Стабілізація дуги та регулювання її потужності
Промислові дугові печі живляться, як правило, змінним струмом. Переважне використання змінного струму для живлення печей пояснюється нижчою вартістю його отримання та можливістю передачі на значні відстані з порівняно невеликими втратами. Постійний струм використовують для живлення дугових печей лише у виняткових випадках, коли застосування змінного струму або неможливе, або не забезпечує необхідної якості металу.
У порівнянні з дугою постійного струму дуга в ланцюзі змінного струму менш стійка. Протягом кожного періоду напруга джерела змінного струму значення сили струму в дузі двічі переходять через нульове значення. Це означає, що в ланцюзі змінного струму дуга двічі за період зникає і збуджується знову. Безперервне горіння дуги відрізняється від уривчастого лише тривалістю пауз, протягом яких дуга відсутня. При безперервному горінні значення сили струму плавно переходить через нульове значення і тривалість пауз дорівнює нулю. Кінцеве значення тривалості пауз відповідає уривчастому, але стійкому горінню дуги. При нестійкому горінні пауза прагне нескінченності і відбувається гасіння дуги.
Неспокійна, уривчаста дуга в електропечах небажана, тому що в цьому випадку потужність трансформатора використовується неповністю, внаслідок чого уповільнюється плавлення металу, знижується продуктивність установки.
Поява пауз при зміні полярності пов'язане з деіонізацією розрядного проміжку та втратою емісійної здатності катода. Феросплавні та сталеплавильні дугові електропечі є печами прямої дії, в яких дуга горить між електродом і поверхнею металу, що нагрівається. Тепловий стан електрода втаких печах буває досить стабільним, а температура металу може змінюватися у значних межах, особливо у печах періодичної дії. Залежно від періоду плавки дуга горить між електродом і холодною твердою шихтою, електродом і прогрітою твердою шихтою і, нарешті, між електродом і поверхнею рідкої ванни.
Найменше стійке горіння дуги спостерігається в першому випадку, коли електрична дуга горить на поверхні холодної твердої шихти. При переході напруги джерела через нуль шихта в зоні дуги завдяки високій теплопровідності металу встигає охолонути і в той період, коли вона служить катодом, емісія електронів виявляється недостатньою для отримання необхідного ступеня іонізації газів у розрядному проміжку при нормальній напрузі на дузі. Іонізація починається при вищій напрузі; напруга на дузі сильно коливається навіть протягом напівперіоду. На осцилограмі напруги з'являються піки.
У міру розігріву шихти та появи озерця рідкого металу горіння дуги стає більш стійким, зменшується напруга запалювання, піки напруги згладжуються, скорочується тривалість пауз. Після повного розплавлення металу осцилограма напруги дуги наближається формою до синусоїди, а значення сили струму плавно переходить через нуль. Горіння дуги стабілізується, паузи практично відсутні.
Для підвищення стабільності горіння дуги необхідно вживати заходів щодо теплоізоляції зони розряду для того, щоб підтримувати необхідний ступінь іонізації газу в розрядному проміжку та покращити умови емісії електронів катодом.
Можливості активної дії на тепловий стан розрядної зони у промислових електропечах, особливо в період найменш стійкого горіння дугиперіод проплавлення шихти) практично відсутні. Холодна шихта добре поглинає тепло і завдяки високій теплопровідності швидко відводить його від зони горіння дуги.
Дещо зменшити відведення тепла в шихті від зони електричної дуги і тим самим трохи покращити умови її збудження можна раціональним підбором та укладанням шихти. Для цього під електродами шихту треба розташувати таким чином, щоб на початку плавлення дуга горіла на дрібних шматках шихти, які швидше нагріваються та оплавляються. У цьому випадку горіння дуги стабілізується порівняно швидко. Якщо під електродом виявиться масивний шматок шихти, на прогрів якого потрібно багато тепла, то дуга горить нестійко протягом тривалого часу.
Підвищити стійкість горіння дуги можна внаслідок зміни умов іонізації газу міжелектродному проміжку. Зазвичай дуга горить у газах, що характеризуються досить високим потенціалом іонізації. Якщо під електроди помістити матеріал, що містить елемент, що легко іонізується, то в розрядному проміжку з'являться пари цього елемента, сумарний ступінь іонізації газу за інших рівних умов збільшиться, і дуга стане більш стійкою.
Найбільш поширеним у металургійних цехах елементом з порівняно низьким потенціалом іонізації є кальцій, потенціал іонізації якого в два рази менше, ніж у основних компонентів повітря (U2 = 15,8 В; U = 12,5 В). Присадка під електроди кальцій містять матеріалів, наприклад вапна або силікокальцію, надає на дугу стабілізуючу дію.