CN106082633B - 一种用于沉积光纤预制棒的燃烧器与沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤光缆制备技术领域，公开了一种用于沉积光纤预制棒的燃烧器，燃烧器中的原料喷射管的内部至少分为两部分，原料喷射管出口处的内部光滑无螺纹，紧邻此区域向入口处的内部加工有螺纹型凹槽。内部螺纹型凹槽可以使得载气与原料在原料喷射管中沿螺旋线进行旋转前进，使混合气体达到超紊流状态，混合效果更好，使用更少的载气就可以达到充分气化的效果，且内部螺纹型凹槽可以使得液态化的原料在螺旋运动中重新气化；原料喷射管出口处区域的内部表面光滑，可使载气与原料一起沿原料喷射管中心线方向喷出，使气流导向平稳。本发明在保证蒸发效果的前提下，有效减少氮气的用量。生产产品性能与常规方法无异，材料成本下降。

Description

一种用于沉积光纤预制棒的燃烧器与沉积方法

技术领域

本发明属于光纤光缆制备技术领域，更具体地，涉及一种用于沉积光纤预制棒的燃烧器与沉积方法。

背景技术

随着光纤市场的发展，特别是近年来，原材料价格不断上涨，而光纤价格却未同步上升，对光纤预制棒生产厂家而言，降低预制棒制造成本，降低原料气体消耗，已是大势所趋。

目前制造光纤预制棒的主要工艺有气相轴向沉积法(Vapor phase Axialdeposition，VAD)、管外气相沉积法(Outside Vapour Deposition，OVD)、等离子增强化学气相沉积(Plasma asistedChmical Vapor Deposition，PCVD)和改进的化学气相沉积法(Modified Chemical Vapour Deposition，MCVD)，其中PCVD和MCVD属于管内沉积法，VAD和OVD属于管外沉积法。管内沉积法制造光纤预制棒径向尺寸受限，因此只适合于生产芯棒。管外沉积法对光纤预制棒的外径没有限制，可以生产尺寸较大的预制棒，因此可以有效降低制造成本。通常传统的OVD工艺使用的含硅原料为四氯化硅(SiCl₄)，四氯化硅在氧气的携带下，通过特别设计的喷灯(燃烧器)，与氢气(或甲烷)/氧气火焰一起喷向转动的芯棒，在热能作用下，原料发生水解反应生成二氧化硅，二氧化硅颗粒一层层吸附在芯棒上，形成多孔预制棒；生产的多孔预制棒经过脱水工序，除去水和金属杂质，烧结成玻璃预制棒，最后拉丝制成光纤。此种工艺会产生氯化氢废气，由于环保的要求，氯化氢气体要进行严格的处理，会增大生产成本。因此不含氯化物的有机硅材料，八甲基环四硅氧烷(Octamethylcyclotetrasiloxane，OMCTS)作为环保型材料被应用到二氧化硅的制造工艺中，其工业生产的尾气中不含氯化氢，可以有效降低尾气处理成本，在生产中也降低了氯化物泄漏造成的人员和环境风险。

采用四氯化硅的OVD工艺反应式如下：

2H₂+O₂＝2H₂O

SiCl₄+2H₂O＝SiO₂+4HCl

SiCl₄+O₂＝SiO₂+2Cl₂

2Cl₂+2H₂O＝HCl+O₂

采用OMCTS的OVD工艺化学反应式如下：

C₈H₂₄O₄Si₄+16O₂＝4SiO₂+12H₂O+8CO₂

在OVD工艺中，火焰温度与沉积面温度有温度差，这个温度梯度推动微颗粒物向沉积面运动并吸附在棒表面，这就是热涌效应。火焰燃烧产生的细微颗粒，逐渐团聚形成一群较大的聚合体，并逐步向靶棒表面运动。在靠近喷灯的区域，反应生成的颗粒物数量多而体积小，在较短的区域内，颗粒物快速形成粒子聚合体，随着颗粒物和火焰向靶棒运动，颗粒物的数量减少(颗粒物在火焰中的浓度降低)，而体积增大，颗粒物碰撞几率降低，导致粒子聚合速度变慢。因此决定颗粒团聚的关键因素是火焰的温度和颗粒在火焰中运动的时间。温度越高，颗粒物的无规则热运动越剧烈，颗粒互相碰撞从而结合的机率就越高，相应的结合成为较大颗粒的机率也就越大，从而形成较大的颗粒。较小的颗粒在靶棒的表面粘附性能不足，容易被高速火焰气流吹走。颗粒在高温火焰中运动的时间越长，大颗粒生产的时间也就越长，颗粒的体积就会越大，最终粘附在靶棒表面的颗粒体积也就越大，从而表现出较快的沉积速率和较高的收集效率。

OVD工艺中，燃烧器结构对气流喷出后的混合形态起关键作用，通过改进燃烧器(喷灯)的结构，使相应的气流更好的混合，对提高火焰温度和促进原料充分反应上有明显效果。

根据上述工艺原理，使喷灯喷射的含硅原料流速有效降低，可以延长反应生成的颗粒在火焰中运动的时间，从而容易团聚成大颗粒，并最终提高沉积速率和收集率。但是八甲基环四硅氧烷的沸点为175～176℃，如要完全自然蒸发并提供足够流量，需要至少250℃的温度，在此情况下，需要大量惰性气体作为载气进行稀释运输，常用的载气是氮气。载气的加入会使得原料喷射管内流量和流速增大，不利于缩小原料喷射速度。同时载气会吸收燃烧气体燃烧产生的热量，扩散火焰直径，造成收集率的下降，因此需要在满足充分气化的情况下尽量减少载气的量。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是针对在通常情况下载气量需求较大的问题，提供一种降低载气量而能有效保证原料气化的燃烧器及沉积方法。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于沉积光纤预制棒的燃烧器，燃烧器中的原料喷射管的内部至少分为两部分，原料喷射管出口处的内部光滑无螺纹，紧邻此区域向入口处的内部加工有螺纹型凹槽。

本发明的一个实施例中，所述原料喷射管出口处的内部光滑无螺纹的区域的长度为原料喷射管内径的5～20倍之间。

本发明的一个实施例中，所述原料喷射管内部加工有螺纹型凹槽的区域的长度为原料喷射管内径的10～12倍之间。

本发明的一个实施例中，所述凹槽的深度为0.15～0.25mm。

本发明的一个实施例中，所述螺纹型凹槽的螺距为4～6倍凹槽深度。

本发明的一个实施例中，所述凹槽的起始与结尾都与所述原料喷射管的内壁光滑均匀过渡。

按照本发明的另一方面，还提供了一种沉积光纤预制棒的方法，采用上述燃烧器生成二氧化硅并沉积光纤预制棒。

本发明的一个实施例中，采用八甲基环四硅氧烷作为含硅原料，采用惰性气体作为载气。

本发明的一个实施例中，所述惰性气体为氮气。

本发明的一个实施例中，沉积光纤预制棒的工艺为管外气相沉积法或气相轴向沉积法。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、通过内螺旋凹槽的存在，降低了载气的使用量，可以使氮气气体用量减少40％，生产成本明显降低；

2、载气用量的减少，可以使得OMCTS和氮气的混合气体总流量降低，从而降低了生成的二氧化硅颗粒的运动速度，使得颗粒在火焰中互相撞击团聚的时间延长，有利于颗粒的团聚生长，有效提高沉积速率和沉积效率；

3、氮气用量的减少，可以使外围的氢气和氧气的用量相应减少，而整体火焰保持温度不变，生产成本相应降低；

4、外围氢气和氧气用量的减少，使得氢氧焰流速变小，火焰撞击到靶棒表面时的速度和撞击力都减小，使得火焰吹走靶棒表面的二氧化硅小颗粒的机率减少，有效提高了沉积效率；

5、在使生产成本降低，生产效率提高的同时，不影响产品质量，对沉积的母棒内部的气泡，以及表面波纹等都没有不良影响。

附图说明

图1是本发明实施例中燃烧器中原料喷射管的内部结构示意图；

图2是本发明实施例中采用OVD方式沉积光纤预制棒的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在载气与OMCTS液体原料进入蒸发器后，在一定温度下进行蒸发，饱和蒸汽在长距离管道中流动，容易在波动的压力和速度下局部重新液化，造成喷射出的气流内夹杂液态物质，从而引起喷灯结晶。为了避免这种情况，通常的做法是提高蒸发温度或者增大载气量。但是蒸发器温度的升高就给后续的管道系统提出更高的温度稳定性要求，而这是不容易达到的。载气量的加大会争抢燃烧气体产生的热量，导致火焰温度降低，从而降低了沉积速率和收集率。同时载气量加大后，在受热膨胀过程中，使得火焰直径变大，造成颗粒浓度下降，火焰的体积热量也在下降，这些都导致沉积效率下降。

针对上述问题，本发明提供了一种用于沉积光纤预制棒的燃烧器，如图1所示，燃烧器中的原料喷射管的内部至少分为两部分，其中原料喷射管出口处的内部光滑无螺纹，紧邻此区域向入口处的内部加工有螺纹型凹槽。

进一步地，所述原料喷射管出口处的内部光滑无螺纹的区域的长度为原料喷射管内径的5～20倍之间。

进一步地，所述原料喷射管内部加工有螺纹型凹槽的区域的长度为原料喷射管内径的10～12倍之间。

进一步地，所述凹槽的深度为0.15～0.25mm。

进一步地，所述螺纹型凹槽的螺距为4～6倍凹槽深度。

进一步地，所述凹槽的起始与结尾都与所述原料喷射管的内壁光滑均匀过渡。

而对于气相原料喷射管这两部分区域以外，不做要求。

在本发明中，内部螺纹型凹槽可以使得载气与原料在原料喷射管中沿螺旋线进行旋转前进，使混合气体达到超紊流状态，混合效果更好，使用更少的载气就可以达到充分气化的效果。

在本发明中，内部螺纹型凹槽可以使得液态化的原料在螺旋运动中重新气化，凹槽的长度与原料喷射管内径的比值(凹槽的长径比)大于10，则可以保证液态原料重新气化的效果。理论上更大的长径比可以有更好的效果，但是一方面气化完全后其更大的长径比表现出来的效果提升就不再明显，另一方面在较细的原料喷射管内壁加工凹槽并不容易，更长的长径比加工难度更高，加工成本更高，加工质量也难以保证。所以一般优选在10～12倍之间。

在本发明中，原料喷射管出口处区域的内部表面光滑，是为了使气流导向平稳，可使载气与原料一起沿原料喷射管中心线方向喷出。如果内部螺旋形凹槽直接导向原料喷射管出口，会使得喷料口处混合气体沿螺旋线的切线方向喷出，导致混合气体体积急剧增大，火焰无法形成良好的形状，沉积效果也极差。出口处光滑区域的长度内径比大于5，则可以起到较好的气流导向整流效果，火焰包裹性较好，可以把大部分的颗粒包裹着撞击到靶棒的外表面，达到良好的沉积效果；但是此长径比应当小于20以内，否则超长的光滑区域会弱化前方凹槽产生的气流混合效果。

通过本发明提供的燃烧器，生产的产品性能与常规方法无异，材料成本下降。

以下为本发明实施例中在不同的光滑无螺纹区域螺纹长径比和有螺纹型凹槽区域螺纹长径比下，实验得到的沉积速率和收集率的结果：

螺纹长径比1	无螺纹区长径比2	沉积速率(g/min)	收集率(％)
				0	0	6.23	25.44
0	0	6.49	26.17
				8	3	6.98	29.04
8	6	6.26	30.97
				10	3	6.99	34.50
10	5	7.32	36.13
				12	4	7.02	34.62
12	6	7.58	37.39

从上述数据可以看出：在螺纹型凹槽区域螺纹长径比10以上，无螺纹区域长径比在5以上，可以得到良好的收集率。另外从无法量化但可以观察的火焰形貌判断，这个比例是比较合适的。

进一步地，如图2所示，可以将本发明提供的燃烧器用于沉积光纤预制棒的工艺过程中，例如管外气相沉积法或气相轴向沉积法，利用上述燃烧器生成二氧化硅并沉积光纤预制棒。在该工艺过程中，采用八甲基环四硅氧烷作为含硅原料，采用惰性气体作为载气(例如氮气)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于沉积光纤预制棒的燃烧器，其特征在于，燃烧器中的原料喷射管的内部至少分为两部分，原料喷射管出口处的内部光滑无螺纹，紧邻此区域向入口处的内部加工有螺纹型凹槽；所述原料喷射管内部加工有螺纹型凹槽的区域的长度为原料喷射管内径的10～12倍之间；所述凹槽的深度为0.15～0.25mm；所述螺纹型凹槽的螺距为4～6倍凹槽深度；出口处光滑区域的长度内径比大于5小于20；采用八甲基环四硅氧烷作为含硅原料，采用惰性气体作为载气。

2.如权利要求1所述的用于沉积光纤预制棒的燃烧器，其特征在于，所述凹槽的起始与结尾都与所述原料喷射管的内壁光滑均匀过渡。

3.一种沉积光纤预制棒的方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的燃烧器生成二氧化硅并沉积光纤预制棒。

4.如权利要求3所述的沉积光纤预制棒的方法，其特征在于，采用八甲基环四硅氧烷作为含硅原料，采用惰性气体作为载气。

5.如权利要求4所述的沉积光纤预制棒的方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气。

6.如权利要求3至5任一项所述的沉积光纤预制棒的方法，其特征在于，沉积光纤预制棒的工艺为管外气相沉积法或气相轴向沉积法。