CN1355773A - 光纤物品热处理的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种如同玻璃光纤预型件那样的物体的热处理的设备和方法。由于提供的预型件具有预先优化的拉拨头(30),光纤拉拨设备的停工时间能大大缩短。所提供的预先优化的拉拨头(30)是在预型件的顶尖上已适当地将不合适部分熔去的拉拨头。加热炉(1)被用来进行预型件(2)的这种加热预处理(预先优化)而不会污染石英玻璃。采用具有预先优化的拉拨头的预型件(2)可有效地提高拉拨设备的产出。按照一个实施例,能满足这些要求的加热炉(1)包括一个圆筒形的加热室(3－5)、从四周包围加热室的绝热层(6－9)、数个通过加热室侧边开口(10、11)将火焰投向旋转预型件的顶尖的气体燃烧器(12、13)、和一个框架(14)。由于预型件(2)在温度T大约>1750℃时才能软化,相应的高温必须在加热室(3－5)内产生。因此,加热室(3－5)和气体燃烧器(12、13)都由石英玻璃或陶瓷材料制成。

Description

光纤物品热处理的方法和设备
相关申请
本发明享有于1999.03.30申请的档案号为19914507.5(GRNo.99P1555 DE)的德国专利申请的优先权。
本发明的领域
本发明涉及制造光纤预型件和光纤的方法和设备。
背景
用于通信光缆作为光传输元件的光导纤维(简称光纤)由一个心部(折射指数为n1)，一个同心环绕心部的包覆层(折射指数n2＜n1)、和一个保护塑料层(单个或多个“覆涂层”)构成。这种光纤在生产时开始为一细长圆柱形石英玻璃体，按照所需折射指数的分布来搀杂，称为“预型件”(“预成形坯”)。该预型件被喂给装置非常缓慢地引入到位在纤维拉拨塔架上部的高温炉的加热室内并被加热。在温度T＞2000°时，预型件的圆锥形渐缩的顶尖逐渐转变为蜜状粘稠状态，一直到最后熔出一条由心部和包覆层构成的玻璃丝。在不适宜用于纤维生产的石英玻璃滴去后，在重力影响下便形成所谓“拉拨头”。在石英玻璃圆柱体和拉出的纤维之间的圆锥形渐缩过渡区被称为“拉拨头”，其形状和尺寸取决于高温炉和个别的拉拨条件。直径约为125μm的玻璃丝被连续从预型件中拉出，然后移动通过位在拉拨塔架直径测试装置正下方的涂覆系统，敷上保护外皮(涂层)，最后纤维被卷绕在供应滚筒上臂时存储。
在光纤被拉拨一定长度以后，这个长度取决于预型件的大小或质量，生产必须中断，消耗掉的预型件必须用新的来更换。经常要化一个多小时，具有所需特性的纤维的生产才能恢复。在这段开动时间内，不能使用的石英玻璃物质要被滴掉，满足拉拨条件的拉拨头要被成形。单就拉拨头的成形而言，大约需要30到40分钟。
本发明综述
本发明涉及由高温稳定材料如光纤预型件的石英玻璃制成的物体进行热处理时所需的设备和方法，特别是加热炉和方法。按照本发明的设备能使光纤预型件的石英玻璃物质中不适合拉拨纤维的部分比传统的熔炉更快地熔掉，而在这个过程中不会使预型件被外来物质微粒污染。另外，由于设有包括优化前拉拨头的预型件，该预先优化的拉拨头的不合适部分已在顶尖被适当地熔去，因此光纤拉拨设备的停工时间能显著地缩短。
按照本发明，具有良好隔热的加热室和加热炉的H2/O2气体燃烧器都是由石英玻璃制成的，燃烧器的火焰是通过加热室侧边的开口投向预型件的。上述这两元件能承受在加热室预型件顶尖区内产生的最大可达约2500℃的高温T而可在较长期间内不会损坏。加热能力为15-30kW的气体燃烧器的尺寸被这样制定，使环绕其长轴线旋转的预型件的顶尖能在经过大约20分钟后熔化成滴并形成典型的拉拨头。为了使其形状优化，预型件及/或燃烧器能按照预先设定的程序在垂直方向上相互相对移动。
在石英玻璃物质的熔化过程中可以彻底排除预型件被外来物质微粒污染，因为从加热室逸出的燃烧气体具有较高的压力(由于所谓烟囱效应，灰尘不能进入)，并且SiO2微粒总是沉积在预型件上。加热炉的少量冷却可能与用保护气体冲洗加热室同等需要。
按照另一方面，本发明为处理玻璃物体的方法，该方法包括下列步骤：加热光纤预型件的一端以便形成拉拨头，然后将预型件转移到拉拨塔架，在那里可拉出光纤。按照本发明的一个较优方面，不适合拉拨纤维的石英玻璃物质可从预型件中熔掉。而且较优的是预型件加热时还旋转。
按照另一方面，本发明为处理玻璃预型件的方法，该方法包括这样一个步骤，即在拉拨前，在拉拨单元的与拉拨室分开的加热室内制成一个具有拉拨头的预处理的预型件，这样便可减少拉拨单元的停工时间。最好，预型件的拉拨头是在温度大于1800℃时形成的。
使用经过合适预处理的预型件，即不适合的物质已在顶尖被熔去的具有优化拉拨头的预型件能有效地减少玻璃纤维拉拨单元每次更换预型件时的停工时间达15-30分钟。特别是，对于只需熔化少量石英玻璃的拉拨塔架的高温拉拨炉，这样做可缩短升温和内部加热时间。另外，在熔化和纤维拉拨之间的过滤阶段按理论速率只需相当少的时间(主要的时间节省)，这样拉拨塔架就可操作较多时间。当拉拨头离线在分开的加热炉内产生时这一点特别正确。而且可以不需要将预型件在高温炉内移动得那样深入(可节省时间因为进给率一般很低)。
附图简要说明
下面结合附图进一步阐明本发明。
图1为按照本发明用来热处理预型件的加热炉的一个实施例的侧剖视图。
图2为图1中的加热炉沿A-A线切开的剖视图。
图3为顶到视图示出操作时加热炉内各处达到的温度。
图4为按照本发明的石英玻璃燃烧器的结构的顶视的部分剖视图。
图5和6为按照本发明的石英玻璃燃烧器的夹持器的各个概略的视图。
图7为按照本发明的方法步骤的流程图。
优选实施例的详细说明
图1和2中概略示出的加热炉可用来熔去预型件2的石英玻璃物质中不合适拉拨纤维的部分。该炉1最好为拉拨塔架的一个分开的单元，被用来在预型件上产生拉拨头30，这样当它被转移到拉拨塔架时便可减少开始拉拨所需时间。这个减少是由于拉拨头已在前面的加热炉内形成。实质上加热炉1具有一个圆筒形的加热室3-5、环绕加热室3-5的在四周的隔热层6-9、通过加热室侧边开口10-11将火烧向预型件2的数个气体燃烧器12-13、和一个固定上述诸构件的框架，该框架由钢或铝的、横截面为正方形的槽型材14构成，用螺钉固定在一起。由于SiO2预型件只是在温度T约为1750℃时软化，炉子空间内必须产生适当高的温度(T≥1800℃)，因此加热室3-5以及气体燃烧器12-13的火焰产生构件(燃烧器管、喷嘴)都由高温稳定材料特别是石英玻璃制成，这种材料在加热时在纵向上只是略微膨胀。另外，采用石英玻璃的优点是预型件2可不被外来微粒污染，并且至多，SiO2微粒被沉积。
加热室3-5最好具有圆筒形的SiO2中部3(高度h约为470mm，半径约为180mm，壁厚约为30mm)，其上设有气体燃烧器开口10-11(直径约80mm)、和两个石英玻璃盖4/5，该盖为六角形，其边缘突出部适宜加热炉的布置外形。早先最好在分开的加热炉内被预热到约为600℃-800℃之间的温度T的预型件(直径在约40-120mm之间)通过上盖4的圆孔15被引入到加热室3-5内并被向下移动一直到预型件2的圆锥形渐缩顶尖位在燃烧器开口10-11所形成的平面之内。石英玻璃从环绕其长轴线旋转的预型件上滴下，通过下加热室盖5上的圆孔16，掉到收集器(未示出)内。
上、下加热室孔15-16有一公共的对称轴线17，该轴线与加热室的纵轴线18平行并相对于轴线18而向气体燃烧器12-13的方向偏移(偏离)一个距离Δt(见图2)。这个距离的制定使预型件2位在火焰的最热点而离开邻近的加热室壁仍有足够大的距离。同时以这种方式定位的预型件2可阻止气体燃烧器12-13对面的加热室壁直接受到火焰冲击，这样可大大减少其热载荷。在火焰的最热点即与预型件位置邻近处，温度T可达约2500℃(见图3)；在炉内室的其余部分，即火焰的外侧，温度T＝1600-1800℃，而在外室壁量得的最大温度T＝1400℃，这个温度已足够低，可保证加热炉有一高使用寿命。
在操作时气体燃烧器12-13的加热能力最大为60kW，比较典型的约为20-30kW。气体燃烧器12-13供有氢气和氧气，它们通过两个O2连接部(“外”氧和“内”氧)和一个H2连接部(见图2和4)分隔地被导到燃烧器12-13上。如图4所示，外氧通过由燃烧器12-13的两个圆筒形零件19-20形成的环状喷嘴21被导到燃烧器的顶尖。内氧被导到位在燃烧器头中央的数个平行的扁平喷嘴23、23′、23″内，而氢气被导到扁平喷嘴23、23′、23″与圆筒形零件20之间的空间内。如上已述，气体燃烧器的所有构件都是用石英玻璃制成的。
图5和6画出的气体燃烧器12、13的夹持器具有一个上部24和一个可拆卸地连接在上部24上的下部25。气体燃烧器12、13被牢固地夹紧在这两上、下部之间，或者在松开螺钉连接时能在双箭头的方向上导行。为了使气体燃烧器12、13能够相对于预型件2取向，夹持器通过一个具有数个槽型材26、27和肘状件28、29的支架被连接到加热炉的框架14上。由于夹持器24、25还被要求保护将氢气和氧气带到燃烧器相应连接部上的硅橡胶管使它免受加热炉的热辐射，因此夹持器由具有良好隔热的材料，特别是云母片、白云母、金云母和硅酮树脂的混合物制成。
隔热层6-9从四周包围着加热炉的加热室壁(见图1和2)。在所示实施例中，绝缘层具有一个六角形的中部6、7和两个设有凹槽15′、16′的板状盖8、9。这两个盖(厚度约为20mm)最好由石英玻璃制成。而中部6、7的相应的板状元件的厚度约为30mm，而且是由耐火、抗氧化且具有低导热率的材料特别是玻璃纤维或陶瓷纤维材料制成。一种特别适合的材料例如德国44293 Dortmund的DOTHERM绝缘材料公司提供的商品名为DOTHERMTM的材料，其主要成分为硅酸钙、特殊的波特兰水泥、碳的微纤维、有机纤维、矿物粘结剂和添加物。取决于其型式，这些绝缘材料能用通常的硬合金刀具加工，并能以不同大小和厚度的板的形式供应，还能承受＞1000℃的温度T(DT 1100和DT 1200)。它们的导热率约为0.114(DT 1100)或0.08 W/mk(DT 1200)。位在两个气体燃烧器12、13之间的隔热层可用来保护将预型件2装载到加热炉内的人员。
按照本发明的操作方法的流程图在图7中示出：在标号为31的步骤1中，预型件2最好首先预热到大约600℃到800℃。在标号为32的步骤2中，预型件2然后被插入到加热炉内。在标号为33的步骤3中，预型件2被加热，如前所述在其上形成拉拨头30。此后在标号为34的步骤中，预型件2被转移到拉拨塔架的拉拨炉内。在标号为35的步骤中，拉拨头被拉拨成纤维，这样可减少拉拨成纤维所需时间，特别是如果拉拨头30被预先优化，即合适地成形使它能更快地拉出纤维，在拉拨过程中时间的节省可达30-50分钟。
显然业内人士能对本发明作出各种修改和变化而不离开本发明的范围，例如，加热炉1可只装备一个具有适当能力的H2/O2燃烧器，或者也可装备多于两个的燃烧器，其时侧边的燃烧器开口应位在加热室的下半部，特别是下面的三分之一内。又如，燃烧器也可用其他可燃气体，特别是天然气、乙炔气、丁烷气、甲烷气或丙烷气。另外，在上、下加热室盖4、5内的开口15、16的直径可这样选择使该开口比预型件2的横截面面积大，一直到大出100％。另外，在某些情况下，开口15、15′、16、16′可不是圆形而是适合要被处理的材料的形状。燃烧器可这样取向使燃烧器轴线12′/13′相对于预型件2的纵长轴线17′所成角度不是90°。此外，提供一个非圆筒形的加热室3也许是有效的。另外，可用其他耐高温的陶瓷材料来取代石英玻璃。还有，盖绝缘层和支架可以是圆形或其他形状。因此，本发明理应覆盖这些修改和变化，只要它们是在所附权利要求的范围之内。

Claims (24)

1.用来热处理一个物体(2)的设备，具有：
(a)一个隔热的加热室(3-5)，在其壁上具有一个上开口(15)，可用来将物体(2)引入到加热室(3-5)内，在该上开口(15)的对面有一个排出开口(16)，并且至少有一个侧边开口(10、11)；
(b)至少一个燃烧器单元(12、13)，其火焰被用来加热物体(2)，并通过侧壁的开口(10、11)烧向物体(2)。
2.权利要求1的设备，还具有一条上开口(15)和排出开口(16)的公共对称轴线(17)，该轴线相对于加热室的纵轴线(18)向侧边开口(10、11)的方向偏移，纵轴线(18)与公共对称轴线(17)平行。
3.权利要求1的设备，其特征为，加热室(3-5)包括一个设有侧边开口(10、11)的中部(3)，而中部(3)是由熔化温度高于约1500℃的材料制成的，其热膨胀系数小于10-6每℃。
4.权利要求3的设备，其特征为，加热室的中部(3)和燃烧器单元(12、13)的至少一个元件(20、22)是由同一材料制成的。
5.权利要求4的设备，其特征为，加热室的中部(3)和元件(20、22)由石英玻璃或陶瓷制成。
6.权利要求3的设备，其特征为，加热室中部(3)的两端分别为设有上开口(15)和排出开口(16)的两个板状元件(4、5)关闭。
7.权利要求6的设备，其特征为，板状元件(4、5)和中部(3)由同一材料制成。
8.权利要求1的设备，其特征为，上开口(15)和排出开口(16)的尺寸至多比物体(2)的最大直径大100％。
9.权利要求3的设备，其特征为，中部(3)具有圆筒形。
10.权利要求1的设备还具有数个燃烧器单元(12、13)，其火焰通过加热室(3-5)的侧边开口(10、11)烧向物体(2)。
11.权利要求10的设备，其特征为，在加热室(3)下半部的室壁靠近物体的区域内所设有的、与燃烧器单元(12、13)对应的侧边开口(10、11)处在一个平面内，该平面的取向大致与加热室的纵轴线垂直。
12.权利要求1的设备，其特征为，燃烧器单元(12、13)可用H2/O2、天燃气、乙炔气、丁烷气、甲烷气或丙烷气操作。
13.权利要求1的设备，其特征为，燃烧器单元(12、13)或其内的火焰生成元件(20、22)的方向对准对称轴线(17)，该轴线是由上开口(15)和排出开口(16)限定的，并相对于加热室的纵轴线(18)沿侧向偏移。
14.一种处理光纤预型件(2)的方法，包括下列步骤：
a)加热光纤预型件(2)的一端，在预型件(2)的端头上形成拉拨头(30)，
b)将预型件(2)转移到拉拨塔架，从预型件(2)上拉出光纤。
15.权利要求14的方法，其特征在于还包括将预型件(2)上不适合拉拨纤维的部分从石英玻璃物质上熔掉。
16.权利要求14的方法，其特征在于还包括在加热时转动预型件(2)。
17.权利要求14的方法，其特征为，加热步骤是由至少一个气体燃烧器(12或13)烧向预型件(2)完成的。
18.权利要求17的方法，其特征为，加热步骤是由多个气体燃烧器(12、13)烧向预型件(2)完成的。
19.权利要求14的方法，其特征为，加热步骤是由火焰通过燃烧室的侧边开口(10或11)烧向预型件(2)完成的。
20.权利要求14的方法，其特征在于还包括在将预型件(2)插入到加热室(3-5)内之前先将预型件(2)预热。
21.权利要求14的方法，其特征为，在加热步骤之前，移动预型件(2)使它通过加热室(3-5)的板状元件的上开口(15)而插入到加热室(3-5)内。
22.一种处理光纤预型件的方法，包括这样一个步骤：在拉拨前，在与拉拨单元的拉拨室分开的加热室(3-5)内形成一个经过预处理的预型件(2)，它具有一个能充分减少拉拨单元停工时间的拉拨头(30)。
23.权利要求22的方法，其特征在于还包括在加热室(3-5)内将不适合拉拨纤维的部分从预型件(2)的石英玻璃物质上熔掉。
24.权利要求22的方法，其特征在于还包括在高于1800℃的温度下形成拉拨头(30)。
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