CN109678339A - 一种使用h2的光纤拉丝加热炉装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用H₂的光纤拉丝加热炉装置和方法，其中，使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，包括炉体，所述炉体顶部安装有相互连通的密封筒，密封筒内安装有光纤预制棒固定和移动单元；所述密封筒顶部连通有气体回收单元；所述炉体内安装有用于给光纤预制棒加热的加热线圈；所述炉体底部安装有气体分布单元和退火管，所述气体分布单元与氢气进入管道连通，退火管与氩气进入管道连通；氢气进入管道在氩气进入管道的上方。本发明所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，上部采用整体密封、下部采用惰性气体氩气隔绝空气，能安全使用氢气，氢气的价格比氦气低，可减少光纤的生产成本。

Description

一种使用H2的光纤拉丝加热炉装置和方法

技术领域

本发明属于光纤制造领域，尤其是涉及一种使用H₂的光纤拉丝加热炉装置和方法。

背景技术

拉丝加热炉作为光纤拉丝中极其重要的一个功能设备，能够加热预制棒，使光纤预制棒在拉丝加热炉中熔融，并在一定的拉制条件下形成直径在125±1μm范围内的光纤。为了防止预制棒在高温环境下被氧化，通常通过惰性气体(He和Ar)来保护，其中He的导热系数较高，还有保持炉内温场稳定的作用。

He作为全球战略资源，其中美国是世界上最大的He生产和供应国，其次为阿尔及利亚、卡塔尔、俄罗斯和波兰(上述五国被称为氦五国)，目前我国的使用的He主要从美国进口，近20以来，美国出口氦气的价格日益走高，这使得光纤的生产成本也越来越高。寻找一种新的气体代替氦气在拉丝加热炉中使用，能有效降低光纤的生产成本。

H₂的导热系数比He更高，有更好的导热效果，使用H₂代替He更有利于保持炉内温场稳定，但H₂是一种易燃易爆气体，拉丝加热炉内又是一个高温环境，因此在使用时具有很高的危险性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，以克服现有技术的缺陷，采用氢气作为光纤拉丝加热炉炉体内的导热气体，上部采用整体密封、下部采用惰性气体氩气隔绝空气，操作安全，可减少光纤的生产成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，包括炉体，所述炉体顶部安装有相互连通的密封筒，密封筒内安装有光纤预制棒固定和移动单元；所述密封筒顶部连通有气体回收单元；所述炉体内安装有用于给光纤预制棒加热的加热线圈；所述炉体底部安装有气体分布单元和退火管，所述气体分布单元与氢气进入管道连通，退火管与氩气进入管道连通；氢气进入管道在氩气进入管道的上方。

进一步的，所述气体分布单元包括一环状的闭合腔体；所述环状的闭合腔体上表面沿设有若干出气孔，下表面设有若干进气孔；若干进气孔均与氢气进入管道连通。

进一步的，所述环状的闭合腔体上表面沿周向均匀分布有24个出气孔，下表面设有两个进气孔；炉体外设有冷却水夹套。

进一步的，所述退火管与氩气进入管道成“十”字形设置；退火管上端插入环状的闭合腔体的内圆周内，且两者密封固定连接；氩气进入管道与退火管的连通处两端均为“八”字形状开口。

进一步的，退火管下端安装有H₂浓度监测元件和第一阀门；所述第一阀门位于H₂浓度监测元件的下方。

进一步的，所述密封筒顶部通过混合气管道连通气体回收单元，且该管道上安装有风机和抽真空泵；所述风机位于密封筒和抽真空泵之间，抽真空泵与气体回收单元之间的管道上安装有第二阀门。

进一步的，所述光纤预制棒固定和移动单元包括一丝杆和用于安装光纤预制棒的挂棒平台；所述丝杆沿密封筒高度方向设置；所述挂棒平台安装在丝杆上，且可随丝杆的转动而上下移动；所述丝杆通过手轮或电机驱动，手轮或电机安装在密封筒外。

进一步的，所述气体回收单元包括过滤网和氢气膜分离器；所述过滤网可拆卸的连接在混合气管道内，氢气膜分离器安装在混合气管道的末端；氢气膜分离器的高渗透速率气体出口连通氢气回收罐，氢气膜分离器的低渗透速率气体出口连通Ar回收罐。

进一步的，所述过滤网包括相互连接的上层和下层；上层的过滤孔径大于下层的过滤孔径。

本发明的另一个目的在于，提出一种基于如上所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置进行光纤拉丝的方法，进行光纤拉丝。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于如上所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置进行光纤拉丝的方法，包括以下步骤：

S1：将光纤预制棒安装在挂棒平台上，关闭所有阀门，用抽真空泵将整个炉体抽真空；

S2：加热线圈开始加热，并经氢气管道通入氢气，氢气经气体分布单元进入炉体内，同时为了避免氢气泄露及外部空气进入炉体内，自氩气进入管道通入Ar气；

S3：丝杆转动，挂棒平台下移，光纤预制棒移动至炉体内，开始拉丝，炉体内的混合气体和粉尘进入气体回收单元，粉尘被过滤网过滤拦截，氢气和Ar气分别经各自的回收罐回收；

S4：拉丝的同时，利用H₂浓度监测元件对退火管内的氢气浓度进行监测：当监测到的H₂浓度超过预设值范围，开始报警，同时降低H2流量，加大Ar流量；当监测到的H₂浓度达到危险值，则关闭H₂输入，加大氩气流量，同时加大风机的抽风量，停止拉丝，待炉体温度降至常温时，检查装置是否被堵塞，一经发现清理后，即可恢复拉丝处理；

优选的，还包括对回收后的氢气和Ar气进行浓度检测，浓度达标直循环使用，浓度不达标待二次提纯后循环使用的步骤；

优选的，步骤S1中，抽真空后，应保证炉体内的真空度至少为-1Bar，最高为-3Bar；

优选的，步骤S4中，H₂浓度的预设值为25％LEL，H₂浓度的危险值为50％LEL。

相对于现有技术，本发明所述的一种使用H₂的光纤拉丝加热炉装置具有以下优势：

(1)光纤拉丝加热炉炉炉体的上部采用整体密封、下部采用惰性气体氩气隔绝空气，能安全使用氢气，氢气的价格比氦气低，可减少光纤的生产成本；

(2)采用氢气作为光纤拉丝加热炉炉体内的导热气体，氢气的导热系数比氦气高，有利于提高炉内温场的均匀性，提高光纤的圆度、偏振模色散、强度等参数，提高光纤质量；

(3)密封性能良好，能有效隔绝外界空气、杂质的进入光纤拉丝加热炉炉体内；且炉体内产生的杂质、浮尘能通过风机被抽走；

(4)具有气体回收系统，可以分别回收氢气和氩气，循环使用氢气和氩气，减少气体排放浪费，并进一步降低了生产成本。

所述基于上述使用H₂的光纤拉丝加热炉装置进行光纤拉丝的方法相对于现有技术的优势，与使用H₂的光纤拉丝加热炉装置基本相同，故在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置中气体分布单元的简单结构示意图；

图3为本发明实施例所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置中气体回收单元的简单结构示意图；

图4为本发明实施例所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置中氢气膜分离器的简单结构示意图。

附图标记说明：

1-炉体；2-光纤预制棒；3-气体分布单元；301-环状的闭合腔体；302-出气孔；4-退火管；5-挂棒平台；6-密封筒；7-加热线圈；8-气体回收单元；9-氢气进入管道；10-氩气进入管道；11-H2浓度监测元件；12-第一阀门；13-丝杆；14-风机；15-抽真空泵；16-第二阀门；18-过滤网；19-氢气膜分离器；1901-高渗透速率气体出口；1902-低渗透速率气体出口；1903-中空纤维膜；20-氢气回收罐；21-Ar回收罐。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，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。

如图1所示，一种使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，包括炉体1、退火管4、密封筒6、抽真空泵15和气体回收单元8。

炉体1内具有加热线圈7，用于加热熔融光纤预制棒2。炉体1侧壁外设有冷却水夹套或夹层，可通过循环冷却水对高温炉体进行冷却。炉体1顶部安装有相互连通的密封筒6，密封筒6内安装有光纤预制棒固定和移动单元。光纤预制棒固定和移动单元包括一丝杆13和用于安装光纤预制棒2的挂棒平台5；丝杆13沿密封筒6高度方向设置，挂棒平台5通过螺纹连接到丝杆13上，丝杆13通过电机驱动，电机安装在密封筒6外部(电机图中未画出来)。使用时，光纤预制棒2的进棒由挂棒平台5与随丝杆13的转动而上下移动来控制进棒过程，最终完成光纤预制棒2完全安装到密封筒6内及伸入炉体1内的过程。具体来说，在电机的驱动下，丝杆13发生转动，挂棒平台5随丝杆13转动即可实现上下移动。

氢气从炉体1下方的氢气进入管道9进入，并通过安装于炉体1底部的气体分布单元3分布后进入炉体1内。具体来说，气体分布单元3为圆环状的闭合腔体301，其上表面沿周向均匀分布有24个直径为2mm的出气孔302，下表面有两个进气孔连接氢气进入管道9，氢气从氢气进入管道9进入圆环状的闭合腔体301内，通过气压从出气孔302均匀流出，因此氢气能够均匀地进入加热炉炉体1内，保证炉体1内气体的均匀性，也就能保证温场的均匀性。气体分布单元3中圆环状的闭合腔体301的内圆为氩气和光纤的通道。

炉体1下方设有退火管4，退火管4与氩气进入管道10连通。退火管4与氩气进入管道10成“十”字形设置；退火管4上端插入环状的闭合腔体301的内圆周内，且两者密封固定连接；氩气进入管道10与退火管4的连通处两端均为“八”字形状开口。使用时，氩气则从氩气进入管道10进入，氩气进入管道10与退火管4的连通处两端均为“八”字形状开口，这种设置使得Ar气流从该管道进入后能向上流动进入炉体，向下流动隔绝退火管4下部的空气环境，避免氢气向下泄露和外界空气进入炉内，发生燃烧爆炸。

退火管4的下端设置有H₂浓度监测元件11(采用济南中诚仪器仪表有限公司生产的氢气浓度检测仪GT-HYZLG/B)和第一阀门12，第一阀门12位于H₂浓度监测元件11的下方。使用时，将H₂浓度监测元件11与企业现已自有的自动控制装置电连接，H₂浓度监测元件11设定两个值，一个是自动报警值(25％LEL)，一个是自动关闭氢气值(50％LEL)(也即危险值)，当监测到的H₂浓度超过预设值范围，开始报警，同时降低H₂流量，并加大Ar流量，在此过程中，可通过控制两种气体的流量的变化保证炉内温场的均匀性；当监测到的H₂浓度达到危险值，则自动关闭H₂输入，加大氩气流量，同时停止拉丝，防止氢气泄露，当拉丝炉温度降低至接近常温后，对风机14、过滤网18、氢气膜分离器19等设备进行检查，保证整个系统气体通道未被堵塞，拉丝过程中气体的流动性良好后，可以再次启动拉丝程序。

密封筒6顶部通过混合气管道连接风机14，且风机14处于密闭管道内，风机14能及时带走炉体1和密封筒6内的氢气、氩气和浮尘。风机14后端通过另一混合气管道连接有抽真空泵15，在抽真空泵15后端的混合气管道设有一个第二控制阀16，当退火管4下端的第一控制阀12和第二控制阀16关闭后，对装置进行抽真空，检验装置的密封性。

抽真空泵15后设有气体回收单元8，两者通过另一混合气管道连通。所述气体回收单元8包括过滤网18和氢气膜分离器19；所述过滤网18可拆卸的连接在混合气管道内，可拆卸连接的方式为螺纹连接，具体来说，过滤网的两端均有螺纹，可与混合气体管道紧密连接，需定期拆卸检查过滤网状态，杂质较多时可清洗后再次安装使用。过滤网包括相互固定连接的上层和下层；上层的过滤孔径大于下层的过滤孔径，优选的，上层为粗网，过滤孔径为100目，采用强度较高金属丝网，用于过滤气体中的大颗粒杂质；下层为细网，过滤孔径为325目，采用棉网，用于过滤小颗粒杂质。氢气膜分离器19安装在混合气管道的末端；氢气膜分离器19为中空纤维膜分离器，具体采用国初科技生产的氢气回收膜元件，该氢气回收膜元件以中空纤维膜1903为分离膜。氢气膜分离器19高渗透速率侧为氢气出口(也即高渗透速率气体出口1901)，其通过管线连通氢气回收罐20，低渗透速率侧为氩气出孔(也即低渗透速率气体出口1902)，其通过管线连通Ar回收罐21。使用时，过滤网上层过滤抽出气体中的大颗粒杂质，过滤网下层过滤小颗粒杂质，经过过滤后的气体进入氢气膜分离器19(如图4所示)。过滤网18长期使用后会积累杂质，导致混合气管道堵塞，因此过滤网18需定期清洗更换。回收的氢气和氩气需检测浓度，浓度达标则直接循环使用，浓度不达标可经二次提纯后供拉丝加热炉循环使用。

混合气管道、氢气进入管道和氩气进入管道等管道均采用金属管道，优选为不锈钢管道。

炉体和密封筒之间、炉体和退火管、炉体和气体分布单元之间均具有橡胶密封圈，并通过螺丝紧密连接，进而保证各部件件的密封性。整个装置连接到外部环境的控制线路与装置外壁的接缝处均采用密封圈和密封胶密封，保证整个装置的密封性不被破坏。

基于上述使用H₂的光纤拉丝加热炉装置进行光纤拉丝的方法，所述使用H2的光纤拉丝加热炉装置要对H₂进行密封，防止其泄露。具体拉丝方法包括以下步骤：

S1：将光纤预制棒2安装在挂棒平台5上，关闭所有阀门，用抽真空泵15将整个装置抽真空，需要说明的时，抽真空后，应保证炉体1内的真空度至少为-1Bar。

S2：加热线圈7开始加热，并经氢气管道通入氢气，氢气经气体分布单元3进入炉体1内，同时为了避免氢气泄露及外部空气进入炉体1内，自氩气进入管道10通入Ar气。

S3：丝杆13转动，挂棒平台5下移，光纤预制棒2移动至炉体1内，开始拉丝，炉体1内的混合气体和粉尘进入气体回收单元8，粉尘被过滤网18过滤拦截，氢气和Ar气分别经各自的回收罐回收，随后对回收后的氢气和Ar气进行浓度检测，浓度达标直循环使用，浓度不达标待二次提纯后循环使用。需要说明的是，国内有提纯炉内氦气的厂家，这里二次提纯可交由相关厂家进行。

S4：拉丝的同时，利用H₂浓度监测元件11对退火管4内的氢气浓度进行监测：当监测到的H₂浓度超过预设值25％LEL时，开始报警，同时降低H₂流量，加大Ar流量；当监测到的H₂浓度达到危险值50％LEL，则关闭H₂输入，加大氩气流量，同时加大风机的抽风量，停止拉丝，待炉体1温度降至常温时，检查装置是否被堵塞，一经发现清理后，即可恢复拉丝处理；

本发明所述使用H₂的光纤拉丝加热炉装置能够在光纤拉丝加热炉中安全使用氢气，氢气的价格比氦气低，减少了光纤的生产成本。

本发明所述使用H₂的光纤拉丝加热炉装置和方法采用氢气作为光纤拉丝加热炉内的导热气体，氢气的导热系数比氦气高，有利于提高炉内温场的均匀性，提高光纤的圆度、偏振模色散、强度等参数，提高光纤质量。

本发明所述使用H₂的光纤拉丝加热炉装置密封性能良好，能有效隔绝外界空气、杂质的进入光纤拉丝加热炉；且炉内产生的杂质、浮尘能通过风机被抽走。

本发明所述使用H₂的光纤拉丝加热炉装置具有气体回收系统，可以分别回收氢气和氩气，循环使用氢气和氩气，减少气体排放浪费，并进一步降低了生产成本。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，包括炉体(1)，其特征在于：所述炉体(1)顶部密封安装有相互连通的密封筒(6)，密封筒(6)内安装有光纤预制棒固定和移动单元；所述密封筒(6)顶部连通有气体回收单元(8)；所述炉体(1)内安装有用于给光纤预制棒(2)加热的加热线圈(7)；所述炉体(1)底部密封安装有气体分布单元(3)和退火管(4)，所述气体分布单元(3)与氢气进入管道(9)连通，退火管(4)与氩气进入管道(10)连通；氢气进入管道(9)在氩气进入管道(10)的上方。

2.根据权利要求1所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，其特征在于：所述气体分布单元(3)包括一环状的闭合腔体(301)；所述环状的闭合腔体(301)上表面沿设有若干出气孔(302)，下表面设有若干进气孔；若干进气孔均与氢气进入管道(9)连通。

3.根据权利要求2所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，其特征在于：所述环状的闭合腔体(301)上表面沿周向均匀分布有24个出气孔(302)，下表面设有两个进气孔；炉体(1)外设有冷却水夹套。

4.根据权利要求2所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，其特征在于：所述退火管(4)与氩气进入管道(10)成“十”字形设置；退火管(4)上端插入环状的闭合腔体(301)的内圆周内，且两者密封固定连接；氩气进入管道(10)与退火管(4)的连通处两端均为“八”字形状开口。

5.根据权利要求4所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，其特征在于：退火管(4)下端安装有H₂浓度监测元件(11)和第一阀门(12)；所述第一阀门(12)位于H₂浓度监测元件(11)的下方。

6.根据权利要求1所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，其特征在于：所述密封筒(6)顶部通过混合气管道连通气体回收单元(8)，且该管道上安装有风机(14)和抽真空泵(15)；所述风机(14)位于密封筒(6)和抽真空泵(15)之间，抽真空泵(15)与气体回收单元(8)之间的管道上安装有第二阀门(16)。

7.根据权利要求6述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，其特征在于：所述气体回收单元(8)包括过滤网(18)和氢气膜分离器(19)；所述过滤网(18)可拆卸的连接在混合气管道内，氢气膜分离器(19)安装在混合气管道的末端；氢气膜分离器(19)的高渗透速率气体出口(1901)连通氢气回收罐(20)，氢气膜分离器(19)的低渗透速率气体出口(1902)连通Ar回收罐(21)。

8.根据权利要求7所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，其特征在于：所述过滤网包括相互连接的上层和下层；上层的过滤孔径大于下层的过滤孔径。

9.根据权利要求1或6所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置，其特征在于：所述光纤预制棒固定和移动单元包括一丝杆(13)和用于安装光纤预制棒(2)的挂棒平台(5)；所述丝杆(13)沿密封筒(6)高度方向设置；所述挂棒平台(5)安装在丝杆(13)上，且可随丝杆(13)的转动而上下移动；所述丝杆(13)通过手轮或电机驱动，手轮或电机安装在密封筒(6)外。

10.一种基于如权利要求1至9任意一项所述的使用H₂的光纤拉丝加热炉装置进行光纤拉丝的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将光纤预制棒(2)安装在挂棒平台(5)上，关闭所有阀门，用抽真空泵(15)将整个炉体抽真空；

S2：加热线圈(7)开始加热，并经氢气管道通入氢气，氢气经气体分布单元(3)进入炉体(1)内，同时为了避免氢气泄露及外部空气进入炉体(1)内，自氩气进入管道(10)通入Ar气；

S3：丝杆(13)转动，挂棒平台(5)下移，光纤预制棒(2)移动至炉体(1)内，开始拉丝，炉体(1)内的混合气体和粉尘进入气体回收单元(8)，粉尘被过滤网(18)过滤拦截，氢气和Ar气分别经各自的回收罐回收；

S4：拉丝的同时，利用H₂浓度监测元件(11)对退火管(4)内的氢气浓度进行监测：当监测到的H₂浓度超过预设值范围，开始报警，同时降低H2流量，加大Ar流量；当监测到的H₂浓度达到危险值，则关闭H₂输入，加大氩气流量，同时加大风机的抽风量，停止拉丝，待炉体(1)温度降至常温时，检查装置是否被堵塞，一经发现清理后，即可恢复拉丝处理；

优选的，还包括对回收后的氢气和Ar气进行浓度检测，浓度达标直循环使用，浓度不达标待二次提纯后循环使用的步骤；

优选的，步骤S1中，抽真空后，应保证炉体内的真空度至少为-1Bar，最高为-3Bar；

优选的，步骤S4中，H₂浓度的预设值为25％LEL，H₂浓度的危险值为50％LEL。