Поскольку процессы диффузионного раскисления и десульфурации протекают на поверхности раздела шлак-металл, в условиях, когда скорость этих процессов контролируется переходом через эту поверхность, эффективность их развития снижается с уменьшением удельной поверхности ванны. Удельная поверхность уменьшается с увеличением вместимости дуговых печей и для 100-т печей составляет 0,2 м2/т, что на два-три порядка меньше, чем при внепечной обработке стали, поэтому с увеличением вместимости дуговых печей эффективность диффузионного раскисления и десульфурации восстановительным шлаком уменьшается. Эффективность рафинирования металла от кислорода и серы в восстановительный период плавки в печах большой вместимости уменьшается или не имеет места вследствие и других особенностей работы таких печей: 1) трудности очистки и качественной заправки откосов и подины печи, что приводит к интенсивному разрушению футеровки ванны в восстановительный период с поступлением частиц «футеровки в шлак и ухудшению свойств шлака; 2) недостаточно полного скачивания окислительного шлака из печи и попадания части его в рафинировочный шлак; 3) низкой степени герметизации печи и высокой степени окисленности печной атмосферы (до 10% 02 и до 2% С02), затрудняющей раскисление шлака в восстановительный период плавки.
Таким образом, рафинирование стали в восстановительный период плавки в дуговых печах большой вместимости по физико-химическим условиям протекания процессов неэффективно и проведение этого периода нецелесообразно.
Процессы диффузионного раскисления и десульфурации протекают на поверхности раздела шлак-металл. Для их развития необходимы доставка соответственно кислорода и серы к поверхности раздела шлак-металл и последующий переход их через поверхность раздела этих фаз. Малая удельная (отнесенная к массе металла) поверхность раздела шлак-металл в дуговых печах (0,2-0,5 м2/т) вызывает необходимость длительного проведения диффузионного раскисления и десульфурации в восстановительный период.
Вместе с тем уже в середине 50-х годов А.И.Холодовым, А.М.Левиным, Ф.П.Еднералом была показана малая эффективность диффузионного раскисления. Было установлено, что удаление кислорода из металла происходит преимущественно не вследствие диффузии его в шлак, а в результате поступления раскислителей из шлака в металл. Позднее исследования показали, что в восстановительный период плавки стали в дуговых печах снижение содержания кислорода в металле в результате раскисления под белым и карбидным шлаком не становится ниже равновесного с углеродом, а лишь приближается к нему. Содержание кислорода при раскислении порошками кокса и ферросилиция через шлак снижается не только в результате диффузии кислорода из металла, но и главным образом вследствие диффузии раскислителей в металл. Следовательно, такое диффузионное раскисление является в значительной мере тоже осаждающим, но протекает значительно медленнее. Было показано, что рафинирование металла от кислорода и серы происходит лишь в первые 35-45 мин восстановительного периода.
В течение этого периода футеровка ванны, а часто и печной шлак обладают окислительным потенциалом по отношению к металлу, к концу восстановительного периода ухудшается состав печных шлаков, следствием чего являются ухудшение рафинирования металла шлаком во время выпуска и даже возможность окисления шлаком.
Интенсификация плавки стали в дуговых печах вызывала необходимость коренного изменения хода процесса, возможности определяются физико-химическими условиями.его протекания и требованиями к качеству стали. Последнее имело особое значение в связи с тем, что в дуговых печах выплавляли преимущественно специальные легированные и высоколегированные стали с повышенными и часто с особыми требованиями к свойствам.
Для получения стали относительно высокой степени чистоты при плавке, в дуговых печах с трансформаторами малой мощности применяют "классическую" технологию со сменой шлака и продолжительным (до 70-100 мин) восстановительным периодом. При такой технологии в окислительный период плавки из металла окисляют углерод и фосфор с одновременными дегазацией и нагревом до температуры, превышающей температуру ликвидуса на 120-130 °С. Затем окислительный шлак скачивают.и наводят новый восстановительный присадками извести и порошков раскислителей (алюминия, ферросилиция, углерода). Задачей восстановительного периода является получение готовой стали с низким содержанием оксидных и сульфидных включений.
Возможность получения стали с низким содержанием кислорода и, в конечном итоге, оксидных включений основывалась на представлении, что под восстановительным шлаком вследствие низкого содержания в происходит диффузионное раскисление металла. При таком раскислении в отличие от осаждающего (глубинного) раскисления в металле не образуются оксидные включения (продукты раскисления).
Низкое содержание в шлаке при высокой основности обеспечивает и высокую степень десульфурации стали, так как при 2 % значение коэффициента распределения серы между шлаком и металлом увеличивается до 10-25 вместо 3-5, характерных для окислительного периода плавки.