_f – вязкость газа при температуре его пленки (пуаз).

Если имеются необходимые данные о газодинамике кислородного потока, по которым можно определить Nи, а следовательно, и коэффициент масоопереноса кислорода – k¢_m, то интенсивность поступления кислорода на поверхность сферической капли, а по ней и скорость обезуглероживания металла определится уравнением:

–d[% C]/dt=2,304×10³pdk¢_m /W, (49)

где d – диаметр капли (образца);

W – его вес;

– молярная доля кислорода в объеме газовой фазы.

Однако принятые выше положения определяют только интенсивность поступления кислорода на поверхность металла и могут быть использованы для расчета скорости окисления углерода или других компонентов металла только при большой скорости их поглощения металлом и полной ассимиляции его металлом. Эта вторая ступень внешнего режима также неоднократно исследовалась начиная с работ Хигби [37, 70], разработавшего теорию "проникновения" молекул газа в поверхностные слои жидкости путем нестационарной молекулярной диффузии в различные, непрерывно поступающие на поверхность жидкости, ее элементы, вновь уходящие после этого в толщу жидкости. Однако, Хигби, Данквертс и Левич [38, 39] для математического описания изученных ими явлений использовали величины, неподдающиеся экспериментальному измерению, например, среднее время пребывания отдельных элементов жидкости или газа на их контактной поверхности – Dt и др.

Поэтому эти теоретические уравнения пригодны лишь для эмпирических описаний отдельных процессов, протекающих в конкретных условиях. В связи с этим лишь очень приближенно можно сказать, например, что кислород поступающий на обнаженную поверхность расплавов на основе железа, практически полностью поглощается металлом. Напротив, для азота это никогда не наблюдается.