專利名稱：一種提高光纖預制棒生產效率的方法
技術領域：
本發明屬于光通信技術，應用于光纖預制棒的制造，具體涉及用0VD工 藝制作光纖預制^f奉的過程中， 一種提高光纖預制棒生產效率的方法。該方法制造的光纖預制棒，產品性能與常規方法無異，但生產效率提升3oy。以上。
背景技術：
隨著光纖市場的發展，竟爭日趨激烈，為增強公司的贏利能力，減少原 料氣體單耗量，降低預制棒制造成本，已是大勢所趨。特別是近年來，原材 料價格不斷上漲，而光纖價格卻未同步上升，更加擠縮了光纖預制棒廠家的 利潤空間，降低原料氣體消耗成本才能進一步提高廠家的竟爭力。目前制造光纖預制棒的工藝主要有VAD、 OVD、 MCVD和PCVD， VAD和OVD 屬于外部沉積法，而MCVD和PCVD均屬于管內沉積法。管內沉積法制作光纖 預制棒徑向尺寸受限，而管外法則不受限，可用來制作徑向尺寸較大的預制 棒，這在制造成本上具有一定的優勢。在OVD方法中，原料四氯化硅(SiCh) 在氧氣(02)的攜帶下，通過氫氣(或曱烷氣)/氧氣火焰一起噴向轉動的"芯 棒"，在熱能作用下，原料發生水解反應生成Si02, 二氧化硅顆粒熱解產生的 粉塵粒子一層層的吸附在穿越火焰的轉動的"芯棒"上，形成多孔預制棒， 生成的多孔預制棒經過溫度范圍從1100。C到1500。C下通入干燥劑(例如，氯 氣)來去除水和金屬雜質，燒結成玻璃預制棒，然后拉制成光纖。OVD工藝 生成粉塵多孔預制棒反應式如下H"g) + 0"g) = H20(g) (1) SiCh(g) + 2H20(g) = Si02(s) + 4HCl(g) (2) SiCl"g) +02 (g)= Si02 (s) + 2C12 (g) (3) 2H20(g) + 2Cl2(g)=頻(g) + 02 (g) (4) 氫氧反應產生大量的熱和水汽，SiCh在火焰的不同部位分別發生上述反4應式表示的水解反應和氧化反應，生成Si02粉塵多孔預制棒，然后約在1500 °C條件下經高溫脫水和燒結形成玻璃預制棒。在OVD工藝中，利用火焰溫度與沉積面(堆積棒表面)溫度產生的溫差 而形成的溫度梯度推動細微顆粒物向堆積棒表面運動，并吸附在棒表面上。 火焰水解產生的粉塵微粒，逐漸聚合成尺寸較大的聚合體顆粒，并在通過向 靶棒傳送、擴散、熱遷移的過程中進行了初步脫水。在靠近燃燒器(也稱之 為噴燈)的區域，反應生產粉塵粒子的數量密度迅速增加并快速形成粒子聚 集核，然后穿過快速聚集區，使粉塵粒子數量密度迅速縮減。隨著粒子數量 密度的減小，顆粒碰撞率降低，導致粒子的聚合速度放慢，同時也放慢了粒 子數密度的減小速率。溫度是顆粒形成中的關鍵因素，原始顆粒的粒徑大小 取決于該溫度下的固態擴散系數，因此提高火焰溫度可以增大原始顆粒的粒 徑，火焰的溫度在很大程度上影響顆粒之間的結合程度。溫度高時，顆粒的 熱運動越劇烈，顆粒之間相互碰撞和結合的機率就越高，相應的結合成較大 顆粒的機率就越大，從而導致大顆粒的形成。溫度低時，結合作用比顆粒間 的碰撞作用要慢很多，導致比表面積(表面積與體積的比值)大的不規則顆 粒的形成。依據上述工藝原理，加快火焰相對光纖預制棒的移動速度，可提高光纖 預制棒表面與火焰的溫度差，從而提高沉積速率，但在OVD傳統工藝中，如 橫移速度過快， 一般大于3000mm/min，或使光纖預制棒表面波紋增加，燒結 后氣泡難于控制，最終對預制棒拉制光纖的性能產生不良影響。發明內容本發明要解決的技術問題和提出的技術任務是克服現有技術存在的沉積 初期沉積速率低的缺陷，提供一種提高光纖預制棒生產效率的方法。為此， 本發明采用以下技術方案一種提高光纖預制棒生產效率的方法，其特征是用OVD工藝制作光纖預 制棒時，采用下述改進方法a)改進燃燒器結構，將燃燒器的中間層出口形狀改為3~8個圓柱小孔 同心均布，并在其外增加一嵌套層，以提高燃燒火焰的溫度和生成粉塵顆粒的團聚度，使粉塵顆粒在光纖預制棒上的吸附率增加；b) 在光纖預制棒沉積初期，加快橫移速度，連續增加燃燒氣流量，提高燃燒火焰溫度，增加粉塵顆粒熱泳動力，使粉塵顆粒更加快速高效的粘附在光纖預制棒表面；c) 光纖預制棒外徑增長到設定值后，采用燃燒氣流量和橫移速度漸變縮 減的方式，減小沉積界面密度、附著力的波動及表面波紋，以此防止光纖預 制棒高溫玻璃化后其內部產生氣泡、氣線，最終達到提高生產效率的目的。0VD工藝中，燃燒器的結構對氣流噴出后的混合形態起關鍵作用，通過 改進燃燒器的結構，可使相應的氣流更好的混合，這在提高火焰溫度和促進 原料反應吸收上有明顯效果，另外，起始沉積層數和溫度對沉積速率影響很 大，適當增加橫移速度，降低光纖預制棒表面溫度，可促使原料吸收率增加， 從而提高沉積速率和生產效率，但速度和氣體流量變化過大，易引起母棒內 氣泡和表面波紋的產生，通過相關計算和初期試驗驗證，控制好移動速度、 氣體流量和沉積溫度，使;卩>散體密度平滑緩慢變化，可有效防止母棒內氣泡 和表面波紋的產生，并最終實現提高0VD沉積速率，降低成本，縮短作業時 間，達到提高生產效率的目的。上述方案，是基于0VD工藝的原理形成的，首先，其對燃燒器的結構改 進，由四層圓柱形同心嵌套結構改為六層圓柱形同心嵌套結構，燃燒器的中 間層出口形狀由圓筒形層疊改為3~8個圓柱小孔同心均布，并在其外增加 一嵌套層，使燃燒氣體預混形態更有利于生成易吸附型團聚顆粒的反應；其 次，增加沉積作業中的橫移速度，并控制轉速、橫移速度和橫移距離的關系， 防止棒表面波紋的產生；第三，通過燃料氣體流量曲線的調整，控制火焰溫 度及氣體流速，使粉塵沉積層之間結合牢固，各層密度波動平緩，防止玻璃 化后產生各種形狀的氣泡。本發明方法，原料氣體利用率提高，對所制得光 纖預制棒性能無不良影響。本發明方法，通過對燃燒器結構進行改進，使燃燒氣體預混形態更有利 于生成易吸附型團聚顆粒的反應，另在開始沉積作業初期階段，采用高速橫 移，外徑增長達到一定值后，采用低速橫移。采用本方法在初始棒外徑較小的情況下，可使原料反應產生的粉塵顆粒 在棒上的吸附率增加，從而使光纖預制棒的外徑迅速增大，從而提高光纖預 制棒與原料反應火焰的接觸面積，進一步增加粉塵的吸收，使原料氣體的利 用率得到提高。本發明的積極效果在于1、 通過對橫移速度及火焰氣流量的調整，可使原料氣體利用率提高10 個百分點以上，使生產成本明顯降低。2、 通過對燃燒器結構和工藝控制方式的改進，提高了 OVD方法生產光纖 預制棒的生產效率，并解決了 0VD方法制作光纖預制棒初期原料吸收速度慢 的技術問題，使生產效率提高30%以上，并使每根棒的作業時間縮短了 3小 時以上，使生產效率得到進一步提高。3、 在使生產成本降低，生產效率提高的同時，不影響產品質量，對母棒 內的氣泡及母棒表面的波紋等均無不良影響。
圖la是現有燒燒器的結構示意圖；圖lb本發明方法燃燒燒器結構；圖中，線條之間示意為氣流通道。圖2是本發明方法橫移速度隨沉積橫移擺動次數變換的曲線示意圖。 圖3是本發明方法用雙噴燃燒器對沉積波帶(粉塵顆粒粘附在靶棒上形成的波形)的互補關系形成的光纖預制棒表面示意圖。圖4是本發明方法利用橫移距離的周期性偏移來減少單燃燒器沉積粉塵波帶后的光纖預制棒表面示意圖。圖5是本發明方法對橫移距離進行周期性偏移的橫移位置示意圖。圖6是本發明方法依據橫移距離的變化進行了氣流量曲線調整示意圖。圖7是本發明實例與原工藝在固定時間內生產的預制棒的重量增長曲線比較示意圖。圖中標號說明1-現有燃燒器，2-改進燃燒器，3、 4-單個燃燒器火焰形 成的粉塵波帶，5-疊加后形成的粉塵波帶，6-橫移距離總偏移量，7-單次偏 移距離，8-改進后沉積粉塵重量增長曲線，9-原沉積粉塵重量增長曲線。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。一種提高光纖預制棒生產效率的方法，其根本構思是用0VD工藝制作光 纖預制棒時，采用下述改進方法a) 改進燃燒器結構，將燃燒器的中間層出口形狀改為3~8個圓柱小孔同 心均布，并在其外增加一嵌套層，以提高燃燒火焰的溫度和生成粉塵顆粒的 團聚度，使粉塵顆粒在光纖預制棒上的吸附率增加；b) 在光纖預制棒沉積初期，加快橫移速度，連續增加燃燒氣流量，提高 燃燒火焰溫度，增加粉塵顆粒熱泳動力，使粉塵顆粒更加快速高效的粘附在 光纖預制棒表面；c) 光纖預制棒外徑增長到設定值后，釆用燃燒氣流量和橫移速度漸變縮 減的方式，減小沉積界面密度、附著力的波動及表面波紋，以此防止光纖預 制棒高溫玻璃化后其內部產生氣泡、氣線，最終達到提高生產效率的目的。作為對上述技術方案的進一步完善和補充，本發明還包括以下附加技術 特征在光纖預制棒沉積初期，提高燃燒火焰的溫度至高于光纖預制棒表面的 溫度20(TC ~ 500°C。所述的加快燃燒器的橫移速度是指沉積開始300分鐘以內，間歇性來回 橫移擺動燃燒器或者光纖預制棒，次數至少為800次，橫移速度位于 3000腿/min 8000mm/min，每次單向遠離橫移(遠離橫移是指燃燒器與光纖 預制棒之間的距離增大的橫移)完成后采用2-5倍于橫移速度的速度返回 (返回是指燃燒器與光纖預制棒之間的距離減小的橫移)，參見圖5,其中一 個右指向的箭頭和一個其下的與其相鄰的左指向的箭頭表示一次來回，右指 向箭頭的長度表示燃燒器相對光纖預制棒遠離擺動的距離以及起點位置，左 指向箭頭的長度表示燃燒器相對光纖預制棒接近擺動的距離以及返回位置， 換言之，圖中表示的5次遠離擺動，在每次的起點位置燃燒器相對光纖預制 棒的距離漸遠，在最后一次遠離擺動后返回至首次遠離擺動的起點，如此5 次往復作為一個周期。以漸變方式到達高速橫移速度，從基準速度100mm/min~ 300mm/min開 始，遞增速度間隔不超過500mm/min，并保持單次橫移內速度穩定不變。低 速橫移速度控制在3000mm/min以下。所述的連續增加燃燒氣流量，提高燃燒火焰溫度，是指將燃料氫氣的流 量控制在IOO slm~ 300slm并增長流量，火焰溫度控制在800°C ~ 1200°C。在初期快速橫移沉積完成后，燃料氫氣流量降為與光纖預制棒沉積初期 時的流量相同，然后再遞增。為消除快速沉積時光纖預制棒表面的波紋，橫移速度V、光纖預制棒的 旋轉速度N、燃燒器的間距b之間的關系如下V=2bN/(2n+l),其中n是自 然數，取值范圍在1-IO間；實際橫移速度在上式計算出的理論橫移速度上土 10%波動。為消除快速沉積時光纖預制棒表面的波紋，橫移速度V、光纖預制棒的 旋轉速度N、橫移距離偏移總量D、單次橫移偏移量d之間的關系如下 D=(n-l)V/N/n， d=D/n，其中n是自然數，取值范圍在1-IO間；實際的橫移 距離偏移總量D和單次橫移偏移量d的設定在上式計算出的理論值上±10% 波動。所述燃燒器的橫移速度緩增到需要的快速橫移速度進行沉積完成后再緩 減，以防止光纖預制棒高溫玻璃化后棒內產生氣泡和氣線。 以下通過具體例子對本發明做具體說明。按照下述方法實施用OVD工藝制作光纖預制棒包層，把燃燒氣體、助 然氣體及反應原料SiCU氣體通入圖lb所示的燃燒器，燃燒器噴出的火焰居 中聚焦到一根旋轉的芯棒上，并使芯棒相對于火焰以圖2所示的速度變化橫 向移動(鑒于橫移速度的定義，芯棒相對于火焰的橫移可以通過移動芯棒或/ 和燃燒器實現)，初期橫移速度由低速(100-200rara/min)很快過渡到高速 (3000-8000mm/min)，參見圖2。在相對高速的條件下，反應生產的粉塵以 較高速率吸附到芯棒上，形成光纖預制棒，到達60-IOO隱的外徑，光纖預制 棒相對火焰的橫移速度再變換到低速。最終以較高的沉積效率得到理想的表 面平整的光纖預制棒。為得到表面平整，玻璃化后無氣泡的預制棒，同時采用下述多項措施在高速下單燃燒器沉積的粉塵呈螺旋波帶狀，為消除這種波帶，使光纖 預制棒表面平整，采用多燃燒器沉積，利用各燃燒器沉積的粉塵波峰、波谷互補的關系之后生成的光纖預制棒表面狀況如圖3所示，橫移速度V、旋轉 速度N、燃燒器間距b之間以如下關系設定b= nV/N+V/(2N)，即 V=2bN/(2n+l)，其中n是自然數，取值范圍在1-IO間，實際橫移速度在上式 計算出的理論橫移速度上± 10%波動。為進一步減少在高速下沉積的光纖預制棒表面產生螺旋波帶狀，需對橫 移距離進行周期性的偏移，偏移之后的光纖預制棒表面波紋疊加如圖4所示， 表面波帶變小而密。橫移速度V、旋轉速度N、橫移距離偏移總量D、單次偏 移量d之間的關系如下(圖5): D=(n-l)V/N/n， d=D/n,其中n是自然數， 取值范圍在1-10間，實際的偏移量D和d值的設定在上式計算出了理論值上 ± 10%波動。橫移速度的變化加大，在同樣的燃燒氣體流量下，會導致光纖預制棒表 面溫度過低或過高，使光纖預制棒各層密度差加大，粘附力降低，燒結過程 中因各層收縮不同而產生剪切力，使不同的粉塵層間出現界面滑移，進而形 成螺旋形氣泡。對此需跟據橫移速度的變化對燃燒氣流量量相應的調整，典 型的流量曲線如圖6所示。在上述條件下，重量增長較原有生產條件的重量增長率明顯加快，如圖 7所示。實例1:原條件生產采用H2、 02作為燃燒氣體，SiCh作為Si02粉塵生成的原料，以一定的 流量通入圖la所示的燃燒器，沉積時H2氣基準流量120slm，初期層橫移速 度100mm/min，逐次遞增到橫移速度1000mm/min，并保持不變，相應調節燃 燒氣流量逐漸增大，光纖預制棒表面溫度保持在1200-80(TC之間，生產光纖 預制棒特性如下光纖預制棒密度0. 5g/cm3。氣泡缺陷無。玻璃預制棒表面波紋最大值(相臨40隨間)0. lram。實例1所述光纖預制棒的特性均符合相關標準要求。 實例2:燃燒器結構改進后生產采用H2、 02作業燃燒氣體，SiCU作為Si02粉塵生成的原料，以一定的 流量通入圖lb所示的燃燒器，H2氣基準流量120slm，初期層橫移速度 100mm/min,逐次遞增到纟黃移速度1000mm/min，并保持不變，相應調節燃燒 氣流量逐漸增大，光纖預制棒表面溫度保持在1200-800。C之間，生產光纖預 制棒特性如下光纖預制棒密度0. 65g/cm3。氣泡缺陷無。玻璃預制棒表面波紋最大值(相臨40mm間)0. 08mm。實例2所述光纖預制棒的特性均符合相關標準要求，單根棒沉積速率較實例1提高20%,原料氣體消耗成本較實例1下降11%，同時作業時間較實例1減少1小時以上。實例3:燃燒器結構和初期沉積控制方式均改進后生產釆用H2、 02作業燃燒氣體，SiCU作為Si02粉塵生成的原料，以一定的 流量通入圖lb所示的燃燒器，H2氣基準流量120slm,初期層橫移速度 100隱/min,高速橫移采用8000隱/min，低速橫移采用1000腿/min，隨橫移 速度的變化，相應調節燃燒氣流量，使光纖預制棒表面溫度保持在1200-800 。C之間相應變化，并設定相應的橫移偏移距離和轉速，生產光纖預制棒特性 如下:光纖預制棒密度0. 48g/cm3。 氣泡缺陷無。玻璃預制棒表面波紋最大值(相臨40mm間)0. lmm。實例3所述光纖預制棒的特性均符合相關標準要求，單根棒沉積速率較 實例l提高36%,原料氣體消耗成本較實例1下降21%，同時作業時間較實例 1減少2小時以上。備注(本發明的一些術語的定義)沉積速率指單位時間內吸附沉積到光纖預制棒上的粉塵粒子質量。 橫移速度指燃燒器與光纖預制棒在單位時間內的相對位置變化速率。 表面波紋指沉積生成的光纖預制棒和玻璃化后形成的玻璃預制棒的圓柱形表面的相臨單位距離內的外徑波動的差值。團聚度指在燃燒器火焰中，反應生成的小粉塵顆粒，隨氣流的流動逐漸聚合成大顆粒的程度。吸附率指在沉積反應中，粘附到靶棒上的粉塵顆粒量與反應生成的總量的比值。粒子數量密度指單位體積內顆粒的數量。玻璃預制棒內氣泡指多孔疏松粉塵預制棒在高溫燒結的玻璃化過程中，形成的玻璃體內的空心氣孔。玻璃預制棒內氣線指多孔疏松粉塵預制棒在高溫燒結的玻璃化過程中，形成的玻璃體內呈曲線狀連通的微小氣孔。VAD是Vapor Axial Deposition,汽相軸向沉積的縮寫。0VD是Outside Vapor Deposition,夕卜部汽相沉積的縮寫。MCVD是Modif ied Chemical Vapor Deposition,改進的4b學汽相沉積的縮寫。PCVD是Plasma Chemical Vapor Deposiotn,等離子體化學汽相沉積的縮寫。1權利要求
1、一種提高光纖預制棒生產效率的方法，其特征是用OVD工藝制作光纖預制棒時，采用下述改進方法a)改進燃燒器結構，將燃燒器的中間層出口形狀改為3～8個圓柱小孔同心均布，并在其外增加一嵌套層，以提高燃燒火焰的溫度和生成粉塵顆粒的團聚度，使粉塵顆粒在光纖預制棒上的吸附率增加；b)在光纖預制棒沉積初期，加快橫移速度，連續增加燃燒氣流量，提高燃燒火焰溫度，增加粉塵顆粒熱泳動力，使粉塵顆粒更加快速高效的粘附在光纖預制棒表面；c)光纖預制棒外徑增長到設定值后，采用燃燒氣流量和橫移速度漸變縮減的方式，減小沉積界面密度、附著力的波動及表面波紋，以此防止光纖預制棒高溫玻璃化后其內部產生氣泡、氣線，最終達到提高生產效率的目的。
2、 根據權利要求1所述的一種提高光纖預制棒生產效率的方法，其特征 是在光纖預制棒沉積初期，提高燃燒火焰的溫度至高于光纖預制棒表面的溫 度200°C ~ 500°C。
3、 根據權利要求l所述的一種提高光纖預制棒生產效率的方法，其特征 是所述的加快橫移速度是指沉積開始300分鐘以內，間歇性來回橫移擺動燃 燒器或者光纖預制棒，次數至少為800次，橫移速度位于3000mm/min~ 8000隱/min,每次單向遠離橫移完成后采用2 ~ 5倍于橫移速度的速度返回。
4、 根據權利要求1所述的一種提高光纖預制棒生產效率的方法，其特征 是所述的連續增加燃燒氣流量，提高燃燒火焰溫度，是指將燃料氫氣的流量 控制在100 slm 300slm并增長流量，火焰溫度控制在800°C ~ 1200°C。
5、 根據權利要求1或4所述的一種提高光纖預制棒生產效率的方法，其 特征是在初期快速橫移沉積完成后，燃料氫氣流量降為與光纖預制棒沉積初 期時的流量相同，然后再遞增。
6、 根據權利要求l所述的一種提高光纖預制棒生產效率的方法，其特征 是為消除快速沉積時光纖預制棒表面的波紋，橫移速度V、光纖預制棒的旋 轉速度N、燃燒器的間距b之間的關系如下V=2bN/(2n+l),其中n是自然數，取值范圍在1-10間，實際橫移速度在上式計算出的理論橫移速度上±10% 波動。
7、 根據權利要求1所述的一種提高光纖預制棒生產效率的方法，其特征 是為消除快速沉積時光纖預制棒表面的波紋，橫移速度V、光纖預制棒的旋 轉速度N、橫移距離偏移總量D、單次橫移偏移量d之間的關系如下 D=(n-l)V/N/n， d=D/n，其中n是自然數，取值范圍在1-IO間，實際的橫移 距離偏移總量D和單次橫移偏移量d的設定在上式計算出的理論值上±10% 波動。
8、 根據權利要求1所述的一種提高光纖預制棒生產效率的方法，其特征 是所述燃燒器的橫移速度緩增到需要的快速橫移速度進行沉積完成后再緩 減，以防止光纖預制棒高溫玻璃化后棒內產生氣泡和氣線。
全文摘要
一種提高光纖預制棒生產效率的方法，屬于光通信技術，現有OVD沉積技術在初期沉積過程中，因初始棒徑小，與粉塵火焰接觸面少，粉塵在棒上堆積率低，造成光纖預制棒徑向增長很慢。本發明是在用OVD工藝制作光纖預制棒時，對燃燒器的結構改進，并在沉積初期橫移速度加快，增加燃燒氣流量，提高火焰溫度，加大生成粉塵顆粒的火焰與棒表面的溫度差，增加顆粒熱泳動力，使粉塵顆粒更加快速高效的粘附在光纖預制棒表面，外徑增長到一定程度后，采用氣流量和橫移速度縮減的參數調整，減小沉積界面的波動，以消除棒表面的波紋并防止高溫玻璃化后內部產生氣泡、氣線等，生產產品性能與常規方法無異，使材料成本下降，生產效率提高30％以上。
文檔編號C03B37/018GK101565272SQ20091009914
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月25日 優先權日2009年5月25日
發明者劉連勇, 盧衛民, 吳海港, 宋太中 申請人:富通集團有限公司