CN108046582A - 一种连续制备光纤预制棒并拉丝的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供了一种连续制备光纤预制棒并拉丝的装置，包括预制棒制备单元以及拉丝炉，在预制棒制备单元内设有脱气烧结单元，该脱气烧结单元包括设置在其脱气烧结腔体内的加热装置；在脱气烧结单元上方设有芯层喷灯和包层喷灯；在预制棒制备单元上设有上尾气排风管，对应沉积腔的下部设有下排风管；在预制棒制备单元下方依次设有驱动机构、火焰抛光装置、拉丝炉、涂覆装置、固化装置以及牵引轮。本发明创造是通过对光纤预制棒的喷灯系统、预制棒运动系统等进行特别设计，从而能够连续不间断的制备出光纤预制棒，并同时将在线将制备的出光纤预制棒拉丝成光纤。

Description

一种连续制备光纤预制棒并拉丝的装置及方法
技术领域
本发明创造属于光纤预制棒生产制造技术领域，尤其是涉及一种连续制备光纤预制棒并拉丝的装置及方法。
背景技术
当前光纤预制棒的制备和光纤拉丝为两个独立工序，即在光纤预制棒车间或公司制备出成品的预制棒，然后送往光纤拉丝车间或公司将其拉制成光纤。光纤预制棒是光纤拉丝工序最主要及最关键的原材料，其有芯棒和外包层组成。从拉丝工序角度来讲，光纤预制棒根据芯棒和外包层的组合方式不同可以分为3个大类：实心棒、RIC棒(Rod inCylinder)及石英砂在线包层棒。石英砂在线包层棒技术是最新研发一种包层制备的工艺，它是在拉丝工序将芯棒及一个薄的高纯石英管成同心状态的套装在一起，然后在芯棒和薄璧石英管之间填装高纯的石英砂。
在拉丝过程中，石英砂和薄璧石英管在拉丝炉中被在线熔融成实心的外包层。该工艺的最大优点是节省了单独制备外包层的工序，降低了预制棒的综合成本，但是由于该工艺的工艺控制难度太大，成品率不高，所以目前主流光纤厂商基本没有采用该工艺。RIC棒分为芯棒(Rod)和套柱(Cylinder)两部分组成，芯棒和套柱组装好后一起伸入到拉丝炉中，在抽真空条件下将两部分熔融为一体并在线拉制成光纤。
该工艺必须进行尾管熔接、套柱和芯棒的酸洗、干燥及组装，所拉丝工序的工艺流程长，且工艺控制难度也较大。实心棒对拉丝工序来讲是最容易操作的一种光纤预制棒类型，但根据拉丝炉设计的不同有时也需要进行熔接尾棒及酸洗等工艺处理。以上三种类型的光纤预制棒在拉丝工序都涉及到不同程度的尾棒对接及酸洗等辅助工艺，而且拉丝起头和结束过程中都不可避免的要消耗掉部分预制棒玻璃，降低了光纤预制棒的拉丝效率。
光纤预制棒的芯棒制备工艺当前主要包括管内法和管外法两种。其中管内法主要包括改进的化学气相沉积法(MCVD)和等离子体化学气相沉积法(PCVD)两种工艺，管外法主要包括外部气相沉积法(OVD)和轴向气相沉积法(VAD)等。管内法制备芯棒需要使用价值很高的高纯石英衬管作为主材，同时还需使用延长管等辅材。熔接延长管的衬管在制备芯棒前需要进行要求严格的酸洗和干燥处理。
MCVD和PCVD沉积完成后仍为空心管，需要在熔缩车床上将其熔缩为实心芯棒。管外法制备芯棒需要使用到种子棒、假棒及把棒等辅助材料，同时还需要熔缩和拉伸等工序处理后才能制备出完整的芯棒。综上，当前制备芯棒的工艺需要使用价值高的辅材及种类繁多的辅材，使得产品成本较高，且工艺稳定性和连续性较差。
光纤预制棒的包层制备工艺主要包括外部气相沉积法(OVD)、轴向气相沉积法(VAD)和等离子喷涂法(APVD)三种工艺方法。在制备包层的过程中，无论采用以上任何一种工艺都需要使用到把棒等辅材，而且在光棒的两端不可避免会产生锥头，降低了原材料的利用率。
综上分析，根据当前已有的工艺制备光纤预制棒及拉丝过程中，存在以下几反面的不足：(1)在制棒及拉丝过程中都需要使用各种大量的辅材，而且需要对芯棒或预制棒进行酸洗或抛光等工艺处理，大幅增加了生产成本；(2)拉丝及制棒过程中在光棒头部和尾部都会产生锥头废料，降低了光棒及原材料的利用率；(3)由于拉丝及预制棒制备都是单独逐只进行的，所以工艺稳定和连续性较差，产品参数的差异性也较大。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在克服上述现有技术中存在的缺陷，提出一种连续制备光纤预制棒并拉丝的装置及方法。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种连续制备光纤预制棒并拉丝的装置，包括预制棒制备单元以及拉丝炉，在预制棒制备单元内设有脱气烧结单元，该脱气烧结单元包括设置在其脱气烧结腔体内的加热装置；
所述脱气烧结单元设有伸出脱气烧结腔体的进气管和排气管；所述加热装置的加热腔体设有与进气管连通的进气开口、以及朝向脱气烧结腔体内预制棒疏松体的热气出口；
在所述脱气烧结单元上方设有用于沉积疏松体芯层的芯层喷灯、以及用于沉积疏松体包层的包层喷灯；
在预制棒制备单元上设有上尾气排风管，对应沉积腔的下部设有下排风管；
在预制棒制备单元下方，设有用于转动预制棒、并驱动预制棒向下移动的驱动机构；在驱动机构与拉丝炉之间设有火焰抛光装置；
在拉丝炉下方，依次设有涂覆装置、固化装置以及牵引轮。
进一步，所述芯层喷灯以及包层喷灯的开口方向均斜向下倾斜。
进一步，所述上尾气排风管以及下排风管上分别设有抽风装置。
进一步，所述脱气烧结腔体上的排气管设置为高度不同的两个，分别对应加热装置的上方和下方。
进一步，脱气烧结单元包括石英箱体，其内部具有所述脱气烧结腔体。
一种应用上述的设备进行预制棒的制备并拉丝的方法，包括如下步骤：
①利用芯层喷灯和包层喷灯分别沉积疏松体；
②疏松体经过脱气烧结单元，烧结为透明的玻璃质预制棒，排出废气；
③烧结后的预制棒由驱动机构带动旋转，并同时向拉丝炉方向进给；
④经过火焰抛光之后，进入拉丝炉拉丝；
⑤经过拉丝炉拉丝后的光纤依次经过涂覆装置和固化装置，由牵引轮牵引至收线装置。
相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
本发明创造是通过对光纤预制棒的喷灯系统、预制棒运动系统等进行特别设计，从而能够连续不间断的制备出光纤预制棒，并同时将在线将制备的出光纤预制棒拉丝成光纤。本发明创造能够最大限度的减少各种制棒和拉丝过程中辅材的使用，同时避免了传统光纤预制棒两端锥头的产生，极大的提高了原材料利用率，产品质量高。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造的结构示意图。
附图标记说明：
1-预制棒制备单元；2-牵引轮；3-脱气烧结单元；4-脱气烧结腔体；5-加热装置；6-进气管；7-排气管；8-加热腔体；9-进气开口；10-热气出口；11-芯层喷灯；12-包层喷灯；13-上尾气排风管；14-下排风管；15-驱动机构；16-火焰抛光装置；17-拉丝炉；18-涂覆装置；19-固化装置；20-轮组。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
一种连续制备光纤预制棒并拉丝的装置，主要用于连续不间断的生产光纤预制棒，同时在线将制备出的预制棒拉制成光纤。如图1所示，本设备包括预制棒制备单元1以及拉丝炉17，在预制棒制备单元内设有脱气烧结单元3，该脱气烧结单元包括设置在其脱气烧结腔体4内的加热装置5；
所述脱气烧结单元设有伸出脱气烧结腔体的进气管6和排气管7；所述加热装置的加热腔体8设有与进气管6连通的进气开口9、以及朝向脱气烧结腔体内预制棒疏松体的热气出口10；
在所述脱气烧结单元3上方设有用于沉积疏松体芯层的芯层喷灯11、以及用于沉积疏松体包层的包层喷灯12；为了使疏松体向下生长，所述芯层喷灯以及包层喷灯的开口方向均斜向下倾斜；
在预制棒制备单元上设有上尾气排风管13，对应沉积腔的下部设有下排风管14；在预制棒制备单元下方，设有用于转动预制棒、并驱动预制棒向下移动的驱动机构15；在驱动机构15与拉丝炉17之间设有火焰抛光装置16；
在拉丝炉17下方，依次设有涂覆装置18、固化装置19以及牵引轮2。
上述的加热装置包括加热箱体及加热箱体内的加热体，加热箱体上设置上述的进气开口9以及热气出口10，从预制棒制备单元外侧进入的新鲜空气会将加热箱体内的热量带入到疏松体所在的空腔内，疏松体脱气烧结，制成预制棒。
本发明中的光纤预制棒沉积过程，采用轴向气相沉积(VAD)工艺制备其疏松体，疏松体向下生长并在线脱水和烧结成透明的光纤预制棒。制备出的光纤预制棒的另外一端插入到高温拉丝炉中，在线拉制出光纤。
光纤预制棒的驱动机构设计在预制棒的中部，该驱动机构使预制棒同时完成向下运动和沿其轴线进行旋转的两个动作。光纤预制棒在进入拉丝炉之前进行在线的火焰抛光。光纤在拉出拉丝炉后经过涂覆和固化等工艺过程，最终成为合格的光纤。
需要说明的是，驱动机构上可以安装控制器(如PLC)，利用控制器发出指令，分别控制预制棒的转动速度和进给速度。在脱气烧结单元下方设计的驱动机构，由数组能自动调节角度和旋转速度的轮组20构成，上述的轮组分为驱动预制棒转动的轮组、以及驱动预制棒向下运动的轮组，具体的，轮组可以由伺服电机驱动转动(伺服电机即可精确调整转速)。
在一个可选的实施例中，可以将拉丝炉安装在导轨上，能够实现上下移动调节，具体的，可以利用电动推杆(或液压缸等其它执行机构)推动拉丝炉，在一定的范围内可上下移动，主要是为了匹配预制棒的向下运动速度和光纤的拉丝速度，更好的实现生产。
其中，所述上尾气排风管13以及下排风管14上分别设有抽风装置。光纤预制棒疏松体的沉积过程在一个封闭的沉积腔体内完成，腔体内称采用耐HCl腐蚀且耐热辐射材料。在沉积喷灯的相对位置，设计一个尾气抽风装置，同时在沉积腔体的下部也设计一个尾气抽风装置。
在光纤预制棒疏松体的下半部分周围设计一个脱气烧结单元。脱气烧结腔体上的排气管设置为高度不同的两个，分别对应加热装置的上方和下方。
上述脱气烧结单元包括石英箱体，其内部具有所述脱气烧结腔体。
一种应用上述的设备进行预制棒的制备并拉丝的方法，包括如下步骤：
①利用芯层喷灯和包层喷灯分别沉积疏松体；
②疏松体经过脱气烧结单元，烧结为透明的玻璃质预制棒，排出废气；
③烧结后的预制棒由驱动机构带动旋转，并同时向拉丝炉方向进给；
④经过火焰抛光之后，进入拉丝炉拉丝；
⑤经过拉丝炉拉丝后的光纤依次经过涂覆装置和固化装置，由牵引轮牵引至收线装置。
本发明创造采用VAD工艺制备光纤预制棒疏松体，VAD沉积设备的芯层喷灯和包层喷灯分别用于沉积疏松体的芯层和包层部分，两个喷灯均以一定角度向下喷吹工艺和原材料气体，使得疏松体逐渐向下生长。沉积过程产生的尾气及未沉积的粉尘通过上尾气排风管抽排到沉积腔体之外。
沉积后的疏松体被紧接下方的在线脱气及烧结装置将其烧结为透明的玻璃质预制棒。工艺气体(一般为He和Cl2的混合气体)通过进气管通入到脱气烧结腔体内，同时在脱气加热体的高温烘焙下，去除疏松体中的羟基和金属离子。脱气后的疏松体紧接着被烧结加热体在更高温度下烧结为透明的玻璃质光纤预制棒。脱气烧结后产生的尾气被排气管从脱气烧结腔体的上下两个部位抽排到腔体之外。脱气烧结腔体的材质一般为既耐高温又耐HCl腐蚀的高纯石英。脱气烧结腔体设计在沉积腔体之内，在沉积腔体的底部，设计一个下排气管用于抽排沉降到底部的尾气。
烧结后的玻璃质预制棒被驱动机构驱动，使其向下运动的同时沿其轴线以一定的速度进行旋转。通过调整驱动机构中相应轮组的角度和旋转速度来控制预制棒向下运动的速度，同时需要保持预制棒的自旋速度恒定。预制棒向下运动的速度根据疏松体顶部的生长速度进行在线调整。
预制棒运动和旋转装置下方的火焰抛光喷灯用于对预制棒的表面进行抛光，去除表面污染物，并修复表面缺陷。
光纤预制棒的下端插入到拉丝炉中，拉丝炉将预制棒高温熔融后拉丝出光纤。拉丝炉安装在上下移动的导轨上，其根据预制棒的向下运动速度和光纤的拉丝速度在一定的范围内可上下移动。
从拉丝炉拉出的玻璃光纤经过涂覆装置进行涂层，然后被紧接其下的固化装置进行固化，最后生产出了完整的光纤。光纤被主牵引轮牵引并传递给其后的收线装置。
本发明创造的优势：
能大幅降低光纤制造成本。传统的光纤预制棒制备和光纤拉丝是两个相对独立的工艺过程，本发明将两个工艺过程集成到一套装置上并连续进行，这样在多个方面有效的降低光纤的制造成本。1)精简了预制棒的酸洗、抛光及生产过程中的装卸等各类辅助工艺过程；2)避免了生产过程各类辅助材料如石英把棒、石英尾管的使用；3)避免了光纤预制棒制造和光纤拉丝过程中锥头的产生，有效提高了原材料利用率；4)有效降低了厂房等公共实施的投资。
有效的提高了光纤各项参数的均匀性。传统光纤预制棒的制造和光纤拉丝过程均是逐只进行的，生产过程中由于其设备和工艺过程的差异性使得生产出来的光纤预制及光纤的各项参数存在一定的差异性。本发明的中的光纤预制及光纤的制造过程均是连续进行的，其设备差异及工艺稳定性得到良好的控制，所以生产的光纤各项参数的均匀性会得到大幅度提高。
避免了光纤拉丝搓扭装置的使用，同时优化了光纤参数性能。本发明中的光纤预制棒在其制造过程中会以其中心轴线进行旋转运动，这一动作会在紧接其后的拉丝过程中固化到光纤玻璃丝中，其结果能有效的优化了光纤了偏振模色散参数，同时也避免了传统光纤拉丝搓扭装置的使用。而且，由于光纤拉丝过程中没有对光纤进行搓动，大幅减少了成品光纤的扭曲，优化了光纤性能。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种连续制备光纤预制棒并拉丝的装置，其特征在于：包括预制棒制备单元以及拉丝炉，在预制棒制备单元内设有脱气烧结单元，该脱气烧结单元包括设置在其脱气烧结腔体内的加热装置；
所述脱气烧结单元设有伸出脱气烧结腔体的进气管和排气管；所述加热装置的加热腔体设有与进气管连通的进气开口、以及朝向脱气烧结腔体内预制棒疏松体的热气出口；
在所述脱气烧结单元上方设有用于沉积疏松体芯层的芯层喷灯、以及用于沉积疏松体包层的包层喷灯；
在预制棒制备单元上设有上尾气排风管，对应沉积腔的下部设有下排风管；
在预制棒制备单元下方，设有用于转动预制棒、并驱动预制棒向下移动的驱动机构；在驱动机构与拉丝炉之间设有火焰抛光装置；
在拉丝炉下方，依次设有涂覆装置、固化装置以及牵引轮。
2.根据权利要求1所述的一种连续制备光纤预制棒并拉丝的装置，其特征在于：所述芯层喷灯以及包层喷灯的开口方向均斜向下倾斜。
3.根据权利要求1所述的一种连续制备光纤预制棒并拉丝的装置，其特征在于：所述上尾气排风管以及下排风管上分别设有抽风装置。
4.根据权利要求1所述的一种连续制备光纤预制棒并拉丝的装置，其特征在于：所述脱气烧结腔体上的排气管设置为高度不同的两个，分别对应加热装置的上方和下方。
5.根据权利要求1所述的一种连续制备光纤预制棒并拉丝的装置，其特征在于：所述脱气烧结单元包括石英箱体，其内部具有所述脱气烧结腔体。
6.一种应用权利要求1所述的设备进行预制棒的制备并拉丝的方法，其特征在于，包括如下步骤：
①利用芯层喷灯和包层喷灯分别沉积疏松体；
②疏松体经过脱气烧结单元，烧结为透明的玻璃质预制棒，排出废气；
③烧结后的预制棒由驱动机构带动旋转，并同时向拉丝炉方向进给；
④经过火焰抛光之后，进入拉丝炉拉丝；
⑤经过拉丝炉拉丝后的光纤依次经过涂覆装置和固化装置，由牵引轮牵引至收线装置。
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