一种光纤拉丝装置及其拉丝方法

摘要

本发明涉及光纤制造技术领域，具体的是一种光纤拉丝装置及其拉丝方法。其包括拉丝炉炉体和气体控制装置，所述的炉体内设置石墨加热元件、加热线圈和惰性保护气体通道，所述的气体控制装置与惰性保护气体通道相连且控制其气体流量，炉体上方设置吊棒平台，光纤预制棒尾端通过石英玻璃尾管与吊棒平台相连，炉体出口下方依次设置冷却管、涂覆器、固化单元和牵引装置。其根据拉丝炉石墨加热元件的内径尺寸确定正常拉丝用氦气气体流量；在不同工艺阶段设定不同的氦气气体流量；对不同的工艺阶段，根据拉丝速度、拉丝炉温度等工艺参数进行定义，从而实现不同工艺阶段氦气气体流量的自动控制，节省能源消耗、降低了生产成本。

权利要求

1.一种光纤拉丝装置，其特征在于，包括拉丝炉炉体和气体控制装置，所述的炉体内设置石墨加热元件、加热线圈和惰性保护气体通道，所述的气体控制装置与惰性保护气体通道相连且控制其气体流量，炉体上方设置吊棒平台，光纤预制棒尾端通过石英玻璃尾管与吊棒平台相连，炉体出口下方依次设置冷却管、涂覆器、固化单元和牵引装置；

基于上述的拉丝装置进行光纤拉丝的方法，包括以下步骤：拉丝炉中的加热元件将光纤预制棒软化，拉出所需直径的光纤，经过冷却管冷却，在涂覆器中涂上具有保护作用的涂层，经固化单元对涂层进行固化后，再经牵引装置绕到光纤缠绕筒上，直到光纤预制棒的有效沉积部分全部拉成光纤，关闭拉丝炉；

在拉丝过程的各阶段，气体控制装置自动控制通入惰性气体中氦气的量，其包括以下步骤：

1)根据光纤预制棒外径选择合适的石墨加热元件，根据石墨加热元件的尺寸计算正常拉丝阶段氦气的气体流量，以保证拉丝炉炉体的光纤成型区的氦气气体流速大于等于

0.10m/min；

2)安装阶段：将接有石英玻璃尾管的光纤预制棒吊装到吊棒平台，并将光纤预制棒对中，光纤预制棒前端缓慢进入拉丝炉炉体的加热腔，安装阶段拉丝炉温度小于待机温度，气体控制装置通入氩气或氮气，关闭氦气通入，开启拉丝炉；

3)起头与升速阶段：当拉丝炉温度大于待机温度，且拉丝速度小于等于目标速度时，气体控制装置保持步骤2)中氩气或氮气的气体流量，通入氦气气体流量大于等于步骤1)确定的正常拉丝阶段氦气的气体流量；

4)正常拉丝阶段：当拉丝炉温度大于待机温度，拉丝速度达到目标速度时，气体控制装置保持步骤2)中氩气或氮气的气体流量，逐步降低拉丝炉内的氦气气体流量至步骤1)确定的正常拉丝阶段氦气的气体流量；

5)拉丝收尾阶段：拉丝炉温度小于待机温度，且拉丝速度降为0，气体控制装置保持步骤2)中氩气或氮气的气体流量，并逐步将拉丝炉内氦气气体流量降为0。

2.根据权利要求1所述的一种光纤拉丝装置，其特征在于，所述的惰性保护气体通道包括氩气或氮气和氦气通道。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤拉丝装置，其特征在于，所述的步骤3)和4)拉丝炉温度大于待机温度，且拉丝速度瞬间降为0时，气体控制装置保持步骤2)中氩气或氮气的气体流量，逐步将氦气气体流量增加到大于等于步骤1)确定的正常拉丝阶段氦气的气体流量，再依次执行步骤3)、4)、5)，直到拉丝收尾阶段。

4.根据权利要求1或2所述的一种光纤拉丝装置，其特征在于，所述的步骤1)保证拉丝炉炉体的光纤成型区的氦气气体流速大于等于0.15m/min。

5.根据权利要求1或2所述的一种光纤拉丝装置，其特征在于，所述的步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)中的待机温度小于1500℃。

6.根据权利要求1或2所述的一种光纤拉丝装置，其特征在于，所述的步骤3)起头与升速阶段通入的氦气气体流量大于等于步骤1)确定的正常拉丝阶段氦气的气体流量的2倍。

说明书

一种光纤拉丝装置及其拉丝方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤制造技术领域，具体的是一种光纤拉丝装置及其拉丝方法。

背景技术

[0002] 光纤拉丝就是将光纤预制棒加热软化并拉制成合适尺寸的光导纤维并涂覆涂层的过程。由于光纤预制棒的软化需要2000℃的高温，目前主要采用感应炉和电阻炉，这两种拉丝炉的加热元件主要都为石墨，而石墨件在高温下容易氧化，从而造成所拉光纤的强度变差的问题，为防止石墨加热元件的氧化，需要在拉丝炉内保持惰性气体氛围，目前普遍采取的方法是在拉丝过程中，在拉丝炉内通入一定量的氩气、氮气、氦气等气体，结合拉丝炉上下口与光纤预制棒之间的密封，阻止外界环境中的氧气进入拉丝炉内部。

[0003] 随着光纤预制棒制造工艺的发展，光纤预制棒尺寸的规格越来越多，由于大直径或超大直径的光纤预制棒在提高预制棒的利用率、增加设备效率等方面的优势，基于降低光纤生产成本的考虑，大尺寸或超大尺寸的光纤预制棒越来越受到欢迎。随着光纤预制棒尺寸的增加，拉丝炉加热元件的内径也随之增大，光纤预制棒与加热元件之间的间隙也随之增大，研究表明，加热元件与光纤预制棒之间的导热过程存在辐射导热和对流导热两部分，随着加热元件和光纤预制棒之间的间隙的增加对流导热的均匀性变差，光纤的包层不圆度和裸光纤外径的波动变得难以控制，由于氦气的传热性能较为优异，增加He的流量能够有效的改善对流导热的均匀性，进而改善拉丝炉内温场分布的均匀性，故在光纤的拉丝生产中也广泛使用到氦气。但是氦气是不可再生资源，随着氦气在工业生产中的广泛应用，氦矿资源的日益减少，氦气的使用成本持续增加，而近年来各采购商的光纤采购价格持续走低，因此如何降低光纤拉丝生产过程中氦气的成本成为近年来光纤行业的研究热点。

[0004] 光纤拉丝过程中各种类型的预制棒所需的工艺气的总量和各气体的比例各不相同，目前已公开的专利都是以同一流量和比例持续通入工艺气体，还没有专利根据加热元件的尺寸不同和光纤预制棒的类型的不同确定所需的工艺气体的总量和各工艺气体的配比，也没有专利根据拉丝各阶段加热元件与光纤预制棒之间的间隙的不同改变工艺气体的流量及比例。

发明内容

[0005] 针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种根据拉丝炉石墨加热元件的内径尺寸确定正常拉丝用氦气气体流量、不同工艺阶段设定不同的氦气气体流量、节约能源、降低成本的光纤拉丝装置及其拉丝方法。

[0006] 为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

[0007] 一种光纤拉丝装置，其包括拉丝炉炉体和气体控制装置，所述的炉体内设置石墨加热元件、加热线圈和惰性保护气体通道，所述的控制装置与惰性保护气体通道相连且控制其气体流量，炉体上方设置吊棒平台，光纤预制棒尾端通过石英玻璃尾管与吊棒平台相连，炉体出口下方依次设置冷却管、涂覆器、固化单元和牵引装置。

[0008] 上述的一种光纤拉丝装置，其所述的惰性保护气体通道包括氩气或氮气和氦气通道。

[0009] 一种光纤拉丝的方法主要是拉丝炉中的加热元件将光纤预制棒软化，拉出所需直径的光纤，经过冷却管冷却，在涂覆器中涂上具有保护作用的涂层，经固化单元对涂层进行固化后，再经牵引装置绕到光纤缠绕筒上，直到光纤预制棒的有效沉积部分全部拉成光纤，关闭拉丝炉；在拉丝过程的各阶段，控制装置自动控制通入惰性气体中氦气的量，其包括以下步骤：

[0010] 1)根据光纤预制棒外径选择合适的石墨加热元件，根据石墨加热元件的尺寸计算正常拉丝阶段氦气的气体流量，以保证拉丝炉炉体的光纤成型区的氦气气体流速大于等于0.10m/min；

[0011] 2)安装阶段：将接有石英玻璃尾管的光纤预制棒吊装到吊棒平台，并将光纤预制棒对中，光纤预制棒前端缓慢进入拉丝炉炉体的加热腔，安装阶段拉丝炉温度小于待机温度，气体控制装置通入氩气或氮气，关闭氦气通入，开启拉丝炉；

[0012] 3)起头与升速阶段：当拉丝炉温度大于待机温度，且拉丝速度小于等于目标速度时，气体控制装置保持步骤2)中氩气或氮气的气体流量，通入氦气气体流量大于等于步骤1)确定的正常拉丝阶段氦气的气体流量；

[0013] 4)正常拉丝阶段：当拉丝炉温度大于待机温度，拉丝速度达到目标速度时，气体控制装置保持步骤2)中氩气或氮气的气体流量，逐步降低拉丝炉内的氦气气体流量至步骤1)确定的正常拉丝阶段氦气的气体流量；

[0014] 5)拉丝收尾阶段：拉丝炉温度小于待机温度，且拉丝速度降为0，气体控制装置保持步骤2)中氩气或氮气的气体流量，并逐步将拉丝炉内氦气气体流量降为0。

[0015] 上述的一种光纤拉丝方法，其所述的步骤3)和4)拉丝炉温度大于待机温度，且拉丝速度瞬间降为0时，气体控制装置保持步骤2)中氩气或氮气的气体流量，逐步将氦气气体流量增加到大于等于步骤1)确定的正常拉丝阶段氦气的气体流量，再依次执行步骤3)、4)、5)，直到拉丝收尾阶段。

[0016] 上述的一种光纤拉丝方法，其所述的步骤1)保证拉丝炉炉体的光纤成型区的氦气气体流速大于等于0.10m/min，最好是控制在大于等于0.15m/min，这样能获得更好的光纤包层直径和包层不圆度。

[0017] 上述的一种光纤拉丝方法，其所述的步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)中的待机温度小于1500℃。

[0018] 上述的一种光纤拉丝方法，其所述的步骤3)起头与升速阶段通入的氦气气体流量大于等于步骤1)确定的正常拉丝阶段氦气的气体流量，最好是大于等于步骤1)确定的正常拉丝阶段氦气的气体流量的2倍，这样能获得更好的光纤包层直径和包层不圆度。

[0019] 有益效果：

[0020] 本发明依据不同外径的光纤预制棒以及拉丝过程的不同阶段，被加热的石英玻璃部分与加热元件之间的间隙是不同的，间隙的大小变化将影响温度场的均匀性的问题，其创新点在于：第一，根据拉丝炉石墨加热元件的内径尺寸确定正常拉丝用氦气气体流量；第二，根据实际生产过程中光纤预制棒拉丝的不同工艺阶段设定不同的氦气气体流量；第三，对不同的工艺阶段，可以根据拉丝速度、拉丝炉的温度等工艺参数进行定义，从而实现不同工艺阶段氦气气体流量的自动控制，节省能源消耗、降低了生产成本。

附图说明

[0021] 下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

[0022] 图1为本发明装置的结构示意图。

[0023] 图2为本发明拉丝炉炉体内部结构示意图。

[0024] 图3为本发明拉丝方法的流程示意图。

[0025] 图4为实施例1的拉丝炉炉体内部结构示意图。

[0026] 图5为实施例1拉丝过程的包层直径分布图。

[0027] 图6为实施例1拉丝过程的包层不圆度分布图。

[0028] 图7为实施例2的拉丝炉炉体内部结构示意图。

[0029] 图8为实施例2拉丝过程的包层直径分布图。

[0030] 图9为实施例2拉丝过程的包层不圆度分布图。

[0031] 图10为实施例3的拉丝炉炉体内部结构示意图。

[0032] 图11为实施例3拉丝过程的包层直径分布图。

[0033] 图12为实施例3拉丝过程的包层不圆度分布图。

具体实施方式

[0034] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

[0035] 参照图1和图2，本发明的拉丝装置包括拉丝炉炉体1和气体控制装置，所述的炉体1内设置石墨加热元件、加热线圈2和惰性保护气体通道，惰性保护气体通道包括氩气或氮气氦气通道，所述的气体控制装置与惰性保护气体通道相连且控制其气体流量。炉体1上方设置吊棒平台3，光纤预制棒4尾端通过石英玻璃尾管5与吊棒平台3相连，将光纤预制棒4对中，光纤预制棒4前端进入拉丝炉发热腔。炉体1出口下方依次设置冷却管6、涂覆器7、固化单元8和牵引装置9。

[0036] 如图2所示，拉丝炉石墨加热元件的内径设为r1，光纤预制棒4的主棒体部分最大直径设为r2，根据光纤预制棒4的外径r2选择合适的石墨加热元件，根据石墨加热元件的尺寸计算通入拉丝炉1中惰性保护气体中的氦气气体流量，其要求是保证正常拉丝阶段光纤成型区，即c区的氦气气体流速不小于0.15m/min，则正常拉丝时通入的气体流量为0.15*π*r12/4，其中r1的单位为m。在光纤拉丝的起头剪锥和升速阶段是光纤预制棒变径部分形成的阶段，锥形直接影响所拉出光纤的芯包同心度误差、包层不圆度等参数，在拉丝的起头剪锥和升速阶段控制氦气气体流量应大于正常拉丝阶段氦气气体流量。

[0037] 参照图3，在拉丝过程中，可以根据拉丝速度和拉丝炉温度定义拉丝各工艺阶段，设置自动控制程序，实现拉丝各工艺阶段氦气气体流量的自动控制减少人为干预。当拉丝炉温度小于1500℃，控制装置自动识别该阶段处于停炉阶段，只通入氩气或氮气保护，关闭氦气；当拉丝炉温度大于1500℃，且速度小于等于目标速度时，控制装置自动识别该阶段处于起头阶段(包括升温掉头阶段、抽丝阶段、升速阶段)，在保持通入的氩气或氮气气体流量不变的基础上，自动通入2*0.15*π*r12/4L/min的氦气；当拉丝炉温度大于1500℃，拉丝速度达到目标速度，控制装置自动识别拉丝升速达到稳定状态，进入正常拉丝阶段，保持通入的氩气或氮气气体流量不变，逐步降低拉丝炉内的氦气气体流量到0.15*π*r12/4L/min；当拉丝炉温度大于1500℃，且拉丝速度瞬间降为0时，控制装置自动识别拉丝塔断状态，保持氩气或氮气气体流量不变，逐步将氦气气体流量增加到2*0.15*π*r12/4L/min，再依次执行起头、升速、正常拉丝步骤；当拉丝炉温度小于1500℃，且拉丝速度降为0，控制装置自动识别该阶段为拉丝收尾阶段，保持通入的氩气或氮气气体流量不变，自动逐步将拉丝炉内氦气气体降低到0。

[0038] 下面通过具体的实施例对本发明进行进一步的详细说明，下面三个实施例分别包括了外径140mm、外径180mm、外径200mm光纤预制棒的拉丝实施例。

[0039] 实施例一：

[0040] 如图4所示，使用外径140mm光纤预制棒拉丝，选择石墨加热元件的内径r1为164mm，为保证正常拉丝阶段，光纤成型区氦气的气体流速不低于0.15m/min，根据V＝0.15*π*r12/4计算通入拉丝炉的惰性保护气体中氦气的流量为3.2L/min。拉丝炉软化光纤预制棒、拉出所需直径的光纤，经过冷却管冷却、涂覆器涂上具有保护作用的涂层，在固化单元固化后经牵引装置绕到光纤缠绕筒上，直到光纤预制棒的有效沉积部分全部拉成合格光纤，关闭拉丝炉。在拉丝过程中，当拉丝炉温度低于1500℃，控制装置自动识别该阶段处于停炉阶段，只通入氩气或氮气保护，关闭氦气；当拉丝炉温度大于1500℃，且速度小于等于
1500m/min时，控制装置自动识别该阶段处于起头与升速阶段(包括升温掉头阶段、抽丝阶段、升速阶段)，控制装置在保持通入的氩气或氮气气体流量不变的基础上，自动通入6.4L/min的氦气；当拉丝炉温度大于1500℃，拉丝速度达到1500m/min，控制装置自动识别拉丝升速达到稳定状态，进入正常拉丝阶段，控制装置保持通入的氩气或氮气气体流量不变，逐步降低拉丝炉内的氦气气体流量到3.2L/min；当拉丝炉温度大于1500℃，且拉丝速度瞬间降为0时，控制装置自动识别拉丝塔断状态，控制装置保持氩气或氮气气体流量不变，逐步将氦气气体流量增加到6.4L/min，再依次执行起头、升速、正常拉丝步骤；当拉丝炉温度小于
1500℃，且拉丝速度降为0，控制装置自动识别该阶段为拉丝收尾阶段，控制装置保持通入的氩气或氮气气体流量不变，自动逐步将拉丝炉内氦气气体降低到0。

[0041] 由于光纤预制棒拉丝过程中各拉丝工艺阶段间氦气气体流量的变化都是以很小的步长进行的，使得拉丝炉内的气流始终处于比较稳定的状态，确保了拉丝过程中光纤的包层直径和包层不圆度始终没有发生明显的变化，参照图5、图6所示。

[0042] 实施例二：

[0043] 如图7所示，使用外径180mm光纤预制棒拉丝，选择石墨加热元件的内径r1为216mm，为保证正常拉丝阶段，光纤成型区氦气的气体流速不低于0.15m/min，根据V＝0.15*
2
π*r1/4计算通入拉丝炉的惰性保护气体中氦气的流量为5.5L/min。在拉丝过程中，当拉丝炉温度小于1500℃，控制装置自动识别该阶段处于停炉阶段，只通入氩气或氮气保护，关闭氦气；当拉丝炉温度大于1500℃，且速度小于等于1800m/min时，控制装置自动识别该阶段处于起头与升速阶段(包括升温掉头阶段、抽丝阶段、升速阶段)，控制装置在保持通入的氩气或氮气气体流量不变的基础上，自动通入11L/min的氦气；当拉丝炉温度大于1500℃，拉丝速度达到1800m/min，控制装置自动识别拉丝升速达到稳定状态，进入正常拉丝阶段，控制装置保持通入的氩气或氮气气体流量不变，逐步降低拉丝炉内的氦气气体流量到5.5L/min；当拉丝炉温度大于1500℃，且拉丝速度瞬间降为0时，控制装置自动识别拉丝塔断状态，控制装置保持氩气或氮气气体流量不变，逐步将氦气气体流量增加到11L/min，再依次执行起头、升速、正常拉丝步骤；当拉丝炉温度小于1500℃，且拉丝速度为0，控制装置自动识别该阶段为拉丝收尾阶段，控制装置保持通入的氩气或氮气气体流量不变，自动逐步以
0.1L/min的步长将拉丝炉内氦气气体降低到0。

[0044] 由于光纤预制棒拉丝过程中各拉丝工艺阶段间氦气气体流量的变化都是以很小的步长进行的，使得拉丝炉内的气流始终处于比较稳定的状态，确保了拉丝过程中光纤的包层直径和包层不圆度始终没有发生明显的变化，如图8和图9所示。

[0045] 实施例三：

[0046] 如图10所示，使用外径200mm光纤预制棒拉丝，选择石墨加热元件的内径r1为226mm，为保证正常拉丝阶段，光纤成型区氦气的气体流速不低于0.15m/min，根据V＝0.15*
2
π*r1/4计算通入拉丝炉的惰性保护气体中氦气的流量为6L/min。在拉丝过程中，当拉丝炉温度小于1500℃，控制装置自动识别该阶段处于停炉阶段，只通入氩气或氮气保护，关闭氦气；当拉丝炉温度大于1500℃，且速度小于等于2000m/min时，控制装置自动识别该阶段处于起头与升速阶段(包括升温掉头阶段、抽丝阶段、升速阶段)，控制装置在保持通入的氩气或氮气气体流量不变的基础上，自动通入12L/min的氦气；当拉丝炉温度大于1500℃，拉丝速度达到2000m/min，控制装置自动识别拉丝升速达到稳定状态，进入正常拉丝阶段，控制装置保持通入的氩气或氮气气体流量不变，逐步降低拉丝炉内的氦气气体流量到6L/min；
当拉丝炉温度大于1500℃，且拉丝速度瞬间降为0时，控制装置自动识别拉丝塔断状态，控制装置保持氩气或氮气气体流量不变，逐步将氦气气体流量增加到12L/min，再依次执行起头、升速、正常拉丝步骤；当拉丝炉温度小于1500℃，且拉丝速度为0，控制装置自动识别该阶段为拉丝收尾阶段，控制装置保持通入的氩气或氮气气体流量不变，自动逐步将拉丝炉内氦气气体降低到0。

[0047] 由于光纤预制棒拉丝过程中各拉丝工艺阶段间氦气气体流量的变化都是以很小的步长进行的，使得拉丝炉内的气流始终处于比较稳定的状态，确保了拉丝过程中光纤的包层直径和包层不圆度始终没有发生明显的变化，如图11和图12所示。

[0048] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。