СПОСОБ НАГРЕВА И ПЛАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И ДРУГИХ МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНЫМИ ЛУЧАМИ В АГРЕГАТАХ С ОПТИЧЕСКИ НЕПРОЗРАЧНОЙ АТМОСФЕРОЙ
PROCEDURE FOR HEATING AND MELTING METALS AND OTHER MATERIALS WITH LASER BEAMS IN AGGREGATES WITH OPTIC NON-TRANSPARENT ATMOSPHERE

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве металлов и других материалов.
В последние годы (десятилетия) для нагрева металлов и других веществ наряду с традиционными способами заметное распространение получили лазерные лучи. Лучами лазеров нагревают поверхность деталей из металлов и других материалов, оплавляют поверхностные слои образцов, расплавляют микрообъемы веществ для последующего спектрального анализа выделяющихся паров и др. (Григорьянц А.Г. и др. Методы поверхностной лазерной обработки. - М.: Высшая школа, 1987). В промышленности освоена лазерная резка листовой продукции, которая сводится к тому, что луч малого диаметра расплавляет металл, формируя узкий рез. При всех этих способах обрабатываемый лазерным лучом образец находится в обычной воздушной атмосфере или в закрытых камерах с оптически прозрачной средой, которые не препятствуют движению лазерного луча.
В последнее время предложено применение лазерных лучей для нагрева и плавления металлов и руд в крупных промышленных агрегатах типа кислородных конвертеров, электродуговых и мартеновских печей и печей цветной металлургии (патент №2346990, 6 С21С 5/28 от 20.02.09, патент №2354725, 6 С22В 23/02 от 10.05.09). В этих способах предусмотрен ввод лазерных лучей через огнеупорные стенки и своды агрегатов с их перемещением по поверхности нагреваемой, плавящейся и расплавленной шихты. При этом лазерные лучи проходят через атмосферу плавильного агрегата, которая зачастую бывает оптически непрозрачной.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является патент №2348880, 6 С21С 7/10 от 10.03.09, в котором описана лазерная сталеплавильная печь и технология выплавки в ней стали, близкая к технологиям плавки в мартеновских и дуговых печах.
Существенным недостатком этого способа является то, что при плавлении твердого металла и нагреве жидкого металла атмосфера агрегата становится оптически непрозрачной вследствие выделения паров металлов и оксидов, а также выделения капель металла и шлака при кипении металла. Оптически непрозрачная атмосфера затрудняет прохождение лазерных лучей внутри агрегата и препятствует попаданию лазерных лучей на нагреваемую поверхность.
Задачей изобретения является обеспечение беспрепятственного прохождения лазерных лучей в печи к нагреваемой поверхности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе нагрева и плавления металла лазерными лучами в плавильном агрегате с оптически непрозрачной атмосферой, включающем ввод лазерного луча или лучей через отверстия в огнеупорных сводах или стенах плавильного агрегата, направленных к нагреваемой поверхности металла, и перемещение лазерного луча или лучей по этой поверхности, причем через отверстия в огнеупорных сводах или стенах плавильного агрегата вводят расположенную вокруг лазерного луча или лучей соосно с ними защитную трубу-фурму, имеющую внутренний диаметр, исключающий контакт лазерных лучей с трубой-фурмой и с расстоянием от низа трубы-фурмы до нагреваемой поверхности, равным 2-30 диаметрам внутреннего канала трубы-фурмы, при этом во внутренний канал трубы-фурмы подается оптически прозрачный газ с давлением, предотвращающим поступление в него газа из оптически непрозрачной атмосферы плавильного агрегата, а на пути лазерного луча или лучей от конца трубы-фурмы до поверхности металла вокруг них создают кольцевую защитную газовую оболочку, подавая защитный газ через кольцевую щель в трубе-фурме.
Изобретение обладает новизной, что следует из сравнения с прототипом, и изобретательским уровнем, так как явно не следует из существующего уровня техники, практически осуществимо в действующих цехах, выплавляющих металлы.
Способ нагрева и плавления металлов и других материалов лазерными лучами в агрегатах с оптически непрозрачной атмосферой предусматривает проведение нагрева одним лазерным лучом, несколькими различно направленными лучами и пучком параллельных лучей. При этом на стенах или своде плавильного агрегата размещают лазеры, от которых луч или несколько лучей через отверстие в огнеупорной кладке агрегата проходят к поверхности нагреваемого металла (материала). Через это отверстие в агрегат также вводят огнеупорную или водоохлаждаемую трубу-фурму, которые располагают соосно с лазерными лучами. Водоохлаждаемая труба-фурма состоит из трех соосных труб (через полость между внутренней и средней трубами поступает, а через полость между средней и наружной трубами отводится охлаждающая вода). Кроме того, предусматривается крепление на агрегате механизма, позволяющего изменять направление трубы-фурмы и лазерных лучей, то есть осуществлять перемещение лучей по нагреваемой поверхности материала в печи. Внутренний диаметр трубы-фурмы должен быть таким, чтобы исключить контакт лазерных лучей с трубой-фурмой. Для предотвращения попадания во внутренний канал трубы-фурмы оптически непрозрачной атмосферы агрегата в канал подается оптически прозрачный газ под необходимым давлением. В качестве такого газа можно использовать азот, нейтральные газы, природный газ, воздух, а давление газа для предотвращения подсоса воздуха во внутренний канал трубы-фурмы должно быть на 20% выше величины давления атмосферы агрегата. Расстояние от низа трубы-фурмы до нагреваемой поверхности должно быть в пределах от 2 до 30 диаметров внутреннего канала трубы-фурмы. При расстоянии от низа трубы-фурмы до нагреваемой поверхности менее 2 диаметров внутреннего канала трубы-фурмы возможно попадание во внутренний канал трубы-фурмы паров металлов и оксидов, а также капель металла и шлака, что затруднит прохождение лазерных лучей внутри агрегата. При расстоянии от низа трубы-фурмы до нагреваемой поверхности более 30 диаметров внутреннего канала трубы-фурмы возможен контакт лазерных лучей с оптически непрозрачной атмосферой, который будет препятствовать попаданию лазерных лучей на нагреваемую поверхность. Например, при диаметре внутреннего канала трубы-фурмы, равном 20 мм, расстояние от низа трубы-фурмы до нагреваемой поверхности составит 40-600 мм. Способ также предусматривает, что на пути лазерных лучей от нижнего конца трубы-фурмы до нагреваемой поверхности при необходимости создают кольцевую защитную газовую оболочку, подавая газ через кольцевую щель в трубе-фурме. В этом случае во внутреннем канале трубы-фурмы крепится четвертая труба, образующая с внутренней трубой трубы-фурмы кольцевую щель, через которую подают защитный газ, а лазерный луч проходит в полости четвертой трубы. Давление защитного газа и скорость его выхода из трубы-фурмы должны быть такими, чтобы защитить лазерные лучи от контакта с атмосферой агрегата. При нагреве с помощью пучка параллельно направленных лазерных лучей внутреннее поперечное сечение трубы-фурмы выполняется в форме эллипса, что позволит расположить пучок параллельно направленных лазерных лучей в линию и упростит осуществление способа.