В современных условиях, когда в огромных объемах производится технический кислород (в одном обогатительном агрегате до 30000 м3 O 2/час и выше), металлурги в качестве окислительного реагента чаще всего используют газообразный кислород, который обычно подводят сверху одной или несколькими струями, а в некоторых новых процессах непосредственно в толщу обрабатываемого жидкого металла снизу, сбоку или тем или иным комбинированным способом. В зависимости от желаемой интенсивности продувки, скорость истечения кислорода из сопел фурм составляет от 200 до 650 м/с, т.е. струя может быть до- или сверхзвуковой. Эти скорости обеспечиваются при давлениях газа в кислородопроводе от 0,5 до 1,5 мПа.
В зависимости от скорости набегания кислородной струи на поверхность металла (т.е., при постоянной интенсивности продувки, от расстояния между поверхностью ванны и срезом сопла в калибрах, h / d) степень рассредоточения кислорода по поверхности ванны и геометрическая форма образующейся двухфазной области газ-металл, так называемой "реакционной зоны", бывают различны.
При больших интенсивностях продувки (i, м3 O 2/мин), например, при конвертерном процессе, наблюдается глубокое внедрение кислородной струи в толщу металла и раздробление последнего на огромное количество мельчайших капель с образованием так называемой "первичной реакционной зоны".
Многочисленные исследования на "холодных" и "горячих" лабораторных моделях и на полупромышленных конверторах и др. показали, что при интенсивной продувке металла кислородом образуется так называемая "первичная реакционная зона", представляющая собой объем газообразного кислорода, в котором взвешено огромное количество металлических капель диаметром от 0,1 до 3,5 мм. В различных участках реакционной зоны количество и вес этих капель различны (300-500 кг/м2 сек) и движутся они в объеме кислорода со скоростями до 20 м/с. Металлические капли во время своего полета окисляются с поверхности и частично или полностью сгорают. Поэтому температура в объеме "первичной реакционной зоны" и на охватывающей ее разрыхленной металлической поверхности составляет 2000-2300 °С.
Некоторая часть кислорода внедряется в толщу металла и совместно с газообразными и жидкими продуктами окисления металла образует так называемую "вторичную реакционную зону".
В подовых сталеплавильных агрегатах, при незначительных интенсивностях продувки реакционная зона либо очень незначительно заглублена, либо имеет форму поверхностной открытой лунки. Однако, по результатам многих исследований, и в этом случае интенсивность окислительных реакций в районе реакционной зоны во много раз выше, чем во всех остальных участках металлической ванны.
Таким образом, при использовании газообразного кислорода внешним звеном окислительных реакций является главным образом массоперенос в газовой фазе к поверхности расплавленного металла. В определенных условиях он может быть ведущим или лимитирующий звеном. Хотя многочисленные исследования показали, что ведущую роль в окислительных процессах во всех случаях играют процессы, протекающие в реакционной зоне, оценить их интенсивность количественно и увязать с величиной удельной поверхности раздела фаз металл-газ, и интенсивностью перемешивания металла во вторичной реакционной зоне, а также с интенсивностью переноса примесей металла во всем его объеме и с их поступлением во вторичную реакционную зону пока не удается. Это является одной из основных задач не только металлургов, но также газо- и гидромехаников и специалистов в области химического машиностроения.
Далеко не во всех промышленных процессах производства стали окислительное рафинирование играет ведущую роль. В зависимости от состава шихты и тепловых возможностей подовых сталеплавильных агрегатов металлу, иногда, необходимо передать относительно небольшие или совсем малые количества кислорода. Поэтому определенную роль продолжает играть использование для окислительных процессов расплавленных и твердых носителей кислорода. Передача к металлу кислорода от железистых шлаков и в особенности от плавящейся руды требует значительных энергетических затрат. Кроме того, для этого необходимо обеспечить развитую межфазную поверхность шлак-металл, или добавляемая руда-металл. В условиях подовых агрегатов это технически в настоящее время не всегда возможно обеспечить. Поэтому интенсивность окисления через шлак или от руды несравненно ниже, чем при использовании газообразного кислорода (на 2-3 порядка)
В этом случае ведущим этапом процесса окисления всегда является внутридиффузионное звено, т.е. перенос активного по отношению к примесям металлического расплава кислорода в объеме твердого окисла или жидкого шлака. Перенос кислорода в этих фазах весьма затруднен их высокой вязкостью и низким значением коэффициента массопереноса. Вязкость металла, форма существования его примесей и т.д. в этих случаях обычно мало сказываются на кинетике такого рода окислительного процесса и чаще всего экспериментально не обнаруживаются. Таким образом, для изучения природы самих процессов окисления, происходящих в жидком металле, наиболее удобно исследовать процессы взаимодействия именно окислительных газов и расплавленного металла. В этом случае наиболее перспективны методы "висящей капли" и "падающей капли".
