CN114436523B - 一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统，包括拉丝炉及拉丝炉进料端安装的水冷及进气控制装置；水冷及进气控制装置包括水冷座以及水冷座下端的进气分流导流结构；进气分流导流结构包括布置在水冷座下端的内导气筒和外导气筒，外导气筒套装在内导气筒外侧，且二者同轴布置，在内导气筒外壁与外导气筒内壁间形成导气通道。本发明创造提供的工艺气体进气控制系统，可随拉丝速度变化，通过气体质量流量控制器改变氩气和氦气的进气速率，达到光纤包层直径波动较低的控制效果，改善了高速拉丝或低速拉丝时，拉丝炉内工艺气体流量不匹配导致的光纤包层直径波动较大现象，有效提高了光纤产品质量。

Description

一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统及应用

技术领域

本发明创造属于光纤生产技术领域，尤其是涉及一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统及应用。

背景技术

在拉丝过程中，由于光纤拉丝炉内的温度较高，因而为了保护光纤拉丝炉内的石墨发热体，需向炉内引入惰性气体，惰性气体如氩气或者氩气与氮气的混合气体，同时需要控制外界空气进入炉内。光纤包层直径的波动会引起光纤芯径和模场直径的波动，导致光纤散射损耗、熔接损耗大幅度增加，严重影响光纤信号传输质量，因此，光纤包层直径波动越小越好。在光纤生产过程中，拉丝炉内工艺气体(氩气和氦气)的流动分布与拉丝速度之间的匹配是否合理，是影响光纤直径波动的重要因素之一。如果拉丝炉内工艺气体随着拉丝速度的变化而打破层流分布，变得紊乱，则会破坏拉丝炉温场均匀分布，将加剧光纤包层直径的波动，此时必须调整拉丝炉内工艺气体供给量及配比，以达到控制光纤生产质量的目的，而现有技术中，工艺气体的供给量及配比的调节大多靠人工经验调整，调整操作耗时长，工人劳动量大，废品率高，因此需要对现有工艺气体控制调节方式进行改进。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统及应用，利用该系统能够实时根据当前的拉丝速度情况，做到精准的控制通入拉丝炉内的氩气和氦气流量，从而保证光纤包层直径处于最佳控制范围之内。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统，包括拉丝炉及拉丝炉进料端安装的水冷及进气控制装置；所述水冷及进气控制装置包括水冷座以及水冷座下端的进气分流导流结构；

所述进气分流导流结构包括布置在水冷座下端的内导气筒和外导气筒，外导气筒套装在内导气筒外侧，且二者同轴布置，在内导气筒外壁与外导气筒内壁间形成导气通道，所形成的导气通道各位置宽度是相同的；

所述内导气筒下缘高于外导气筒下缘，所述外导气筒内径小于等于拉丝炉进料端炉口内径，确保工艺气体进入炉口时，不会受到结构件的阻碍，平顺性好，稳定性有保障，保证拉丝炉温场均匀分布；外导气筒上以外导气筒轴线为中心均布设有数个进气口，各进气口通过进气导管同时连接供气管路，供气管路上连接有进气控制单元；

所述进气控制单元包括分别与供气管路连通的第一进气管和第二进气管，第一进气管、第二进气管上均安装有气体质量流量控制器，且此两气体质量流量控制器同时连接主控制器，所述主控制器与拉丝塔主牵引连接，同步获取拉丝速度及进气流量数据。

进一步，所述水冷座设有中空的循环水腔，并在水冷座上设有进水口和出水口，进水口和出水口均与循环水腔连通。

进一步，所述进水口和出水口对称布置在水冷座两侧。

进一步，所述进气口以外导气筒轴线为中心均布设有4-12个。

进一步，所述主控制器包括可编程控制器PLC。

进一步，所述水冷座下端对应导气通道的部分为平面结构。

进一步，各所述进气口均布置在对应内导气筒中部以上位置，即，在内导气筒高度方向上，进气口距内导气筒顶端1/4-1/2位置。

一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制方法，包括如下步骤：

先给定一个拉丝速度，并给定一组初使工艺气体配方；

观察光纤包层直径数据曲线，并以此为依据调整工艺气体配方，使光纤包层直径波动达到最小范围时，测得进气控制系统内氦气含量占比，得到该拉丝速度所匹配的工艺气体配方；

提升拉丝速度，继续调整上述工艺气体配方，使氦气含量达到最佳占比，此时光纤包层直径波动再次达到最小范围，进而得到提升拉丝速度后，该拉丝速度所匹配的工艺气体配方；

以此类推，得出不同拉丝速度下，达到最佳氦气含量的工艺气体流量配方，并记录下各个配方数据；

根据上述得到的多组配方数据拟合一个拉丝速度与工艺气体流量配方的方程，编入主控制器，以应用于通用工况；或者，将各组配方数据分别编入主控制器，使得特定拉丝速度下，直接调用该拉丝速度时所匹配的工艺气体配方，以应用于常见的几种特定工况。

进一步，工艺气体配方包括氩气流量及氦气流量。

相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：

本发明创造提供的工艺气体进气控制系统，可随拉丝速度变化，通过气体质量流量控制器改变氩气和氦气的进气速率，达到光纤包层直径波动较低的控制效果，改善了高速拉丝或低速拉丝时，拉丝炉内工艺气体流量不匹配导致的光纤包层直径波动较大现象，实际生产时，本发明创造通过调整拉丝炉内工艺气体供给量，使得拉丝炉内工艺气体分布呈现典型的层流分布形态，可严格控制光纤包层直径的波动幅度，最终达到可以控制光纤包层直径在125±0.5μm之内的目的，有效提高了光纤产品质量。

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为本发明创造的工艺气体进气控制系统示意图；

图2为本发明创造中水冷及进气控制装置的示意图；

图3为本发明创造中水冷及进气控制装置的立体结构示意图；

图4为本发明创造实施例中水冷及进气控制装置设有导流罩时的示意图；

图5为图4中A处结构的放大图。

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。

一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统，如图1至3所示，包括拉丝炉1及拉丝炉进料端安装的水冷及进气控制装置2；所述水冷及进气控制装置包括水冷座3以及水冷座下端的进气分流导流结构4；

所述进气分流导流结构包括布置在水冷座下端的内导气筒5和外导气筒6，外导气筒套装在内导气筒外侧，且二者同轴布置，在内导气筒外壁与外导气筒内壁间形成导气通道7，所形成的导气通道各位置宽度是相同的；

所述内导气筒下缘8高于外导气筒下缘9，更利于工艺气体向炉口中心聚拢,保证全截面范围均充有工艺气体。优选的，所述外导气筒内径小于等于拉丝炉进料端炉口内径，确保工艺气体进入炉口时，不会受到结构件的阻碍，平顺性好，稳定性有保障，保证拉丝炉温场均匀分布。通常，外导气筒下缘与拉丝炉进料端顶部固定，以保证水冷及进气控制装置结构稳定，在使用过程中牢固可靠。

当然，也可以是将水冷座固定在外部的基础结构上，以保持水冷及进气控制装置结构稳定性，外导气筒下缘与拉丝炉进料端顶部尽量贴合，必要时进行密封处理；所述外导气筒上以外导气筒轴线为中心均布设有数个进气口10，各进气口通过进气导管11同时连接供气管路12，所述供气管路上连接有进气控制单元。作为举例，上述进气口以外导气筒轴线为中心均布设有4-12个。

所述进气控制单元包括分别与供气管路连通的第一进气管13和第二进气管14。第一进气管、第二进气管上均安装有气体质量流量控制器15，且此两气体质量流量控制器同时连接主控制器16，所述主控制器与拉丝塔主牵引连接，同步获取拉丝速度及进气流量数据。

作为举例，主控制器包括可编程控制器PLC。可编程逻辑控制器PLC,与拉丝塔主牵引系统相连接,可实时获取拉丝速度数据,并根据拉丝速度控制气体质量流量控制器MFC,精准输入气体流量。

上述水冷座设有中空的循环水腔，并在水冷座上设有进水口17和出水口18，进水口和出水口均与循环水腔连通。优选的，上述进水口和出水口对称布置在水冷座两侧。

上述水冷座下端对应导气通道的部分为平面结构。经进气口进入导气通道的工艺气体吹拂至水冷座下端面时平稳，无紊流。同时，将各进气口在高度方向上均布置在对应内导气筒中部以上位置，即，在内导气筒高度方向上，进气口距内导气筒顶端1/4-1/2位置，可以有效发挥导气通道的引流导流作用，得更为平稳的气流，进入拉丝炉。

下面提供一种应用上述控制系统的光纤拉丝炉工艺气体进气控制方法，包括如下步骤：

先给定一个拉丝速度(如1500m/min)，并给定一组初使工艺气体配方(如氩气流量:8L/min,氦气:4L/min)；

观察光纤包层直径数据曲线，并以此为依据调整工艺气体配方，使光纤包层直径波动达到最小范围时，用含氦量测试仪测得进气控制系统内氦气含量占比，得到该拉丝速度所匹配的工艺气体配方；该工艺气体配方包括氩气流量及氦气流量；

在进一步操作中，提升拉丝速度。由于拉丝速度的提升，光纤会带出拉丝炉系统的氦气致其含量降低，导致光纤包层直径波动变大，必须调整进入拉丝炉系统的氩气、氦气流量，使氦气含量回到最佳占比值a，从而完成光纤包层直径的质量管控。因此在提升拉丝速度后，在上述工艺气体配方的基础上继续调整上述工艺气体配方，使氦气含量达到最佳占比，此时光纤包层直径波动再次达到最小范围，进而得到提升拉丝速度后，该拉丝速度所匹配的工艺气体配方；

以此类推，得出不同拉丝速度下，达到最佳氦气含量的工艺气体流量配方，并记录下各个配方数据；

根据上述得到的多组配方数据拟合一个拉丝速度与工艺气体流量配方的方程，编入主控制器，以应用于通用工况；或者，将各组配方数据分别编入主控制器，使得特定拉丝速度下，直接调用该拉丝速度时所匹配的工艺气体配方，以应用于常见的几种特定工况。通过气体质量流量控制器MFC给出最佳的气体流量配方，进而极大的提高了光纤包层直径参数控制水平。

上述工艺气体进气控制方法，通过一次性试验，得到最佳氦含量值及其在不同拉丝速度的情况下最佳的工艺气体配方，并把拟合方程编入可编程控制器PLC，从而控制MFC实时根据拉丝速度给定最佳的气体配方，使光纤包层直径波动一直处于较低范围，提升了光纤质量，且方便简单，不需要一直根据拉丝速度去手动调整气体配方。

在一个可选的实施例中，如图4和图5所示，在外导流筒内壁对应进气口位置设有导流罩19。导流罩横截面呈L型，包括封板20，该封板外缘固定于外导流筒内壁，内缘处具有向水冷座方向延伸的导流套21，进而使得导流罩在封板朝向水冷座一侧形成集气腔22，导流套异于封板的一端与水冷座下端面间留有过气间隙23，且过气间隙的横截面积为所述导气通道横截面积相同、或稍大于导气通道横截面积。在进一步改进的方案中，集气腔体积小于导气通道总体积的1/4，保证集气腔具有良好的集气效果，工艺气体进入进气分流导流结构瞬间，会在集气腔暂存并在集气腔进行混合，获得成分更均匀的工艺气体的同时，气压接近平衡，工艺气体更为稳定。

经第一进气管、第二进气管分别供给的氩气、氦气在供气管路初步混合，混合气体经供气管路进入导气通道后，由于导流罩所在位置的导气通道收窄，从各进气口进入集气腔的工艺气体会在集气腔内暂存，在工艺气体暂存瞬间会提高氦气、氩气混合均匀性，并接近气压平衡，才从过气间隙向导气通道排出。加之导流罩对工艺气体进行了导流，引导工艺气体先向水冷座一侧后再向导气通道开口端流动，延长了工艺气体在导气通道内整流路径的长度，进入拉丝炉内的工艺气体更稳定，波动更小，可保证向拉丝炉吹扫的工艺气体稳定性极高，拉丝炉温场均匀稳定。

水冷座上的进水口通入冷却水水、出水口排出冷却水，在水冷座的循环水腔内循环供给冷却水，达到循环冷却状态。需要指出的是，所设置的导流罩，不仅能够使工艺气体在集聚的过程中进一步混合均匀，并减少紊流，同时还能对水冷座与内、外导气筒间的密封件产生气封效果，减少水冷座密封结构的工作负担，还利于密封处散热降温，提高密封件使用寿命。

本发明创造提供的工艺气体进气控制系统，可通过各进气管上分别设置的气体质量流量控制器来控制进气速率，随拉丝速度变化，改变氩气和氦气的进气速率，达到光纤包层直径波动较低的控制效果，改善了高速拉丝或低速拉丝时，拉丝炉内工艺气体流量不匹配导致的光纤包层直径波动较大现象。

本发明创造通过调整拉丝炉内工艺气体供给量，使得拉丝炉内工艺气体分布呈现典型的层流分布形态，可严格控制光纤包层直径的波动幅度，最终达到可以控制光纤包层直径在125±0.5μm之内的目的，有效提高了光纤产品质量。

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)

1.一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统，其特征在于：

包括拉丝炉及拉丝炉进料端安装的水冷及进气控制装置；所述水冷及进气控制装置包括水冷座以及水冷座下端的进气分流导流结构；

所述进气分流导流结构包括布置在水冷座下端的内导气筒和外导气筒，外导气筒套装在内导气筒外侧，且二者同轴布置，在内导气筒外壁与外导气筒内壁间形成导气通道；

所述内导气筒下缘高于外导气筒下缘；所述外导气筒上以外导气筒轴线为中心均布设有数个进气口，各进气口通过进气导管同时连接供气管路，所述供气管路上连接有进气控制单元；

所述进气控制单元包括分别与供气管路连通的第一进气管和第二进气管，第一进气管、第二进气管上均安装有气体质量流量控制器，且此两气体质量流量控制器同时连接主控制器，所述主控制器与拉丝塔主牵引连接，同步获取拉丝速度及进气流量数据；

所述水冷座下端对应导气通道的部分为平面结构；在外导流筒内壁对应进气口位置设有导流罩；导流罩横截面呈L型，包括封板，该封板外缘固定于外导流筒内壁，内缘处具有向水冷座方向延伸的导流套，进而使得导流罩在封板朝向水冷座一侧形成集气腔，导流套异于封板的一端与水冷座下端面间留有过气间隙，且过气间隙的横截面积大于等于所述导气通道横截面积。

2.根据权利要求1所述的一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统，其特征在于：所述水冷座设有中空的循环水腔，并在水冷座上设有进水口和出水口，进水口和出水口均与循环水腔连通。

3.根据权利要求2所述的一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统，其特征在于：所述进水口和出水口对称布置在水冷座两侧。

4.根据权利要求1所述的一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统，其特征在于：所述进气口以所述外导气筒的轴线为中心均布设有4-12个。

5.根据权利要求1所述的一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统，其特征在于：所述主控制器包括可编程控制器PLC。

6.根据权利要求1所述的一种光纤拉丝炉工艺气体进气控制系统，其特征在于：各所述进气口均布置在对应内导气筒中部以上位置。

7.一种应用权利要求1所述控制系统的光纤拉丝炉工艺气体进气控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

先给定一个拉丝速度，并给定一组初始工艺气体配方；

观察光纤包层直径数据曲线，并以此为依据调整工艺气体配方，使光纤包层直径波动达到最小范围时，测得进气控制系统内氦气含量占比，得到该拉丝速度所匹配的工艺气体配方；

提升拉丝速度，继续调整上述工艺气体配方，使氦气含量达到最佳占比，此时光纤包层直径波动再次达到最小范围，进而得到提升拉丝速度后，该拉丝速度所匹配的工艺气体配方；

以此类推，得出不同拉丝速度下，达到最佳氦气含量的工艺气体流量配方，并记录下各个配方数据；

根据上述得到的多组配方数据拟合一个拉丝速度与工艺气体流量配方的方程，编入主控制器，以应用于通用工况；或者，将各组配方数据分别编入主控制器，使得特定拉丝速度下，直接调用该拉丝速度时所匹配的工艺气体配方，以应用于常见的几种特定工况。

8.根据权利要求7所述的工艺气体进气控制方法，其特征在于：工艺气体配方包括氩气流量及氦气流量。