CN110818238A - 一种改善预制棒应力的退火装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改善预制棒应力的退火装置，包括塔架、退火炉和夹具平台，塔架上安装有退火炉，塔架的上部设置夹具平台，夹具平台可相对于塔架上下滑动；退火炉包括外罩、保温层、炉芯管、加热装置、盖板和底板，炉芯管包括上下分布的第一炉芯管和第二炉芯管，保温层和外罩均由上下竖直分布的四部分组成，每部分之间留有间隙，预制棒烧结结束后，转移至夹具平台处并与之固定连接，通过夹具平台向下滑动进入退火炉内进行退火操作；本发明还提供一种改善预制棒应力的退火方法，采用升温‑恒温‑降温的退火工艺。本发明可有效去除预制棒的残余应力和气泡，提升拉丝合格率，同时当预制棒意外坠落时，只需要更换下部炉心管即可，节省炉心管成本。

Description

一种改善预制棒应力的退火装置和方法

技术领域

本发明属于光纤预制棒制造和研发技术领域，具体涉及一种改善预制棒应力的退火装置和方法。

背景技术

从20世纪70年代末期以来，美国Corning 公司开发出了适合光纤大规模生产的管外汽相沉积法工艺，其后OVD工艺（管外汽相沉积法）又有不断改进，目前已开发出第7代工艺，使生产效率得到极大提高，生产成本大幅度降低。日本NTT推出了汽相轴相沉积法工艺，早期光纤预制棒的生产均采用“一步法”，即通过选定的工艺技术直接进行预制棒芯层及包层的生产，该方法受外围技术设备和工艺技术本身的制约，生产出的预制棒单棒可拉丝长度受到了极大地限制，妨碍了生产效率的提高。目前，预制棒的生产多采用“两步法”复合工艺技术，即先制造预制棒芯棒，然后在芯棒外采用不同技术制造外包层或直接套管，在不影响光纤性能的同时增加预制棒单棒可拉丝长度，提高生产效率，降低光纤生产成本。

目前VAD（汽相轴向沉积法）+OVD（管外汽相沉积法）是最常用的预制棒制备方法。VAD沉积工艺制备的多孔疏松体体经过高温烧结，SiO₂微粒间相互接触的部位先液化，并逐渐排除颗粒间隙气体，最终相互熔融，收缩成闭孔，然后闭孔继续收缩直至消失，制备出无气泡的透明的芯棒烧结体。一次成型的VAD芯棒烧结体都不可能做的太长，因此需要将芯棒烧结体拉伸到所需直径，再进入外包层工序。芯棒的质量直接关系到光纤预制棒和光纤光缆的质量，在芯棒的生产和加工过程中芯棒内部及表面的纯度或受污染程度对芯棒的质量有很大的影响。

OVD（管外汽相沉积法）将一根芯棒在水平车床上沿纵轴旋转并往复移动，将高纯度的原料化合物，如SiCl₄，GeCl₄等，通过氢氧焰或甲烷焰火炬喷到芯棒上，高温下水解产生的氧化物玻璃微粒粉尘，沉积在芯棒上，最终形成多孔预制棒疏松体，沉积结束后，将多孔预制棒疏松体送入高温烧结炉内，在1100~1200℃的高温下，进行脱水处理，即在氯气的作用下将预制棒疏松体中的羟基置换出来，然后在1450~1600℃的高温环境下烧缩成透明的无气泡的预制棒；最后进行退火处理以消除残余应力和残留的He。在烧结的过程中SiO₂微粒间相互接触的部位先液化，并逐渐排除颗粒间隙气体，最终相互熔融，收缩成闭孔，然后闭孔继续收缩直至消失，制备出无气泡的透明的预制棒。

传统的预制棒退火过程退火温度太低或者退火时间太短，退火结束后直接从退火炉内提出，随室温自然冷却，因炉内温度和炉外的温度差异较大，预制棒的表面温度和预制棒的内部温度有较大的温度差，在热胀冷缩的作用机理下，预制棒的芯棒和把棒接口处容易产生微裂纹，个别情况下会导致裂纹扩展，预制棒从芯棒和把棒接口处发生开裂，导致预制棒坠落炉心管。此外，采用恒温退火工艺进行退火的预制棒残余应力较大，预制棒虽经过长时间退火，棒身内部仍有较多的肉眼不可见的小气泡，在后续的运输和拉丝过程中气泡在高温条件下会导致光纤强度降低从而发生“拉丝塔断”现象，容易产生开裂和气线，含有气线的光纤制造成光缆，在光缆施工熔接过程中，容易发生无法融接或“炸缆”现象，造成重大质量事故；同时，若退火温度和升降温速度不合理会导致预制棒芯层和包层界面易析晶产生白色不透明组织影响预制棒强度，在拉丝过程中易塔断。

因此对光纤预制棒的退火工艺的摸索显得尤其重要，需要一种有利于去除预制棒残余应力的退火装置和方法，通过调节退火工艺有效的去除预制棒的残余应力和小气泡，避免在后续的运输和拉丝过程中出现开裂和塔断，有效的提升拉丝合格率。

发明内容

本发明的第一目的是针对现有技术的不足，而里氏硬度精度不高的问题，提供一种改善预制棒应力的退火装置；

本发明的第二目的是提供一种改善预制棒应力的退火方法。

本发明采用以下技术方案：

一种改善预制棒应力的退火装置，包括塔架、退火炉和夹具平台，所述塔架上安装有退火炉，塔架的上设置夹具平台，所述夹具平台可相对于塔架沿竖直方向上下滑动；所述退火炉包括外罩、保温层、炉芯管、加热装置、盖板和底板，所述炉芯管分为上下两部分组装的第一炉芯管和第二炉芯管，所述保温层和外罩均由上下竖直分布的四部分组成，每部分之间留有间隙以便于热量的扩散；预制棒烧结结束后，转移至夹具平台处并与之固定连接，通过夹具平台相对于塔架向下滑动，进入退火炉内进行退火操作。

进一步的，所述塔架上设置有固定轴承座、支撑轴承座和丝杆，所述固定轴承座设置在塔架下部，支撑轴承座设置在塔架上部，丝杆设置在固定轴承座与支撑轴承座之间，并与固定轴承座和支撑轴承座转动连接，丝杆与水平面垂直，夹具平台与丝杠螺母固定连接，所述夹具平台可随着丝杆的转动进行上下滑动；所述塔架上还设置有两根导轨，相应的，夹具平台两侧设置有与两根导轨相适配的导轨滑块，夹具平台可沿着导轨上下滑动，起到稳定装置的作用。

进一步的，所述导轨滑块包括滑块、若干个调节螺钉和若干个固定螺钉，所述调节螺钉水平固定在夹具平台上，滑块穿过调节螺钉并可在调节螺钉上滑动，当滑到所要求位置时，通过所述固定螺钉将滑块与调节螺钉固定，实现了夹具平台可在一定范围内水平移动，便于调节预制棒与退火炉同心度一致；所述丝杆为滚珠丝杆，并设置有自动注油润滑装置，可减小丝杆上下运动的负载；所述夹具平台与丝杠螺母通过内六角螺钉固定连接。

进一步的，所述塔架为铝型材，铝型材之间通过螺栓连接固定，质轻但结构牢固；所述导轨为铝合金材质；所述炉芯管材质为GE 214高纯石英。

进一步的，所述加热装置为金属电阻丝，位于炉心管和保温层之间，由上下四部分组成。

进一步的，所述外罩的四个部分之间由连接栓和六角螺丝固定连接；所述底板通过底板固定螺丝固定连接在退火炉上。

进一步的，所述退火炉内设置有温度传感器，便于温度的实时反馈，保证预制棒按照设定的升温速度进行升温；所述塔架还上设置有限位传感器。

一种根据上述改善预制棒应力的退火装置的退火方法，包括以下步骤：

步骤一、预制棒烧结结束后，由操作员使用运输预制棒的小车将预制棒转移至夹具平台下方，并通过转接头与挂棒夹具固定连接；

步骤二、打开退火炉盖板，控制丝杆转动，夹具平台沿着导轨向下滑动，进而带动预制棒缓慢下滑直至进棒到退火炉内，盖上盖板；

步骤三、预制棒进入退火炉后，先在650℃保温20分钟，以保证预制棒的内部和表面温度达到一致；保温结束后，加热装置开始持续加热，直到炉内温度达到1050℃，在1050℃温度下保温退火处理15h，随后降温至650℃保温20分钟；保温结束后，预制棒退火结束；

步骤四、退火结束后，打开退火炉盖板，控制丝杆转动，夹具平台向上滑动，进而带动预制棒向上运动，直至将预制棒从退火炉内提出，随后将预制棒在室温环境下进行冷却。

进一步的，步骤三中，所述加热装置加热使退火炉内以3℃/min的速度升温，当温度传感器检测温度达到1050℃后，加热装置停止加热，当温度传感器反馈温度低于1050℃时，加热装置恢复加热，以保证预制棒在1050℃下进行保温退火处理；所述降温过程使退火炉内以2℃/min的速度降温，当温度传感器反馈温度达到650℃时，预制棒在650℃温度下保温20分钟。

进一步的，步骤二中，夹具平台在丝杆的带动下沿着导轨向下滑动，直至限位传感器处后开始缓慢减速，待预制棒完全进入退火炉内后自动停止进棒。

本发明的有益效果：

（1）本发明改善预制棒应力的退火装置通过设置上下两部分组装的退火炉心管，当预制棒意外坠落时，只需要更换下部炉心管即可，而避免炉心管整体损坏，节省了炉心管的成本；

（2）本发明通过采用升温-恒温-降温的退火工艺可以有效的去除预制棒的残余应力和小气泡，减少在运输过程产生开裂的概率，避免拉丝过程中产生气线，有效的提升拉丝合格率；此外，待机时采用较低的待机温度，有效的节省了电能；

（3）本发明装置操作方便简洁，夹具平台可相对于塔架水平方向或者竖直方向移动，可以轻松实现夹具下方的预制棒和退火炉心管同心度的一致性；

（4）本发明在丝杆处设置自动注油润滑装置，有效的减小了丝杆上下运动的负载，延长设备的使用寿命。

附图说明：

图1为本发明预制棒退火塔架系统和夹具平台示意图；

图2为本发明导轨滑块结构示意图；

图3为本发明退火炉结构示意图；

图4为烧结后预制棒气泡分布图；

图5是本发明预制棒退火工艺图；

附图中的标号为：1、塔架；2、固定轴承座；3、限位传感器；4、自动注油润滑装置；5、挂棒夹具；6、加热装置；7、夹具平台；8、丝杆；9、支撑轴承座；10、导轨；11、滑块；12、调节螺钉；13、固定螺钉；14、退火炉；15、小气泡；16、转接头；17、保温层；18、第一炉芯管；19、预制棒；20、第二炉芯管；21、外罩；22、底板固定螺丝；23、连接栓；24、温度传感器。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-5， 一种改善预制棒应力的退火装置，包括塔架1、退火炉14和夹具平台7，所述塔架1上安装有退火炉14，塔架1的上设置夹具平台7，所述夹具平台7可相对于塔架1沿竖直方向上下滑动；所述退火炉14包括外罩21、保温层17、炉芯管、加热装置6、盖板和底板，所述炉芯管分为上下两部分组装的第一炉芯管18和第二炉芯管20，所述保温层17和外罩21均由上下竖直分布的四部分组成，每部分之间留有间隙以便于热量的扩散；预制棒烧结结束后，转移至夹具平台7处并与之固定连接，通过夹具平台7相对于塔架1向下滑动，进入退火炉14内进行退火操作。

本发明实施例中，所述塔架1上设置有固定轴承座2、支撑轴承座9和丝杆8，所述固定轴承座2设置在塔架1下部，支撑轴承座9设置在塔架1上部，丝杆8设置在固定轴承座2与支撑轴承座9之间，并与固定轴承座2和支撑轴承座9转动连接，丝杆8与水平面垂直，夹具平台7与丝杠螺母固定连接；具体的，本实施例中所述夹具平台7与丝杠螺母通过内六角螺钉固定连接；所述夹具平台7可随着丝杆8的转动进行上下滑动；所述塔架1上还设置有两根导轨10，相应的，夹具平台7两侧设置有与两根导轨10相适配的导轨滑块，夹具平台7可沿着导轨10上下滑动，起到稳定装置的作用，夹具平台7与导轨滑块通过内六角螺钉连接固定；具体的，本实施例中所述丝杆8为滚珠丝杆，并设置有自动注油润滑装置4，可减小丝杆8上下运动的负载。

本发明实施例中，所述导轨滑块包括滑块11、若干个调节螺钉12和若干个固定螺钉13，具体的，本实施例中，调节螺钉12与固定螺钉13的设计数量均为2个；所述调节螺钉12水平固定在夹具平台7上，滑块11穿过调节螺钉12并可在调节螺钉12上滑动，当滑到所要求位置时，通过所述固定螺钉13将滑块11与调节螺钉12固定，实现了夹具平台7可在一定范围内水平移动，便于调节预制棒19与退火炉14同心度一致。

需要说明的是，本实施例中所述夹具平台7与丝杠螺母之间也可设置上述水平位移调节机构，便于与滑块11配合，调节夹具平台7在一定范围内的水平移动，进而调节预制棒19与退火炉14同心度一致。

本发明实施例中，所述塔架1为铝型材，铝型材之间通过螺栓连接固定，质轻但结构牢固；所述导轨10为铝合金材质；所述炉芯管材质为GE 214高纯石英；所述加热装置6为金属电阻丝，位于炉心管和保温层17之间，由上下四部分组成；所述外罩21的四个部分之间由连接栓23和六角螺丝固定连接；所述底板通过底板固定螺丝22固定连接在退火炉14上。

本发明实施例中，所述退火炉14内设置有温度传感器24，便于温度的实时反馈，保证预制棒19按照设定的升温速度进行升温；所述塔架1还上设置有限位传感器3。

本发明实施例中，所述夹具平台7下方设置有挂棒夹具5，所述预制棒19上的转接头16与挂棒夹具5通过插销固定连接。

一种应用上述改善预制棒应力的退火装置的退火方法，包括以下步骤：

步骤一、预制棒19烧结结束后，由操作员使用运输预制棒的小车将预制棒19转移至夹具平台7下方，并通过转接头16与挂棒夹具5固定连接；

步骤二、打开退火炉14盖板，操作退火炉14控制电脑，控制丝杆8转动，夹具平台7沿着导轨10向下滑动，进而带动预制棒19缓慢下滑直至进棒到退火炉14内，盖上盖板；具体的，本实施例中，夹具平台7在丝杆8的带动下沿着导轨10向下滑动，直至限位传感器3处后开始缓慢减速，待预制棒19完全进入退火炉14内后自动停止进棒。

步骤三、预制棒19进入退火炉14后，先在650℃保温20分钟，以保证预制棒19的内部和表面温度达到一致；保温结束后，加热装置6开始持续加热，直到炉内温度达到1050℃，在1050℃温度下保温退火处理15h，随后降温至650℃保温20分钟；保温结束后，预制棒19退火结束；本实施例中，所述加热装置6加热使退火炉14内以3℃/min的速度升温，当温度传感器24检测温度达到1050℃后，加热装置6停止加热，当温度传感器24反馈温度低于1050℃时，加热装置6恢复加热，以保证预制棒19在1050℃下进行保温退火处理；所述降温过程使退火炉14内以2℃/min的速度降温，当温度传感器24反馈温度达到650℃时，预制棒19在650℃温度下保温20分钟，保温结束后，控制电脑端通过蜂鸣报警提醒预制棒19退火结束。

步骤四、退火结束后，打开退火炉14盖板，操作员通过操作控制电脑控制丝杆8转动，夹具平台7向上滑动，进而带动预制棒19向上运动，直至将预制棒19从退火炉14内提出，随后将预制棒19在室温环境下进行冷却。

当预制棒19意外坠落炉心管后，在重力的作用下，预制棒19会把退火炉14下部的两个底板固定螺丝22砸脱落，第二炉芯管20破损，此时只需要把退火炉14断电降温后，将退火炉14的上部提出，清理完下部的残渣碎片后，重新固定炉心管下部的底板固定螺丝22，安装新的第二炉芯管20，再将第一炉芯管18安装固定即可继续使用；若重新安装的炉心管同心度和预制棒19同心度不一致，可以通过调节夹具平台7上的滑块11和丝杠螺母来调整同心度。

为了检测本发明工艺的预制棒退火效果，通过对比分析传统的1050℃恒温退火和本发明实施例650℃-1050℃-650℃升降温退火处理的60根预制棒，跟踪预制棒在退火结束后运输至拉丝和拉丝对接尾管时预制棒因应力问题导致的炸裂数量，以及在拉丝过程中产生的气线和气泡数量，汇总结果如表1所示：

表1不同退火方式预制棒炸裂和拉丝气线

退火方式	跟踪预制棒数量	预制棒运输和对接预热累计炸裂次数	拉丝气线和气泡累计数量
				1050℃恒温退火20h	30	15	>100
本发明升降温退火20h	30	0	0

由表1可以看出，通过采用本发明的升降温处理的预制棒应力较小，在运输和对接尾管工序均未出现因应力较大产生预制棒炸裂的现象，在拉丝的过程中均未检测到气泡和气线的出现，可以有效的说明采用本发明退火工艺的预制棒残余应力较小，预制棒内部的小气泡逸出的比较干净彻底。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种改善预制棒应力的退火装置，其特征在于，包括塔架（1）、退火炉（14）和夹具平台（7），所述塔架（1）上安装有退火炉（14）和夹具平台（7），夹具平台（7）设置在退火炉（14）上方，所述夹具平台（7）可相对于塔架（1）沿竖直方向上下滑动；所述退火炉（14）包括外罩（21）、保温层（17）、炉芯管、加热装置（6）、盖板和底板，所述炉芯管分为上下两部分组装的第一炉芯管（18）和第二炉芯管（20），所述保温层（17）和外罩（21）均由上下竖直分布的四部分组成，每部分之间留有间隙以便于热量的扩散；预制棒（19）烧结结束后，转移至夹具平台（7）处并与之固定连接，通过夹具平台（7）相对于塔架（1）向下滑动，进入退火炉（14）内进行退火操作。

2.根据权利要求1所述的改善预制棒应力的退火装置，其特征在于，所述塔架（1）上设置有固定轴承座（2）、支撑轴承座（9）和丝杆（8），所述固定轴承座（2）设置在塔架（1）下部，支撑轴承座（9）设置在塔架（1）上部，丝杆（8）设置在固定轴承座（2）与支撑轴承座（9）之间，并与固定轴承座（2）和支撑轴承座（9）转动连接，丝杆（8）与水平面垂直，夹具平台（7）与丝杠螺母固定连接，所述夹具平台（7）可随着丝杆（8）的转动进行上下滑动；所述塔架（1）上还设置有两根导轨（10），相应的，夹具平台（7）两侧设置有与两根导轨（10）相适配的导轨滑块，夹具平台（7）可沿着导轨（10）上下滑动，起到稳定装置的作用。

3.根据权利要求2所述的改善预制棒应力的退火装置，其特征在于，所述导轨滑块包括滑块（11）、若干个调节螺钉（12）和若干个固定螺钉（13），所述调节螺钉（12）水平固定在夹具平台（7）上，滑块（11）穿过调节螺钉（12）并可在调节螺钉（12）上滑动，当滑到所要求位置时，通过所述固定螺钉（13）将滑块（11）与调节螺钉（12）固定，实现了夹具平台（7）可在一定范围内水平移动，便于调节预制棒（19）与退火炉（14）同心度一致；所述丝杆（8）为滚珠丝杆，并设置有自动注油润滑装置（4），可减小丝杆（8）上下运动的负载。

4.根据权利要求2所述的改善预制棒应力的退火装置，其特征在于，所述塔架（1）为铝型材，铝型材之间通过螺栓连接固定；所述导轨（10）为铝合金材质；所述炉芯管材质为GE214高纯石英；

根据权利要求1所述的改善预制棒应力的退火装置，其特征在于，所述加热装置（6）为金属电阻丝，位于炉心管和保温层（17）之间，由上下四部分组成。

5.根据权利要求1所述的改善预制棒应力的退火装置，其特征在于，所述外罩（21）的四个部分之间由连接栓（23）和六角螺丝固定连接；所述底板通过底板固定螺丝（22）固定连接在退火炉（14）上。

6.根据权利要求1所述的改善预制棒应力的退火装置，其特征在于，所述退火炉（14）内设置有温度传感器（24），便于温度的实时反馈，保证预制棒（19）按照设定的升温速度进行升温；所述塔架（1）上还设置有限位传感器（3）。

7.一种根据权利要求1~7 任意一项所述的改善预制棒应力的退火装置的退火方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、预制棒（19）烧结结束后，由操作员使用运输预制棒的小车将预制棒（19）转移至夹具平台（7）下方，并通过转接头（16）与挂棒夹具（5）固定连接；

步骤二、打开退火炉（14）盖板，控制丝杆（8）转动，夹具平台（7）沿着导轨（10）向下滑动，进而带动预制棒（19）缓慢下滑直至进棒到退火炉（14）内，盖上盖板；

步骤三、预制棒（19）进入退火炉（14）后，先在650℃保温20分钟，以保证预制棒（19）的内部和表面温度达到一致；保温结束后，加热装置（6）开始持续加热，直到炉内温度达到1050℃，在1050℃温度下保温退火处理15h，随后降温至650℃保温20分钟；保温结束后，预制棒（19）退火结束；

步骤四、退火结束后，打开退火炉（14）盖板，控制丝杆（8）转动，夹具平台（7）向上滑动，进而带动预制棒（19）向上运动，直至将预制棒（19）从退火炉（14）内提出，随后将预制棒（19）在室温环境下进行冷却。

8.根据权利要求8所述的改善预制棒应力的退火方法，其特征在于，步骤三中，所述加热装置（6）加热使退火炉（14）内以3℃/min的速度升温，当温度传感器（24）检测温度达到1050℃后，加热装置（6）停止加热，当温度传感器（24）反馈温度低于1050℃时，加热装置（6）恢复加热，以保证预制棒（19）在1050℃下进行保温退火处理；所述降温过程使退火炉（14）内以2℃/min的速度降温，当温度传感器（24）反馈温度达到650℃时，预制棒（19）在650℃温度下保温20分钟。

9.根据权利要求8所述的改善预制棒应力的退火方法，其特征在于，步骤二中，夹具平台（7）在丝杆（8）的带动下沿着导轨（10）向下滑动，直至限位传感器（3）处后开始缓慢减速，待预制棒（19）完全进入退火炉（14）内后自动停止进棒。

Images