激光切割技術(shù)應(yīng)用于連鑄坯切割可能性探討

激光切割技術(shù)應(yīng)用于連鑄坯切割可能性探討隨著科技的發(fā)展，近些年激光切割逐漸成熟。但是由于激光設(shè)備的造價(jià)和歷史原因，激光切割大都應(yīng)用在高精度切割領(lǐng)域。目前沒(méi)有任何廠商研發(fā)和實(shí)踐用激光技術(shù)切割連鑄坯。即便有科研單位通過(guò)各種優(yōu)化和改進(jìn)，將激光切割碳鋼的最厚的厚度提高到140毫米，但是切割速度僅為300毫米/分鐘，速度慢不能應(yīng)用與鋼廠實(shí)際生產(chǎn)，切口質(zhì)量對(duì)比火焰切割沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致目前60毫米厚度以上的金屬（碳鋼）切割仍是以火焰切割為主。全國(guó)各鋼廠碳鋼連鑄坯的厚度范圍一般在150mm-400mm，無(wú)一例外都是使用火焰切割技術(shù)進(jìn)行切割。但是火焰切割的可燃?xì)怏w的燃燒方式屬于開(kāi)放式燃燒，熱量不能重復(fù)利用和回收，以丙烷為例計(jì)算消耗量，折合噸鋼消耗可燃?xì)怏w0.25KG。其熱量有效利用率極低，平均不足10%，同時(shí)造成大量的碳排放。為提高熱量利用效率，降低碳排放量，需要開(kāi)發(fā)適用于連鑄坯的切割的激光熱源切割技術(shù)。本文從理論上說(shuō)明激光切割鑄坯的可行性。一、火焰切割技術(shù)切割超厚碳鋼的原理火焰切割技術(shù)屬于熱切割，主要由氧氣與鐵燃燒完成鑄坯切割?；鹧媲懈钚枰慕橘|(zhì)有：可燃?xì)怏w（丙烷、乙炔等）、氧氣（壓力0.8-1.0Mp）?？扇?xì)怏w與氧氣分別從切割槍噴嘴不同的孔內(nèi)射出，在噴嘴外相遇后點(diǎn)燃，發(fā)生燃燒放熱，產(chǎn)生高溫高速射流。高溫射流最高溫度可達(dá)3100攝氏度，高溫高速射流沖擊連鑄坯，通過(guò)對(duì)流換熱，使連鑄坯升溫。當(dāng)連鑄坯溫度升高至鐵與純氧起燃溫度（低碳鋼為900攝氏度左右）時(shí)，氧氣與鐵發(fā)生燃燒反應(yīng)，較快完成對(duì)鑄坯的切割。一般火焰切割連鑄坯的速度為500毫米/分鐘以上。鑄坯厚度越薄切割速度會(huì)有提高?；鹧媲懈顦尞a(chǎn)生的高溫射流起到加熱鑄坯的作用。一般認(rèn)為射流溫度1600攝氏度以上對(duì)鑄坯具有較好的升溫作用，可以快速將鑄坯升高至與純氧的起燃點(diǎn)。溫度在1600攝氏度以上的射流長(zhǎng)度決定了火焰切割對(duì)碳鋼的最大切割厚度。一般情況下，高溫射流的有效長(zhǎng)度在500毫米左右，在不考慮切割速度的前提下，可切割的最大厚度的連鑄坯不超過(guò)500毫米。二、激光切割技術(shù)切割碳鋼原理。目前激光切割應(yīng)用原理有三類：熔化切割、氧化熔化切割、氣化切割。激光器發(fā)出激光，由透鏡匯聚后，對(duì)被切割物體做功。通過(guò)熔化、氧化熔化、氣化等不同形式完成切割。下圖依次為熔化切割、氧化熔化切割、氣化切割的示意圖：不同切割原理適用的范圍如下表：激光切割技術(shù)應(yīng)用概況切割類型熔化切割氧化熔化切割氣化切割使用材料陶瓷、不銹鋼、高合金鋼、鋁、鈦、銅合金等非合金和低合金鋼、不銹鋼、鋁合金、碳鋼等塑料板和紡織品、木板、亞克力板、等非金屬材料，薄金屬板等。熔化切割碳鋼的特點(diǎn)：輔助氣體不與被切割金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，靠激光匯聚產(chǎn)生的能量將被切割金屬熔化，輔助氣體將熔化液吹走，從而完成切割。該方法切割速度太慢，切割厚度小于30mm。氣化切割碳鋼的特點(diǎn)：大功率激光器匯聚的能量直接將被切割金屬溫度提高到氣化溫度，用輔助惰性氣體將金屬氣體吹走，完成切割。該方法需要大功率激光器，投資高，切割厚度小于20mm。氧化熔化切割碳鋼的特點(diǎn)：以激光作為熱源，氧氣為輔助氣體。激光匯聚使金屬達(dá)到與純氧燃燒的溫度，加速氧和碳鋼的反應(yīng)完成切割。該原理與火焰切割原理相同。當(dāng)前切割厚度小于80mm。本文提出的“激光熱源切割技術(shù)”就是采用氧化熔化的切割原理對(duì)現(xiàn)有激光切割技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。三、激光熱源切割技術(shù)激光熱源切割技術(shù)是在現(xiàn)有激光切割不足的基礎(chǔ)上級(jí)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。激光用于鑄坯升溫，氧氣用于切割。激光切割的過(guò)程如下圖：激光切割面對(duì)比激光器參數(shù)：激光器功率5500瓦，切割30mm碳鋼，離焦量0，切割氧氣壓力0.20Mp，開(kāi)始切割時(shí)，打開(kāi)切割氧，激光連續(xù)照射，形成下圖CD線左側(cè)切割紋路，之后關(guān)閉激光器，切割氧不關(guān)閉，形成下圖CD線右側(cè)鋼板切割面紋路。全程切割速度0.5m/min。切割紋路特點(diǎn)：1、無(wú)激光區(qū)下半部分切割紋路與有激光區(qū)下半部分對(duì)比，切割條紋發(fā)生彎曲，切割速度發(fā)生滯后。說(shuō)明無(wú)激光區(qū)下半部分氧與鐵的反應(yīng)明顯變慢。2、AB線開(kāi)始切割紋路發(fā)生變化。相同切割深度，有激光區(qū)的切割紋路較無(wú)激光區(qū)在切割方向上相對(duì)靠前。即：在AB線以下，有激光區(qū)較無(wú)激光區(qū)氧與鐵的反應(yīng)更活躍。3、圖中AB線以上部分，有激光區(qū)和無(wú)激光區(qū)的切割紋路基本相同，在AB線以上深度范圍內(nèi)，鐵被點(diǎn)燃后，與純氧發(fā)生的放熱反應(yīng)提供的熱量滿足切割這部分碳鋼切割需要的熱量。以上切割紋路對(duì)比說(shuō)明：在激光氧助熔化切割碳鋼過(guò)程中，切割的熱源包括激光熱源和氧鐵反應(yīng)放出的熱源。氧鐵反應(yīng)放出的熱量可以完成AB線以上的正常切割。激光可以提供點(diǎn)然氧鐵反應(yīng)的熱量以及補(bǔ)充AB線以下深度的氧鐵反應(yīng)的熱源。持續(xù)的熱源補(bǔ)充即為激光切割鑄坯的關(guān)鍵。提供切割鋼板的熱量是激光的焦點(diǎn)以及以焦點(diǎn)為零點(diǎn)，