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?激光切割技术应用于连铸坯切割可能性探讨

随着科技的发展，近些年激光切割逐渐成熟。但是由于激光设备的造价和历史原因，激光切割大都应用在高精度切割领域。目前没有任何厂商研发和实践用激光技术切割连铸坯。即便有科研单位通过各种优化和改进，将激光切割碳钢的最厚的厚度提高到140毫米，但是切割速度仅为300毫米/分钟，速度慢不能应用与钢厂实际生产，切口质量对比火焰切割没有优势，导致目前60毫米厚度以上的金属（碳钢）切割仍是以火焰切割为主。全国各钢厂碳钢连铸坯的厚度范围一般在150mm-400mm，无一例外都是使用火焰切割技术进行切割。但是火焰切割的可燃气体的燃烧方式属于开放式燃烧，热量不能重复利用和回收，以丙烷为例计算消耗量，折合吨钢消耗可燃气体0.25KG。其热量有效利用率极低，平均不足10%，同时造成大量的碳排放。为提高热量利用效率，降低碳排放量，需要开发适用于连铸坯的切割的激光热源切割技术。

本文从理论上说明激光切割铸坯的可行性。

一、火焰切割技术切割超厚碳钢的原理

火焰切割技术属于热切割，主要由氧气与铁燃烧完成铸坯切割。火焰切割需要的介质有：可燃气体（丙烷、乙炔等）、氧气（压力0.8-1.0Mp）。可燃气体与氧气分别从切割枪喷嘴不同的孔内射出，在喷嘴外相遇后点燃，发生燃烧放热，产生高温高速射流。高温射流最高温度可达3100摄氏度，高温高速射流冲击连铸坯，通过对流换热，使连铸坯升温。当连铸坯温度升高至铁与纯氧起燃温度（低碳钢为900摄氏度左右）时，氧气与铁发生燃烧反应，较快完成对铸坯的切割。一般火焰切割连铸坯的速度为500毫米/分钟以上。铸坯厚度越薄切割速度会有提高。

火焰切割枪产生的高温射流起到加热铸坯的作用。一般认为射流温度1600摄氏度以上对铸坯具有较好的升温作用，可以快速将铸坯升高至与纯氧的起燃点。温度在1600摄氏度以上的射流长度决定了火焰切割对碳钢的最大切割厚度。一般情况下，高温射流的有效长度在500毫米左右，在不考虑切割速度的前提下，可切割的最大厚度的连铸坯不超过500毫米。

二、激光切割技术切割碳钢原理。

目前激光切割应用原理有三类：熔化切割、氧化熔化切割、气化切割。激光器发出激光，由透镜汇聚后，对被切割物体做功。通过熔化、氧化熔化、气化等不同形式完成切割。

下图依次为熔化切割、氧化熔化切割、气化切割的示意图：

不同切割原理适用的范围如下表：

激光切割技术应用概况

切割类型

熔化切割

氧化熔化切割

气化切割

使用材料

陶瓷、不锈钢、高合金钢、铝、钛、铜合金等

非合金和低合金钢、不锈钢、铝合金、碳钢等

塑料板和纺织品、木板、亚克力板、等非金属材料，薄金属板等。

熔化切割碳钢的特点：辅助气体不与被切割金属发生化学反应，靠激光汇聚产生的能量将被切割金属熔化，辅助气体将熔化液吹走，从而完成切割。该方法切割速度太慢，切割厚度小于30mm。

气化切割碳钢的特点：大功率激光器汇聚的能量直接将被切割金属温度提高到气化温度，用辅助惰性气体将金属气体吹走，完成切割。该方法需要大功率激光器，投资高，切割厚度小于20mm。

氧化熔化切割碳钢的特点：以激光作为热源，氧气为辅助气体。激光汇聚使金属达到与纯氧燃烧的温度，加速氧和碳钢的反应完成切割。该原理与火焰切割原理相同。当前切割厚度小于80mm。

本文提出的“激光热源切割技术”就是采用氧化熔化的切割原理对现有激光切割技术进行创新。

三、激光热源切割技术

激光热源切割技术是在现有激光切割不足的基础上级进行技术创新。激光用于铸坯升温，氧气用于切割。激光切割的过程如下图：

激光切割面对比

激光器参数：激光器功率5500瓦，切割30mm碳钢，离焦量0，切割氧气压力0.20Mp，开始切割时，打开切割氧，激光连续照射，形成下图CD线左侧切割纹路，之后关闭激光器，切割氧不关闭，形成下图CD线右侧钢板切割面纹路。全程切割速度0.5m/min。

切割纹路特点：

1、无激光区下半部分切割纹路与有激光区下半部分对比，切割条纹发生弯曲，切割速度发生滞后。说明无激光区下半部分氧与铁的反应明显变慢。

2、AB线开始切割纹路发生变化。相同切割深度，有激光区的切割纹路较无激光区在切割方向上相对靠前。即：在AB线以下，有激光区较无激光区氧与铁的反应更活跃。

3、图中AB线以上部分，有激光区和无激光区的切割纹路基本相同，在AB线以上深度范围内，铁被点燃后，与纯氧发生的放热反应提供的热量满足切割这部分碳钢切割需要的热量。

以上切割纹路对比说明：在激光氧助熔化切割碳钢过程中，切割的热源包括激光热源和氧铁反应放出的热源。氧铁反应放出的热量可以完成AB线以上的正常切割。激光可以提供点然氧铁反应的热量以及补充AB线以下深度的氧铁反应的热源。

持续的热源补充即为激光切割铸坯的关键。

提供切割钢板的热量是激光的焦点以及以焦点为零点，在轴