CN1354731A - 将大直径预型件拉成光纤的方法和感应炉 - Google Patents

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Abstract

提出一种可拉伸直径高达130mm大直径预型件的感应炉,该炉包括在炉子操作期间由惰性调节气体包围整个预型件的上部和下部气道;该调节气体进入上部气道,向下流过炉子主体和下部气道而不产生显著紊流。在上部气道内的分配环可将气流方向从周边方向变成向下方向。上部气道还包括可松开地固定预型件顶部的弹性密封件。下部气道具有均匀减小的可防止在炉子出口形成紊流的横截面积。炉子绝热件最好是硬的自持石墨圆筒。还申请和公开一种用这种炉子拉伸大直径预型件的方法,将该预型件或者拉成光纤或者拉成较小直径预型件。

Description

将大直径预型件拉成光纤 的方法和感应炉
发明背景
本发明涉及拉制光纤的炉子和方法，具体涉及用大的玻璃预型件拉制光纤的石墨感应炉以及用这种大直径预型件拉制光纤或较小直径预型件的方法。
设计用于拉制光纤的炉子根据加热方法可分成两大类，加热可以是导电加热或感应加热。感应加热炉一般是最好的，主要是应用具有灵活性。电感炉还可根据应用是石墨作的还是氧化锆作的加热元件而分成两类。
这些感应炉一般包括圆筒感受器(石墨或氧化锆)，该感受器形成炉子的加热区域，并由绝热件包围，该绝热件又由感应线圈包围。当线圈激励时便产生可耦合到感受器的电磁场(一般被预热)，从而升高其温度并产生要求的高温区，使插入圆筒感受器的预型件熔化。在炉子加热区的顶部(所谓上部气道)和/或底部(所谓下部气道)形成形为圆筒管的延伸部。
石墨炉使用超纯石墨加热元件。用这些炉子的典型问题是加热元件的氧化。石墨加热元件的反应性也污染反应区域。因此加热元件的寿命短，经常需要更换元件。一般，在炉子内形成惰性保护性气氛可以克服这些问题。为此目的通常应用氩气或氮气。在美国专利No.4 154 592中公开了应用氦气作调节气。氦气的高热导率有助于提高温度稳定性和提高靠近预型件头部的区域中的温度均匀性。
若干文献已讨论了拉制光纤的炉子。例如IT 1077 118说明一种高频电炉，该电炉包括管形石墨心，该心包围待加热的东西，并又由感应绕组包围，高频电流加在该绕组上。包围该石墨心的外壳具有壁，该壁由若干个一个放在另一个顶上的部分组成，并向壁的内部送入惰性气体。包围石墨心的惰性气体可防止在炉子操作时石墨心受氧化。气体从炉子的中心引入，并使其逸散在外部分之间。该炉子能够工作在约2000℃的温度。
US 4 174 462说明一种大直径的一般用途的石墨感应炉。炉中不用调节气体。代之以在炉中充满物质，以防止石墨感受器氧化受损。该感受器用粉末碳墨隔离，该碳黑装在石棉或混凝土圆筒内。
DE 3 025 680说明一种拉制光纤的石墨感应炉。加热元件上涂有一层10μm厚的即使在高温下也不与玻璃反应的保护层例如铂层或铱层。该涂层可防止任何物质在加热元件和玻璃之间传输。
US 4 154 592说明一种将预型件配置在马弗炉中的成形光纤的方法。马弗炉用电阻加热元件加热到足以使坯件第一端部达到预型件拉伸温度的温度。光纤从预型件的第一端部拉出，同时使氦调节气沿这样一个方向流过马弗炉，使得该调节气从光纤丝拉出的马弗炉端部排出。
US 4 400 190说明一种拉制光纤的石墨电阻炉。石墨加热元件大体为圆筒形，横截面积减小的加热室位于中部，在加热室各个端部上为大直径区域。进气管和排气管插入大直径区域。中间加热室的内直径和进气与排气管的内直径基本上相等。在加热元件内从中间加热室到大直径区的过渡区为锥形。
然而，这种端部开放使调节气体流过的炉子的方法其一个问题是，预型件和刚拉出光纤周围的涡流可能使光纤直径变化而影响光纤性能。产生这种涡流的一个可能原因是周围空气的上升气流，如美国专利No.5284 499和欧洲专利0 329 898说明的，这些专利提出在容器底部插入挡气板来防止上升气流。
产生涡流的另一原因涉及围绕预型件的调节气体横截面积的差别。美国专利No.4 400 180提出通过适当调节加热元件直径和加热元件延伸部直径之间的比值可将这种涡流生成原因减小到最小。
美国专利No.5 545 246提出为了减小此区域中沿预型件流动的调节气体中产生的涡流可在预型的拉制区域引入附加的调节气流。
在M.Rajala等的论文“高速拉伸光纤大预型件的联合炉(Interhational Wire & Cables  Symposium 1998)中公开一种石墨感应炉。其中感受器是内径为80mm的石墨元件。
其它类型炉子即感应加热二氧化锆炉其结构相当简单，能在空气中操作是其主要优点。感应炉中加热元件是用Y2O3稳定的惰性ZrO2圆管。
应用二氧化锆炉子的一个问题是，二氧化碳具有相当高的温度惰性。这造成在两次连续拉制操作之间需要停顿很长时间，因为二氧化锆感受器必须自然冷却，然后才能插入新的预型件。事实上，由于加热元件温度快速变化造成的热冲击形成二氧化锆感应加热炉的严重问题，因此需要在两次接连拉制操作之间防止炉子的强迫冷却。另外，当炉子例如因动力事故或电源问题而停机时，二氧化锆便以结构转变、破裂的形式冷却，这样便必须更换。这造成炉子长时期不能操作，因为二氧化锆感受器在开始拉制之前必须进行加热和稳定。
美国专利No.4 450 333说明一种用预型件拉制光纤的二氧化锆感应炉。该炉子具有居中的管状感受器，在至少一部分感受器内表面上具有预型件材料(例如硅)的薄涂层。在感受器上的这种薄涂层可制止污染粒子从感受器内表面上的小裂纹迁移到预型件上。围绕感受器同心地配置一圆筒，并与圆筒隔开一定距离，该圆筒又由绝热颗粒物包围。该圆筒可防止从绝热颗粒物射出的小粒子穿过感受器上的大裂缝射到预型件和/或光纤上。
美国专利No.4 608 473说明一种用石英预型件拉制光纤的二氧化锆感应炉。该炉子包括沿轴向定位的管形二氧化锆感受器。使用前，在至少一部分感受器内表面上加上蒸气沉积的石英“碳黑”。然后在高温下固结该石英碳黑。这种方法基本上可消除二氧化锆粒子从感受器迁移到预型件和/或纤维上。
美国专利No.5 284 499说明一种拉制光纤的二氧化锆感应炉。在炉子顶部引入的气体形成邻接纤维的边界层。该边界层随同光纤一起穿过炉子，进入管子。该管子使光纤与外界气体隔离，使得在炉子中形成的边界层气体基本上保持均匀，直到光纤包覆层的粘度高到足以使围绕纤维外周的差致应变减少到最小。在管子底部配置平的挡气板，以防止外界大气进入管子底部。
欧州专利849 232说明一种拉制光纤的二氧化锆感应炉。分开的气体源向炉子喷入调节气体，喷在预型件和炉壁之间。第一气源配置在炉子空间的入口端，在第二气源配置出口端的拉制锥形区。
拉制光纤炉的其它例子包括：法国专利2 368 677，说明一种石墨感应炉，该炉具有许多穿过感受器的孔；欧州专利329898，说明一种感应炉，该炉具有圆盘形的封闭底端的挡气板；英国专利1 521 231，说明一种石墨感应炉，具有二氧化锆内套；英国专利1 575 299，说明一种具有涂层感受器的石英感应炉；美国专利4 142 063，说明一种二氧化锆感应炉；和美国专利5 017 209，说明一种炉子，具有由各向异性圆筒绝热件包围的圆筒加热器。
可以从例如下列制造商：Astro(美国)、Centorr(美国)、Heathway(英国)、Lepel(美国)和Stanelco(英国)买到适合于拉制光纤的商品石墨炉和商品二氧化锆炉。
用在商品炉中的常规预型件一般约40～50mm直径(用改型化学沉积工艺(MCVD)生产的)，并高到70～80mm(用外蒸气沉积法(OVD)或蒸气轴向沉积法(VAD)生产的预型件)。根据预型件直径，常规感受器直径一般约70mm(MCVD预型件)或约100mm(OVD或VAD预型件)。
对光纤不断增长的需求要求改进光纤生产工艺，这种改进涉及工艺的多个方面，例如增加光纤拉制速度或减小一次拉伸操作和下次拉伸操作之间的停机时间。
例如，采用直径大于常规直径的预型件(例如直径100mm或以上的预型件)可以提高光纤的生产率，因为用一个预型件便可生产更长的光纤。一个预型件拉制的结束到开始下一个预型件拉制所需的时间取决炉子的容量和材料，一般需要约1～2h。减小拉制过程中的停机次数便可提高光纤生产率。
本发明概要
为进一步开发大直径炉子，本申请人已研究了简单地按比例增加常规炉子以便使它们能够接收大直径预型件相关的一些问题。
本申请人对在常规感应炉中加热大直径预型件所观察到的一个问题是，在进入炉子的调节气体和外围大气中存在涡流。事实上在预型件的颈缩区域即预型件拉伸成光纤的区域中在炉壁和预型件之间的自由空间逐渐增大，并在形成了光纤的区域达到最大。
如果预型件直径相当小，则可显著减小颈缩区域的自由空间，可以更容易地防止调节气流中的涡流，如上述先有技术提出的。然而，本申请人已观察到，增加预型件的直径也增加了颈缩区域的自由空间，因而控制通过炉子的调节气流中的涡流以及控制由外围大气有害侵入引起的涡流变得更为困难。
本申请人还观测到，当调节气体通过炉子的流速增加，以满足提高光纤拉制速度(例如约20m/s速度)有关要求时上述缺点变得更为明显。
事实上，可以认为(见美国专利No.5 284 499)，沿光纤流动的调节气体形成邻接上述光纤的边界层，该边界层可以对称地逐渐地冷却光纤的外部分(所谓外覆层)，由此可防止在上述光纤上产生差致应变。
然而本申请人已观察到，在常规炉子中，当调节气体在炉子内的流量为每分几升时，调节气流在上述炉子出口的速度仅为每秒几毫米。例如，在美国专利5 284 499中7cm内直径的炉子内的气体流量约为3.1L/min，此时在1.25cm直径的出口处形成约4mm/s的线速度。本申请人注意到，气体的这种速度与纤维的拉制速度(例如美国专利5 284 499公开的9m/s)相比是很低的。本申请人认为，特别在拉制速度相当高的情况下(例如约15m/s和高达约20m/s)低的气流速度可能不希望地破坏包围光纤的调节气体边界层，由此造成拉出光纤的有害的非对称冷却。另外，在某些情况下，低速调节气体也不能充分形成为避免外部外围空气的上升气流所必需的过压；特别是，当炉子出口的直径相当大时，气体的上述速度将进一步降低，由此进一步降低与外围大气上升气流相对立的气体压力。
然而本申请人注意到，在先有技术炉子中完全没有注意到有效控制炉子中的调节气流方向。根据先有技术(见美国专利No.4 154 592(三栏50～54行)和美国专利No.5 284 499(五栏26～33行))，气体事实上从炉子上端引入该炉，引入方向大体垂直于预形件纵轴，并简单地使其向底端扩散，炉子的顶端是封闭的。众所周知的其它炉子(见例如日本专利申请No.01-19274或英国专利No.2 212 151)其调节气进气管对预型件轴是倾斜的；如上述专利的有关数字所示，上述进气管相对于预型件轴倾斜约45°。虽然上述进气管是倾斜的，但流出该管的气体分成上部气流和下部气流，如上述日本专利申请No.01-192471所述。上部气流起气封作用，用于气封炉子上端。
本申请人已观测到，对于炉子内低流速的调节气体，不可能有效控制调节气体的流向，很少造成使涡流流到预型件缩颈区域的问题。为了既增加炉内上述气体的流速又能更好地保持邻接拉出纤维的气体边界层，利用增加拉制速度(例如增加到约20m/s)和应用较大的用于拉伸加工的预型件的方法来增加炉内调节气体的流率仍是最好的。本申请人已经观察到，在上述常规炉中，为相应增加出口的气体速度而增加流率将会增加炉子入口区的气体涡流，具有使这种涡流传送到预型件缩颈部分的危险，由此造成拉出纤维直径的有害变化，并可能吸入感受器放出的石墨粒子，该粒子可能粘附在拉出的光纤表面上。
在常规石墨感应炉中本发明人观察到的另一问题涉及配置在感受器四周的隔热件。上述隔热件一般是碳或石墨毡材料，形为柔性的可压缩片，它需要连接于炉中用的刚性支承件。通常这种毡式材料包裹在感受器上，绕许多圈。因此感受器可用作绝热件的支承件。
本申请人还发现，上述毡式隔热材料可能造成一些问题。特别是当这些毡式材料为片形，需要在感受器上绕许多圈时，为保持绝热材料的最好均匀性，必须非常仔细地执行将上述绝热件包覆在感受器的工作。另外，在将片状毡裹在感受器上期间，该毡状料可能放出颗粒物，这种颗粒物在拉制过程的高温下可能沾污光纤预型件或光纤。本发明人已经观察到，如果需要增加绝热层的绝热性能，通过增加炉子尺寸便可增加绝热片的上述卷绕层数，结果上述问题变得更为明显。另外，当例如在使用期间由于感受器的损耗而需要更换感受器时，也需要除去绕卷在上面的绝热件，并将新的绝热片包卷在新的感受器上。这样，使感受器-绝热件组件的特性保持基本恒定便成为一个问题。
本申请人现在已经发现，特别是在采用很高流量时，通过控制拉丝炉中调节气进入流量以及使连接于上述炉子的上部气道和下部气道适当地相配合便可减小调节气流中的涡流。
因此本发明人已开发出一种特别适于拉伸大预型件(直径大于80mm，可高达例如约130mm的预型件)的感应炉，该感应炉可有效地控制通过炉子的调节气流中的涡流和由于外界大气有害侵入引起的涡流。上述炉子具体是石墨感应炉。
本发明的方法和炉子适合于拉伸直径大于常规预型件的大直径预型件，因而可减小插入新预型件时必须停机的次数，并可增加从一个单一预型件拉出的纤维量，从而减小拉制成本。
另外，应用于本发明炉子的特殊绝热件使得在炉子的结构、维修以及操作性能的稳定性方面得到了改进。
本发明的一个方面涉及将大直径的光纤预型件拉成光纤或拉成较小直径预型件的方法，上述方法包括以下步骤：
将上述光纤预型件经连接于上述炉子的上部气道引入上述拉伸炉；
机械密封上述上部气道的上部分；
将进入上述炉子的上述预型件的底端部加热到其软化温度；
将调节气流引入上述上部气道。
其中，将调节气流引入的步骤包括使进入上部气道的上述调节气流沿着倾斜向下的方向。
上述倾斜向下方向优选地与拉伸炉的纵轴线形成小于约45°角，形成约40°～20°角更好，最好形成约30°角。
上述调节气流最好是环状的。
按照优选实施例，上述炉子还包括连接于上述炉子底部的下部气道，而上述方法还包括以下步骤：
使上述气体从上述炉子主体流到上述下部气道，然后从上述炉子流到外边。在上述下部气道的至少下部分中的调节气流速度具有基本上恒定的梯度或稍许的逐渐增大的梯度。
气体在上述下部分内的速度增量约为进入上述下部分内的气体流速的1/10～1/100每毫米上述下部分高度。
本发明的另一方面涉及将光纤预型件拉成光纤或拉成另一种较小直径预型件的拉伸炉，上述炉子包括：
炉子主体，具有上端部和下端部，包括至少一个感受器、感应线圈和配置在上述感受器和上述感应线圈之间的绝热件；
连接于上述炉体上端部分的上部气道，上述上部气道包括用于避免大气进入炉子的机械密封装置；
其中上述上部气道的上部分包括配气件，调节气经该配气件均匀引入上部气道，并迫使该调节气沿向下方向流向上述炉体。
按照优选实施例，上述配气件包括：
环形配气室；
连接于上述配气室的向下倾斜环形出口，该出口与顶部气道内部流体相通；
上述环形出口形成从上述上部气道内部流向炉子加热区的向下倾斜流路。
上述环形出口相对于炉子纵轴优选地形成小于45°的向下倾斜角α，较好的是40°～20°的角度，最好约为30°角。
从调节气体源输送到上述环形室的输送管子最好与上述室相切。
按照特别优选实施例，在上述环形出口内径向配置许多翼片。
多孔过滤器可选择地配置在上述配气件内，并放在环形配气室和向下倾斜环形出口之间。
本发明炉子的上部气道还可选择地包括支承卡环，该卡环可接收和牢固固定光纤预型件的一端或连接于炉子中上述预型件的母杆的一端。上述支承卡环最好可自由地在上述配气件的顶上滑动。在支承卡环的内壁上最好配置大体环形的弹性密封件，上述密封件可防止外围大气进入炉子，同时又能从炉子内部经上述支承卡环取出预型件或母杆，而不会卡在上述密封件上。具体是，上述密封件形成一个密封高度，并包括具有座高度的密封座和两个相对的密封壁，各个密封壁从密封座伸出，使得座高度与密封高度之比约小于2，最好小于约2～1.4。上述两个密封壁其厚度最好约1mm。
本发明另一方面涉及将光纤预型件拉成光纤或拉成另一种较小直径预型件的拉伸炉，该炉子包括：
炉子主体，具有上端和下端，包括至少一个感受器、感应线圈和配置在上述感受器和上述感应线圈之间的绝热件；
下部气道，连接于上述炉子的下端；
上述下部气道包括形成大体为截头圆锥喷口的圆锥下部，其中上述截头圆锥喷口的壁与炉子的纵轴线形成约12°～15°的角。
上述角度最好约为14°角。
按照优选实施例，上述下部气道特别适合于连接于包括上述上部气道的炉子主体下端。
按照优选实施例，上述截头锥形喷口在下部装有连接于上述喷口下端的挡气部分，形成一个出气孔，该孔可调节而限制出气口的尺寸。
本发明炉子的下部气道或者作为一个整体或者在其一部分上包括横截面逐渐减小的内壁和外壁，这些内外壁共同形成冷却空间，流体经该空间流动而冷却由上述冷却空间包围的下部气道内部。
本发明的另一方面涉及一种如上所述的拉伸炉，该炉还包括绝热件，该绝热件大体为圆筒包覆层，用刚性石墨材料制作，能够承受自身的重量而不会坍塌在感受器上。上述刚性石墨材料最好用平行于绝热圆筒包覆层轴线的石墨纤维组成。具体是，上述圆筒包覆层最好是用单片上述刚性石墨材料作的绝热圆筒，该单片的两个相对端部被弯曲成保持互相接触，形成圆筒。上述单片的厚度最好约为45～60mm。
本发明的另一方面涉及一种如上所述的拉伸炉，该炉的特征在于，感受器的内径大于100mm，最好超过120mm，可达到约150mm。
在本说明中，当提到术语“拉伸炉”，意在上述炉子可用于将光纤预型件拉成光纤，或将大直径的光纤预型件(例如约120mm的预型件)拉成另一种较小直径(例如约50mm)的预型件。
包含在本发明中并作为其一部分的附图例示出本发明的一个实施例，该附图与说明相结合可解释本发明的原理。
附图的简要说明
图1是本发明感应炉的示意图；
图2是本发明感应炉优选实施例的炉子主体和下部气道沿穿过炉子直径的平面所取的横截面图；
图3是沿图2所示同一横截面所取的图2所示石墨感应炉感应线圈的详细横截面图；
图4是沿2所示同一截面所取的图2所示石墨感应炉顶部气道优选实施例的横截面图；
图5是沿一个平面所取的图4所示上部气道的横截面图，该平面垂直于截取图4横截面图的平面；
图6是示意图，示出本发明石墨感应炉下部气道中的气体速度向量；
图6A是示意图，示出常规石墨感应炉下部气道中的气体速度向量；
图7是用在上述上部气道内的密封件优选实施例的横截面图；
图8和9示出配置在炉子中的感应线圈的两种替代实施例；
图10是拉制光纤的拉制系统的示意图。
优选实施例的详细说明
下面详细说明作为一个例子示于附图中的本发明优选实施例。
只要可能，所有附图中的同一编号代表相同或类似的部件。
图10示意地示出用光纤预型件拉制光纤102的常规系统，上述系统通常配置在所谓拉伸塔上。该拉制系统一般包括：拉伸炉101，其中光纤预型件的底部被加热到软化温度；用于测量拉出纤维102直径的装置103；冷却装置104，用于在涂布光纤前冷却光纤；涂布装置105，用于将保护涂层涂布在光纤上。光纤预型件一般连接运动装置，以便在拉制光纤时逐渐将预型件向下移到炉子的加热区。涂布装置包括其中装有可固化液体树脂组分(例如尿烷-丙烯酸酯基树脂)的涂布模具，随后是紫外线固化装置106(例如紫外线炉)和装置107，此装置用于测量已涂布光纤的直径以及测量上述涂层的同心性。在需要时可在第一涂布装置之后配置另一涂布装置，以便在光纤上再涂一层不同的涂剂。
可在涂布装置的下游配置牵引辊108，以便可控地从预型件拉出光纤，再后是收集拉出光纤的卷线轮109。
图1是沿一个平面截取的高位示意截面图，该平面穿过本发明用于拉制光纤的炉子直径。图1是不按比例的，没有详细示出炉子的所有部件。该炉子总的包括炉子主体F、上部气道T和下部气道B。预型件通过上部气道引入炉子主体，当预型件被拉成光纤后，光纤经炉子下部气道出来。
图2示出本发明的优选实施例，该图是沿穿过炉子直径的一个平面截取的详细横截面图。炉子主体F包括圆筒形感受器2，该感受器装在圆筒绝热件3的内部。绝缘件3最好又装在圆筒石英杯4内。两个环形石英板25和27保持围绕感受器2的石英杯4的准直。最好在感受器2的外表面和绝热件3的内表面之间形成约3mm～5mm的间隙。在绝缘件3的外表面和石英杯4的内表面之间最好也形成类似的间隙。形成这些间隙使得更容易装配炉子主体组件，容易除去和替换炉子的单个部件，而不会牵涉到组件的其它部件。
炉子主体高度被定为与上部气道和下部气道一起可包含预型件的整个长度。炉子主体高度应当充分高，使得可以加热预型件的下端，从而从预型件拉出光纤，但是也应当充分短，使得可以避免预型件其余部分不必要的过热。该高度约为600～850mm，最好约750mm。
线圈6围绕石英杯4，与石英杯4的外表面相距约5～6mm的距离。线圈6产生电场，该电场又产生涡流，由此将感受器2加热到约2200℃的高温。所有这些主要部件即线圈6、石英杯4、绝热件3和感受器2均封装在外壳1内。
外壳1用金属制作，例如用铜、黄铜或最好用铝制作，该外壳的顶端和底端用环形端板15和16封闭，各个端板具有居中孔。这些端板和外壳1用例如铝制作。端板上的孔与上部气道T和下部气道B配合。该端板和外壳1的内壁1b形成炉子内部。
在图1和2所示的实施例中，外壳1包括两个壁即外壁1a和内壁1b，这两个壁共同形成环形冷却腔12。在所示实施例中，外壁1b的外直径为620mm，而内壁1a的外直径约580mm，外壳1的高度约740mm。为了冷却外部外壳1，使冷却流体流过冷却腔12。例如，壁1a和1b之间的空间由水流冷却。冷却水经许多供水管11流入腔12。例如，可沿外壳1的外周配置三个供水管11，每管间隔120°角，冷却水然后经排水管13排出腔12。供水管11和排水管13的数目最好是相同的，而且供水管11和排水管13配置在外壳1的相对侧，使得冷却水可均匀冷却外壳1。
线圈6经通道23电连接于高频电流源(未示出)。线圈6中的电流可导致显著的电阻加热。为控制这种热量，线圈6可用例如铜管制造，使炉子工作期间冷却流体例如水可流过线圈6。电流流过线圈6产生的电场在感受器2上感应出涡流。最好在装入线圈的空间43中流过调节气体例如氮气，以防止绝热件和/或感受器受到可能的氧化。这种气体的典型流量约为20～30L/min。供气管44和排气管45形成在外壳1上，以便上述气体流入外壳1，其配置方式与管子11和管子13的方式相同。
将线圈6支承在外壳1内部的构件不应当传导显著的电流。在图9所示的实施例中，由绝缘陶瓷材料作的三个腿18分布在外壳1内，间隔120°角，用于支承靠近石英杯4(图9中未示出)的线圈6。在线圈6已由固定线圈的支承件18定中在炉子内后，通过调节销钉70可使线圈6的中心轴线准确准直炉子的中心轴线，该销钉插入形成在支承件18上的相应垂直槽口中；一当达到准确准直，便将各个销钉例如用螺母固定在支承件18上，由此使线圈固定在此位置。或者如图8所示，可用若干水平槽口72取代支承件18上的垂直槽口，每个水平槽口72配置在线圈销钉预定要固定的相应高度。采用后一种实施例，安装和准直操作一般更为容易，线圈的定中也更为准确，而且在时间过程中更为稳定。
本发明炉子的感受器2通过用石墨制作。特别是，石墨感受器材料应具有相当高的热导率，最好高于约50W/m·k，例如约100W/m·k，以及具有相当低的比电阻，最好约为1.0×10-5Ωm或更低。由Morganite公司制造的商标为Grede IG110的商品化的优选感受器材料的热特性和电特性列于下面表1。
      表1感受器材料的热特性和电特性
    松密度     1.77     g/cm3
    热导率     100     千卡/mh℃
    比电阻     1100     μΩcm
    灰份     20     ppm
    孔隙率     17     ％
在优选实施例中，感受器2约6mm厚，内径为150mm，可拉伸大直径预型件(大到直径约130mm)。
调节气体从上部气道进入圆筒接受器，从而在炉子内形成可控的加热气氛，防止感受器表面因炉子外边空气偶然进入炉内而造成的可能氧化。任何惰性气体均适合作调节气体，包括氦、氩和氮，以氦最佳，但不限于这些气体。上述调节气体通常进入炉子的流量约为15～20L/min。上述调节气体经感受器扩散进入感受器和绝热件之间的间隙，然后渗入绝热件。由于上述间隙宽度减小，所以上述间隙内的调节气体基本上是静止的，即在此间隙内基本上完全不强制气体流动。
适合本发明炉子的绝热材料也可以是石墨基材料，以便改进感受器和绝热件之间的相容性。该绝热材料主要在密度(或孔隙率)、热导率和电阻率方面不同于用作感受器的石墨基材料。具体是，石墨绝热材料的密度低于约0.4g/cm3，最好低于约0.2g/cm3(相比之下，石墨感受器材料的典型密度至少为1.5g/cm3)。与绝热材料低密度相关的是其表观孔隙率较高，该孔隙率高于约70％，最好高于约85％(而感受器材料孔隙率的典型值约为20％)。由于孔隙率相当高，所以上述石墨绝热材料具有很好的绝热性。这些材料的热导率与感受器材料的热导率相比相当低。具体是，上述热导率在2000℃的氩气氛中一般低于约1.5W/m·k，最好低于约1.2W/m·k，而在400℃的氩气氛中低于约0.6W/m·k，最好低于约0.4W/m·k。为限制与线圈发生的可能电磁耦合，石墨绝热材料应具有显著高于感受器比电阻的比电阻，最好约为1.0×10-3Ωm或更高。
商品碳毡或石墨毡可用作本发明炉子中的绝热材料，例如用SGL公司(如Sigratherm KFA5或KFA10)或Union Carbide公司(例如National Grade VDG、Grade WDF或Grade GRI-1)的制品。如前所述，这些毡式材料形成柔性的片，它需要配用刚性支承件。这种毡式材料片的厚度通常约为5～10mm，它包卷在感受器上，包卷的圈数足以形成要求的绝热性，而感受器用作绝热件的支承件。
对于本发明炉子的绝热件，最好用刚性石墨绝热材料，上述材料具有充分的硬度，以便容易成形为自立的圆筒。这些材料通常包括石墨纤维，大多数纤维沿优选方向彼此平行。为达到充分硬度和承受其自身重量，上述材料在纤维的纵方向应具有至少0.1Mpa的抗压模量，最好至少约为0.5Mpa，并可达到约10Mpa。特别优选约1Mpa的抗压模量。绝热圆筒一般用所需厚度的单片板材制作。将片材弯曲形成圆筒，利用焊接或缝线方法使弯曲片材的两个相对端部彼此保持接触。由此制成的绝热圆筒能够承受自身重量，不会坍塌在感受器上，从而可以在绝热件和感受器之间保持要求的间隙(最好约3～5mm)。在需要替换感受器圆筒的情况下例如由于感受器受到损耗时，可以容易地从炉子主体上取下上述感受器而不会改变结构的几何尺寸，由此可保持绝热圆筒在原处。
具有所需特性的适合材料的例子是Morganite公司生产的(SGL中的)Sigratherm PR-200-16、PR-201-16或PR-202-16、CBCF(碳粘接的碳纤维)以及Union Carbide公司生产的UCAR Graphite RIGIDInsulation。绝热件3的优选材料是CBCF。CBCF很硬，有均匀孔隙，容易加工和装配。如前所述，这些材料由沿优选方向彼此平行配置的石墨纤维组成。在本发明实施例中，材料被形成为圆筒，使得石墨纤维平行绝热圆筒的轴线。
本发明的刚性石墨绝热圆筒其厚度约为45～60mm，内直径约为150～160mm。按照优选实施例，其厚度约为52mm，内直径约为156mm。在下面表2中列出优选绝热材料的某些特性。
      表2 CBCF绝热件的热特性和电特性
密度 0.17±0.02g/cm3
热导率 0.55W/mk(0.50千卡/Mh℃)
电阻率 1.10×10-3Ωm(平行于纤维取向)4.07×10-3Ωm(平行于纤维取向)
灰份 ＜0.07％
孔隙率 89％体积
抗压强度 1.10Mpa(平行于纤维取向)
挠曲强度 1.03Mpa(平行于纤维取向)
石英杯4是一个圆筒石英管，其外直径约为265～285mm，在例示实施例中约为275mm，它围绕绝热件3，并使圆筒感受器2内的调节气体与包围线圈6的调节气体分开，只要这些气体是不同的。水平石英板25具有中央孔和在其下表面上的三个同心槽。水平石英板27也具有中央孔28和其上表面上的三个同心槽，此板配置在杯4的下端部。感受器2、绝热件3和杯4的端部均装在板25和27的同心槽内，使得这些部件可相对于其它部件牢固准确地定位，并可容易地单独卸下来。定位感受器2、绝热件3和杯4的方法可确保造出的炉子一个一个具有一致的性能。在两个板25和27的中央槽内插内绝热件端部上形成的脊部29、30。该环形脊部29、30同心地准直围绕感受器2的绝热件3。感受器2的端部装在两个板25和27的最里面一个同心槽内。
孔46穿过石英杯4、绝热件3和外壳1，使得可以用高温计测量感受器外表面的温度，该高温计经通道39进入炉子中。由于绝热件的可加工性，所以很容易在上面穿孔。高温计测量的温度可用作反馈参数来控制炉子的电源。
图3示出线圈6的截面，该线圈明显是空心线圈，有孔51。为将线圈6的温度控制在低于所用材料熔点的温度，可使冷却水流过线圈6。
图4是沿一个穿过上部气道T直径的平面截取的该上部气道T的立视横截面图。如图1所示，上部气道T提供适于预型件32的热环境和化学环境，该预型件32在进入炉子主体之前在制备预型件期间由母杆35支承。杆35采用例如钩和锁闩装置或销子等接合装置连接于预型件32。如图1和4所示，上部气道T包括引入预型件32的石英套筒33。该石英套筒33最好长到足以在操作过程的起始阶段只有预型件32的下端部邻接感受器2最热区域时包围整个预型件32。
石英套筒33的直径最好大体等于感受器2的直径，例如在例示实施例中为150mm。套筒33和感受器2的直径相同可以尽量减小调节气体中的涡流，因为套筒33和感受器2形成平滑的内壁。
如图1所示，环形分配器34配置在套筒33的上面。分配器的环形形状使得可以均匀地将调节气流引入炉子中。任何惰性气体均适合作调节气体，包括氦、氩和氮，氦是最好的，但不限于这些气体。应用这些调节气体可以确保在炉子主体F的感受器2、上部气道T和下部气道B的内部形成惰性的不发生反应的气氛。
图4是沿一个包含分配器34直径的平面截取的横截面详图。分配器34一般为圆筒体，该圆筒体形成在顶部围绕母杆35而在底部围绕套筒33大体封闭的内部。调节气体引入到此内部，在该处气体向下流入炉子主体F感受器的内部，然后从下部气道B流出。分布器34基本上用不锈钢制作，最好用铝制作。
在图4和5所述的实施例中，分布器34包括连接环105、调节气体分配件37和用于在炉子操作期间支承母杆35的支承环38。连接环固定在套筒33四周，包括上表面105a，该表面上固定于调节气体分配件37。在连接环上配置与套筒33接触的密封件116。
调节气体分配件37包括分配箱顶部103，该顶部具有上表面103a，在炉子操作期间支承环38可滑动地置于该表面上。下面更详细说明连接环105、调节气体分配件37和支承环38。
调节气体分配件37的分配箱底部104用螺钉固定于连接环105。分配箱顶部103用螺钉连接于分配箱底部104。分配环107位于分配箱底部104和分配箱顶部103之间，上述分配环107通过其翼片靠在分配箱底部104。环形分配室109形成在分配箱底部104和连接环105之间。
参考图5，该图是分配器34的平面横截面图，使调节气体(从未示出的外部输气系统进入)经两个管子29进入分配室109。该管子29与分配室109相切。管子29的切向进入可使调节气体基本上无涡流地进入分配室109。分配室109起贮存室作用，可消除进入室122气流的不均匀性。
如果需要，可设置多孔过滤器106，形成分配室109内部的内壁。在进入室122之前，调节气体穿过上述选择性过滤器106，上述过滤器还可改进调节气体流动的均匀性。适于用作过滤器106的过滤器包括金属纤维作的过滤器，但不限于此种过滤器，该金属纤维可为FIBERME1AO系列过滤器，由MEMTEC公司(Memtec Applied Mechanics，1750 MemtecDrive，Deland，Florida，USA)制作。
调节气体通过选择性过滤器106后，分配环107平滑地偏转其流向。分配环的锥形下表面加上分配箱底部104形成倾斜向下的环形通道110。调节气体沿路径150流过该通道。因此调节气体流转到向下流向套筒33。为尽量减小调节气体流中的涡流，本申请人已发现，环形通道110应当与炉子纵轴线至少成45°角，最好成40°～20°角，约30°的α角是特别优选的。如角度α大于45°，则气流充分地转到朝下流，特别是在高流量的情况下，很可能由于进入上部气道气流有过大的径向分量而造成有害的气体涡流。另一方面，就过程动力学而言需要0°角(即平行于炉子纵轴线的轴向气流)，但难于通过装置来实现，因为在这种情况下，分配件相对于上部气道的其余部分应具有减小的横截面。
本申请人已注意到，当在本发明的炉子中应用高流量的调节气体(例如约100标准升/分或更高)，而上述气流入口配置成与炉子的纵轴线形成30°角时，气体中有害程度的涡流不会传送到预型件的拉丝区域。
调节气体还沿路径150在翼片108之间流动，该翼片径向配置在上述环形通道110内。最好对应上述通道的出口。在通道110出口配置上述翼片有助于显著消除气流中的环状旋流分量。
分配环107其上表面还可选择地成形为锥形，使得少量气体可以流过由分配环107上表面和分配箱顶部103形成的向上倾斜环形路径152，然后流入室122。这种选择性调节气体流152应当是很低流量的，以避免在上部气道中产生任何气体涡流，该气流152在上部气道中产生气体缓冲作用，该缓冲气体压力大于外界大气压力，由此可进一步防止(除下面说明的机械密封件114防止)外部空气进入室122，进而进入套管33。
支承件38的支承法兰102可在分配箱顶部103的上表面103a的上面滑动。密封环101用螺钉连接于支承法兰102。套筒112插入支承法兰102内表面内的通道内。套筒112用低摩擦材料最好用聚四氟乙烯(例如Teflon)制作，以减少预型件32和支承件38内表面之间的摩擦力。套筒112的直径定为可以牢固固定母杆35，该母杆起预型件32把手的作用，或者在拉制期间该预型件32可由该母杆35支承。因此在炉子操作期间支承件38可以准确地导向母杆35和预型件32。在炉子操作期间可利用支承件38来水平移动母杆35和预型件32，以便防止预型件32和母杆35在炉子操作期间碰到分配器34的任何部分。改变套筒112便可接纳不同直径的预型件和母杆。从支承件38伸向外边的母杆用例如卡盘(未示出)锁住，该卡盘牢固地卡住预型件。预型件在拉丝操作期间可向下移动，使得可以将预型件的熔化区域稳定地定位在炉子中。
密封件114装在密封环101内壁的通道内。密封件114维持炉内的惰性气氛。常规密封件(例如Advanced的EnerSeal密封件)在其顶表面具有浅凹槽，所以常常在母杆35或预型件32上施加过大的密封力。当使用这种常规密封件时，经常发生，在提升预型件32时支承件38可能通过上述密封件保持与预型件紧紧接触，并相对于调节气体分配件37上升。在进一步提升预型件时，这种支承件很可能由上述密封件突然松开，使得预型件落在调节气体分配件37上，因而可能损坏下面的分配件37。
密封件114应被设计成可将足够的密封力作用在母杆35或预型件32上，以防止大气进入室122。然而密封件在径向应比常规密封件更有弹性，使得可以平滑地从支承件38中抽出母杆35或预型件32。将密封件成形为Y形结构便可增加密封件114的附加弹性，如图7所示，在密封件114上形成Y形结构的座115比常规密封件中的深。具体是，当密封件壁116的厚度约为1mm时，高度H2与密封件总高度H1之比小于约2，最好约在2～1.4之间。所示的实施例中，密封件114的壁厚约1mm，密封件的总高度约10mm，而从座子115开始的高度约为5.8mm。上述密封件用可耐炉子高温的惰性弹性材料制作。最好应用氟橡胶例如Viton制作。
如图1示意示出和图2详细示出的，下部气道B连接于炉子主体F的下部。下部气道B包括凸出于炉子底部的水冷圆筒管40。该圆筒管40的内部分用石英管制造。锥部41也可以是水冷的，连接于圆筒40的下端。锥形气门42连接于锥部41的下部分。气门42由分开的两半组成，在开始拉伸操作时是间隔开的，以形成较大通道，便于通过预型件的开始时的玻璃液滴。在拉伸过程期间，气门的两半靠近配置，从而在下部气道的底部形成约20mm直径的出口。
采用常规恒定横截面的下部气道时，当调节气体流过下部气道时调节气体中可能存在的涡流可能造成光纤直径的不希望的波动。下部气道B端部分的锥部41的锥形使得通过调节气体的横截面积逐渐变化。因此当调节气体流过下部气道B时其速度也逐渐变化，从而将涡流减小到最小。调节气体平滑地流过下部气道可以尽可能减小纤维直径的有害波动。
因为气门42形成很窄的调节气体通道，所以锥部41特别适于减小由于气体碰在气门阻挡部分上产生气体再循环所形成的气体涡漩，从而避免形成气体涡流。利用图6和图6A的流路图可以明显看出这种效果。图6示出气体流过本发明下部气道一个实施例的流路。所有流路均会聚于下部气道的出口。流动是有序的，几乎没有涡流。
图6A示出气体流过常规下部气道的流路，该下部气道沿其高度具有基本上恒定的直径，而且在气门处的出口直径显著小于气门紧上面气道的直径。如图所示，气流中在气流的侧部分可能产生涡流，这种涡流将会导致在炉子内形成有害的气体涡漩。
事实上，调节气体流过下部气道的锥部分41其中的速度是逐渐增加的，因此逐渐达到流出下部气道的要求的出口速度，在下部气道内不产生任何涡流。因此，上述下部气道的上述锥形使得调节气体可以形成基本上恒定的速度梯度或稍微增加的速度梯度。
气体在上述锥部分41内的速度增量最好为流入上述锥部内气体流速的约1/10～1/100每毫米上述锥部高度。例如，以流速0.2m/s流入高度约180mm锥部的调节气体在上述锥部的出口处(即气门42的入口处)的流速将达到约1.25m/s。
为产生上述调节气体的速度梯度，使下部气道的锥形端部与炉子的纵轴线形成约12°～16°的倾斜角，最好形成约14°的角。低于12°的角度虽然对于更平稳增加调节气体速度更可取，然而如要出口直径保持不变这要求很长的下部气道锥形部分(由此不利地增加拉伸塔的高度)，或者如要锥部的长度保持不变则要增加出口直径(由此不利地减小出口速度和气体压力)。另一方面，大于16°的角度则更容易在流过下部气道的调节气体中产生有害的涡流。
当流过气门42时，调节气体的速度进一步增加，其梯度更陡。因而气体压力增加，这样便可避免不希望有的外部大气上升气流进入炉子。
下部气道的锥形端部41其高度约在100～250mm之间，最好约为175mm。气门42的高度约为60～90mm，最好约为75mm。
气门42可沿垂直于预型件长轴的方向滑动，以便在拉伸初始阶段通过熔化物。
当位于此打开位置，在气门42的两半之间存在间隙。一当熔化物已流过气门42，便可使这两半滑动，合在一起，形成锥部41的延伸部以及气门底部的开口，该开口可以小到紧紧包围拉出的光纤。
本专业技术人员可以明显看出，在本发明的感应炉上以及此炉的结构上可以进行各种变型和改变而不超出本发明的范围和精神。例如，具体用于石墨感应炉的上、下气道也可用于二氧化锆感应炉上。技术人员可以根据对本文件说明的理解以及本发明的实践明显看出本发明的其它实施例。

Claims (26)

1.一种将大直径光纤预型件拉成光纤或拉成较小直径预型件的方法，上述方法包括以下步骤：
将上述光纤预型件通过上部气道引入拉伸炉，该上部气道连接于上述炉子；
机械密封上述上部气道的上部分；
加热放入炉子中的上述预型件的底端，加热到其软化温度；
将调节气流引入上述上部气道；
其中，将调节气流引入的步骤包括使进入上述上部气道的上述调节气流沿着倾斜向下的方向。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述倾斜向下方向与拉伸炉的纵轴线形成小于45°的角度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述倾斜向下方向与拉伸炉的纵轴线形成40°～20°的角度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述炉子还包括连接于上述炉子底部的下部气道，上述方法还包括使上述气体从上述炉子主体流到上述下部气道，然后流出上述炉子，至少在上述下部气道下部分内的调节气体流速具有基本上恒定的或稍微增加的梯度。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在上述下部分内的气体流速增量约为进入上述下部分气体流速的1/10～1/100每毫米上述下部分高度。
6.一种将光纤预型件拉成光纤或拉成另一种较小直径预型件的拉伸炉，上述炉子包括：
炉子主体，具有上端和下端，包括至少一个感受器、感应线圈和配置在上述感受器和上述感应线圈之间的绝热件；
上部气道，连接于上述炉子主体的上端，上述上部气道包括阻止外围空气进入炉子的机械密封件；
其中，上述上部气道的上部分包括分配件，调节气体可经该分配件均匀进入上部气道，并受迫沿向下方向流向炉子主体。
7.如权利要求6所述的拉伸炉，其特征在于，上述向下方向与拉伸炉的纵轴形成小于45°的角度。
8.如权利要求6所述的拉伸炉，其特征在于，上述向下方向与拉伸炉的纵轴形成约40°～20°的角度。
9.如权利要求6所述的拉伸炉，其特征在于，上述分配件包括：
环形分配室；
向下倾斜的环形出口，连接于上述环形室并与上部气道内部流体相通；
上述环形出口形成向下倾斜的气流路径，该路径从上部气道通向炉子的加热区。
10.如权利要求9所述的拉伸炉，还包括从调节气体源到上述环形室的输气管，上述输气管相切于上述室。
11.如权利要求9所述的拉伸炉，其特征在于，许多翼片沿径向配置在环形出口内。
12.如权利要求9所述的拉伸炉，其特征在于，多孔过滤器配置在分配件内，位于环形分配室和向下倾斜环形出口之间。
13.如权利要求9所述的拉伸炉，其特征在于还包括支承环，该环适于接收和牢固固定插入炉中的光纤预型件的一端或连接于上述预型件的母杆的一端。
14.如权利要求13所述的拉伸炉，其特征在于，上述支承环可自由地在分配件的顶上滑动。
15.如权利要求13所述的拉伸炉，其特征在于，大体环形弹性密封件配置在支承环的内壁上，上述密封件可防止外面大气进入炉子中，同时还允许从炉子内部经该支承环取出预型件或母杆而不卡在上述密封件上。
16.如权利要求15所述的拉伸炉，其特征在于，上述密封件形成密封高度，包括具有座高度的密封座和两个密封壁，各个密封壁从密封座伸出，座高度与密封件高度之比小于2，最好在约2～1.4之间。
17.如权利要求7所述的拉伸炉，还包括连接于上述炉子下端的下部气道，上述下部气道包括至少一个下部分，该下部分在垂直于纵轴线的平面上的横截面积从下部气道的顶部到底部逐渐减小。
18.如权利要求17所述的拉伸炉，其特征在于，上述下部气道包括至少一个锥形下部分，形为大体截头圆锥形喷口，上述截头圆锥喷口的壁与炉子的纵轴线倾斜约12°～16°角。
19.如权利要求18所述的拉伸炉，其特征在于，上述截头圆锥形喷口的高度约为200～300mm。
20.如权利要求18所述的拉伸炉，其特征在于，上述截头圆锥形喷口的底端具有连接于上述喷口的气门部分，该气门部分形成一个出口，该出口可被调节而控制该出口的大小。
21.如权利要求18所述的拉伸炉，其特征在于，下部气道还包括内壁和外壁，这些壁共同形成冷却空间，冷却流体可经该空间循环而冷却由上述冷却空间包围的下部气道内部。
22.如权利要求1所述的拉伸炉，其特征在于，上述绝缘件是硬的石墨材料作的，成形为大体空心圆筒件，该圆筒件能够承受自身的重量而不会坍塌在感受器上。
23.如权利要求22所述的拉伸炉，其特征在于，上述硬石墨材料由取向平行于圆筒件轴线的石墨纤维构成。
24.如权利要求22所述的拉伸炉，其特征在于，上述圆筒件用单片上述硬石墨材料制作，弯曲该片的两个相对端部，使其彼此保持接触，从而形成圆筒。
25.如权利要求24所述的拉伸炉，其特征在于，上述单片硬石墨材料的厚度约45～60mm。
26.如上述权利要求中任一项所述的拉伸炉，其特征在于，感受器的内直径大于100mm。
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