發(fā)布時(shí)間：2020-09-26所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：本文主要探討使用火焰加工預(yù)制棒拉絲錐頭的工藝。從預(yù)制棒熱透狀態(tài)分析火焰拉錐的工藝關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，并針對火焰拉錐生產(chǎn)過程中兩種易見問題的分析，提出解決方案。 關(guān)鍵詞：光纖預(yù)制棒光纖拉絲火焰拉錐火焰拋光 1、引言 近幾年來，國內(nèi)各大光纖光纜企
摘要：本文主要探討使用火焰加工預(yù)制棒拉絲錐頭的工藝。從預(yù)制棒熱透狀態(tài)分析火焰拉錐的工藝關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，并針對火焰拉錐生產(chǎn)過程中兩種易見問題的分析，提出解決方案。
關(guān)鍵詞：光纖預(yù)制棒光纖拉絲火焰拉錐火焰拋光
1、引言
近幾年來，國內(nèi)各大光纖光纜企業(yè)紛紛投資建立光纖預(yù)制棒工廠，逐步實(shí)現(xiàn)光纖預(yù)制棒自給自足。預(yù)制棒制造過程的最后一個(gè)加工作業(yè)，是在光纖預(yù)制棒的一端制作出光纖拉絲錐頭。各廠家制作拉絲錐頭的工藝技術(shù)可分成冷加工或熱加工兩種工藝?。比較兩種工藝制作的錐頭，在光纖拉絲過程中，使用熱加工制作的錐頭在拉絲效率、調(diào)整纖損耗、原材料損耗上有較大的優(yōu)勢。本文將探討光纖預(yù)制棒拉絲錐頭熱加工工藝中的火焰拉錐技術(shù)。
相關(guān)期刊推薦：《現(xiàn)代傳輸》于1975年創(chuàng)刊，由信息產(chǎn)業(yè)部主管、電信科學(xué)技術(shù)第五研究所(原郵電部第五研究所)主辦，自創(chuàng)刊來，發(fā)表了大量的光通信技術(shù)、光通信網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)以及通信電纜、光纜等領(lǐng)域的論文，并及時(shí)介紹、分析通信領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)及趨勢，為通信領(lǐng)域的科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行維護(hù)等部門的廣大工程技術(shù)人員提供了許多有價(jià)值的信息和資料。
2.熱加工錐頭的拉絲優(yōu)勢光纖預(yù)制棒的錐頭在拉絲爐中從加熱到熔融狀態(tài)，在重力作用下滴下熔融的玻璃球頭，并帶出玻璃細(xì)絲(裸光纖)，將裸光纖穿過測徑儀、涂覆裝置、固化裝置等裝置到收線盤，在牽引裝置及收線盤的牽引下連續(xù)從熔融的錐頭抽出光纖細(xì)絲。前述作業(yè)過程正常后，再完成設(shè)備升速和外徑控制的工藝調(diào)整，使設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)定的高速拉絲階段(正常拉絲階段)。在設(shè)備正常穩(wěn)定高速拉絲之前產(chǎn)出的光纖，我們稱為調(diào)整纖，其來源是光纖預(yù)制棒加工的拉絲錐頭部分。相較兩種預(yù)制棒拉絲錐頭的拉絲調(diào)整纖階段，熱加工的預(yù)制棒拉絲錐頭具有非常明顯的優(yōu)勢，具體情況如下：
(1)光纖預(yù)制棒在拉絲爐內(nèi)的熔融主要是通過熱輻射傳熱的，該過程是非接觸式的。熱加工的拉絲錐頭外表面是光滑透明的，利于輻射光線的穿透;而冷加工的拉絲錐頭，表面粗糙，不透明，容易對輻射光線產(chǎn)生反射、散射，不利于預(yù)制棒的加熱，滴頭前的加熱時(shí)間比熱加工的錐頭需時(shí)要長。
(2)熱加工的拉絲錐頭中包層直徑與纖芯直徑比值完全符合光纖的125：8的規(guī)格，因此在拉絲滴頭后，當(dāng)裸光纖直徑達(dá)到125微米，拉絲線速度穩(wěn)定后，拉絲出的光纖模場直徑符合光纖標(biāo)準(zhǔn)。但是，冷加工的拉絲錐頭，因錐頭部位的包芯比不是125：8的規(guī)格，在正常拉絲階段仍舊有幾十公里的光纖模場直徑不符合光纖標(biāo)準(zhǔn)。
(3)冷加工的拉絲錐頭表面若粗糙度過大，在拉絲滴頭后的調(diào)整纖階段，因表面微裂紋多，在設(shè)備升速時(shí)容易出現(xiàn)斷纖，作業(yè)人員需重復(fù)升溫、滴頭、穿線等工作，降低拉絲生產(chǎn)效率。更有甚者，因冷加工錐頭表面微裂紋大，導(dǎo)致被牽引出的光纖表面粘連性差，出現(xiàn)糖葫蘆式的外徑波動(dòng)，造成堵爐。堵爐后需要拉絲爐降溫，拆爐清掃，再重新升溫滴頭拉絲，極大地降低拉絲爐生產(chǎn)效率。
3.火焰拉錐工藝研究
光纖預(yù)制棒除纖芯摻雜微量二氧化鍺外，主要成分是高純二氧化硅，軟化溫度點(diǎn)在1600攝氏度以上。因而，對光纖預(yù)制棒熱加工制作拉絲錐頭，需要使用高溫電爐或高溫氣體火焰作為加熱源。采用兩種熱源的設(shè)備和工藝有很大的差異，相對來說，使用高溫氣體火焰制作拉絲錐頭具有操作簡單，錐頭制作損耗小，生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢。各預(yù)制棒廠家常用的火焰拉錐方式是在預(yù)制棒圓周上設(shè)立圓弧形圈火，棒體在圈火中心旋轉(zhuǎn)加熱，當(dāng)預(yù)制棒拉錐部位整體加熱到熔融狀態(tài)，再通過設(shè)備牽引將熔融部位拉細(xì)成錐頭。然而，近些年預(yù)制棒制造技術(shù)發(fā)展迅速，直徑逐漸增大(最大直徑已達(dá)到
3.1改善玻璃熱透狀態(tài)，讓拉錐成為可能
玻璃內(nèi)部的傳熱可以通過熱傳導(dǎo)和熱輻射，低溫下以傳導(dǎo)為主，而高溫狀態(tài)則以輻射為主。且在高溫下(t>80(TC)輻射傳熱的作用明顯劇增，而傳導(dǎo)傳熱增加得很緩慢[2]。但是，總體來說，玻璃無論是在低溫還是在高溫狀態(tài)下，其總的導(dǎo)熱系數(shù)并不是特別高。因而，預(yù)制棒直徑增大后，使用高溫氣體火焰加熱，熱量從表面?zhèn)鲗?dǎo)到棒體中心的難度加大，時(shí)間增長。在這個(gè)熱量傳導(dǎo)過程中，被加熱了的玻璃會(huì)持續(xù)向周邊空氣和預(yù)制棒冷端(加熱部位之外的部分)傳導(dǎo)熱量，若火焰寬度(加熱寬度)過窄，即使預(yù)制棒表面加熱到熔融狀態(tài)(白熾狀態(tài))，表層之下的預(yù)制棒仍無法達(dá)到軟化狀態(tài)(如圖3所示)。該現(xiàn)象可稱為玻璃的熱透狀態(tài)差，也是預(yù)制棒直徑增大后制作拉絲錐頭的關(guān)鍵難題。該狀態(tài)下的預(yù)制棒無法進(jìn)行錐頭制作，因而我們需要改善其熱透狀態(tài)。圖1：拉絲爐結(jié)構(gòu)剖面及拉絲滴頭冷加工錐頭3.火焰拉錐I：藝研究光纖預(yù)制棒除纖芯摻雜微量二氧化鍺外，主要成分是高純二氧化硅，軟化溫度點(diǎn)在1600攝氏度以上。因而，對光纖預(yù)制棒熱加工制作拉絲錐頭，需要使用高溫電爐或高溫氣體火焰作為加熱源。采用兩種熱源的設(shè)備和工藝有很大的差異，相對來說，使用高溫氣體火焰制作拉絲錐頭具有操作簡單，錐頭制作損耗小，生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢。各預(yù)制棒廠家常用的火焰拉錐方式是在預(yù)制棒圓周上設(shè)立圓弧形圈火，棒體在圈火中心旋轉(zhuǎn)加熱，當(dāng)預(yù)制棒拉錐部位整體加熱到熔融狀態(tài)，再通過設(shè)備牽引將熔融部位拉細(xì)成錐頭。然而，近些年預(yù)制棒制造技術(shù)發(fā)展迅速，直徑逐漸增大(最大直徑已達(dá)到
改善預(yù)制棒熱透狀態(tài)前，我們需先了解預(yù)制棒軸向剖面上的溫度場形成過程。如圖4所示，火焰噴燈對預(yù)制棒加熱時(shí)，從預(yù)制棒軸向剖面上看，熱量從預(yù)制棒表面向中心傳導(dǎo)(同時(shí)向預(yù)制棒冷端傳導(dǎo))，越靠近預(yù)制棒中心，溫度越低，呈現(xiàn)出“三角形”或是正態(tài)分布曲線形的溫度梯度場。預(yù)制棒在被加熱的同時(shí)，也作為一個(gè)高溫物體向周邊散發(fā)熱量，如方向1是向空氣中輻射熱量，方向2是向棒體自身冷端傳導(dǎo)和輻射熱量(再由預(yù)制棒冷端向空氣散發(fā)熱量)。噴燈火焰持續(xù)加熱，預(yù)制棒表面溫度持續(xù)增加，當(dāng)預(yù)制棒從噴燈火焰獲得的熱1與其散失掉的熱量相等時(shí)，預(yù)制棒軸向剖面上的溫度梯度場就穩(wěn)定了。如果穩(wěn)定的溫度場中心溫度低于預(yù)制棒軟化溫度(也就是熱透狀態(tài)差)，就無法制作拉絲錐頭。從前述的溫度場形成過程分析中，我們提出改善預(yù)制棒熱透狀態(tài)的幾點(diǎn)思路，進(jìn)行了試驗(yàn)。
(1)增設(shè)噴燈，提高氣體火焰的熱量供應(yīng)
我們將噴燈數(shù)量從3個(gè)增加到5個(gè)、7個(gè)，加熱預(yù)制棒(如圖5所示)，其目的是增加外界的熱量，使得熱量能從預(yù)制棒表面?zhèn)鲗?dǎo)得更深。但是，噴燈數(shù)量增加后，預(yù)制棒表面燒到白熾色，而表層之下的玻璃仍舊是透明狀態(tài)(低溫狀態(tài))，無法制作拉絲錐頭。拉錐失敗的原因是噴燈加熱寬度過窄，熱量向預(yù)制棒中心傳導(dǎo)過程中，從方向2散失速度過快，熱量從預(yù)制棒表面向中心傳導(dǎo)熱量不夠。
(2)新設(shè)計(jì)噴燈，改變加熱寬度
針對增設(shè)噴燈試驗(yàn)失敗的原因，我們在噴燈設(shè)計(jì)上主要改變火焰出口的大小，噴燈口徑增大。如圖6所示，噴燈改進(jìn)后，使用2只噴燈就可將原本相同尺寸的預(yù)制棒加熱透，并能制作拉絲錐頭。增大噴燈口徑主要是讓加熱寬度增加，減少方向2上的散失，使得火焰中心的熱量能向預(yù)制棒中心傳導(dǎo)得更深。雖然增大噴燈口徑能有效改善大尺寸預(yù)制棒熱透狀態(tài)，但是還存在加熱時(shí)間長、加工成本高的問題。因此，在該試驗(yàn)基礎(chǔ)上，再考慮減少方向1上的熱量散失。
(3)增設(shè)保溫筒，減少熱量散失
相較于使用電爐制作拉絲錐頭的工藝，電爐具有全包圍式的保溫結(jié)構(gòu)，能有效減少熱量損耗。當(dāng)然，火焰拉錐也可參考電爐的保溫方式，在噴燈加熱區(qū)設(shè)計(jì)一個(gè)保溫箱體。查閱國內(nèi)專利文獻(xiàn)w[41，目前有相關(guān)廠家在火焰車床上設(shè)置有保溫箱體，使用的保溫材料分別是耐高溫保溫纖維和石英玻璃磚。
3.2火焰拉錐常見問題
(1)預(yù)制棒表面燒結(jié)物
如圖5、圖6照片所示，在噴燈火焰加熱區(qū)域邊緣會(huì)出現(xiàn)兩圈白色燒結(jié)物。燒結(jié)物來源于火焰加熱區(qū)的預(yù)制棒揮發(fā)出的二氧化硅顆粒。這些顆粒在噴燈火焰氣流帶到加熱區(qū)邊緣，遇到溫度相對較低的預(yù)制棒表面，吸附在該位置。吸附的二氧化硅顆粒再受到火焰加熱的影響，吸附力逐漸增大，變成無法擦除的燒結(jié)物。該燒結(jié)物會(huì)破壞預(yù)制棒表面強(qiáng)度，在拉絲過程中容易出現(xiàn)斷纖。因此，在調(diào)試火焰拉錐工藝時(shí)，優(yōu)化噴燈設(shè)計(jì)、安裝和氣體工藝條件，盡量避免預(yù)制棒錐頭邊緣出現(xiàn)燒結(jié)物。若預(yù)制棒拉錐后出現(xiàn)燒結(jié)物，補(bǔ)救方法主要有兩種：①在火焰拉錐快結(jié)束時(shí)，移動(dòng)噴燈位置，對燒結(jié)物部位火焰拋光;②預(yù)制棒火焰拉錐冷卻后，使用氫氟酸酸洗燒結(jié)物。
(2)拉絲錐頭開裂
預(yù)制棒火焰錐頭制作后，受到震動(dòng)或磕碰時(shí)易出現(xiàn)圓周形開裂。開裂的原因是預(yù)制棒錐頭附近存在較大應(yīng)力，并超出玻璃的承受極限。火焰拉錐中應(yīng)力殘留的過程：
1)制棒加熱拉錐過程中，噴燈火焰向加熱區(qū)兩側(cè)流竄，距離預(yù)制棒錐頭邊緣一定距離的部位被加熱，該加熱無法將預(yù)制棒表面加熱到熔融狀態(tài)，因此在預(yù)制棒包層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力;
2)預(yù)制棒錐頭制作后，冷卻過快，預(yù)制棒表面冷卻收縮，導(dǎo)致被流竄火焰加熱的包層內(nèi)部應(yīng)力無法釋放，反而進(jìn)一步增大。
當(dāng)受到外界誘因引導(dǎo)，該殘留的應(yīng)力超過玻璃承受極限時(shí)，會(huì)導(dǎo)致預(yù)制棒表面開裂。要解決預(yù)制棒錐頭開裂問題，首先調(diào)整好噴燈安裝角度、噴燈與預(yù)制棒間距、燃?xì)饬髁康裙に噮?shù)，減少火焰流竄，其次是做好預(yù)制棒錐頭退火工作，尤其預(yù)制棒外徑越大越需要退火。最省力的退火方法是延長拉絲錐頭在保溫筒內(nèi)冷卻滯留的時(shí)間，避免拉絲錐頭驟冷。
4.總結(jié)
綜上所述，對大尺寸預(yù)制棒火焰拉錐的技術(shù)難點(diǎn)主要是如何將預(yù)制棒加熱到熔融狀態(tài)，關(guān)鍵技術(shù)是減少預(yù)制棒加熱區(qū)的熱量向冷端和空氣傳導(dǎo)損耗。根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，加大噴燈加熱區(qū)寬度和增設(shè)保溫筒，能有效改善大尺寸預(yù)制棒的熱透狀態(tài)，并且具有加熱效率高，節(jié)省能耗的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，針對預(yù)制棒火焰拉錐常見的表面燒結(jié)物和開裂問題，技術(shù)人員需優(yōu)化噴燈設(shè)計(jì)、安裝和相關(guān)工藝，從工藝上解決問題，避免增加修復(fù)成本和損失。——論文作者：■林志偉儲(chǔ)銀君吳鈞朱曉波
