MECHANISM OF SPATIAL STABILIZATION OF THE ELECTRIC ARC IN A LADLE FURNACE UNDER AXIAL GAS SUPPLY CONDITIONS UNDER THE INFLUENCE OF ELECTROMAGNETIC DEFLECTING FORCES
DOI:
https://doi.org/10.32339/0135-5910-2026-9-12-23Keywords:
ladle furnace, electric arc, magnetic blow, hollow electrode, axial gas supply, arc stabilization, electromagnetic forces, three-phase currentAbstract
During the secondary refining of metal in ladle furnaces (LF), the electric arc is subjected to electromagnetic forces arising from the currents of adjacent phases and the liquid metal bath. This exposure leads to arc deflection – a phenomenon known as magnetic blow, which causes uneven conical wear of graphitized electrodes. Consequently, the thermal efficiency decreases due to parasitic heating of the slag phase, necessitating a quantitative justification for effective methods of spatial arc stabilization under three-phase alternating current conditions. The aim of this work is to determine the mechanism by which axial gas supply through a hollow electrode influences the resulting electromagnetic forces acting on the arc column, as well as to identify the parameters that reduce dynamic arc deviations in the horizontal plane. The study involved analytical modeling of the electromagnetic interaction in the “electrode–arc–liquid bath” system for a three-phase delta connection scheme. The Ampère force vectors and forces induced by currents in the bath were calculated considering phase shifts (120°) and industrial frequency (50 Hz). Hodographs of the resulting deflecting forces were constructed, their maximum values determined, and the influence of the axial flow of neutral gas as an additional stabilizing factor was assessed. As a result of the study, analytical expressions were obtained for the total deflecting force acting on the arc of phase A. It was established that the hodograph of this force is a curve close to a circle, with a maximum directed at an angle of 45° to the line between the ladle center and the electrode axis. It is shown that axial gas supply does not alter the parameters of the magnetic forces but generates an axial flow whose dynamic pressure increases the spatial rigidity of the arc column. Based on this, dependencies are proposed for calculating the solid angle of arc deviation for solid and hollow electrodes. Thus, the use of hollow electrodes with axial inert gas supply is an effective method for spatial arc stabilization in ladle furnaces, as the increase in axial flow reduces the amplitude of arc wandering under the slag layer. This diminishes conical electrode wear and enhances the thermal efficiency of the installation by intensifying direct heat transfer to the melt.
References
Сисоян Г. А. Электрическая дуга в электрической печи. — 3-е изд., испр. и доп. — М.: Металлургия, 1974. — 304 с.
Григорян В. А., Белянчиков Л. Н., Стомахин А. Я. Теоретические основы электроплавильных процессов. — М.: Металлургия, 1987. — 272 с.
Финкельнбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма / пер. с нем. под ред. В. Л. Грановского. — М.: Иностранная литература, 1961. — 371 с.
Ячиков И. М., Костылева Е. М., Портнова И. В. Динамика электромагнитных сил, отклоняющих дуги от вертикали в трехфазной дуговой печи // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2020. Т. 63, № 1. С. 27–33. DOI: 10.17073/0368-0797-2020-1-27-33. EDN: HNKQQY.
Ячиков И. М., Костылева Е. М. Поведение основных электромагнитных сил, действующих на дугу в трехфазной дуговой печи // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2015. Т. 58, № 7. С. 479–485. DOI: 10.17073/0368-0797-2015-7-479-485. EDN: UISKSZ.
Ячиков И. М., Вдовин К. Н., Костылева Е. М. Анализ основных электромагнитных сил, действующих на дугу в трехфазной дуговой печи // Теория и технология металлургического производства. 2014. Т. 15, № 2. С. 70–76. EDN: TNEYPT.
Кожухов А. А., Ткачев А. С., Мельников Е. Н. Экспериментальное изучение влияния полого (трубчатого) электрода на характер горения электрической дуги в дуговой сталеплавильной печи // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2015. Т. 58, № 3. С. 207–209. EDN: ROKLYQ.
Миронов Ю. М., Михадаров Д. Г. Влияние электродинамических явлений в дуговых печах на образование мениска в жидком металле // Электрометаллургия. 2012. № 6. С. 36–41. EDN: PALQYN.
Ильгачев А. Н., Михадаров Д. Г. Токи в ванне многоэлектродной установки // Вестник Чувашского университета. 2023. № 4. С. 99–108. DOI: 10.47026/1810-1909-2023-4-99-108.
Бигеев В. А., Агапитов Е. Б., Ерофеев М. М. и др. Результаты обработки расплава стали на агрегате ковш-печь с полыми электродами // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2007. № 1 (17). С. 36–37. EDN: NUOVDX.
Москалев Б. И. Разряд с полым катодом. — М.: Энергия, 1969. — 184 с.
Жуков М. Ф., Смоляков В. Я., Урюков Б. А. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). — М.: Наука, 1973. — 232 с.
Салиханов П. А., Туманов Д. В., Кузьминов А. Л. и др. Увеличение стойкости графитированного электрода путем организации продувки аргоном через полый электрод // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2024. Т. 80, № 3. С. 47–56.
Zhu H.-C., Ni Z.-W., Jiang Z.-H. etc. Numerical investigation on the application of hydrogen plasma arc in electric arc furnace // Applied Thermal Engineering. 2025. V. 285, Part 1. 128607. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2025.128607.
Чередниченко М. В., Хацевский К. В. Экспериментальные исследования процессов в полости катода вакуумного плазматрона // Наука и техника Казахстана. 2002. № 1. С. 80–94. EDN: SLWGST.
Self S. A., Ewald H. N. Static theory of a discharge column at intermediate pressures // Physics of Fluids. 1966. V. 9, № 12. P. 2486–2492. DOI: 10.1063/1.1761642.
Downloads
Published
Issue
Section
License
Copyright (c) 2026 Ferrous Metallurgy. Bulletin of Scientific , Technical and Economic Information
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
