CN110372201A - 一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒用喷灯及其疏松体制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒用喷灯及其疏松体制造方法，包括喷灯本体,喷灯本体呈多层同心套管结构,包括由内向外依次设置的原料中心管、原料中间管和原料外层管、内保护气体管和外保护气体管，其中，外保护气体管为实心管，外保护气管围绕内保护气体管具有多层环形分布气孔，多层环形分布气孔由内到外依次为内层燃烧气体喷孔、外层燃烧气体喷孔和外保护气体喷孔。用该方法制备的光纤预制棒疏松体具有四氯化硅转化率高、沉积速率高、密度分布均匀、疏松体直径波动小等优点。
Description
技术领域：
本发明涉及光纤制造技术领域，特别是一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒用喷灯及其疏松体制造方法。
背景技术：
随着光通讯产业的飞速发展，光纤市场的竞争也愈加激烈，为降低光纤制造成本，提高企业市场竞争力，制造大尺寸光纤预制棒已经成为国内光纤企业发展的必然方向。制造大尺寸光纤预制棒，一方面可以减少预制棒的头尾损耗，增加连续沉积时间，提高四氯化硅等原材料利用效率，另一方面可以减少拉丝过程中预制棒的安装、拉丝炉升温降温频率等非必要的工时，从而有效的提高了光纤预制棒拉丝的生产效率。当前光纤企业制造光纤预制棒的技术方法主要为：管外气相沉积法(OVD)、轴向气相沉积法(VAD)、等离子体化学汽相沉积法(PCVD)、改进化学汽相沉积法(MCVD)及其组合，MCVD+OVD，VAD+OVD等。其中OVD及其组合法因沉积速率高、沉积外径不受限制已成为大尺寸、高沉积速率光纤预制棒制备的主流方向，而该方法往往由于喷灯结构与沉积过程中燃烧气体、助燃气体流量的不匹配使得原材料无法充分反应，导致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。当前为了提高沉积效率往往采用多喷灯结构设计，如“多喷灯制备疏松体光纤预制棒的方法(CN104909556B)”专利技术，采用多喷灯结构(5～15个喷灯)虽然有效的提高沉积速率，但是沉积速率的增加则导致了沉积效率的降低，使得光纤预制棒的生产成本增加。同时沉积效率的降低使沉积仓体内未沉积到疏松体表面的二氧化硅颗粒增加，使得疏松体烧结后在预制棒内存在气泡、白点。又如“一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法及装置(CN104176926B)”专利技术，沉积过程中切换大小口径喷灯，虽然可以有效提高四氯化硅转化率及沉积速率，但由于两种口径喷灯的差异性切换时必然导致气体流量、火焰温度有较大的差异，使得切换时产生的二氧化硅粉末颗粒分布、堆积密度有较大的差别易导致沉积过程中疏松体开裂。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒用喷灯及其疏松体制造方法，用该方法制备的光纤预制棒疏松体具有四氯化硅转化率高、沉积速率高、密度分布均匀、疏松体直径波动小等优点。
本发明的技术解决方案是，提供一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒用喷灯，包括喷灯本体,喷灯本体呈多层同心套管结构,包括由内向外依次设置的原料中心管、原料中间管和原料外层管、内保护气体管和外保护气体管，其中，外保护气体管为实心管，外保护气管围绕内保护气体管具有多层环形分布气孔，多层环形分布气孔由内到外依次为内层燃烧气体喷孔、外层燃烧气体喷孔和外保护气体喷孔，并且所述的原料中心管、原料中间管和原料外层管分别构成用于流通四氯化硅蒸汽和运载氧气的沿出口方向的直线通路，所述内保护气体管和外保护气体喷孔分别构成用于流通氧气的沿出口方向的直线通路，内层燃烧气体喷孔、外层燃烧气体喷孔分别构成用于流通甲烷和氧气的沿出口方向的直线通路。
作为优选，内层燃烧气体喷孔、外层燃烧气体喷孔和外保护气体喷孔其路径分别平行于出口方向。
本发明还提供一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒疏松体制造方法，其在沉积阶段前期仅供给原料中心管四氯化硅蒸气和运载氧气，内保护气体喷管通入氧气以提高火焰焰芯来防止喷灯口堵塞，内层燃烧气体喷孔和外层燃烧气体喷孔通入高流量的甲烷和氧气混合气体产生高温火焰，并与四氯化硅蒸气水解反应生成二氧化硅粉尘微粒，同时外保护气体喷孔通入高流量氧气以提高火焰温度，使疏松体在温度梯度的作用下迅速长大；当疏松体直径的增长到目标直径1/5～1/4时，混合的四氯化硅蒸气和运载氧气开始向原料中间管供给，同时内保护氧气流量增大；当疏松体直径的增长到目标直径1/2～1/3时，混合的四氯化硅蒸气和运载氧气开始向原料外层管供给，而喷灯则始终采用高温；火焰以提高四氯化硅的转化率及沉积速率。
进一步的，第一步、采用轴向气相沉积工艺制备出芯棒疏松体，芯棒疏松体经烧结、脱气、拉伸工艺制备出直径30～50mm的OVD可沉积芯棒；
第二步、在芯棒两端对接把棒，并将对接有把棒的芯棒进行抛光，除去对接口的应力及芯棒表面的杂质；
第三步、将对接有把棒的芯棒两端安装在沉积设备的卡盘基座上，对沉积喷灯点火，沉积设备卡盘以300～50r/min的转速开始旋转，喷灯随喷灯支架以600～2500mm/min的移动速度开始在芯棒表面沉积二氧化硅粉末颗粒，排风罩始终位于喷灯的正上方；
第四步、疏松体沉积结束后，沉积用喷灯自动熄火，沉积结束。
采用以上方案后与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明所提供的大尺寸、高沉积速率光纤预制棒疏松体制造用喷灯，首先喷灯本体呈多层同心套管结构，结合不同沉积阶段所需不同的流量气体、原料进行供给，从而有效的提高了沉积速率及原材料利用率；其次设置内保护气体管通入氧气以提高火焰焰芯，从而延缓了四氯化硅与火焰水解反应生成二氧化硅微尘颗粒，避免了喷灯口的堵塞；最后增设外保护气体喷口通入氧气，一方面可使火焰外焰形状集中不发散有效提高了喷灯火焰的稳定性，另一方面外保护氧气的通入可以提高火焰外焰的温度增加了“热泳效应”促进更多的二氧化硅微尘颗粒向疏松体表面堆积。
(2)本发明所采用的大尺寸、高沉积速率光纤预制棒疏松体制造用喷灯，在沉积阶段前期仅供给原料中心管四氯化硅蒸气和运载氧气，内保护气体喷管通入氧气以提高火焰焰芯来防止喷灯口堵塞，内层燃烧气体喷孔和外层燃烧气体喷孔通入高流量的甲烷和氧气混合气体产生高温火焰，并与四氯化硅蒸气水解反应生成二氧化硅粉尘微粒，同时外保护气体喷孔通入高流量氧气以提高火焰温度，使疏松体在温度梯度的作用下迅速长大；当疏松体直径的增长到目标直径1/5～1/4时，混合的四氯化硅蒸气和运载氧气开始向原料中间管供给，且内/外保护氧气流量同时增大，一方面有效的提高火焰焰心的高度和焰心温度，另一方面提高了喷灯火焰的稳定性及外焰的温度，从而加剧“热泳效应”促进更多的二氧化硅微尘颗粒向疏松体表面堆积；当疏松体直径的增长到目标直径1/2～1/3时，混合的四氯化硅蒸气和运载氧气开始向原料外层管供给，同时内/外保护氧气流量再次增大以提升沉积速率和原材料利用率。
因此，本发明一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒用喷灯设计合理，用该喷灯并结合不同沉积阶段所需不同的流量气体、原料进行供给，可有效的提高了沉积速率及原材料利用率，同时该发明制备的光纤预制棒疏松体密度分布均匀、疏松体直径波动小，可有效提高预制棒的质量。
附图说明：
图1是外部气相沉积法(OVD)制造光纤预制棒疏松体的设备示意图。
图2是气体、原料供给喷灯示意图。
图3是本发明喷灯喷嘴的主视图。
图中标号说明：1-沉积仓、2-排风罩、4-卡盘、5-芯棒、6-疏松体、7-喷灯本体、8-喷灯底座、9-喷灯台、17-原料中心管、18-原料中间管、19-原料外层管、20-内保护气体管、21-内层燃烧气体喷孔、22-外层燃烧气体喷孔、23-外保护气体喷孔。
具体实施方式：
下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步说明：
如图1-3所示，一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒用喷灯，包括喷灯本体7,喷灯本体7呈多层同心套管结构,包括由内向外依次设置的原料中心管17、原料中间管18和原料外层管19、内保护气体管20和外保护气体管，其中，外保护气体管为实心管，外保护气管围绕内保护气体管具有多层环形分布气孔，多层环形分布气孔由内到外依次为内层燃烧气体喷孔21、外层燃烧气体喷孔22和外保护气体喷孔23，并且所述的原料中心管17、原料中间管18和原料外层管19分别构成用于流通四氯化硅蒸汽和运载氧气的沿出口方向的直线通路，所述内保护气体管20和外保护气体喷孔23分别构成用于流通氧气的沿出口方向的直线通路，内层燃烧气体喷孔21、外层燃烧气体喷孔22分别构成用于流通甲烷和氧气的沿出口方向的直线通路。
通过上述喷灯结构，并将其通过喷灯底座8和喷灯台9固定在沉积仓1中，首先采用VAD工艺制备出芯棒疏松体，芯棒疏松体经烧结、脱气、拉伸及焊接工艺制备出直径30-50mm的OVD可沉积芯棒，随后芯棒两端安装在沉积设备的卡盘4基座上，并将本发明喷灯安装在OVD沉积仓中的喷灯台9上。采用OVD工艺进行沉积，在沉积阶段前期仅供给原料中心管17四氯化硅蒸气和运载氧气，内保护气体管20通入氧气提高火焰焰芯防止喷灯口堵塞，燃烧气体喷口包括内层燃烧气体喷孔21和外层燃烧气体喷孔22通入高流量的甲烷和氧气混合气体产生高温度火焰，并与四氯化硅蒸气水解反应生成二氧化硅粉尘微粒，同时外保护气体喷孔23通入高流量氧气以提高火焰温度，使疏松体在温度梯度的作用下迅速长大。当疏松体直径的增长到目标直径1/5～1/4时，混合四氯化硅蒸气和运载氧气开始向原料中间管18供给，同时内保护氧气流量增大。当疏松体直径的增长到目标直径1/2～1/3时，混合四氯化硅蒸气和运载氧气开始向原料外层管19供给，而喷灯则始终采用高温度火焰以提高四氯化硅的转化率及沉积速率。
光纤预制棒疏松体的制备步骤是：
第一步、采用轴向气相沉积工艺(VAD工艺)制备出芯棒疏松体，芯棒疏松体经烧结、脱气、拉伸工艺制备出直径30～50mm的OVD可沉积芯棒；
第二步、在芯棒两端对接把棒，并将对接有把棒的芯棒进行抛光，除去对接口的应力及芯棒表面的杂质；
第三步、将对接有把棒的芯棒两端安装在沉积设备的卡盘基座上，对沉积喷灯点火，点击“自动运转”按钮，沉积设备的卡盘4以300～50r/min的转速开始旋转，喷灯随喷灯台9以600～2500mm/min的移动速度开始在芯棒表面沉积二氧化硅粉末颗粒，排风罩2始终位于喷灯的正上方；
第四步、疏松体沉积结束后，沉积用喷灯自动熄火，沉积结束。
具体地，如下两个实施例
实施例1
一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒疏松体的制备方法：采用如图1和2所示OVD沉积工艺，使用甲烷作为可燃气体，氧气作为助燃气体、载气及保护气体。原料和各气体由喷灯组件喷出，反应生成的二氧化硅粉尘微粒在芯棒5表面沉积形成疏松体6。起始转动速度220r/min，后逐渐降至65r/min；起始相对移动速度为2000mm/min，后逐渐降至900mm/min；芯棒5固定，喷灯相对起始棒往复移动。沉积阶段前期仅供给原料中心管17流量50g/min的四氯化硅蒸气和6L/min运载氧气，内保护气体管20通入10L/min氧气提高火焰焰芯防止喷灯口堵塞，内层燃烧气体喷孔21、外层燃烧气体喷孔22通入40L/min的甲烷和32L/min氧气混合气体产生高温度火焰，并与四氯化硅蒸气水解反应生成二氧化硅粉尘微粒，同时外保护气体喷孔23通入15L/min氧气以提高火焰温度，使疏松体在温度梯度的作用下迅速长大。当疏松体直径的增长到目标直径1/5时，开始向原料中间管18供给100g/min的四氯化硅蒸气和7L/min运载氧气，同时内保护氧气流量增大至15L/min。当疏松体直径的增长到目标直径1/3时，开始向原料外层管19供给120g/min的四氯化硅蒸气和8L/min运载氧气混合气体，沉积过程中喷灯与沉积表面距离始终维持在220mm～260mm间，总沉积时间为11小时。
本实施例所制备的光棒疏松体经SMS称重及激光测径仪检测：疏松体重量为113.62kg；有效部位最大直径337.1mm，最小直径336.5mm，平均直径336.8mm，直径均匀；平均密度0.58g/cm3。
实施例2
一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒疏松体的制备方法：采用如图1和2所示OVD沉积工艺，使用甲烷作为可燃气体，氧气作为助燃气体、载气及保护气体。原料和各气体由所述喷灯组件喷出，反应生成的二氧化硅粉尘微粒在芯棒5表面沉积形成疏松体6。起始转动速度200r/min，后逐渐降至55r/min；起始相对移动速度为2200mm/min，后逐渐降至1000mm/min；芯棒5固定，喷灯相对起始棒往复移动。沉积阶段前期仅供给原料中心管17流量60g/min的四氯化硅蒸气和6L/min运载氧气，内保护气体管20通入12L/min氧气提高火焰焰芯防止喷灯口堵塞，内层燃烧气体喷孔21、外层燃烧气体喷孔22通入42L/min的甲烷和34L/min氧气混合气体产生高温度火焰，并与四氯化硅蒸气水解反应生成二氧化硅粉尘微粒，同时外保护气体喷孔23通入15L/min氧气以提高火焰温度，使疏松体在温度梯度的作用下迅速长大。当疏松体直径的增长到目标直径1/4时，开始向原料中间管18供给110g/min的四氯化硅蒸气和7L/min运载氧气，同时内保护氧气流量增大至15L/min。当疏松体直径的增长到目标直径1/2时，开始向原料外层管19供给130g/min的四氯化硅蒸气和8L/min运载氧气混合气体，沉积过程中喷灯与沉积表面距离始终维持在220mm～260mm间，总沉积时间为12小时。
本实施例所制备的光棒疏松体经SMS称重及激光测径仪检测：疏松体重量为126.22kg；有效部位最大直径341.1mm，最小直径339.7mm，平均直径340.6mm，直径均匀；平均密度0.63g/cm3。
采用以上方案后与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明所提供的大尺寸、高沉积速率光纤预制棒疏松体制造用喷灯，首先喷灯本体呈多层同心套管结构，结合不同沉积阶段所需不同的流量气体、原料进行供给，从而有效的提高了沉积速率及原材料利用率；其次设置内保护气体管通入氧气以提高火焰焰芯，从而延缓了四氯化硅与火焰水解反应生成二氧化硅微尘颗粒，避免了喷灯口的堵塞；最后增设外保护气体喷口通入氧气，一方面可使火焰外焰形状集中不发散有效提高了喷灯火焰的稳定性，另一方面外保护氧气的通入可以提高火焰外焰的温度增加了“热泳效应”促进更多的二氧化硅微尘颗粒向疏松体表面堆积。
(2)本发明所采用的大尺寸、高沉积速率光纤预制棒疏松体制造用喷灯，在沉积阶段前期仅供给原料中心管四氯化硅蒸气和运载氧气，内保护气体喷管通入氧气以提高火焰焰芯来防止喷灯口堵塞，内层燃烧气体喷孔和外层燃烧气体喷孔通入高流量的甲烷和氧气混合气体产生高温火焰，并与四氯化硅蒸气水解反应生成二氧化硅粉尘微粒，同时外保护气体喷孔通入高流量氧气以提高火焰温度，使疏松体在温度梯度的作用下迅速长大；当疏松体直径的增长到目标直径1/5～1/4时，混合的四氯化硅蒸气和运载氧气开始向原料中间管供给，且内/外保护氧气流量同时增大，一方面有效的提高火焰焰心的高度和焰心温度，另一方面提高了喷灯火焰的稳定性及外焰的温度，从而加剧“热泳效应”促进更多的二氧化硅微尘颗粒向疏松体表面堆积；当疏松体直径的增长到目标直径1/2～1/3时，混合的四氯化硅蒸气和运载氧气开始向原料外层管供给，同时内/外保护氧气流量再次增大以提升沉积速率和原材料利用率。
因此，本发明一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒用喷灯设计合理，用该喷灯并结合不同沉积阶段所需不同的流量气体、原料进行供给，可有效的提高了沉积速率及原材料利用率，同时该发明制备的光纤预制棒疏松体密度分布均匀、疏松体直径波动小，可有效提高预制棒的质量。
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书所做的等效结构或等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (4)
1.一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒用喷灯，包括喷灯本体,其特征在于：喷灯本体呈多层同心套管结构,包括由内向外依次设置的原料中心管、原料中间管和原料外层管、内保护气体管和外保护气体管，其中，外保护气体管为实心管，外保护气管围绕内保护气体管具有多层环形分布气孔，多层环形分布气孔由内到外依次为内层燃烧气体喷孔、外层燃烧气体喷孔和外保护气体喷孔，并且所述的原料中心管、原料中间管和原料外层管分别构成用于流通四氯化硅蒸汽和运载氧气的沿出口方向的直线通路，所述内保护气体管和外保护气体喷孔分别构成用于流通氧气的沿出口方向的直线通路，内层燃烧气体喷孔、外层燃烧气体喷孔分别构成用于流通甲烷和氧气的沿出口方向的直线通路。
2.根据权利要求1所述的大尺寸、高沉积速率光纤预制棒用喷灯，其特征在于：内层燃烧气体喷孔、外层燃烧气体喷孔和外保护气体喷孔其路径分别平行于出口方向。
3.一种大尺寸、高沉积速率光纤预制棒疏松体制造方法，其特征在于：在沉积阶段前期仅供给原料中心管四氯化硅蒸气和运载氧气，内保护气体喷管通入氧气以提高火焰焰芯来防止喷灯口堵塞，内层燃烧气体喷孔和外层燃烧气体喷孔通入高流量的甲烷和氧气混合气体产生高温火焰，并与四氯化硅蒸气水解反应生成二氧化硅粉尘微粒，同时外保护气体喷孔通入高流量氧气以提高火焰温度，使疏松体在温度梯度的作用下迅速长大；当疏松体直径的增长到目标直径1/5～1/4时，混合的四氯化硅蒸气和运载氧气开始向原料中间管供给，同时内保护氧气流量增大；当疏松体直径的增长到目标直径1/2～1/3时，混合的四氯化硅蒸气和运载氧气开始向原料外层管供给，而喷灯则始终采用高温；火焰以提高四氯化硅的转化率及沉积速率。
4.根据权利要求3所述的大尺寸、高沉积速率光纤预制棒疏松体制造方法，其特征在于：
第一步、采用轴向气相沉积工艺制备出芯棒疏松体，芯棒疏松体经烧结、脱气、拉伸工艺制备出直径30～50mm的OVD可沉积芯棒；
第二步、在芯棒两端对接把棒，并将对接有把棒的芯棒进行抛光，除去对接口的应力及芯棒表面的杂质；
第三步、将对接有把棒的芯棒两端安装在沉积设备的卡盘基座上，对沉积喷灯点火，沉积设备卡盘以300～50r/min的转速开始旋转，喷灯随喷灯支架以600～2500mm/min的移动速度开始在芯棒表面沉积二氧化硅粉末颗粒，排风罩始终位于喷灯的正上方；
第四步、疏松体沉积结束后，沉积用喷灯自动熄火，沉积结束。
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