CN108129017A - 一种提高ovd烧结效率并延长引杆使用寿命的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种提高OVD烧结效率并延长引杆使用寿命的装置，包括设置在引杆与预制棒疏松体之间的限流隔热单元、以及对应限流隔热单元设置的抽风单元；限流隔热单元包括安装在引杆下端的连接耦合器，该连接耦合器下端的连接头上连接有转接头，在转接头的底部通过插销连接预制棒疏松体；所述转接头上设置有上下对应的两层限流板，此两限流板之间设有石英环；所述转接头上设有隔热板。本发明创造中，通过双层的限流板和隔热板，有效的隔热，使引杆远离高温区，最大限度的避免引杆在高温下被拉伸变细。并且，有效减少了原材料气体的消耗，缩短了烧结时间，降低预制棒的烧结成本。

Description

一种提高OVD烧结效率并延长引杆使用寿命的装置及方法

技术领域

本发明创造属于光纤预制棒研发和制造技术领域，尤其是涉及一种提高OVD烧结效率并延长引杆使用寿命的装置及方法。

背景技术

OVD预制棒疏松体的烧结是预制棒制备过程中最最重要的一个工艺环节，该过程直接影响到光纤预制棒及光纤各种质量指标，包括预制棒直径均匀性、气泡气线缺陷、光纤损耗等。

OVD烧结的工艺原理是在1500℃的高温环境下脱水、烧结最终形成透明的玻璃预制棒。所谓脱水，是指硅烷醇-氢键合基(Si-OH)与氯气(Cl2)反应，生成玻璃微粒，其化学反应方程式如下：

2Si-OH+Cl2→SiO2+2HCl↑

OVD烧结的工艺过程：硅烷醇-氢键合基(Si-OH)与氯气(Cl2)反应，在高温环境下生长为玻璃微粒，随着He和Cl2从炉心管底部不断的涌入，在抽风的作用下，OVD沉积的疏松体逐渐进入高温区，通过控制转速和进棒的速度，生成的HCl气体不断的被抽风吸出，He小分子通过颗粒之间的间隙不断的把热量从疏松体表层带至芯层，颗粒之间的小气泡不断的溢出，最终形成完全透明的光纤预制棒。

因此光纤预制棒烧结成本受烧结炉的以下几个性能影响：

(1)烧结后预制棒有效长度。疏松体进入烧结炉后，逐渐从脱水区进棒到烧结区，而疏松体的把棒直径偏细，长时间在高温区容易被拉伸变细，存在很大的风险，所以烧结结束时，部分疏松体未完全玻璃化，因此合理的设定进棒位置，提高完全烧结透明区的长度，有利于节约成本。

(2)烧结时间控制。预制棒疏松体在烧结炉经过脱水、烧结形成透明的光纤预制棒。工艺气体包括Cl2和He，Cl2气体有毒性，需要控制抽风压力，保证疏松体可以完全脱水同时无Cl2泄露。He分子较小有利于将热量扩散至疏松体芯层，He价格昂贵。此外通过控制抽风压力，保证烧结炉内无残余的气体且维持炉内温度和压力波动较小。因此在保证预制棒完全烧结的前提下，缩短烧结时间可以减少原材料气体的消耗，节约烧结成本。

(3)烧结引杆的使用寿命。引杆使高纯石英玻璃管，由于其精度、同心度要求较高，价格昂贵；长期高温负重使用不断被拉伸并报废，所以需要频繁更换。其结果不但影响生产的效率，还会增加光纤预制棒得生产成本。

由上可知，为了提高生产效率、降低生产成本，需要缩短烧结时间、延长引杆的使用寿命，同时需要设计合理的设定烧结温度和原材料气体的流量。然而传统的烧结设备结构只有在炉口有一块石英盖板，由于在烧结的高温环境下，引杆进入高温区容易被拉伸变细，需要更换新的烧结引杆，需要时间安装、检查、测试，减低了烧结效率；烧结引杆价格昂贵，频繁增加了生产成本；通入炉内的He、Cl2气体大部分随着抽风被抽走，He价格昂贵，增加了生产成本，Cl2有毒泄漏有很大的安全隐患；大量的热量随着抽风不断的被抽出，增大了发热体的负载，延长了烧结时间。增加了抽风系统的负载，增大了光纤预制棒的生产成本。

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，提出一种提高OVD烧结效率并延长引杆使用寿命的装置及方法。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种提高OVD烧结效率并延长引杆使用寿命的装置，包括设置在引杆与预制棒疏松体之间的限流隔热单元、以及对应限流隔热单元设置的抽风单元；所述限流隔热单元包括安装在引杆下端的连接耦合器，该连接耦合器下端的连接头上连接有转接头，在转接头的底部通过插销连接预制棒疏松体；所述转接头上设置有上下对应的两层限流板，此两限流板之间设有石英环；所述转接头上设有隔热板。

进一步，所述抽风单元包括整体遮盖住限流隔热单元的抽风罩，在抽风罩的抽风管路上安装有抽风阀，所述抽风罩上设有用于感应抽风罩内压力的压力传感器，该压力传感器与控制抽风阀开度的控制器连接。

进一步，所述耦合器上端设有与引杆连接的上连接部，下端设有与转接头连接的下连接部。

进一步，所述耦合器的下连接部设计有T形槽，所述转接头上端设有与该T形槽连接的T型连接部。

进一步，所述耦合器以及转接头均由耐高温碳化硅材质制成。

进一步，所述限流板、抽风罩以及隔热板均采用石英材质制成。

一种应用上述装置的OVD烧结方法，包括如下步骤：

①取用合格的疏松体，利用插销将疏松体上端固定在转接头上，使疏松体悬挂于引杆下方；

②利用氮气吹扫疏松体表面，将其表面附属的小颗粒及粉尘吹扫干净；

③打开烧结炉的炉心管端盖，开始进棒；

④进棒到起位后，开始烧结，向炉心管内通入氯气和氦气；

⑤烧结炉温度升至1500℃，直至引杆到达设定位置的下限位置；

⑥控制引杆缓慢上升至烧结初始位置，同时降温至烧结待机温度；

⑦将烧结好的预制棒从炉心管内提出，常温冷却。

进一步，所述炉心管内压力控制在50-60pa。

相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：

本发明创造中，通过双层的限流板和隔热板，有效的隔热，使引杆远离高温区，最大限度的避免引杆在高温下被拉伸变细。随着预制棒被逐渐的烧结，未烧结的疏松体长度逐渐变短，反应生成的HCl量大幅度减少，反应所需要的Cl2和He的量逐渐的减少，通过压力传感器反馈的炉心管压力值，来调整抽风阀开度，极大的减少了原材料气体的消耗，缩短了烧结时间，进而降低预制棒的烧结成本。

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；

图2为本发明创造中隔热板的结构示意图；

图3为本发明创造中限流板的结构示意图；

图4为本发明创造中抽风单元与烧结炉炉心管相对安装位置的示意图。

附图标记说明：

1-引杆；2-预制棒疏松体；3-限流隔热单元；4-抽风单元；5-耦合器；6-连接头；7-转接头；8-插销；9-限流板；10-石英环；11-隔热板；12-抽风罩；13-抽风阀；14-压力传感器；15-T形槽；16-T型连接部；17-上连接部；18-下连接部；19-开孔；20-通气孔；21-炉心管；22-工艺气体管路。

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。

一种提高OVD烧结效率并延长引杆使用寿命的装置，如图1至4所示，包括设置在引杆1与预制棒疏松体2之间的限流隔热单元3、以及对应限流隔热单元设置的抽风单元4；所述限流隔热单元包括安装在引杆下端的连接耦合器5，该连接耦合器下端的连接头6上连接有转接头7，在转接头7的底部通过插销8连接预制棒疏松体2；所述转接头7上设置有上下对应的两层限流板9，此两限流板之间设有石英环10；所述转接头上设有隔热板11。连接耦合器起到了很好的过渡连接作用，最大限度的避免高温传导到引杆上。需要说明的是，还可以在引杆上单独设置与烧结炉的炉口配合的烧结盖板，当然，利用限流板作为烧结盖板使用，与炉口配合也可以，能够有效的将引杆与高温隔离即可。

本发明创造中通过在疏松体与引杆间设置限流及隔热的结构件(即限流隔热单元)，在烧结过程中能有效保护引杆，缩短烧结时间。本装置是对应烧结炉炉心管上方设置，抽风罩将本装置的限流隔热单元与炉心管结合处遮盖住，抽风排气，有效的控制内部气体压力，为了保证引杆的同心度和耦合器、转接头的同心度一致，并且长期稳定使用，引杆在长度方向和圆周方向都需要非常均匀，而且需选择刚性高和耐磨性能好的材质。

通过压力传感器反馈炉内实时压力及时自动调整抽风管开合度保证烧结炉压力处于比较稳定的范围，脱水生成的HCl和H2O随着抽风抽离炉心管，保证烧结后的预制棒完全透明化。

上述抽风单元包括整体遮盖住限流隔热单元的抽风罩12，在抽风罩的抽风管路上安装有抽风阀13，所述抽风罩上设有用于感应抽风罩内压力的压力传感器14，该压力传感器与控制抽风阀开度的控制器连接。

上述的引杆材质为石英，纯度＞99.9％。下端为实心，上端为空心材质，最底部有用于与耦合器配合安装的变径段。

上述耦合器上端设有与引杆连接的上连接部17，下端设有与转接头连接的下连接部18。可以在上述耦合器的下连接部设计有T形槽15，所述转接头上端设有与该T形槽连接的T型连接部16，装配方便，配合稳定。

通常，上述耦合器以及转接头均由耐高温碳化硅材质制成。上述限流板、抽风罩以及隔热板均采用石英材质制成。隔热板为耐高温的碳化硅材质，中间的开孔19与引杆配合。烧结转接头为耐高温的碳化硅材质，可以采用整体呈“人”字型的结构，其下部留有用于插销插入的销孔。插销为耐高温的碳化硅材质，用于将疏松体固定在转接头上。

本发明创造中的隔热板与限流板，将烧结炉内处于隔热板与限流板之间的部分隔离成近似封闭的空间，不仅有效的起到隔热效果，防止引杆受高温影响变形，而且还可以有效的减少未反应的氯气(Cl2)和氦气(He)随着抽风的无效流失。

需要说明的是，限流板采用高纯石英材质，纯度＞99.9％，其表面开设有若干通气孔20，用于保证有气流通过的同时，有限流的作用，气流不会直接灌入到限流板上方近似“封闭”的空间内，当然，限流板中部也设有用于安装的开孔。

本发明创造中，通过双层的限流板和隔热板，有效的隔热，使引杆远离高温区，最大限度的避免引杆在高温下被拉伸变细。随着预制棒被逐渐的烧结，未烧结的疏松体长度逐渐变短，反应生成的HCl量大幅度减少，反应所需要的Cl2和He的量逐渐的减少，通过压力传感器反馈的炉心管压力值，来调整抽风阀开度，极大的减少了原材料气体的消耗，缩短了烧结时间，进而降低预制棒的烧结成本。

一种应用上述装置的OVD烧结方法，包括如下步骤：

①取用合格的疏松体，利用插销将疏松体上端固定在转接头上，使疏松体悬挂于引杆下方；

②利用氮气吹扫疏松体表面，将其表面附属的小颗粒及粉尘吹扫干净；

③打开烧结炉的炉心管端盖，开始进棒；

④进棒到起位后，开始烧结，向炉心管21内通入氯气和氦气；

⑤烧结炉温度升至1500℃，直至引杆到达设定位置的下限位置；

⑥控制引杆缓慢上升至烧结初始位置，同时降温至烧结待机温度；

⑦将烧结好的预制棒从炉心管内提出，常温冷却。

进一步，所述炉心管内压力控制在50-60pa。

烧结过程如下：

OVD预制棒疏松体沉积结束后，用机械手臂将疏松体从疏松体存放柜取出，确认检查烧结转接头和插销外观无破损后，更换为陶瓷烧结转接头，检查引杆和耦合器外观无破损后，由机械手将疏松体运输至烧结设备，悬挂于引杆下方。利用氮气枪吹扫清洁疏松体表面将表面附属的小颗粒及粉尘吹扫干净。戴高温手套扶持疏松体把棒，保证在进棒前疏松体无晃动。检查烧结炉待机温度和功率输出有无异常。按照预先设定的烧结初始位置，设定200mm/min的速度准备进棒，戴高温手套打开炉心管端盖，开始进棒。

进棒至配方设定位置后，烧结开始。OVD烧结开始后，控制氯气(Cl2)和氦气(He)气动阀自动开启阀门，氯气(Cl2)和氦气(He)按照预先的配方设定值，从工艺气体管路22中通入至炉心管，He小分子不仅可以有效的将热量扩散至疏松体芯层。而且可以将Cl2扩散至疏松体芯层与硅烷醇-氢键合基(Si-OH)反应生成氯化氢(HCl)气体。随着脱水的进行烧结炉温度逐渐上升至1500℃，此时预制棒从脱水区缓慢进入到高温烧结区，预制棒自下而上开始玻璃化，随着引杆的不断下移整根疏松体预制棒逐渐形成透明的预制棒。随后烧结引杆到达配方设定的下限位后，在烧结炉丝杆的驱动下，丝杆缓慢上升至烧结初始位置同时烧结炉开始降温至烧结待机温度。程序完全结束后，手动设定提棒速度将预制棒从烧结炉心管提出，然后将炉心管的盖板放置于炉心管上方，预制棒常温冷却。

利用本发明创造提供的装置，在烧结开始前，将抽风罩安装于烧结引杆下方的变径区，将压力传感器通过抽风罩侧边的孔洞伸至抽风罩内，将双层的石英限流板安装于转接头处，将碳化硅隔热板安装于耦合器的台阶处，机械手臂将预制棒疏松体转运至引杆下方，设定位置和速度后，预制棒开始进入炉心管。当预制棒进至烧结脱水区后，预制棒开始脱水。

氯气(Cl2)和氦气(He)从烧结炉心管下方的工艺气体管路涌入炉心管，烧结炉也随着预先设定值开始升温。脱水生成了HCl气体，炉心管内压力发生了变化，为了保证疏松体脱水比较彻底，需要保证炉心管内是一个微正压环境，一般压力为50-60pa。当压力传感器反馈压力大于60pa，压力传感器反馈给控制系统，自动减小抽风阀开合度(控制系统可以采用PLC，利用PLC控制执行器，由执行器的动作来控制抽风阀的开度，控制阀门的开度为现有技术，在此不再赘述)，保证烧结炉压力在50-60pa之间。

当烧结炉压力小于50pa时，控制系统自动增大抽风阀开度，保证炉心管压力平衡。由烧结炉内壁、限流板以及隔热板构成一个半封闭(近似封闭)的结构，可以有效的减少未反应的氯气(Cl2)和氦气(He)随着抽风的无效流失。

脱水结束后预制棒随着引杆向下移动，开始进入烧结过程。随着疏松体自下而上开始烧结玻璃化，烧结所需要的氯气(Cl2)和氦气(He)量逐渐的减少，烧结炉压力一般维持在10-20pa。

在OVD脱水烧结的过程中，通过本发明对炉心管抽风压力和加量均匀性的控制，可以有效的提高脱水的效率，预制棒烧结后外径比较的均匀。在后续的拉丝过程中光纤的相关参数更加的合理和均匀。同时，通过隔热板以及限流挡板可以有效的减少高温区热量的扩散，将引杆与高温区隔开，可以有效的降低引杆被拉伸变细，增加引杆的使用次数，提高了其使用寿命。另外，通过隔热限流单元以及对抽风罩内压力的调节，可以保证预制棒疏松体脱水的更加完全彻底，能有效的减少雾状等缺陷，提高预制棒产品合格率。

因此，本发明创造通过隔热限流单元的设置以及对抽风罩内压力的调节，提高引杆的使用次数，缩短了烧结时间，进而提高烧结设备的效率。此外通过增加引杆的使用次数、缩短烧结时间及通过压力调整装置减少了原材料气体的消耗，降低了预制棒的烧结成本。

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 (8)

1.一种提高OVD烧结效率并延长引杆使用寿命的装置，其特征在于：包括设置在引杆与预制棒疏松体之间的限流隔热单元、以及对应限流隔热单元设置的抽风单元；所述限流隔热单元包括安装在引杆下端的连接耦合器，该连接耦合器下端的连接头上连接有转接头，在转接头的底部通过插销连接预制棒疏松体；所述转接头上设置有上下对应的两层限流板，此两限流板之间设有石英环；所述转接头上设有隔热板。

2.根据权利要求1所述的一种提高OVD烧结效率并延长引杆使用寿命的装置，其特征在于：所述抽风单元包括整体遮盖住限流隔热单元的抽风罩，在抽风罩的抽风管路上安装有抽风阀，所述抽风罩上设有用于感应抽风罩内压力的压力传感器，该压力传感器与控制抽风阀开度的控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种提高OVD烧结效率并延长引杆使用寿命的装置，其特征在于：所述耦合器上端设有与引杆连接的上连接部，下端设有与转接头连接的下连接部。

4.根据权利要求3所述的一种提高OVD烧结效率并延长引杆使用寿命的装置，其特征在于：所述耦合器的下连接部设计有T形槽，所述转接头上端设有与该T形槽连接的T型连接部。

5.根据权利要求1所述的一种提高OVD烧结效率并延长引杆使用寿命的装置，其特征在于：所述耦合器以及转接头均由耐高温碳化硅材质制成。

6.根据权利要求1所述的一种提高OVD烧结效率并延长引杆使用寿命的装置，其特征在于：所述限流板、抽风罩以及隔热板均采用石英材质制成。

7.一种应用权利要求1所述的装置的OVD烧结方法，其特征在于，包括如下步骤：

①取用合格的疏松体，利用插销将疏松体上端固定在转接头上，使疏松体悬挂于引杆下方；

②利用氮气吹扫疏松体表面，将其表面附属的小颗粒及粉尘吹扫干净；

③打开烧结炉的炉心管端盖，开始进棒；

④进棒到起位后，开始烧结，向炉心管内通入氯气和氦气；

⑤烧结炉温度升至1500℃，直至引杆到达设定位置的下限位置；

⑥控制引杆缓慢上升至烧结初始位置，同时降温至烧结待机温度；

⑦将烧结好的预制棒从炉心管内提出，常温冷却。

8.根据权利要求7所述的OVD烧结方法，其特征在于：所述炉心管内压力控制在50-60pa。