背景技术
信息技术的飞速发展以及信息技术在国民经济和社会生活各个领域的广泛应用,带来了社会生产、生活方式的巨大变化,推动了社会生产力的迅速增长。光纤通信技术以其诸多技术经济优势,成为现代信息社会的基石和支柱,是“信息高速公路”的技术基础和重要组成部分。低成本,高质量的光纤光缆产品是光通信网络建设,光接入网普及化的重要保障。
光纤预制棒的设计和制备是光纤生产的关键,光纤预制棒的成本也占到光纤成本的绝大部分。尽可能提高光纤预制棒的利用率,降低光纤预制棒的成本成为当前光纤制造企业研发的重点。为了降低光纤预制棒的成本,目前光纤预制棒和拉丝技术的发展方向为预制棒大尺寸化,拉丝母棒直接拉丝化。当前光纤预制棒外包技术主要为外部气相沉积(OVD)和气相轴向沉积(VAD)工艺,大尺寸化对提高原材料利用率和设备产能有重要帮助,母棒直接拉丝技术能够大大降低预制棒母棒整形处理的成本。
OVD和VAD等工艺的技术特点决定沉积光纤预制棒存在较大的外径波动,如图1所示,除去光纤预制棒两端锥头部分,光纤预制棒最小外径和最大外径差达最大外径的30%,出于对光纤预制棒拉丝利用率和降低拉丝辅助材料消耗的考虑,往往采用较小直径的尾部辅助玻璃管,其外径与光纤预制棒棒最大外径差则达到最大外径的50%。如上所述,对接好尾部辅助玻璃管的准备拉丝的预制棒不可避免的具有较大的直径波动。
光纤拉丝炉一般采用石墨件作为发热腔体,因石墨在高温下容易氧化,为了防止石墨加热原件氧化,需要拉丝炉内保持惰性气体氛围,当前普遍采取的方法为在拉丝过程中,在拉丝炉内充入一定量的氩气,氮气,氦气等气体,结合拉丝炉上下引入口与预制棒之间的密封,阻止外界环境中的气体流入拉丝炉内部。
在传统的密封方式中,为了阻止外界气流进入拉丝炉,将具有比对应光纤预制棒直径稍小内径的气体密封件安装于炉口处,以在气封件和预制棒之间留有小间隙(一般不超过2mm)。但是,如果预制棒的外径波动变化到一定程度(大于2mm),采用传统的密封方法无法保障预制棒与密封件间的密封,外界气体流入炉内,导致炉内气流紊乱,光纤包层直径无法控制,严重的甚至会氧化腐蚀炉体内的石墨件。
在已经公开的专利文献中,已经存在一些解决上述密封问题的方法。中国专利CN 1315927A公开了一种光纤的制造方法,在拉丝炉的上方安装一个光纤预制棒收容筒,当光纤预制棒部分进入拉丝炉后,通过控制收容筒和延长尾棒间气体温度与拉丝炉内气体温度差来减少收容筒内气体与拉丝炉内气体的对流,从而减少预制棒锥部的气流波动以控制光纤的包层直径波动,该方法设备和工艺复杂,制作成本高。中国专利CN 101362628 A 公布了一种用于制造光纤的设备和用于拉丝炉密封的方法。该方法包括两个密封单元。第一密封单元解决预制棒和插入口之间的密封问题,第二密封单元解决预制棒直径渐变区域通过插入口时的密封问题。该方法的缺点是设备和工艺较复杂,制作成本高,给规模化生产和使用带来不便。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术的不足而提供一种能使外径波动光纤预制棒拉丝的方法和设备,可以有效降低光纤制造成本,提高企业利润。
为达到上述目的,本发明解决其技术问题所采取的方案是:
这种外径波动光纤预制棒的拉丝方法,包括以下步骤:
a.在外径波动光纤预制棒末端对接小直径辅助玻璃管;
b.然后根据光纤预制棒直径和辅助玻璃管外径选择合适的密封件和耐高温弹性材料,将凹槽内安装有耐高温弹性材料的密封件置于拉丝炉上口;
c.将对接好的光纤预制棒放入拉丝塔进行装夹,使小直径辅助玻璃管的上部与拉丝炉进给机构的卡盘相联紧固,通过进给机构将光纤预制棒调整到位,光纤预制棒的前端进入拉丝炉中发热腔体;
d.将惰性气体输送到拉丝炉发热腔体上部,以使惰性气体和光纤预制棒相遇,并产生在拉丝炉发热腔体和光纤预制棒之间的间隙处流动的气体;
e.通过发热腔体发热软化光纤预制棒的前端,从软化的前锥端连续拉制出所需直径的光纤;
f.拉丝过程中,进给机构缓慢将光纤预制棒进给进入发热腔体,直至辅助玻璃结构进入拉丝炉内,光纤预制棒的有效沉积尾端被拉制成光纤为止,将光纤预制棒最大直径设为r1,光纤预制棒最小直径设为r2,辅助玻璃管外径r3,将带凹槽的密封件上下口的直径设为r4,密封件凹槽内径设为r5,密封件凹槽高度设为h,密封件安装耐高温弹性材料后,将耐高温弹性材料沿水平方向压缩,压强为1kPa时,其内径设为r6,压强为30kPa时,其内径设为r7,上述测量的数值需要满足如下关系:
r1-r2≤r1×30%;
r1-r3≤r1×50%;
r5-r4≥h;
2mm≤ r4-r1 ≤30mm;
r1≤r7;
r6≤r3。
进一步地,所述光纤预制棒外径≧120㎜。
更近一步地,所述光纤预制棒外径为120-210㎜。
更近一步地,所述辅助玻璃管的直径≤150㎜。
更近一步地,所述辅助玻璃管的直径为80-150㎜。
更近一步地,所述步骤b的耐高温弹性材料由石英,氮化硼,氧化锆的一种或多种基材制成的纤维或蓬松多孔材料。
一种外径波动光纤预制棒的拉丝装置,包括拉丝炉和设置于拉丝炉上口的密封件,所述拉丝炉中间设置有发热腔体,所述发热腔体上端设置有惰性气体引入孔。
近一步地,所述密封件由石英玻璃或者陶瓷材料组成。
更近一步地,所述的拉丝炉在拉丝过程中发热腔体充有包含有氩气,氦气,氮气的一种或多种惰性气体。
更近一步地,所述密封件中的凹槽厚度≧10㎜。
与现有技术相比,本发明的有益之处是:这种外径波动光纤预制棒的拉丝方法及拉丝装置可以选择没有经过拉制的原坯预制棒,降低光纤拉丝的原材料成本;可以在预制棒尾端对接小尺寸的尾管,提高预制棒利用率,降低光纤原材料消耗;无需对光纤拉丝炉进行改造,易于实施和推广。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述:
如图1所示,为目前市场上主要三种类型的外径波动光纤预制棒:光纤预制棒一端粗一端细,为萝卜状光纤预制棒1;光纤预制棒两度粗,中间细,为哑铃状光纤预制棒2;光纤预制棒整体外径处于波动的,为波纹状光纤预制棒3。图中光纤预制棒最大直径设为r1,光纤预制棒最小直径设为r2。在实际拉丝中,当光纤预制棒直径波动超出一定范围时,拉丝炉5难以达到为光纤预制棒均匀加热的要求,造成拉丝光纤芯包同心度误差,包层不圆度等指标不达标,本发明适用于光纤预制棒外径波动范围即r1-r2≤r1×30%。
为了减少拉丝过程中辅助材料的消耗,同时提高光纤预制棒的玻璃利用率,而且由于辅助玻璃管4外径变小,使得焊接变得容易,从而也降低了焊接成本,需要在光纤预制棒尾端对接小尺寸的辅助玻璃管4,直径设为r3。但是,在拉丝过程中,辅助玻璃管4需要承受整个光纤预制棒的重量,而且在拉丝过程中处于加热状态,温度高达上百摄氏度。因此对辅助玻璃管4的机械强度及耐高温性能提出了要求。而如果采取过小尺寸的辅助玻璃管4,则需要选择成本较高的高机械强度和耐温性能的材料。出于经济效益考虑,本实施案例中选择的辅助玻璃管4外径r3满足如下关系:r1-r3≤r1×50%。
如图2所示,在拉丝过程中,为了保证拉丝质量和保护拉丝炉5石墨发热腔体6不受外来气体氧化,需要在拉丝炉5上口设置密封件8,图2给出了密封件的尺寸,密封件8凹槽密封件上下口的直径设为r4,密封件8凹槽直径设为r5,密封件8凹槽高度设为h。密封件8内需要安装耐高温弹性材料7,如图3、4所示显示了耐高温弹性材料受到1kpa和30kpa时的状态。将安装在密封件8内的弹性材料沿水平压缩,压强为1kPa时,其内径设为r6,压强为30kPa时,其内径设为r7。
在拉丝过程中,光纤预制棒以及尾部辅助玻璃管4需要垂直的穿过密封件8,因此密封件8上下口内径r4>光纤预制棒最大直径r1, 优选的r4-r1≥2mm。而如果密封件8上下口内径r4远超出光纤预制棒最大直径r1,则一定会造成r5的扩大,使得当中耐高温弹性材料7的使用量增大,从而增加了拉丝的生产成本,因此优选的r4-r1≤30mm。而密封件8凹槽高度h如小于10mm,则会造成安装不便,因此优选的密封件8凹槽高度h不小于10mm。充分利用耐高温弹性材料7的膨胀性能,需要耐高温弹性材料在密封件水平方向膨胀大于垂直方向,因此r5-r4≥h。
如图5所示在本发明的实施案例中,实现拉丝炉的密封,依靠置于拉丝炉5口的密封件8以及密封件8内安装的耐高温弹性材料7。为了保证拉丝炉5发热腔体6内的气流稳定并阻止外界气体进入拉丝炉发热腔体6内,需要耐高温弹性材料7始终与光纤预制棒或者尾部辅助玻璃管4紧密接触。在将光纤预制棒通过进给机构送入拉丝炉5发热腔体6以及拉丝过程中,光纤预制棒最大直径r1需要穿过安装在密封件8内的耐高温弹性材料7。光纤预制棒与耐高温弹性材料7紧密接触,在光纤预制棒的垂直移动过程中,会对耐高温弹性材料7施加运动方向上的剪切力,造成耐高温弹性材料7在光纤预制棒运动方向上的严重变形甚至结构破坏,导致对拉丝炉5的密封失效,拉丝过程中的光纤强度差或断纤等现象。在实施案例中,将安装在密封件8内的耐高温弹性材料7沿水平方向压缩,压强为30kPa时,内径r7≥预制棒最大直径r1时,光纤预制棒垂直移动过程中对耐高温弹性材料施加的剪切力不会对耐高温弹性材料7造成破坏。
如图6所示在拉丝过程中,为了使拉丝炉5发热腔体6内保持惰性氛围,惰性气体引入口9持续的向拉丝炉5内引入惰性气体,如氩气,氦气,氮气等。在拉丝炉5发热腔体6内,温度高达2000摄氏度,炉内气体有向上流动的趋势,而防止气体从拉丝炉口逃逸,需要耐高温弹性材料7与光纤预制棒或尾部辅助玻璃管4的摩擦力大于炉内气体对耐高温弹性材料7向上的挤压力。在本发明的实施案例中,当密封件8凹槽安装的耐高温弹性材料7受到水平压缩,压强为1kKa时,耐高温弹性材料7与光纤预制棒或尾部辅助玻璃管4之间的摩擦力会超过拉丝时拉丝炉5内气体对耐高温弹性材料7向上的挤压力。因此,本发明的优选实施方案,将耐高温弹性材料7沿水平方向压缩,压强为1kPa时,其内径r6≤拉丝过程中需要穿过密封件8的最小直径即尾部辅助玻璃管4外径r3。从而保证了整个拉丝过程中耐高温弹性材料7与光纤预制棒和尾部辅助玻璃管4的紧密接触。
将尾部对接好辅助玻璃管4的光纤预制棒放入拉丝塔进行装夹,使辅助玻璃管4的上部与拉丝炉5进给机构的卡盘相联紧固,通过进给机构将光纤预制棒调整到位,外径波动光纤预制棒的前端进入拉丝炉5发热腔体6;将惰性气体输送到拉丝炉5发热腔体6上部,以使惰性气体和光纤预制棒相遇,并产生在拉丝炉5发热腔体6和光纤预制棒之间的间隙处流动的气体;通过发热腔体6发热软化光纤预制棒的前端,从软化的前锥端连续拉制出所需直径的光纤;拉丝过程中,进给机构缓慢将光纤预制棒进给进入发热腔体6,直至尾部辅助玻璃管4随光纤预制棒进入发热腔体6,光纤预制棒的有效沉积尾端被拉制成光纤为止。拉丝过程中,耐高温弹性材料7始终与预制棒或辅助玻璃管4紧密接触,为拉丝炉5提供了密闭的环境,使得拉丝炉内气流相对稳定,包层直径波动在指标要求范围内。
下面通过具体实施例对本发明进行进一步详述;下面三个实施例分别包含了拉制萝卜状1、哑铃状2、波纹状3的外径波动光纤预制棒的拉丝实施例。
实施案例一:
如图7所示,采取如图1中所示的萝卜状1外径波动预制棒。光纤预制棒最大直径r1为196mm,最小直径r2为156mm。尾部对接的辅助玻璃管4外径r3为145mm。密封件8凹槽上下口内径r4为200mm,密封件8凹槽内径r5为230mm,密封件8高h为25mm。耐高温弹性材料7选择石英棉纤维,沿着密封件8凹槽塞入石英棉纤维,将石英棉纤维沿水平方向压缩,压强为1kPa时,其内径r6为135mm,压强为30kPa时,内径r7为198mm。
参照发明内容,现将各测量值需要满足的关系进行校对:
r1-r2=40mm ≤ r1×30%=58.8mm;
r1-r3=51mm ≤ r1×50%=98mm
r5-r4=30mm ≥ h=25mm;
2mm ≤r4-r1=4mm ≤ 30mm;
R6=135mm ≤ r3=145mm;
r1=196mm ≤r7=198mm
将对接好的光纤预制棒放入拉丝塔进行装夹,使尾部辅助玻璃管4的上部与拉丝炉5进给机构的卡盘相联紧固,通过进给机构将光纤预制棒调整到位,使光纤预制棒垂直于悬挂于炉口上方,且预制棒垂直中心与炉口中心重合;
将密封件8安放于炉口上方,使密封件8横截面圆心与炉口圆心重合。将满足上述体积要求的石英棉纤维塞入密封件8凹槽内;
通过进给机构将光纤预制棒垂直通过凹槽内塞有石英棉纤维的密封件8,使预制棒椎头部分达到炉子发热腔体6的中心部位;
将惰性气体从炉体上部输送到拉丝炉5发热腔体6,以使惰性气体和光纤预制棒相遇,并产生在发热腔体6和光纤预制棒之间的间隙处平稳流动的气流;
通过发热腔体6发热软化光纤预制棒的前端,从软化的前锥端连续拉制出所需直径的光纤;
拉丝过程中,进给机构缓慢将光纤预制棒进给进入发热腔体6,直至尾部辅助玻璃管4随光纤预制棒进入发热腔体6,在这期间,随着光纤预制棒直径的不断变化,塞入密封件8凹槽的石英棉纤维受挤压状态和蓬松状态之间不断变化,填充了因预制棒直径波动与密封件之间的空隙,使得拉丝炉5内的气流始终处于比较稳定状态,确保了光纤的包层直径始终没有明显变化。
实施案例二:
如图8所述采取如图1中所示的哑铃状2外径波动预制棒。光纤预制棒最大直径r1为192mm,最小直径r2为151mm。尾部对接的辅助玻璃管4外径r3为145mm。密封件8凹槽上下口内径r4为200mm,密封件8凹槽内径r5为230mm,密封件8高h为25mm。弹性耐高温材料7选择氧化锆纤维,沿着密封件8凹槽塞入氧化锆纤维,将氧化锆纤维沿水平方向压缩,压强为1kPa时,其内径r6为140mm,压强为30kPa时,内径r7为201mm。
参照发明内容,现将各测量值需要满足的关系进行校对:
r1-r2=41mm ≤ r1×30%=57.6mm;
r1-r3=47mm ≤ r1×50%=96mm
r5-r4=30mm ≥ h=25mm;
2mm ≤r4-r1=4mm ≤ 30mm;
r6=140mm ≤ r3=145mm;
r1=192mm ≤r7=201mm
光纤预制棒尾部对接辅助玻璃管4或者棒;
将对接好的光纤预制棒放入拉丝塔进行装夹,使尾部辅助玻璃管4的上部与拉丝炉5进给机构的卡盘相联紧固,通过进给机构将光纤预制棒调整到位,使光纤预制棒垂直于悬挂于炉口上方,且预制棒垂直中心与炉口中心重合;
将密封件8安放于炉口上方,使密封件8横截面圆心与炉口圆心重合。将满足上述体积要求的氧化锆纤维塞入密封件8凹槽内;
通过进给机构将光纤预制棒垂直通过凹槽内塞有氧化锆纤维的密封件8,使预制棒椎头部分达到炉子发热腔体6的中心部位;
将惰性气体从炉体上部输送到发热腔体6,以使惰性气体和光纤预制棒相遇,并产生在发热腔体6和光纤预制棒之间的间隙处平稳流动的气流;
通过发热腔体6发热软化光纤预制棒的前端,从软化的前锥端连续拉制出所需直径的光纤;
拉丝过程中,进给机构缓慢将光纤预制棒进给进入发热腔体6,直至尾部辅助玻璃管4随光纤预制棒进入发热腔体6,在这期间,随着预制棒直径的不断变化,塞入密封件8凹槽的氧化锆纤维受挤压状态和蓬松状态之间不断变化,填充了因预制棒直径波动与密封件8之间的空隙,使得拉丝炉内的气流始终处于比较稳定状态,确保了光纤的包层直径始终没有明显变化。
实施案例三:
如图9所述,采取如图1中所示的波纹状3外径波动光纤预制棒。光纤预制棒最大直径r1为143mm,最小直径r2为128mm。尾部对接的辅助玻璃管4外径r3为116mm。密封件8凹槽上下口内径r4为150mm,密封件8凹槽内径r5为185mm,密封件8高h为25mm。耐高温弹性材料7选择氮化硼泡沫材料,沿着密封件8凹槽塞入氮化硼泡沫材料,将氮化硼泡沫材料沿水平方向压缩,压强为1kPa时,其内径r6为100mm,压强为30kPa时,内径r7为155mm。
参照发明内容,现将各测量值需要满足的关系进行校对:
r1-r2=23mm ≤ r1×30%=42.9mm;
r1-r3=51mm ≤ r1×50%=71.5mm
r5-r4=35mm ≥ h=25mm;
2mm ≤r4-r1=7mm ≤ 30mm;
r6=100mm ≤ r3=116mm;
r1=143mm ≤r7=155mm
光纤预制棒尾部对接辅助玻璃管或者棒;
将对接好的光纤预制棒放入拉丝塔进行装夹,使尾部辅助玻璃管4的上部与拉丝炉5进给机构的卡盘相联紧固,通过进给机构将光纤预制棒调整到位,使光纤预制棒垂直于悬挂于炉口上方,且预制棒垂直中心与炉口中心重合;
将密封件8安放于炉口上方,使密封件8横截面圆心与炉口圆心重合。将满足上述体积要求的氮化硼泡沫材料塞入密封件8凹槽内;
通过进给机构将光纤预制棒垂直通过凹槽内塞有氮化硼泡沫材料的密封件8,使预制棒椎头部分达到炉子发热腔体6的中心部位;
将惰性气体从炉体上部输送到发热腔体6,以使惰性气体和光纤预制棒相遇,并产生在发热腔体6和光纤预制棒之间的间隙处平稳流动的气流;
通过发热腔体6发热软化光纤预制棒的前端,从软化的前锥端连续拉制出所需直径的光纤;
拉丝过程中,进给机构缓慢将光纤预制棒进给进入发热腔体6,直至尾部辅助玻璃管4随光纤预制棒进入发热腔体6,在这期间,随着预制棒直径的不断变化,塞入密封件8凹槽的氮化硼泡沫材料受挤压状态和蓬松状态之间不断变化,填充了因预制棒直径波动与密封件之间的空隙,使得拉丝炉内的气流始终处于比较稳定状态,确保了光纤的包层直径始终没有明显变化。
这种外径波动光纤预制棒的拉丝方法可以选择没有经过拉制的原坯预制棒,降低光纤拉丝的原材料成本;可以在预制棒尾端对接小尺寸的尾管,提高预制棒利用率,降低光纤原材料消耗;无需对光纤拉丝炉进行改造,易于实施和推广。
需要强调的是:以上仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。