CN205473379U - 一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯 - Google Patents

一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯 Download PDF

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Abstract

本实用新型一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯涉及的是一种大尺寸光纤预制棒制造过程使用的喷灯，使用该喷灯及方法可有效提升生产速率、原材料利用率，降低生产成本。一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯包括原料中心管、内层密封气体喷灯口、燃烧气体喷出口、内层助燃性气体喷出口、外层助燃性气体喷出口和外层密封气体喷灯口；喷灯的原料中心管为原料管，原料中心管的外侧为内层密封气体喷出口，内层密封气体喷出口的外侧为燃烧气体喷灯口，燃烧气体喷出口内，相对于原料管同心地布置一圈内层助燃性气体喷出口，在内层助燃性气体喷出口的外侧，同心地布置一圈外层助燃性气体喷出口，外层助燃性气体喷出口的外侧为外层密封气体喷出口。

Description

一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯
技术领域
本实用新型一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯涉及的是一种大尺寸光纤预制棒制造过程使用的喷灯，使用该喷灯及方法可有效提升生产速率、原材料利用率，降低生产成本。
背景技术
为降低光纤生产成本，同时提高沉积效率，大尺寸光纤预制棒成为预制棒技术发展的主要方向。
光纤预制棒主要有四种制造工艺，即VAD（轴向气相沉积法）、OVD（外部气相沉积法）、PCVD（低温等离子气相沉积法）和MCVD（改进的化学气相沉积法）。
外部气相沉积法（OVD）是目前最常用的外包层制备方法。该方法的沉积速率、原材料利用率主要受喷灯结构及流量设定的影响。目前OVD广泛使用的喷灯，由于喷灯结构设计不合理，燃烧气体、助燃气体、原材料无法充分反应，造成沉积速率和原材料利用率较低。
为了提高光纤预制棒的产能，必须提升沉积速率。然而，沉积速率的增加会导致沉积效率的降低，使得光纤预制棒的生产成本增加。另外，沉积效率的降低使沉积腔体内没有沉积在粉末棒上的SiO2颗粒增加，导致腔体内漂浮的颗粒物附着到粉末棒的表面，使得粉末棒烧结后在预制棒内存在气泡。
外部气相沉积法（OVD）所使用的喷灯，中国发明专利尚未涉及。日本专利No.04-243929公开了一种具有同轴线多管路结构的喷灯，在该结构中，原料喷出口位于燃烧气体喷出口和助燃气体喷出口之间。在该喷灯中，喷出燃烧气体（H2）和助燃气体（O2），从而原料气体（SiCl4）夹在该燃烧气体和助燃气体之间，使得形成SiO2，该种结构的喷灯沉积速率较慢。
现有的大尺寸光纤预制棒OVD制造技术中，由于喷灯结构设计及工艺参数设定的原因，产量无法有效提升，同时原材料利用率较低，给企业带了损失。因此，发明一种新型喷灯，并设计出最佳的流量匹配值，成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
本实用新型目的是针对上述不足之处提供一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯，主要是发明了一种新型喷灯，并根据喷灯的管路结构及原料气体流速，设定了最佳的原料、气体流量。该新型喷灯，能够有效提升喷灯的沉积速率、原材料利用率；同时，使用最佳的原料、气体流量能有效降低预制棒内的气泡数量。
一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯是采取以下技术方案实现：
目前最通用的预制棒制造工艺为轴向气相沉积工艺（VAD工艺）+外部气相沉积工艺（OVD工艺），使用轴向气相沉积工艺（VAD工艺）制备出芯棒，制备出的芯棒使用外部气相沉积工艺（OVD工艺）在芯棒的外层附着SiO2粉末，形成疏松体粉末棒，粉末棒经烧结炉脱水、玻璃化形成最终的透明预制棒。
OVD装置是利用相对的、沿轴向移动的喷灯将石英粉末沉积在旋转的接有把棒的芯棒上，芯棒直径约50mm，当喷灯支架运行回数达到设定值时，设备自动停止。粉末棒沉积速率、原材料利用率的高低主要取决于喷灯的设计结构及流量设定，目前外部气相沉积工艺（OVD工艺）使用的喷灯受制于设计结构的限制，沉积速率、原材料利用率相对较低；且由于原材料利用率低，腔体内悬浮的石英颗粒较多，容易附着在粉末棒上，烧结后在预制棒内形成气泡。
一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯包括原料中心管、内层密封气体喷灯口、燃烧气体喷出口、内层助燃性气体喷出口、外层助燃性气体喷出口和外层密封气体喷灯口。
本实用新型的喷灯安装在外包沉积设备喷灯支架上，在生产过程中喷灯随喷灯支架往复移动，将SiO2颗粒附着在芯棒上。本实用新型的喷灯的原料中心管为原料管，原料中心管的外侧为内层密封气体喷出口，用于隔绝原料和燃烧、助燃气体，防止原料在喷灯口反应，堵塞喷灯。内层密封气体喷出口的外侧为燃烧气体喷灯口，燃烧气体喷出口内，相对于原料中心管同心地布置一圈内层助燃性气体喷出口。在内层助燃性气体喷出口的外侧，同心地布置一圈外层助燃性气体喷出口。外层助燃性气体喷出口的外侧为外层密封气体喷出口，用于控制喷灯的火焰形状，防止火焰分散。
本实用新型一种大尺寸光纤预制棒制造方法包括以下工艺步骤：
1）使用轴向气相沉积工艺（VAD工艺）制备出芯棒，芯棒直径约50mm；
2）在芯棒两端对接把棒；
3）对接有把棒的芯棒进行抛光，除去对接口的应力，同时除去芯棒表面的杂质。抛光流量：H2 ：300L/min，内O2：80L/min，外O2：70L/min ；
4）将对接有把棒的芯棒两端安装在沉积设备的卡盘基座上；
5）对沉积喷灯喷灯点火，按“自动运转”按钮，沉积设备卡盘基座以50rpm 的转速开始旋转，喷灯随喷灯支架以250mm/min 的移动速度开始在芯棒表面沉积SiO2 粉末，排风罩始终位于喷灯的正上方，和喷灯的移动速度相同；
6）生产过程中喷灯流量：SiCl4：50g/min，H2 ：120L/min，内O2 ：20L/min，外O2 ：35L/min，内Ar：4L/min ，外Ar：20L/min；
7）喷灯将石英粉末沉积在旋转的接有把棒的芯棒上，转速50rpm，当喷灯支架运行回数达到设定值时，沉积结束，设备自动停止；
8）粉末棒沉积结束后，沉积用喷灯自动熄火，沉积结束；
9）粉末棒在烧结炉进行脱水、玻璃化，制成大尺寸光纤预制棒；
10）根据沉积过程中消耗的SiCl4总流量及最终的预制棒有效重量，预制棒有效重量为总重量-芯棒重量-把棒重量，计算沉积速率及原材料利用率；
11）烧结得到的透明预制棒在暗室的聚光灯下观察进行检查，确认包层内的气泡数量，包层内气泡的数量小于2，且气泡直径小于1mm为合格品。
一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯及其大尺寸光纤预制棒制造方法设计合理，能够有效升沉积速率、原材料利用率；同时结合最佳的流量设定值，能有效降低预制棒内气泡的数量。这种喷灯构造简单，成本与当前广泛使用的喷灯相当。
本实用新型不仅可以确保生产的正常进行，还可以提升沉积速率、原材料利用率，提升企业的产能，降低企业生产成本。同时，该发明能有效降低预制棒内气泡的数量，提升预制棒的质量，降低拉丝断纤率，提升拉丝合格率。
附图说明
以下将结合附图对本实用新型作进一步说明：
图1外部气相沉积法（OVD）制造光纤预制棒的设备示意图。
图2 本实用新型喷灯的喷嘴配置的主视图。
图3 比较对比例1中使用喷灯的喷嘴配置的主视图。
图4 实施例1和比较对比例1中的原料的供给速率和沉积效率之间的关系较图。
具体实施方式
目前最通用的预制棒制造工艺为轴向气相沉积工艺（VAD工艺）+外部气相沉积工艺（OVD工艺），使用轴向气相沉积工艺（VAD工艺）制备出芯棒，制备出的芯棒使用外部气相沉积工艺（OVD工艺）在芯棒的外层附着SiO2粉末，形成疏松体粉末棒，粉末棒经烧结炉脱水、玻璃化形成最终的透明预制棒。
OVD装置是利用相对的、沿轴向移动的喷灯将石英粉末沉积在旋转的接有把棒的芯棒上，芯棒直径约50mm，当喷灯支架运行回数达到设定值时，设备自动停止。粉末棒沉积速率、效率、原材料利用率的高低主要取决于喷灯的设计结构及流量设定，目前外部气相沉积工艺（OVD工艺）使用的喷灯受制于设计结构的限制，沉积速率、原材料利用率相对较低；且由于原材料利用率低，腔体内悬浮的石英颗粒较多，容易附着在粉末棒上，烧结后在预制棒内形成气泡。
参照附图1～4，一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯包括原料中心管6、内层密封气体喷出（灯）口7、燃烧气体喷出口8、内层助燃性气体喷出口9、外层助燃性气体喷出口10、外层密封气体喷灯口11。
本实用新型的喷灯4安装在外包沉积设备喷灯支架5上，在生产过程中喷灯4随喷灯支架5往复移动，将SiO2颗粒附着在芯棒1上。本实用新型的喷灯的中心管为原料中心管6，原料中心管6的外侧为内层密封气体喷出口7，用于隔绝原料和燃烧、助燃气体，防止原料在喷灯口反应，堵塞喷灯。内层密封气体喷出口7的外侧为燃烧气体喷出口8，燃烧气体喷出口8内，相对于原料中心管6同心地布置一圈内层助燃性气体喷出口9。在内层助燃性气体喷出口9（内层助燃性气体喷出口9）的外侧，同心地布置一圈外层助燃性气体喷出口10。外层助燃性气体喷出口10的外侧为外层密封气体喷出口11，用于控制喷灯的火焰形状，防止火焰分散。
本实用新型一种大尺寸光纤预制棒制造方法包括以下工艺步骤：
1）使用轴向气相沉积工艺（VAD工艺）制备出芯棒1，芯棒直径约50mm；
2）在芯棒1两端对接把棒2；
3）对接有把棒2的芯棒1进行抛光，除去对接口的应力，同时除去芯棒表面的杂质。抛光流量：H2：300L/min，内O2 ：80L/min，外O2 ：70L/min ；
4）将对接有把棒2的芯棒1两端安装在沉积设备的卡盘基座3上；
5）对沉积喷灯4喷灯点火，按“自动运转”按钮，沉积设备卡盘基座3以50rpm 的转速开始旋转，喷灯4随喷灯支架5以250mm/min 的移动速度开始在芯棒1表面沉积SiO2 粉末，排风罩12始终位于喷灯4的正上方，和喷灯的移动速度相同；
6）生产过程中喷灯4流量：SiCl4：50g/min，H2 ：120L/min，内O2 ：20L/min，外O2 ：35L/min，内Ar：4L/min ，外Ar：20L/min；
7）喷灯4将石英粉末沉积在旋转的接有把棒2的芯棒1上，转速50rpm，当喷灯支架5运行回数达到设定值时，沉积结束，设备自动停止；
8）粉末棒沉积结束后，沉积用喷灯4自动熄火，沉积结束；
9） 粉末棒在烧结炉进行脱水、玻璃化，制成大尺寸光纤预制棒；
10）根据沉积过程中消耗的SiCl4总流量及最终的预制棒有效重量，预制棒有效重量为总重量-芯棒重量-把棒重量，计算沉积速率及原材料利用率；
11）烧结得到的透明预制棒在暗室的聚光灯下观察进行检查，确认包层内的气泡数量，包层内气泡的数量小于2，且气泡直径小于1mm为合格品。
实施例1
采用VAD工艺制备芯棒，将芯棒延伸后，测试其折射率剖面，由测试结果计算外包层所需量。
测试完成的芯棒在两端对接把棒，对接把棒后对芯棒进行抛光，去除由于对接产生的应力。抛光完成的带有把棒的芯棒称为枝棒，根据测试结果选择合适的目标回数，采用OVD 法在芯棒上沉积外包层，最后制得目标外径为400mm 的粉末棒。
本实用新型的喷灯的原料中心管6供给SiCl4+O2，内层密封气体喷出口7供给Ar，燃烧气体喷灯口8供给H2，内层助燃性气体喷出口9供给O2，外层助燃性气体喷出口10供给O2，外层密封气体喷出口11供给Ar。
表1 列出了供给到各喷嘴的气体的种类、流量和流速以及各气流在其各自出口处 在喷嘴的径向上的距离
喷灯管路 所使用的气体 流量(SLM) 流速（m/s） 气流的厚度(mm)
原料中心管 SiCl4+O2 50+10 38.00 1.0
内层密封气体喷灯口 Ar 4 5.20 1.0
燃烧气体喷出口 H2 120 19.92 2.0
内层助燃性气体喷出口 O2 20 1.83 2.0
外层助燃性气体喷出口 O2 35 3.20 2.0
外层密封气体喷灯口11 Ar 20 4.67 1.0
沉积结束的粉末棒在烧结炉进行脱水、玻璃化，得到透明的预制棒。透明预制棒在暗室的聚光灯下观察，包层内无气泡。
根据沉积过程中消耗的SiCl4总流量及最终的预制棒有效重量（总重量-芯棒重量-把棒重量），计算沉积速率及原材料利用率：
沉积速率97g/min，原材料利用率71%。
实施例2
采用与实施例1相同的喷灯及OVD工艺。本实施例喷灯的原料中心管6供给SiCl4+H2，其它喷灯管路供应气体与实施例1相同。
表2列出了供给到各喷嘴的气体的种类、流量和流速以及各气流在其各自出口处 在喷嘴的径向上的距离
喷灯管路 所使用的气体 流量(SLM) 流速（m/s） 气流的厚度（mm）
原料中心管 SiCl4+H2 50+10 34.50 1.0
内层密封气体喷灯口 Ar 4 5.20 1.0
燃烧气体喷出口 H2 120 19.92 2.0
内层助燃性气体喷出口 O2 20 1.83 2.0
外层助燃性气体喷出口 O2 35 3.20 2.0
外层密封气体喷灯口11 Ar 20 4.67 1.0
沉积结束的粉末棒在烧结炉进行脱水、玻璃化，得到透明的预制棒。透明预制棒在暗室的聚光灯下观察，包层内无气泡。
根据沉积过程中消耗的SiCl4总流量及最终的预制棒有效重量（总重量-芯棒重量-把棒重量），计算沉积速率及原材料利用率：
沉积速率95g/min，原材料利用率69%。
对比例1
对比例1中所用的喷灯为五层管路结构，如图3。其中管13供给SiCl4+O2，管14供给Ar，管15供给H2，管16供给O2，管17供给Ar。管13、管14的气流厚度分别为2.6mm、2.5mm，大于实施例1、2。对比例1所用的OVD工艺与实施例1相同。
表3列出了供给到各喷嘴的气体的种类、流量和流速以及各气流在其各自出口处 在喷嘴的径向上的距离
喷灯管路编号 所使用的气体 流量(SLM) 流速（m/s） 气流的厚度（mm）
13 SiCl4+O2 50+10 38.00 2.6
14 Ar 4 2.67 1.0
15 H2 120 18.84 2.5
16 O2 55 5.19 2.0
17 Ar 20 5.33 1.0
沉积结束的粉末棒在烧结炉进行脱水、玻璃化，得到透明的预制棒。透明预制棒在暗室的聚光灯下观察，包层内有2个气泡，且气泡的直径<1mm。
根据沉积过程中消耗的SiCl4总流量及最终的预制棒有效重量（总重量-芯棒重量-把棒重量），计算沉积速率及原材料利用率：
沉积速率81g/min，原材料利用率54%。
对比
实施例1 中的原料SiCl4与助燃气体O2 的混和气体的流量和流速与比较例1相同。但是，在实施例1 中气流的厚度是1.0mm，而在比较例1 中气流的厚度是2.6mm，即：实施例1中气流的厚度明显比比较例1的厚度小（实施例2与实施例1相同）。因此，实施例1和实施例2中，原料能够与从其它喷嘴喷出的燃烧气体和助燃气体迅速地混和，从而促进水解反应。因此，实施例1和2中的沉积速率分别提高到97g/min和95g/min，高于比较例1中的81g/min；原材料利用率分别提高到71% 和69%，高于比较例1 中的54%。
当分别改变实施例1和比较例1中的原料SiCl4 的供给速率时，实施例1中的沉积效率随供给速率的增加仅轻微波动，而比较例1中的沉积效率随着供给速率的增加而显著下降，如图4。
因此，根据本实用新型，能够明显地提高光纤预制棒的沉积速率、原材料利用率，提升企业产能，降低企业生产成本；同时，预制棒内气泡的数量明显降低，预制棒的质量得以提升。

Claims (2)

1.一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯，其特征在于：包括原料中心管、内层密封气体喷灯口、燃烧气体喷出口、内层助燃性气体喷出口、外层助燃性气体喷出口和外层密封气体喷灯口；
喷灯的原料中心管的外侧为内层密封气体喷出口，用于隔绝原料和燃烧、助燃气体，防止原料在喷灯口反应，堵塞喷灯，内层密封气体喷出口的外侧为燃烧气体喷灯口，燃烧气体喷出口内，相对于原料管同心地布置一圈内层助燃性气体喷出口；在内层助燃性气体喷出口的外侧，同心地布置一圈外层助燃性气体喷出口，外层助燃性气体喷出口的外侧为外层密封气体喷出口，用于控制喷灯的火焰形状，防止火焰分散。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸光纤预制棒制造用喷灯，其特征在于：喷灯安装在外包沉积设备喷灯支架上，在生产过程中喷灯随喷灯支架往复移动，将SiO2颗粒附着在芯棒上。
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