CN105271650B - 一种制备低羟基石英套管的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备低羟基石英套管的装置，其且简化了工艺流程和制造工艺。料斗内装有二氧化硅微粉，料斗为封闭容器，料斗设置有进料口，料斗的底部设置有出料口，内石英管位于外石英管的内腔，内石英管的中心轴线和外石英管的中心轴线互相重合，内石英管的外壁和外石英管的内壁间形成环形腔体，内石英管、外石英管的底端面封装有石英隔板，外石英管的上端连接有上尾管，上尾管的下端环面、外石英管的上端环面间无缝焊接，内石英管的上端环面盖装有盖板，上尾管的上端部开口连通料斗的出料口，上尾管的外环面布置有脱水炉，上尾管的下部外环面侧向开有进气管，进气管位于脱水炉的下方。

Description

一种制备低羟基石英套管的装置及方法

技术领域

本发明涉及石英管制造的技术领域，具体为一种制备低羟基石英套管的装置，本发明还提供了采用该装置制造低羟基石英套管的方法。

背景技术

光纤预制棒是用来拉制光纤的石英玻璃棒，其结构示意图见图1，断面由内而外依次为芯层、内包层和外包层，其中芯层和内包层一般同时被制造出来，称为芯棒，然后由芯棒和外包层组合成为光纤预制棒。

芯棒主要决定光纤预制棒的性能，外包层主要决定光纤预制棒的制造成本。目前制造光纤预制棒外包层的工艺路线主要分两类：套管法和合成法。其中套管法是将制造好的芯棒和石英套管熔合在一起得到光纤预制棒或直接拉制成光纤的方法，该方法具有工艺简单、生产效率高、容易实现大规模生产的优势，其缺点是石英套管本身价格昂贵，限制了光纤预制棒制造商制造成本的降低。随着外包层合成技术的不断进步，套管法的成本劣势越来越凸显。

套管法制造光纤预制棒时用到的石英套管具有纯度高、羟基含量低的特点，目前可大量提供光纤预制棒用石英套管的供应商不多，基本由德国贺利氏公司垄断，对套管法光纤预制棒制造商来说，降低制造成本更加困难。

德国贺利氏公司采用化学合成法制造石英套管，主要工艺流程见图2。先合成并沉积出二氧化硅粉尘堆积体，然后对其进行脱水并玻璃化，再对内外表面进行冷加工得到成品石英套管。合成法制造光纤预制棒用石英套管工艺中，制造二氧化硅粉尘堆积体是实现难度最大的环节，合成法制造光纤预制棒用石英套管工艺中，制造二氧化硅粉尘堆积体时，由四氯化硅或硅氧烷等含硅物质反应后生成的二氧化硅微粉收集率一般约为60％，同时为处理未被收集的粉尘，需要额外投入处理成本，合成法制造光纤预制棒用石英套管工艺中，对二氧化硅粉尘堆积体进行脱水和玻璃化的环节决定着石英套管的光学性能，脱水和玻璃化一般在两台设备上完成，或在一台设备中缓慢进行，该过程生产效率较低，占用了整个制造流程的较多时间，合成法制造光纤预制棒用石英套管工艺中，为得到大直径石英套管，制造出的二氧化硅粉尘堆积体密度较大，这导致对其进行脱水和玻璃化的难度较大，难以得到羟基含量极低的石英套管，合成法制造光纤预制棒用石英套管工艺中，制造的粉尘堆积体的长度决定了石英套管的长度，而为保证粉尘堆积体的直线度，难以制造太长石英套管，综合上述可知合成法制造石英套管工艺繁琐，成本较高。

石英材料供应商也在积极开发与德国贺利氏公司不同的石英套管制造方法。例如三星电子公司专利号为ZL00126474.5的专利公开了“生产管状石英玻璃产品的方法”，其本质公开了溶胶凝胶法制备石英套管，并对该方法进行了改进。但该方法仍存在成品率低、难以制造大尺寸产品等问题，不能满足光纤预制棒行业日益提高的技术要求。

久智光电子材料科技有限公司申请号为200710106044.2的专利公开了使用石英砂制造石英砣，对石英砣进行加工后，再延伸成石英套管的技术。该技术具有成本低、效率高的优势，但产品质量主要由其原材料石英砂决定，石英砂品质的波动会直接影响石英套管的品质，而石英砂内部的杂质是难以完全消除的，这就限制了石英套管品质的提高，且加工形成的石英套管的内孔和外圆均需要进行磨削，磨削难度较大、磨削时间长，降低了石英套管的生产效率。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种制备低羟基石英套管的装置，通过该装置制作石英套管省去了制造二氧化硅粉尘堆积体的步骤，大幅降低了制造光纤预制棒用石英套管的技术难度，对微粉100％收集、降低了材料成本和废处理成本，且简化了工艺流程和制造工艺；易制成羟基和金属杂质含量低的石英套管，可制造超长石英套管。

一种制备低羟基石英套管的装置，其技术方案是这样的：其包括料斗、玻璃化炉、脱水炉，其特征在于：其还包括内石英管、外石英管，所述料斗内装有二氧化硅微粉，所述料斗为封闭容器，所述料斗设置有进料口，所述料斗的底部设置有出料口，所述内石英管位于所述外石英管的内腔，所述内石英管的中心轴线和所述外石英管的中心轴线互相重合，所述内石英管的外壁和所述外石英管的内壁间形成环形腔体，所述内石英管、外石英管的底端面封装有石英隔板，所述外石英管的上端连接有上尾管，所述上尾管的下端环面、外石英管的上端环面间无缝焊接，所述内石英管的上端环面盖装有盖板，所述上尾管的上端部开口连通料斗的出料口，所述上尾管的外环面布置有所述脱水炉，所述上尾管的下部外环面侧向开有进气管，所述进气管位于所述脱水炉的下方，所述上尾管的上部外环面侧向开有排气管，所述料斗的出料口和所述上尾管的上端部开口间设置有进料控制阀，所述排气管、料斗的上部分别通过管路连通至真空泵，所述真空泵具体为有耐酸腐蚀功能的真空泵，所述外石英管的外环面布置有所述玻璃化炉，所述玻璃化炉可沿着所述外石英管的中心轴线平行向移动，所述料斗通过料斗排气管连接至所述真空泵，所述料斗排气管上布置有阀门。

其进一步特征在于：所述阀门优选为电动阀；

所述进料控制阀和所述料斗的出料口、所述上尾管的上端部开口两者之间密封连接，确保进料控制阀关闭时，上尾管、料斗在该处的真空状态下漏率不大于10帕/小时；

所述内石英管和外石英管的上端设置有中心轴定位连接结构，所述中心轴定位连接结构具体为定位架结构，所述定位架结构的中心设置有所述盖板，所述盖板的外环部下凸形成定位环，内石英管的顶部嵌装于定位环所形成的空腔内，所述定位架的连接杆焊接连接所述外石英管的对应位置的内壁；

优选地，所述定位架结构和所述外石英管通过模具一体成型，为一个整体结构；

所述内石英管的顶部侧壁开有槽口，该槽口用于抽真空，所述盖板的直径大于所述内石英管的直径，所述盖板确保二氧化硅微粉不会由槽口进入到内石英管的内腔，且槽口以下的内石英管的长度确保制造形成的石英套管的长度达到光纤预制棒的制作要求；

所述石英隔板支承于下尾管，下尾管的高度确保所述玻璃化炉对于所述环形腔体内的物料的正常玻璃化。

一种制造低羟基石英套管的方法，其特征在于：其采用上述装置，其具体步骤如下：

a通过入料口向料斗中通入二氧化硅微粉；

b开启真空泵，此时阀门开启，分别将料斗、石英组件所形成的腔体进行抽真空处理，要求压力不高于10Pa，压力到位后，继续抽真空2小时～5小时，生产过程中真空泵始终开启；

c将玻璃化炉降至中心与下尾管的上端等高处，脱水炉位于进气管上方，位置保持不变，对玻璃化炉和脱水炉进行升温，脱水炉温度升至1130℃～1250℃，玻璃化炉温度升至1420℃～1500℃；

d关闭阀门，然后由进气管通入氦气、氯气混合气，氦气流量0.5slm～5slm，氯气流量0.05slm～0.5slm，同时调节真空泵15；

e玻璃化炉逐渐提升至直至玻璃化炉的中心位于外石英管的最高位置，对内石英管外壁、外石英管内壁进行脱羟处理，然后以匀速返回；

f开启进料控制阀，二氧化硅微粉自然下落，经过脱水炉时，在高温和氯气环境下被脱羟，落至底部时在高温石英玻璃表面逐渐形成透明石英玻璃；

g随着步骤f所述过程的进行，玻璃化炉向上移动至玻璃化炉的中心位于外石英管的最高位置，移动总长由内石英管和外石英管长度决定，内石英管、外石英管和环形腔体内石英管组合得到光纤预制棒用低羟基石英套管。

其进一步特征在于：所述二氧化硅微粉以四氯化硅、有机硅烷等为原料，通过气相合成法制得，要求原料纯度不低于99.9％。所述二氧化硅微粉粒径不大于30微米。

采用本发明后，事先制备好的二氧化硅微粉直接玻璃化得到透明的石英玻璃套管，省去了制造二氧化硅粉尘堆积体的步骤，大幅降低了制造光纤预制棒用石英套管的技术难度、且较容易实现对微粉的100％收集，降低了材料成本和废处理成本，本发明的结构上脱水炉、玻璃化炉分别垂直向布置，进而对二氧化硅粉尘进行脱水和玻璃化的过程同步进行，工艺流程更简单；且采用两根高纯薄壁石英管，即内石英管、外石英管嵌套组装成磨具，生产结束后内石英管、外石英管成为产品的一部分，作为石英套管的内外表面，其形状规则，不需要或只需少量加工即可，显著简化了光纤预制棒用石英套管制造工艺；采用本装置后石英微粉在充分分散状态下被脱水，然后立即被玻璃化，很容易制成羟基和金属杂质含量低的石英套管；本装置中的石英套管向一个方向生长，只要使用的两根薄壁的内石英管、外石英管足够长，较容易制造超长石英套管，适应工业化需求。

附图说明

图1为光纤预制棒截面示意图；

图2为光纤预制棒用石英套管的现有技术的制造流程示意图；

图3为本发明的装置结构示意简图；

图4为本发明的二氧化硅微粉形成石英玻璃过程结构示意图；

图5为本发明的A处局部放大结构示意图；

图6为图5的俯视图结构示意图；

图7为本发明的进料控制阀结构示意图；

图中各序号所对应的标注名称如下：

内石英管1、外石英管2、下尾管3、上尾管4、槽口5、进气管6、排气管7、玻璃化炉8、脱水炉9、进料控制阀10、料斗11、二氧化硅微粉12、料斗排气管13、电动阀14、真空泵15、石英隔板16、出料口17、环形腔体18、盖板19、定位架结构20、定位环21、连接杆22。

具体实施方式

一种制备低羟基石英套管的装置，见图3～图7：其包括料斗11、玻璃化炉8、脱水炉9、内石英管1、外石英管2，料斗11内装有二氧化硅微粉12，料斗11为封闭容器，料斗11设置有进料口(图中未画出，一般位于料斗11的上部位置)，料斗11的底部设置有出料口17，内石英管1位于外石英管2的内腔，内石英管1的中心轴线和外石英管2的中心轴线互相重合，内石英管1的外壁和外石英管2的内壁间形成环形腔体18，内石英管1、外石英管2的底端面封装有石英隔板16，外石英管2的上端连接有上尾管4，上尾管4的下端环面、外石英管2的上端环面间无缝焊接，内石英管1的上端环面盖装有盖板19，上尾管4的上端部开口连通料斗11的出料口17，上尾管4的外环面布置有脱水炉9，上尾管4的下部外环面侧向开有进气管6，进气管6位于脱水炉9的下方，上尾管4的上部外环面侧向开有排气管7，料斗11的出料口17和上尾管4的上端部开口间设置有进料控制阀10，排气管7、料斗11的上部分别通过管路连通至真空泵15，真空泵15具体为有耐酸腐蚀功能的真空泵15，外石英管2的外环面布置有玻璃化炉8，玻璃化炉8可沿着外石英管2的中心轴线平行向移动。

料斗11通过料斗排气管13连接至真空泵15，料斗排气管13上布置有阀门，阀门优选为电动阀14；

进料控制阀10和料斗11的出料口17、上尾管4的上端部开口两者之间密封连接，确保进料控制阀10关闭时，上尾管4、料斗11在该处的真空状态下漏率不大于10帕/小时；

内石英管1和外石英管2的上端设置有中心轴定位连接结构，中心轴定位连接结构具体为定位架结构20，定位架结构20的中心设置有盖板19，盖板19的外环部下凸形成定位环21，内石英管1的顶部嵌装于定位环21所形成的空腔内，定位架结构20的均布连接杆22焊接连接外石英管2的对应位置的内壁；

定位架结构20和外石英管2优选地通过模具一体成型制作而成、为一个整体结构；

内石英管1的顶部侧壁开有槽口5，该槽口5用于抽真空，盖板19的直径大于内石英管1的直径，盖板19确保二氧化硅微粉12不会由槽口5进入到内石英管1的内腔，且槽口5以下的内石英管1的长度确保制造形成的石英套管的长度达到光纤预制棒的制作要求；

石英隔板16支承于下尾管3，下尾管3的高度确保玻璃化炉8对于环形腔体内的物料的正常玻璃化；

内石英管1、外石英管2均为高纯石英件，内石英管1、外石英管2的羟基含量不高于10ppm，且厚度为3mm～8mm；内石英管1的内径20mm～60mm，外石英管2外径不超过360mm；

二氧化硅微粉12以四氯化硅、有机硅烷等为原料，通过气相合成法制得，要求原料纯度不低于99.9％。二氧化硅微粉12粒径不大于30微米。

一种制造低羟基石英套管的方法，采用上述装置的结构，其具体步骤如下：

a通过入料口向料斗11中通入二氧化硅微粉12；

b开启真空泵15，此时阀门开启，分别将料斗11、石英组件所形成的腔体进行抽真空处理，要求压力不高于10Pa，压力到位后，继续抽真空2小时～5小时，生产过程中真空泵15始终开启；

c将玻璃化炉8降至中心与下尾管3的上端等高处，脱水炉9位于进气管6上方，位置保持不变。以不大于25℃/min的速度对玻璃化炉8和脱水炉9进行升温，脱水炉9温度升至1130℃～1250℃，玻璃化炉8温度升至1420℃～1500℃；

d关闭阀门，然后由进气管6通入氦气、氯气混合气，氦气流量0.5slm～5slm，氯气流量0.05slm～0.5slm，同时调节真空泵1515，保持真空系统压力不高于10000Pa；

e玻璃化炉8以5mm～20mm的速度提升至直至玻璃化炉8的中心位于外石英管2的最高位置，对内石英管1外壁、外石英管2内壁进行脱羟处理，然后以100mm/min～200mm/min的速度返回；

f开启进料控制阀10，二氧化硅微粉12自然下落，经过脱水炉9时，在高温和氯气环境下被脱羟，落至底部时在高温石英玻璃表面逐渐形成透明石英玻璃；脱羟的程度由氯气浓度和二氧化硅微粉12下落速度决定，而氯气浓度由管内气体压力和氯气占比决定，下落速度由管内气体压力决定，气体压力越大，二氧化硅微粉12下落时受到的阻力越大，下落速度越小；通过调整进料控制阀10转速来控制下落二氧化硅微粉12的量，二氧化硅微粉12下落量不超过500g/min，进料控制阀10结构见图7；

g随着步骤f过程的进行，玻璃化炉8以3mm/min～8mm/min的速度向上移动至玻璃化炉8的中心位于外石英管2的最高位置(即图3中的虚线位置)，移动总长由内石英管1和外石英管2长度决定，内石英管1、外石英管2和环形腔体内石英管1组合得到光纤预制棒用低羟基石英套管。

采用该方法制作石英套管和现有的合成法的优势对比如下：

1合成法制造光纤预制棒用石英套管工艺中，制造二氧化硅粉尘堆积体是实现难度最大的环节，本发明用事先制备好的二氧化硅微粉12直接玻璃化得到透明的石英玻璃套管，省去了制造二氧化硅粉尘堆积体的步骤，大幅降低了制造光纤预制棒用石英套管的技术难度。

2合成法制造光纤预制棒用石英套管工艺中，制造二氧化硅粉尘堆积体时，由四氯化硅或硅氧烷等含硅物质反应后生成的二氧化硅微粉收集率一般约为60％，同时为处理未被收集的粉尘，需要额外投入处理成本。本发明提出的方法所用二氧化硅微粉同样可由四氯化硅或硅氧烷等含硅物质反应后生成，由于不需成型，现有技术较容易实现对微粉的100％收集，降低了材料成本和废处理成本。

3合成法制造光纤预制棒用石英套管工艺中，对二氧化硅粉尘堆积体进行脱水和玻璃化的环节决定着石英套管的光学性能，脱水和玻璃化一般在两台设备上完成，或在一台设备中缓慢进行，该过程生产效率较低，占用了整个制造流程的较多时间。本专利对二氧化硅粉尘进行脱水和玻璃化的过程同步进行，工艺流程更简单。

4无论合成法还是用石英砂制造光纤预制棒用石英套管，在制成石英玻璃后，均需对石英制品进行大量的加工，而本专利中所提出的方法，用两根高纯薄壁石英管嵌套组装成磨具，生产结束后这两根高纯石英管成为产品的一部分，作为石英套管的内外表面，其形状规则，不需要或只需少量加工即可，这显著简化了光纤预制棒用石英套管制造工艺。

5合成法制造光纤预制棒用石英套管工艺中，为得到大直径石英套管，制造出的二氧化硅粉尘堆积体密度较大，这导致对其进行脱水和玻璃化的难度较大，难以得到羟基含量极低的石英套管。在用石英砂制造光纤预制棒用石英套管时，因石英砂内部杂质难以完全去除，制造出高品质石英套管的难度更大。而本专利方法中，石英微粉在充分分散状态下被脱水，然后立即被玻璃化，很容易制成羟基和金属杂质含量低的石英套管。

6合成法制造光纤预制棒用石英套管工艺中，制造的粉尘堆积体的长度决定了石英套管的长度，而为保证粉尘堆积体的直线度，难以制造太长石英套管。用石英砂制造石英套管时，因制造的石英砣尺寸限制，同样难以制造太长的石英套管。本专利中，石英套管向一个方向生长，只要使用的两根薄壁石英管足够长，则较容易制造超长石英套管。

以上对本发明的具体实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种制备低羟基石英套管的装置，其包括料斗、玻璃化炉、脱水炉，其特征在于：其还包括内石英管、外石英管，所述料斗内装有二氧化硅微粉，所述料斗为封闭容器，所述料斗设置有进料口，所述料斗的底部设置有出料口，所述内石英管位于所述外石英管的内腔，所述内石英管的中心轴线和所述外石英管的中心轴线互相重合，所述内石英管的外壁和所述外石英管的内壁间形成环形腔体，所述内石英管、外石英管的底端面封装有石英隔板，所述外石英管的上端连接有上尾管，所述上尾管的下端环面、外石英管的上端环面间无缝焊接，所述内石英管的上端环面盖装有盖板，所述上尾管的上端部开口连通料斗的出料口，所述上尾管的外环面布置有所述脱水炉，所述上尾管的下部外环面侧向开有进气管，所述进气管位于所述脱水炉的下方，所述上尾管的上部外环面侧向开有排气管，所述料斗的出料口和所述上尾管的上端部开口间设置有进料控制阀，所述排气管、料斗的上部分别通过管路连通至真空泵，所述外石英管的外环面布置有所述玻璃化炉，所述玻璃化炉可沿着所述外石英管的中心轴线平行向移动，所述料斗通过料斗排气管连接至所述真空泵，所述料斗排气管上布置有阀门。

2.如权利要求1所述的一种制备低羟基石英套管的装置，其特征在于：所述阀门为电动阀。

3.如权利要求1所述的一种制备低羟基石英套管的装置，其特征在于：所述进料控制阀和所述料斗的出料口、所述上尾管的上端部开口两者之间密封连接。

4.如权利要求1所述的一种制备低羟基石英套管的装置，其特征在于：所述内石英管和外石英管的上端设置有中心轴定位连接结构，所述中心轴定位连接结构具体为定位架结构，所述定位架结构的中心设置有所述盖板，所述盖板的外环部下凸形成定位环，内石英管的顶部嵌装于定位环所形成的空腔内，所述定位架的连接杆焊接连接所述外石英管的对应位置的内壁。

5.如权利要求4所述的一种制备低羟基石英套管的装置，其特征在于：所述定位架结构和所述外石英管通过模具一体成型，为一个整体结构。

6.如权利要求4所述的一种制备低羟基石英套管的装置，其特征在于：所述内石英管的顶部侧壁开有槽口，该槽口用于抽真空，所述盖板的直径大于所述内石英管的直径。

7.如权利要求1所述的一种制备低羟基石英套管的装置，其特征在于：所述石英隔板支承于下尾管，下尾管的高度确保所述玻璃化炉对于所述环形腔体内的物料的正常玻璃化。

8.一种制造低羟基石英套管的方法，其特征在于：采用如权利要求1至7任一权利要求中所述的一种制备低羟基石英套管的装置，其具体步骤如下：

a通过入料口向料斗中通入二氧化硅微粉；

b开启真空泵，此时阀门开启，分别将料斗、石英组件所形成的腔体进行抽真空处理，要求压力不高于10Pa，压力到位后，继续抽真空2小时～5小时，生产过程中真空泵始终开启；

c将玻璃化炉降至中心与下尾管的上端等高处，脱水炉位于进气管上方，位置保持不变，对玻璃化炉和脱水炉进行升温，脱水炉温度升至1130℃～1250℃，玻璃化炉温度升至1420℃～1500℃；

d关闭阀门，然后由进气管通入氦气、氯气混合气，氦气流量0.5slm～5slm，氯气流量0.05slm～0.5slm，同时调节真空泵；

e玻璃化炉逐渐提升至直至玻璃化炉的中心位于外石英管的最高位置，对内石英管外壁、外石英管内壁进行脱羟处理，然后以匀速返回；

f开启进料控制阀，二氧化硅微粉自然下落，经过脱水炉时，在高温和氯气环境下被脱羟，落至底部时在高温石英玻璃表面逐渐形成透明石英玻璃；

g随着步骤f过程的进行，玻璃化炉向上移动至玻璃化炉的中心位于外石英管的最高位置，移动总长由内石英管和外石英管长度决定，内石英管、外石英管和环形腔体内石英管组合得到光纤预制棒用低羟基石英套管。

9.如权利要求8所述的一种制造低羟基石英套管的方法，其特征在于：所述二氧化硅微粉以四氯化硅、有机硅烷为原料，通过气相合成法制得，要求原料纯度不低于99.9％，所述二氧化硅微粉粒径不大于30微米。