CN114292020A - 石英管材加热装置和光纤预制棒制备系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石英管材加热装置和光纤预制棒制备系统,本石英管材加热装置包括炉体、感应线圈机构、石墨发热体以及石墨保温筒,其中,感应线圈机构、石墨保温筒和石墨发热体均位于炉体内部,感应线圈机构具有位于石墨发热体外部的感应线圈,通过感应线圈通电产生交变磁场使石墨发热体发热,石墨发热体内部设有中空通道以放置石英管材,石墨保温筒位于石墨发热体下方且内设中空通道以与石墨发热体的中空通道连通。本石英管材加热装置具有性能稳定可靠、结构简单以及容易实现的优点。

Description

石英管材加热装置和光纤预制棒制备系统
技术领域
本发明涉及光纤预制棒制造技术领域,尤其涉及一种石英管材加热装置和光纤预制棒制备系统。
背景技术
目前用于生产光纤预制棒的常用工艺路线主要有两种:一是由VAD(vapour axialdeposition,轴向气相沉积)技术制造母棒,经高温烧结、拉伸延长后得到芯棒,再利用OVD(outside vapour deposition,管外气相沉积)在芯棒外周沉积包层,经后续脱水烧结等工艺得到光纤预制棒;二是采用芯棒套管的方式直接获得光纤预制棒。为提高生产效率,一般先制备较大尺寸的母棒,然后通过加热熔融软化后等比拉伸延长得到目标尺寸芯棒或套管。本发明所描述的装置就是用于光纤预制棒芯棒或套管的制备。
在CN209778655U专利中,以等离子体为热源对预制棒进行加热使其软化,上下卡盘组件夹持预制棒尾棒并垂直移动进行延伸。该专利存在两处不足:一是等离子体热源位于开放式环境,对周围热辐射较大,热效率不高,且强烈的等离子体弧光对操作人员也不友好;二是尽管专利所述上下卡盘可同步旋转,但对单一等离子体热源而言,存在管材圆周受热不均的情况,导致拉伸延长的管材质量不达标。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种性能稳定可靠且高效节能的石英管材加热装置和光纤预制棒制备系统。
为实现上述目的,本发明提供一种石英管材加热装置,包括炉体、感应线圈机构、石墨发热体以及石墨保温筒,其中,
所述感应线圈机构、石墨保温筒和石墨发热体均位于炉体内部,感应线圈机构具有位于石墨发热体外部的感应线圈,通过感应线圈通电产生交变磁场使石墨发热体发热,石墨发热体内部设有中空通道以放置石英管材,石墨保温筒位于石墨发热体下方且内设中空通道以与石墨发热体的中空通道连通。
优选地,所述石英管材加热装置还包括位于炉体入口侧的水气环组件,水气环组件和炉体密封连接,水气环组件内设中空通道以放置石英管材,水气环组件上开设有第一保护气体入口和第二保护气体入口,第一路保护气体经第一保护气体入口进入炉体内,形成气封以阻止外部空气窜入炉内,第二路保护气体经第二保护气体入口进入炉体内,维持炉内正压形成惰性气氛并通过对流传热,水气环组件的入口处支承有石英环。
优选地,所述炉体包括外炉壳、内炉壳、以及安装于外炉壳和内炉壳上下两端的炉体上法兰和炉体下法兰,外炉壳和内炉壳之间安装有用于供冷却水流入的导流片,导流片在外炉壳和内炉壳之间形成螺旋形结构,炉体上安装有用于在线监测炉内温度的测温装置,炉体上法兰上安装有炉盖板,水气环组件支承于炉盖板的入口处且与其密封连接。
优选地,所述感应线圈机构还包括位于感应线圈外侧以将感应线圈固定的多根陶瓷杆、以及连接陶瓷杆和炉体下法兰的支撑脚,感应线圈平绕成型。
优选地,所述石英管材加热装置还包括安装平台,炉体下法兰通过紧固件安装于安装平台上,石墨保温筒支承于安装平台的内部通孔中,安装平台侧面设置有测径仪,安装平台内部设有冷却水通道。
优选地,所述石英管材加热装置还包括位于感应线圈和石墨发热体之间的石墨保温毡,石墨保温毡竖向上设置有多道切缝,石墨保温毡的厚度为50-60mm,切缝宽度为0.5-1mm。
优选地,所述石墨保温筒的下方设置有可横向移动开合的石墨封板。
优选地,所述感应线圈采用中空线圈,线圈截面为矩形,中空线圈内部通有冷却水,感应线圈外表面涂覆有有机硅绝缘涂层。
优选地,所述石墨发热体通过止口定位安装于石墨保温筒上方,石墨发热体上部套装有石墨导向环。
本发明进一步提出一种光纤预制棒制备系统,包括上述的石英管材加热装置,还包括位于石英管材加热装置入口侧的送料进给机构以及位于石英管材加热装置出口侧的导向轮和牵引轮,送料进给机构固定于塔架,送料进给机构相对于石英管材加热装置可上下移动。
本发明提出的石英管材加热装置,具有以下有益效果:
1、采用线圈感应加热方式,具有加热均匀、温升速度快以及能量转换效率高的优点;
2、采用切缝的石墨保温硬毡,切缝可阻隔涡流效应,减少功率损失;
3、电感线圈平绕成型设计,可以提供均匀温场;
4、炉体的冷却水通道采用螺旋结构的导流片来强制对流,从而大大增强炉体的冷却效果;
5、本石英管材加热装置具有性能稳定可靠、结构简单以及容易实现的优点。
附图说明
图1为本发明光纤预制棒制备系统的结构示意图;
图2a为本发明光纤预制棒制备系统中石墨保温硬毡的主视结构示意图;
图2b为本发明光纤预制棒制备系统中石墨保温硬毡的立体结构示意图;
图3为本发明光纤预制棒制备系统中感应线圈机构的结构示意图;
图4为本发明光纤预制棒制备系统中炉体的结构示意图。
图中,1-送料进给机构,2-石英管材(也可以是实心棒),3-石英环,4-水气环组件,5-石墨导向环,6-炉盖板,7-炉体,8-感应线圈,9-红外测温仪,10-炉体下法兰,11-石墨保温毡,12-石墨发热体,13-石墨保温筒,14-安装平台,15-测径仪,16-石墨封板,17-导向轮,18-牵引轮,19-橡胶O型圈,20-陶瓷杆,21-支撑脚,22-炉体上法兰,23-外炉壳,24-内炉壳,25-导流片。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“横向”、“纵向”、“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,并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。
本发明提出一种石英管材加热装置。
参照图1至图4,本优选实施例中,一种石英管材加热装置,包括炉体7、感应线圈机构(感应线圈机构与中频电源电连接)、石墨发热体12以及石墨保温筒13,其中,
感应线圈机构、石墨保温筒13和石墨发热体12均位于炉体7内部,感应线圈机构具有位于石墨发热体12外部的感应线圈8,通过感应线圈8通电产生交变磁场使石墨发热体12发热,石墨发热体12内部设有中空通道以放置石英管材2,石墨保温筒13位于石墨发热体12下方且内设中空通道以与石墨发热体12的中空通道连通。石墨保温筒13的中空通道上部为上宽下窄的锥形结构,下部为圆柱体结构。
进一步地,参照图1,本石英管材加热装置还包括位于炉体7入口侧的水气环组件4,水气环组件4和炉体7密封连接,水气环组件4内设中空通道以放置石英管材2(水气环组件4的中空通道与炉体7的中空通道连通),水气环组件4上开设有第一保护气体入口(为平面窄隙,平面窄隙指的是进气缝隙为水平状)和第二保护气体入口(为锥面窄隙,锥面窄隙指的是进气缝倾斜设置),第一路保护气体(如氩气、氮气)经第一保护气体入口进入炉体7内,形成气封以阻止外部空气窜入炉内,第二路保护气体经第二保护气体入口进入炉体7内,维持炉内正压形成惰性气氛并通过对流传热。
水气环组件4中空通道的入口处支承有石英环3。石英环3用于石英管材2(也可以是实心玻璃棒)的定心对正。
进一步地,水气环组件4和炉体7的密封面之间安装有橡胶O型圈19,以实现密封,防止空气进入炉内氧化石墨件。水气环组件4、炉盖板6通过螺栓连接相互紧固于炉体7上。
具体地,参照图4,本实施例在此提出一炉体7的具体结构:炉体7包括外炉壳23、内炉壳24、以及安装于外炉壳23和内炉壳24上下两端的炉体上法兰22和炉体下法兰10(炉体上法兰22和炉体下法兰10与外炉壳23、内炉壳24密封连接),外炉壳23和内炉壳24之间安装有用于供冷却水流入的导流片25,导流片25在外炉壳23和内炉壳24之间形成螺旋形结构,炉体7上安装有用于在线监测炉内温度的测温装置(可采用红外测温仪9),炉体上法兰22上安装有炉盖板6,水气环组件4支承于炉盖板6的入口处且与其密封连接。
本实施例中。通过设置导流片25,向导流片25中通入冷却水,通过强制对流来增强冷却效果。
进一步地,参照图3,感应线圈机构还包括位于感应线圈8外侧以将感应线圈8固定的多根陶瓷杆20、以及连接陶瓷杆20和炉体下法兰10的支撑脚21,感应线圈8平绕成型。线圈沿圆周方向上焊接有螺杆,陶瓷杆20通过螺母与线圈上的螺杆紧固连接。支撑脚21为L形结构,一端与陶瓷杆20固定连接,一端通过螺栓紧固于炉体下法兰10上,保证线圈的轴线与炉体7中心线同轴设置。
一般的线圈多采用螺旋上升的方式进行盘绕成型,沿轴线方向有螺旋升角。平绕成型的线圈,沿轴线方向无螺旋升角。
通过测径仪15在线实时监测目标管材外径,并反馈调节牵引速度及中频电源输出功率(实现发热体温度调节)。
进一步地,感应线圈8采用中空线圈,线圈截面为矩形,中空线圈内部通有冷却水,感应线圈8外表面涂覆有有机硅绝缘涂层,线圈宽度与匝间间距之比为0.8~1,从而防止炉内气体放电击穿。
进一步地,本石英管材加热装置还包括安装平台14,炉体下法兰10通过紧固件安装于安装平台14上,石墨保温筒13支承于安装平台14的内部通孔中,安装平台14侧面设置有测径仪15,安装平台14内部设有冷却水通道。石墨保温筒13头部伸入炉体内部与石墨发热体12的底部连接。
石墨保温筒13通过止口定位安装于安装平台14内部,从而为成型管材提供一段退火去应力温区。安装平台14和炉体下法兰10之间密封连接,二者的密封面之间安装有橡胶O型圈19。
进一步地,参照图2a和图2b,本石英管材加热装置还包括位于感应线圈8和石墨发热体12之间的石墨保温毡11,石墨保温毡11竖向上设置有多道切缝(图中以设置4道为例说明)。
本实施例中,通过设置石墨保温毡11,从而有效减少石墨发热体12升温后热量损失。石墨保温毡11的高度高于感应线圈缠绕的螺旋结构的高度。
为了减少石墨发热体12升温后热量损失,本实施例中,优选石墨保温毡11的厚度为50-60mm,考虑加工的便捷及保温效果,切缝宽度为0.5-1mm。切缝未贯穿石墨保温毡11的高度方向。切缝可阻隔涡流效应,减少功率损失。
进一步地,石墨保温筒13的下方设置有可横向移动开合的石墨封板16,防止下炉口过大的间隙因烟囱效应导致空气窜入炉内,造成石墨件高温氧化。
进一步地,石墨发热体12通过止口定位安装于石墨保温筒13上方,石墨发热体12上部套装有石墨导向环5。通过设置石墨导向环5,实现石墨发热体12受热膨胀后,沿轴线伸长,而不偏离炉体7中心。
本石英管材加热装置其工作过程如下。将炉体7固定于塔架或安装平台14上,石英管材2固定于送料进给机构1上,由送料进给机构1送入炉体7内的加热区,送料进给机构1可沿塔身导轨上下移动,送料速度由母材直径、目标管材直径、牵引速度确定。炉内通入保护气体,防止石墨件氧化。通过中频电源输出加热功率,感应线圈8加载交变电流后,产生交变磁场,石墨发热体12因电磁感应在其表面产生感应电流(涡流)继而产生焦耳热,通过热辐射及保护气对流传热将其中空通道中的石英管材2加热熔融软化。当炉内温度达到设定目标温度(1800-2200℃)后,石英管材2在高温区软化成锥,锥头熔断掉落后,下炉口炉门封闭,由牵引轮18夹持拉细的石英管开始拉伸延长过程。拉伸过程中测径仪15在线实时监测目标管材外径,并反馈调节牵引速度及中频电源输出功率(实现发热体温度调节)。拉伸延长至所需长度后,切断得到目标管棒。
本实施例提出的石英管材加热装置,具有以下有益效果:
1、采用线圈感应加热方式,具有加热均匀、温升速度快以及能量转换效率高的优点;
2、采用切缝的石墨保温硬毡,切缝可阻隔涡流效应,减少功率损失;
3、电感线圈平绕成型设计,可以提供均匀温场;
4、炉体7的冷却水通道采用螺旋结构的导流片25来强制对流,从而大大增强炉体7的冷却效果;
5、本石英管材加热装置具有性能稳定可靠、结构简单以及容易实现的优点。
本发明进一步提出一种光纤预制棒制备系统。
参照图1至图4,本优选实施例中,一种光纤预制棒制备系统,包括石英管材加热装置,还包括位于石英管材加热装置入口侧的送料进给机构1以及位于石英管材加热装置出口侧的导向轮17和牵引轮18,送料进给机构1固定于塔架,送料进给机构1相对于石英管材加热装置可上下移动。石英管材加热装置的具体结构以及有益效果参照上述实施例,在此不再赘述。送料进给机构1、炉体7及安装平台14三者轴线同心设置。石英管材(也可以是实心玻璃棒)固定于送料进给机构1,送料进给机构1可上下移动,石英管材由送料进给机构1送入炉体7中间位置。
导向轮17和牵引轮18均布置于炉口正下方,二者中心截面与炉体7的中心共面,牵引轮18由电机驱动旋转。石英管材在高温区软化成锥形,锥头熔断掉落后,下炉口炉门封闭,由牵引轮18夹持拉细的石英管开始拉伸延长过程。
以上仅为本发明的优选实施例,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 (10)

1.一种石英管材加热装置,其特征在于,包括炉体、感应线圈机构、石墨发热体以及石墨保温筒,其中,
所述感应线圈机构、石墨保温筒和石墨发热体均位于炉体内部,感应线圈机构具有位于石墨发热体外部的感应线圈,通过感应线圈通电产生交变磁场使石墨发热体发热,石墨发热体内部设有中空通道以放置石英管材,石墨保温筒位于石墨发热体下方且内设中空通道以与石墨发热体的中空通道连通。
2.如权利要求1所述的石英管材加热装置,其特征在于,还包括位于炉体入口侧的水气环组件,水气环组件和炉体密封连接,水气环组件内设中空通道以放置石英管材,水气环组件上开设有第一保护气体入口和第二保护气体入口,第一路保护气体经第一保护气体入口进入炉体内,形成气封以阻止外部空气窜入炉内,第二路保护气体经第二保护气体入口进入炉体内,维持炉内正压形成惰性气氛并通过对流传热,水气环组件的入口处支承有石英环。
3.如权利要求2所述的石英管材加热装置,其特征在于,所述炉体包括外炉壳、内炉壳、以及安装于外炉壳和内炉壳上下两端的炉体上法兰和炉体下法兰,外炉壳和内炉壳之间安装有用于供冷却水流入的导流片,导流片在外炉壳和内炉壳之间形成螺旋形结构,炉体上安装有用于在线监测炉内温度的测温装置,炉体上法兰上安装有炉盖板,水气环组件支承于炉盖板的入口处且与其密封连接。
4.如权利要求3所述的石英管材加热装置,其特征在于,所述感应线圈机构还包括位于感应线圈外侧以将感应线圈固定的多根陶瓷杆、以及连接陶瓷杆和炉体下法兰的支撑脚,感应线圈平绕成型。
5.如权利要求3所述的石英管材加热装置,其特征在于,还包括安装平台,炉体下法兰通过紧固件安装于安装平台上,石墨保温筒支承于安装平台的内部通孔中,安装平台侧面设置有测径仪,安装平台内部设有冷却水通道。
6.如权利要求1所述的石英管材加热装置,其特征在于,还包括位于感应线圈和石墨发热体之间的石墨保温毡,石墨保温毡竖向上设置有多道切缝,石墨保温毡的厚度为50-60mm,切缝宽度为0.5-1mm。
7.如权利要求1所述的石英管材加热装置,其特征在于,所述石墨保温筒的下方设置有可横向移动开合的石墨封板。
8.如权利要求1所述的石英管材加热装置,其特征在于,所述感应线圈采用中空线圈,线圈截面为矩形,中空线圈内部通有冷却水,感应线圈外表面涂覆有有机硅绝缘涂层。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的石英管材加热装置,其特征在于,所述石墨发热体通过止口定位安装于石墨保温筒上方,石墨发热体上部套装有石墨导向环。
10.一种光纤预制棒制备系统,其特征在于,包括如权利要求1至9中任意一项所述的石英管材加热装置,还包括位于石英管材加热装置入口侧的送料进给机构以及位于石英管材加热装置出口侧的导向轮和牵引轮,送料进给机构固定于塔架,送料进给机构相对于石英管材加热装置可上下移动。
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