CN112279504B - 一种光纤预制棒的制备装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤预制棒的制备装置，包括料斗、脱水炉、玻璃化炉和石英外管；料斗内储存有二氧化硅微粉，料斗的出料口与脱水炉连接；脱水炉的出口与石英外管相接；石英外管内固定有实心芯棒；玻璃化炉设置于一升降装置上；石英外管和实心芯棒穿设于玻璃化炉中，升降装置能够带动玻璃化炉沿石英外管上下移动；脱水炉具有脱水加热件；玻璃化炉具有玻璃化加热件；落入石英外管中的二氧化硅微粉加热熔融后包裹于实心芯棒上；升降装置上还安装有一冷却喷头，该冷却喷头与冷却水供应装置连接。该装置和方法通过使用SiO2微粉经过高温熔融后直接包裹在实心芯棒外表面得到光纤预制棒；该方法工艺流程简单，生产效率较高，适用于工业生产。

Description

一种光纤预制棒的制备装置及制备方法
技术领域
本发明涉及光纤生产技术领域，特别涉及一种光纤预制棒的制备装置及制备方法。
背景技术
光纤预制棒是制造石英系列光纤的核心原材料。目前，光纤预制棒的主流制备方式有石英套管法与合成法。套管法是将制备好的芯棒以及石英套管通过高温熔合，制造形成光纤预制棒；套管法工艺流程简单，易于制造，但是成本高昂，在制备时套管材料的利用率低。合成法需通过气相沉积法将SiCl4或者有机硅等原料高温水解生成SiO2，在芯棒表面沉积先形成粉尘预制体，然后将该粉尘预制体转移至烧结炉中经过烧结制造成光纤预制棒；该合成法工艺流程复杂，制造难度大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种光纤预制棒的制备装置及制备方法；该装置和方法通过使用SiO2微粉经过高温熔融后直接包裹在实心芯棒外表面得到光纤预制棒；该方法工艺流程简单，生产效率较高，适用于工业生产。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种光纤预制棒的制备装置，包括料斗、脱水炉、玻璃化炉和石英外管；所述料斗内储存有二氧化硅微粉，该料斗的出料口与所述脱水炉连接，所述脱水炉固定不动；所述脱水炉的出口与所述石英外管相接；脱水炉具有脱水气体进口，以用于通入脱水气体；该石英外管为上端开口下端封闭的结构，且该石英外管内固定有一竖直放置的实心芯棒；石英外管和实心芯棒之间形成内腔；所述玻璃化炉设置于一升降装置上；所述石英外管和实心芯棒穿设于玻璃化炉中，所述升降装置能够带动玻璃化炉沿石英外管上下移动；所述脱水炉具有用于对进入脱水炉内的二氧化硅微粉进行加热的脱水加热件；所述玻璃化炉具有用于对进入石英外管和实心芯棒之间的内腔中的二氧化硅微粉进行加热的玻璃化加热件；二氧化硅微粉加热熔融后包裹于实心芯棒的外表面上；所述升降装置上还通过一连接件安装有一冷却喷头，该冷却喷头与冷却水供应装置连接，且该冷却喷头位于玻璃化炉下方。
作为本发明制备装置的进一步改进，所述料斗的出口通过一进料阀与所述脱水炉的进口连接。
作为本发明制备装置的进一步改进，所述料斗和脱水炉均通过管道与一真空泵连接。
作为本发明制备装置的进一步改进，所述脱水炉上设有压力传感器。
更进一步的，所述实心芯棒固定于石英外管的中心位置处。
本发明还提供了一种利用上述制备装置制备光纤预制棒的方法，包括如下步骤：料斗内的二氧化硅微粉落入脱水炉中，向脱水炉中通入脱水气体，二氧化硅微粉经过脱水和脱羟基处理；由脱水炉的出口输出的二氧化硅微粉进入石英外管和实心芯棒之间的内腔中，玻璃化炉对石英外管加热并缓慢上升，使持续进入石英外管中的二氧化硅微粉在高温作用下熔融，并包裹于石英外管中的芯棒上，且在玻璃化炉对石英外管持续移动加热的过程中，冷却喷头喷出的冷却水对形成的熔融包裹结构进行冷却；加热以及冷却完成后，得到半成品结构，再将石英外管磨掉，得到具有外包层和芯棒的光纤预制棒。
进一步的，在二氧化硅微粉进料前，预先对料斗和脱水炉进行抽真空处理，要求压力不超过10pa，压力达到设定值后继续抽真空1～2h。
进一步的，二氧化硅微粉的进料通过设置于料斗和脱水炉之间的进料阀控制，且二氧化硅微粉的总进料量通过得到的光纤预制棒的外包层的直径确定。
进一步的，所述脱水炉的温度为1130℃～1250℃，脱水气体包括氦气和氯气，氦气的流量为5～10slpm，氯气的流量为0.5～1slpm；脱水气体的通入流量根据脱水炉上安装的压力传感器进行调整；所述玻璃化炉的加热温度为1420℃～1550℃，玻璃化炉的上升速率为5mm/min。
本发明的有益效果：
本发明的装置采用了实心芯棒和石英外管组合结构，将该组合结构直接设置于玻璃化炉中，并利用料斗、脱水炉和石英外管从上至下依次对接的结构，使得料斗中的二氧化硅微粉可以经过脱水炉后持续落入石英外管中；在二氧化硅微粉的持续落下的过程中，可移动的玻璃化炉上升，对下落的二氧化硅微粉进行加热熔融，从而使熔融的二氧化硅微粉可以直接包裹于实心芯棒；利用本发明的装置可以直接通过二氧化硅微粉得到光纤预制棒，这种方法相较于传统的套管法和合成法，大大简化了生产光纤预制棒的工艺，提高了生产效率，适用于工业生产。
本发明的装置中还设置了可移动的冷却喷头，可以在玻璃化炉进行加热熔融之后，及时对已经形成的熔融包裹结构进行冷却，从而合理利用玻璃化炉的加热时间，无需在整个加热过程结束后将整个半成品结构取下再进行冷却操作，从而极大的提高了生产效率。
本发明采用二氧化硅微粉作为原料，原料来源广泛，可以由溶胶凝胶法、氢氧水解法制得；本发明的制备方法对二氧化硅微粉的利用率较高，可达到100％，且无其他固体有害物质产生，也降低了粉尘处理所需的成本。
本发明可用于制备大尺寸光纤预制棒，且制备的光纤预制棒的外径较均匀，产品品质较高。
附图说明
图1为本发明的光纤预制棒的制备装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
如图1所示的一种光纤预制棒的制备装置的较佳实施例，该制备装置包括料斗1、脱水炉2、玻璃化炉5和石英外管4；所述料斗1内储存有二氧化硅微粉，该料斗1的出料口与所述脱水炉2连接，所述脱水炉2固定不动；所述脱水炉2的出口与所述石英外管4相接；脱水炉2具有脱水气体进口22，以用于通入脱水气体；该石英外管4为上端开口下端封闭的结构，其具体包括圆柱管和设置于圆柱管的底端的石英封板；且该石英外管4的中心位置处焊接固定有一竖直放置的实心芯棒3；石英外管4和实心芯棒3之间形成内腔；所述玻璃化炉5设置于一升降装置7上，该升降装置为电动或液压升降机；所述石英外管4和实心芯棒3穿设于玻璃化炉5中，所述升降装置7能够带动玻璃化炉5沿石英外管4的轴向上下移动；所述脱水炉2具有用于对进入脱水炉内的二氧化硅微粉进行加热的脱水加热件21；所述玻璃化炉5具有用于对进入石英外管和实心芯棒之间的内腔中的二氧化硅微粉进行加热的玻璃化加热件；二氧化硅微粉加热熔融后包裹于实心芯棒3的外表面上；所述升降装置7上还通过一连接件8安装有一冷却喷头6，该冷却喷头6与外部的冷却水供应装置连接，且该冷却喷头6位于玻璃化炉5下方。在本实施例中，该冷却喷头6为环形结构，石英外管4穿过该环形的冷却喷头6，且冷却喷头6的内壁上设有喷嘴61，喷嘴61通过管路与冷却水供应装置连接。
其中，料斗1的出口通过一进料阀与所述脱水炉2的进口连接。
料斗1和脱水炉2均通过管道与一真空泵(图中未示出)连接；利用该真空泵可以对料斗和脱水炉进行抽真空。
再有，脱水炉2上还设有压力传感器23，以用于实时监测脱水炉内的气体压力，从而根据该气体压力调整脱水气体的通入量，保证二氧化硅粉料落下速度的稳定性。
利用上述制备装置制备光纤预制棒的方法，包括如下步骤：
预先在料斗1内放入一定质量的二氧化硅微粉，该质量根据制得的光纤预制棒的外包层外径计算得到；在落料之前，通过真空泵对料斗1和脱水炉2进行抽真空处理，要求压力不超过10Pa，压力达到设定值后继续抽真空1～2h；
打开进料阀，料斗1内的二氧化硅微粉落入脱水炉2中，经由脱水炉2的脱水气体进口22向脱水炉2中通入脱水气体(氦气和氯气)，二氧化硅微粉在脱水气体的作用和脱水炉2的脱水加热件21(石墨加热件)的加热作用下经过脱水和脱羟基处理；在该实施例中，脱水炉2的温度为1170℃；氦气的流量为5～10slpm，氯气的流量为0.5～1slpm；脱水气体的通入流量根据脱水炉上安装的压力传感器23进行调整；料斗1中的二氧化硅微粉的下落速度为340g/min；
由脱水炉2的出口输出的二氧化硅微粉进入石英外管4和实心芯棒3之间的内腔中，玻璃化炉5的玻璃化加热件(石墨加热件)对石英外管4加热并缓慢上升，加热温度为1490℃，使持续进入石英外管中的二氧化硅微粉在高温作用下熔融，并包裹于石英外管4中的实心芯棒3上，且在玻璃化炉5持续移动加热的过程中，冷却喷头6喷出的冷却水对形成的熔融包裹结构进行冷却；随着二氧化硅微粉的不断增加，以及玻璃化炉的上升加热和冷却喷头的冷却，熔融的二氧化硅微粉沿实心芯棒持续包裹，得到半成品结构，再将石英外管4磨掉，最终得到具有外包层和芯棒的光纤预制棒。
在该实施例中，实心芯棒的外径为62mm，长度为2200mm。石英外管的内径为202mm，壁厚为3mm。将半成品结构的石英外管磨掉后，得到的光纤预制棒的有效长度为2200mm，直径为201mm。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种光纤预制棒的制备装置，其特征在于：包括料斗、脱水炉、玻璃化炉和石英外管；所述料斗内储存有二氧化硅微粉，该料斗的出料口与所述脱水炉连接，所述脱水炉固定不动；所述脱水炉的出口与所述石英外管相接；脱水炉具有脱水气体进口，以用于通入脱水气体；该石英外管为上端开口下端封闭的结构，且该石英外管内固定有一竖直放置的实心芯棒；石英外管和实心芯棒之间形成内腔；所述玻璃化炉设置于一升降装置上；所述石英外管和实心芯棒穿设于玻璃化炉中，所述升降装置能够带动玻璃化炉沿石英外管上下移动；所述脱水炉具有用于对进入脱水炉内的二氧化硅微粉进行加热的脱水加热件；所述玻璃化炉具有用于对进入石英外管和实心芯棒之间的内腔中的二氧化硅微粉进行加热的玻璃化加热件；二氧化硅微粉加热熔融后包裹于实心芯棒的外表面上；所述升降装置上还通过一连接件安装有一冷却喷头，该冷却喷头与冷却水供应装置连接，且该冷却喷头位于玻璃化炉下方；
在制备时，料斗内的二氧化硅微粉落入脱水炉中，向脱水炉中通入脱水气体，二氧化硅微粉经过脱水和脱羟基处理；由脱水炉的出口输出的二氧化硅微粉进入石英外管和实心芯棒之间的内腔中，玻璃化炉对石英外管加热并缓慢上升，使持续进入石英外管中的二氧化硅微粉在高温作用下熔融，并包裹于石英外管中的芯棒上，且在玻璃化炉对石英外管持续移动加热的过程中，冷却喷头喷出的冷却水对形成的熔融包裹结构进行冷却；加热以及冷却完成后，得到半成品结构，再将半成品结构的石英外管磨掉，得到具有外包层和芯棒的光纤预制棒。
2.根据权利要求1所述的一种光纤预制棒的制备装置，其特征在于：所述料斗的出口通过一进料阀与所述脱水炉的进口连接。
3.根据权利要求1所述的一种光纤预制棒的制备装置，其特征在于：所述料斗和脱水炉均通过管道与一真空泵连接。
4.根据权利要求1所述的一种光纤预制棒的制备装置，其特征在于：所述脱水炉上设有压力传感器。
5.根据权利要求1所述的一种光纤预制棒的制备装置，其特征在于：所述实心芯棒固定于石英外管的中心位置处。
6.一种利用权利要求1至5任一项所述的制备装置制备光纤预制棒的方法，其特征在于，包括如下步骤：料斗内的二氧化硅微粉落入脱水炉中，向脱水炉中通入脱水气体，二氧化硅微粉经过脱水和脱羟基处理；由脱水炉的出口输出的二氧化硅微粉进入石英外管和实心芯棒之间的内腔中，玻璃化炉对石英外管加热并缓慢上升，使持续进入石英外管中的二氧化硅微粉在高温作用下熔融，并包裹于石英外管中的芯棒上，且在玻璃化炉对石英外管持续移动加热的过程中，冷却喷头喷出的冷却水对形成的熔融包裹结构进行冷却；加热以及冷却完成后，得到半成品结构，再将半成品结构的石英外管磨掉，得到具有外包层和芯棒的光纤预制棒。
7.根据权利要求6所述的制备光纤预制棒的方法，其特征在于：在二氧化硅微粉进料前，预先对料斗和脱水炉进行抽真空处理，要求压力不超过10pa，压力达到设定值后继续抽真空1～2h。
8.根据权利要求6所述的制备光纤预制棒的方法，其特征在于：二氧化硅微粉的进料通过设置于料斗和脱水炉之间的进料阀控制，且二氧化硅微粉的总进料量通过得到的光纤预制棒的外包层的直径确定。
9.根据权利要求6所述的制备光纤预制棒的方法，其特征在于：所述脱水炉的温度为1130℃～1250℃，脱水气体包括氦气和氯气，氦气的流量为5～10slpm，氯气的流量为0.5～1slpm；脱水气体的通入流量根据脱水炉上安装的压力传感器进行调整；所述玻璃化炉的加热温度为1420℃～1550℃。
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