大尺寸變徑預(yù)制棒拉絲密封工藝研究

江 鋒 張子豪

（江蘇法爾勝光子有限公司，江蘇無(wú)錫214434）

0 引言

隨著光通信行業(yè)的不斷發(fā)展以及5G時(shí)代的到來(lái)，通信光纖需求量逐漸釋放，國(guó)內(nèi)各個(gè)廠商在不斷提高光棒制造工藝和拉絲水平的同時(shí)也在壓降生產(chǎn)成本。光纖預(yù)制棒尺寸逐漸由最初的φ80 mm、φ120 mm、φ150 mm發(fā)展到φ180 mm、φ200 mm，甚至更粗；拉絲速度也隨著機(jī)械穩(wěn)定性、涂覆工藝的改進(jìn)，逐步從最初的500 m/min上升到2 500～3 300 m/min。光纖拉絲工藝中，拉絲爐與光棒之間的密封設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)對(duì)光纖的強(qiáng)度、裸光纖絲徑波動(dòng)、石墨件的使用壽命等有較大影響，直接關(guān)系到光纖生產(chǎn)成本[1]。

就目前而言，國(guó)內(nèi)用于制造通信光纖的光棒生產(chǎn)工藝主要有套管法和全合成法。套管工藝便于制造大尺寸棒，而且棒體直徑均勻，對(duì)于拉絲爐的密封工藝要求較低。但該方法需要外購(gòu)套管，直接抬高了光棒的生產(chǎn)成本，所以更多的廠家選擇全合成法。全合成法由于工藝限制沉積不均勻以及燒結(jié)時(shí)受到重力影響，難免會(huì)生產(chǎn)出直徑尺寸波動(dòng)較大的光棒，棒體與把手銜接處也會(huì)形成倒錐形的疏松體，這就對(duì)拉絲爐的密封工藝提出了更高的要求[2]。

1 變徑光棒的外形特點(diǎn)

套管法（PCVD+RIC），即用等離子體化學(xué)氣相沉積法制造芯棒，再與成型的外包套管組合，經(jīng)過熔縮后用于拉絲，此種預(yù)制棒棒徑均勻，對(duì)拉絲爐的密封工藝要求較低，用普通的石英棉或石墨氈即可實(shí)現(xiàn)密封，拉絲穩(wěn)定性也較高。

全合成法（VAD+OVD），即用軸向化學(xué)氣相沉積法制造芯棒，外部化學(xué)氣相沉積法制造外包的生產(chǎn)工藝。在生產(chǎn)中由于沉積速度均勻性的影響，個(gè)別預(yù)制棒的棒徑會(huì)產(chǎn)生“波浪”形的起伏，稱之為“波紋棒”。同時(shí)，在燒結(jié)過程中會(huì)受到重力作用，導(dǎo)致光棒下粗上細(xì)，稱之為“倒錐棒”。通常單根φ180 mm棒的棒徑波動(dòng)尺寸或逐漸變細(xì)的尺寸，可達(dá)到φ25～30 mm。燒結(jié)后棒體與把手的銜接處會(huì)形成圓錐形的未燒透疏松體結(jié)構(gòu)，棒徑從φ150～180 mm快速過渡到把手的φ50 mm。由于切除細(xì)把手再熔接粗把手需要產(chǎn)生額外費(fèi)用，迫于成本壓力，光纖生產(chǎn)廠商更傾向于不換把手直接拉絲。

2 常規(guī)拉絲爐密封的不足之處

光纖拉絲時(shí)，高溫拉絲爐是靠石墨件發(fā)熱提供預(yù)制棒熔化的熱能，石墨件主要成分為C，在高溫時(shí)可以與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致石墨件氧化燒損所以拉絲生產(chǎn)時(shí)高溫爐內(nèi)會(huì)通入稀有氣體，用以保護(hù)石墨件，維持拉絲穩(wěn)定性。常規(guī)使用的密封材料石英棉和石墨氈具有松軟的特性，對(duì)于棒徑波動(dòng)在10 mm以內(nèi)的預(yù)制棒可以達(dá)到良好的密封性。但對(duì)于上述棒徑波動(dòng)在25～30 mm的棒型，其不足之處就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。棒徑較粗位置對(duì)石英棉或石墨氈的擠壓導(dǎo)致其在棒徑變細(xì)后無(wú)法充分回彈，從而導(dǎo)致爐口漏氣。空氣中的氧氣從上爐口進(jìn)入高溫拉絲爐內(nèi)，與石墨件發(fā)生氧化反應(yīng)，嚴(yán)重減損石墨件使用壽命，石墨件表面變得疏松容易掉粉，這些粉塵破壞了爐內(nèi)環(huán)境，導(dǎo)致光纖強(qiáng)度變差，引起拉絲斷纖或篩選強(qiáng)度差。爐口漏氣也會(huì)破壞拉絲爐內(nèi)工藝氣流的層流狀態(tài)，引起裸光纖絲徑波動(dòng)變大。

拉絲爐漏氣示意圖如圖1所示。

圖1 拉絲爐漏氣示意圖

3 優(yōu)化的密封裝置和光纖準(zhǔn)直自控調(diào)整裝置

為解決上述問題，本文特研發(fā)了一整套密封裝備。首先，預(yù)制棒使用萬(wàn)向節(jié)懸掛，預(yù)制棒懸掛后在一定的角度內(nèi)可以自由擺動(dòng)，由于重力作用，預(yù)制棒能夠粗略實(shí)現(xiàn)自動(dòng)垂直。預(yù)制棒與尾柄的過渡區(qū)使用雙節(jié)分體式玻璃套筒過渡，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)拉絲尾部變徑區(qū)域的過渡，維持良好的密封性。

尾柄過渡密封示意圖如圖2所示。

圖2 尾柄過渡密封

其次，為解決預(yù)制棒棒體變徑大的問題，本文設(shè)計(jì)了一款可回彈的氣封裝置，拉絲爐密封示意圖如圖3所示。該裝置由上下兩層柔性石墨材料構(gòu)成，下層結(jié)構(gòu)有彈簧收緊滑塊推動(dòng)柔性石墨材料與預(yù)支棒體貼近，調(diào)整彈簧張力使預(yù)制棒能夠平順?biāo)腿肜z爐內(nèi)。每層柔性石墨材料由多片內(nèi)環(huán)口處沿圓周方向設(shè)有若干等分的切縫的圓環(huán)組成，切縫位置交錯(cuò)放置。其雙層可回彈密封結(jié)構(gòu)可以始終保持爐口密封狀態(tài)良好。

此外，在密封裝置的外側(cè)還配備了推棒對(duì)中裝置，可根據(jù)裸光纖絲徑儀測(cè)定的光纖準(zhǔn)直位置形成反饋，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)動(dòng)作，推動(dòng)氣封裝置在爐口上部滑動(dòng)，氣封裝置可以帶動(dòng)預(yù)制棒下端小幅擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裸光纖的自動(dòng)對(duì)中功能。

4 密封工藝優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比

為了研究和對(duì)比密封工藝優(yōu)化前后的拉絲穩(wěn)定性，現(xiàn)令均勻直徑的預(yù)制棒使用石英棉或石墨氈的傳統(tǒng)密封工藝對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)用字母A表示，大尺寸變徑預(yù)支棒使用石英棉或石墨氈的傳統(tǒng)密封工藝對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)用字母B表示，大尺寸變徑預(yù)支棒使用優(yōu)化后的密封工藝對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)用字母C表示，對(duì)比3種不同的拉絲工藝的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)。

4.1 裸纖波動(dòng)情況比較

3種不同拉絲工藝的裸纖波動(dòng)情況比較如圖4所示。

從圖4可以看出，C工藝裸纖波動(dòng)情況能達(dá)到良好的水平，在（125±0.5）μm以內(nèi)。而B工藝由于拉絲中棒徑波動(dòng)引起拉絲爐口串氣，導(dǎo)致裸纖波動(dòng)較大，波動(dòng)范圍可超過（125±1）μm，對(duì)于保證裸光纖直徑的均勻性不利。

4.2 拉絲穩(wěn)斷情況比較

拉絲穩(wěn)斷情況比較如圖5所示。

A工藝的拉絲斷纖率在2.17次/萬(wàn)km；B工藝的斷纖率在5.33次/萬(wàn)km；而優(yōu)化后的密封C工藝的拉絲斷纖率在0.67次/萬(wàn)km，顯著低于前兩者。這是由于優(yōu)化后的密封材料不會(huì)像傳統(tǒng)的石英棉和石墨氈一樣在拉絲過程中產(chǎn)生碎屑或雜質(zhì)粘在棒表面，引起拉絲穩(wěn)斷，同時(shí)優(yōu)化后的密封工藝由于可以實(shí)現(xiàn)裸光纖的自動(dòng)對(duì)中，也大大降低了拉絲穩(wěn)斷的概率。對(duì)于B工藝，由于棒徑波動(dòng)導(dǎo)致的漏氣問題，氣流不穩(wěn)和石墨件氧化掉粉引起的拉絲穩(wěn)斷較多。

4.3 拉絲爐石墨件壽命比較

拉絲爐石墨件壽命比較如圖6所示。

圖4 裸纖波動(dòng)情況比較

圖5 拉絲穩(wěn)斷情況比較

圖6 拉絲爐石墨件壽命比較

優(yōu)化后的拉絲密封工藝，其雙層彈性密封結(jié)構(gòu)可以在棒徑變粗時(shí)向外彈開擴(kuò)大內(nèi)徑，棒徑變細(xì)后自動(dòng)回彈收緊，使預(yù)制棒在拉絲過程中始終保持良好的密封性，從而隔斷了外部空氣進(jìn)入拉絲爐，防止氣流紊亂引起裸纖波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)較低的拉絲和篩選斷纖率。同時(shí)，優(yōu)化后的拉絲密封工藝隔絕了氧氣的進(jìn)入，杜絕了非正常的石墨件氧化，有效延長(zhǎng)石墨件使用壽命，大大降低了生產(chǎn)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著光通信市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)廠商進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈延伸，總體布局棒纖纜一體化生產(chǎn)。同時(shí)，廠商的光纖生產(chǎn)成本壓力越來(lái)越大，采用全合成法制備的直徑變化較大的預(yù)制棒必須找到更好的技術(shù)方案來(lái)拉絲。本文研究的大尺寸變徑預(yù)制棒拉絲密封和自控技術(shù)恰好為此難題提供了很好的解決方案，大大降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。