高速拉制大直径光纤预制棒的工艺研究及炉体结构仿真设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 03 日 作者简介：段小华(1991)，男，工学硕士，江西上饶人，2018 年毕业于武汉理工大学材料科学与工程专业，中级工程师，主要从事光纤的生产工艺开发与研发，先后参与单模光纤大尺寸光棒拉丝与无氦拉丝高温炉设计及生产工。-43-高速拉制大直径光纤预制棒的工艺研究及炉体结构仿真设计 段小华 熊 涛 韩玉平 烽火藤仓光纤科技有限公司，湖北 武汉 430070 摘要：摘要：采用模拟仿真技术对大直径光纤预制棒拉丝炉进行炉体结构设计，保证炉内温场与流场的稳定性，以满足150mm220mm 不同规格预制棒拉丝。重点对大直径预制棒高速拉丝时光纤裸纤波动与分布、包层不圆度和光纤强度与拉丝断纤等问题进行了研究。通过调整发热体结构、马氟管与预制棒间隙匹配等方式，改善提高大直径光纤预制棒高速拉丝的稳定性。关键词：关键词：电阻炉；大直径预制棒；模拟仿真；高速拉丝 中图分类号：中图分类号：TN253 0 引言 石英光纤凭借其容量大、衰减小、传输稳定等优势，被广泛应用于现代通信、光网络、电子信息与国防建设等领域。全球经济金融形式复杂多变，光纤光缆行业亦受其影响。光纤拉丝是通过拉丝炉将光纤预制棒高温加热熔融后完成拉丝成纤的过程。如何实现低成本、高效率的光纤批量生产，成为当前较为急迫的问题。其中，高速拉丝与大直径光纤预制棒的技术结合成为解决该问题的关键1。当前普遍采用2000m/min2800m/min进行120mm160mm光纤预制棒拉丝。随着拉丝速度的进一步提高与光纤预制棒直径的增大，与之相关的一系列问题将尤为突出，如拉丝塔断、光纤强度差、包层不圆度与衰减不合格等生产质量问题2，以此，更高拉丝速度与更大直径预制棒的拉丝技术结合的相关可行性研究较为急迫重要。常用的光纤拉丝炉分为两种，分别是电阻炉和感应炉，图 1 为电阻炉与感应炉的结构示意图。普遍的，对于直径小于 150mm 预制棒大部分采用电阻炉拉丝，但随着预制棒尺寸增大，电阻拉丝炉也面临诸多技术难点。一方面，需要更大的结构尺寸和更大的拉丝功率保证光棒的熔化，而大功率将加剧加热器氧化损耗；另一方面，高温炉内温场与流场稳定性控制是大直径预制棒拉丝的关键2。鉴于 此，本 文 结合 现 有 设备 采 用电 阻 炉以3200m/min 速度对185mm 光纤预制棒进行高速拉丝。通过模拟仿真实现高温炉结构最优化调整，并将对光纤裸纤直径、包层不圆度与光纤强度和拉丝断纤等各指标稳定性进行研究探讨。图 1 电阻炉与感应炉结构示意图 1 高温炉结构设计改进与光纤制备 随着预制棒的直径增加，相应的拉丝炉炉体尺寸也随之增大。本研究将结合前期公司现有炉体进行结构改进与优化，以直径为185mm 光纤预制棒拉丝作为设计基准，实现光棒直径150mm220mm 不同规格光纤预制棒拉丝的拉丝炉。1.1 炉体仿真与石墨件结构设计 高温炉的温度场是光纤稳定拉丝的核心影响因素之一，包括合适的温度梯度分布与稳定持续的温度保持。因为光纤成丝主要通过高温作用使预制棒软化、表面粘度降低，再通过外力作用使其抽拉成丝。一般的，拉丝过程中光纤预制棒成丝区域可分为变径区、拉伸区和成型区3，如图 2 所示。而大直径光棒其具有段的变径区和拉伸区，成丝点与成形区更靠上，如图 2中间图所示。为保证光棒能及时熔化拉制成丝，相应中国科技期刊数据库 工业 A-44-的光棒实际受热区加长，以满足拉丝条件。其次，高速拉丝会使棒锥成形区下沉，如图 2 右图所示。图 2 预制棒拉丝棒锥位置结构差异图；根据大直径预制棒高速拉丝时光棒成丝区域的特点，发热体作为电阻炉加热的核心部件，其应具有更长的发热区与良好的抗变形能力。图 3 为本文所设计大棒拉丝发热体，其上下两端具有一定厚度的加强筋。加强筋结构的存在能较大程度上提高发热体的抗变形能力，一方面，发热体的使用寿命得到有效提高达1600h 以上，另一方面，有效地避免了拉丝过程中石墨件放电问题。另外，针对所设计炉体，建立了高温炉温场模拟仿真模型，如图 4 所示；从图中可以看出，拉丝炉内最高温度可到 2200，其中发热体与光棒棒锥区域温度最高，有效的保证了光纤预制棒拉丝熔融的基本要求。图 3 大棒拉丝发热体的结构图与实物图 图 4 大棒拉丝高温炉温场模拟仿真模型图 在高温下光纤预制棒被熔融拉制成丝，为提高炉内导热效果以及保护预制棒和石墨件不被氧化，一般的，拉丝炉内会通入氩气或氦气等惰性气体，且气体在炉壁和预制棒之间平行滑动形成层流结构2。稳定的气体层流结构能保证拉丝过程中裸纤丝径的稳定，相反，惰性气体流量不合理或气体波动都将影响炉内温场分布造成预制棒棒锥玻璃熔融不均匀，进而导致裸纤波动。在进行大直径预制棒拉丝炉体结构设计时，除了考虑如上所述气体层流结构之外，还需结合光棒结构尺寸、辐射传热、拉丝光纤包层不圆度等方面是综合考量。图 5 为光棒外端距中心马氟管 810mm 时高温炉内流场与温场仿真模型图，从图中可以看出，在该气流下，气体在石墨件内壁和预制棒之间平行滑动形成层流结构，且炉内各温区稳定。图 5 大棒拉丝高温炉流场与温场模拟仿真模型图 1.2 光纤制备与拉丝密封 采用公司自制的大直径光纤预制棒与拉丝塔进行光纤制备。在拉丝过程中，设置拉丝高温炉功率为 65KW、拉丝速度为 3200 m/min。由于拉丝预制棒棒径均匀性较差，棒径波动达 20mm，对拉丝炉口密封要求较高。若拉丝过程中炉口上部位置密封性差存在漏气中国科技期刊数据库 工业 A-45-情况，将会导致石墨件发生氧化，易引起拉丝断纤或光纤强度差。再者，炉口位置漏气也会造成炉内气流紊乱，引起裸纤波动4。本实验将采用双层石英棉与玻璃环结构进行光棒密封，双层石英棉结构有效的保证了光棒在拉丝下移过程中不同棒径时的密封；另外，在光棒尾部采用玻璃盖片进行尾部密封，当光棒预拉部分完全加入高温炉内时，尾部玻璃盖片将落放在密封玻璃环上，使其与高温炉形成为一个密封体，以此保证拉丝密封性，详细如图 6 所示。图 6 大棒拉丝双层石英棉与顶部盖板密封实物图 2 结果与讨论 同一炉体拉丝不同棒径光棒时，拉丝稳定性方面可能存在差异，主要包括裸纤直径、包层不圆度、光纤强度以及拉丝断纤比例等。本文将通过相应棒径与炉体的尺寸匹配性进行相关研究探究，以寻找最佳匹配状态炉体，以保证高质量高效率拉丝。2.1 裸纤直径分布与波动影响 光纤裸纤直径的波动将会导致光纤散射损耗、接续损耗增加，因而，裸纤直径波动越小越好。目前，拉丝控制系统已具备对裸纤直径实行实时监控与反馈调节的功能，通过测径仪对拉丝裸纤直径在线实时监控，并快速反馈给自动算法系统，系统以极短的步长调节牵引速度和预制棒进棒量，以保持裸纤直径在设定控制范围内。但对于裸纤直径波动范围过大的，将会超出控制系统调节能力，无法将裸纤调到可控范围内。对于大直径预制棒高速拉丝裸纤波动主要来源于两方面：1）大直径预制棒与高速拉丝时光纤成丝点与成形区位置影响；2）炉内气体层流结构的稳定性影响。大直径与高速拉丝相结合将需重点考量成丝点位置以保证稳定的裸纤直径。采用的下进气上排气的炉体结构图，如涂 7 所示，从棒锥下部向上通入更多的氦气将有助于成丝点上移，更利于裸纤丝径稳定2。另外，测径仪位置离光纤成形区越远也越有利于裸纤稳定，如图 8 所示，同条件拉丝下，当测径仪离延长管为 1.5m 时，裸纤直径为 124.90.8m，而当测径仪位置再下移 2m 时（即 3.5m 位置），裸纤直径控制更加稳定（裸纤直径为 124.70.1m，如图 8b 所示）。图 7 拉丝高温炉结构图 图 8 测径仪位置不同裸纤直径记录图 除棒径与拉丝速度对成形区影响外，炉内的气体层流结构也是影响裸纤波动与丝径稳定性的关键因素之一。气体层流结构主要受炉体结构、气流量等因素影响。氩气与氦气作为保护气，其大量通入会影响发热体的热量传导，另外，气体流通也会影响高温下棒锥熔融部分的粘度，易引起裸纤波动。合适的光棒与马氟管之间尺寸匹配间隙能有效解决裸纤丝径波动，有利于丝径控制。如图 9 所示，采用同一尺寸马氟管，分别拉丝三种不同直径的预制棒，跟踪裸纤尺寸与分布。从不同间隙状态下裸纤分布图 10 可以看出，当预制棒与马氟管之间间隙很大时(图 9a 结构)，裸纤均值为 124.6m，且标准差为 0.175m，波动较大；当间隙中等时(图 3-3b 结构)，丝径稳定性较长，但均值控制不佳（均值为 124.8m，标准差为 0.13m），而当采用大尺寸预制棒（即间隙很小）时(图 9b 结构)，中国科技期刊数据库 工业 A-46-光纤裸纤直径均值与标准差控制都非常好(裸纤控制标准为 124.70.2m)。从实验结果可以看出，间隙越小，丝径波动越小，这主要是因为马氟管间隙过大即空腔大，一方面，气体填充量大，流速加剧造成气流紊乱；另一方面，快速热量交换影响光棒棒锥粘度，进而对裸纤丝径产生干扰2,5,6。图 9 不同棒径与炉体匹配间隙状态：a）间隙-大;b）间隙-中;c）间隙-小；图 10 不同间隙状态下裸纤分布图 2.2 包层不圆度影响 图 11 不同功率下发热体使用时长与变形量 受预制棒与高温炉热场影响，拉丝裸纤截面并非标准圆形而是椭圆形。同裸纤尺寸一样，若包层不圆度不佳也将导致接续损耗增加。对于大直径光纤预制棒而言，热辐射传导的稳定性是影响包层不圆度的关键。大直径预制棒拉丝所需功率更高，高负载下发热体易出现变形、变椭圆，造成预制棒与热区不同心，光棒表面不同位置所受热量不同，熔融量存在差异，从而引起包层不圆。通过实验对比发现相同结构同阻值的发热体在长时间不同功率下变形量存在极大差异，从图 11 可以看出，随着使用功率的增加，发热体使用寿命逐步降低，且报废时实际变形量也逐步增加。增大热区能减少变形对包层不圆度的影响7。采用同一高温炉炉体分别对 185mm、195mm、205mm 三种不同棒径的预制棒进行 3200m/min 拉丝，如表 1 所示。图 12 为不同棒径预制棒拉丝包层不圆度分布图，从数据可以看出，随着热辐射距离增大，光纤包层不圆度变小。当拉制棒径为 185mm 预制棒，热辐射距离为 19mm时，包层不圆度为 0.2254；当拉制棒径为 205mm 预制棒，热辐射距离为 9mm 时，包层不圆度为 0.3421。从试验结果可以看出，减少包层不圆度可以通过相应增加石墨件尺寸。表 1 三种不同棒径预制棒拉丝设计 编号 棒径(mm)拉丝速度(m/min)石墨件内径(mm)热辐射距离(mm)包层不圆度 A#185 3200 223 19 0.2554 B#195 3200 223 14 0.2993 C#205 3200 223 9 0.3421 图 12 不同棒径预制棒拉丝包层不圆度分布图 2.3 光纤强度与拉丝断纤影响 光纤强度是影响光纤实际使用寿命的关键因素之一。光纤强度差会导致使用过程中光纤断裂、光通信中断。一般的，光纤强度可达 4.0Gpa 以上，为保证每公里光纤强度符合使用要求，光纤必须结果强度筛选（筛选张力为 10.78N）。光纤强度差与拉丝断纤存在极大的相关性，一方面是由于预制棒自身材料均匀性差，所生产光纤的内部存在杂质颗粒等缺陷，另一方中国科技期刊数据库 工业 A-47-面在光纤的制造过程裸光纤中受到外部机械破坏，光纤表面生产微裂纹。图 13 不同棒径预制棒拉丝断纤与光纤强度差占比 相较于常规预制棒拉丝，大直径预制棒拉丝断纤与光纤强度差占比更为突出。从图 13 可知，细直径预制棒拉丝其断纤率与强度差占比都较低，当拉制棒径为 185mm 预制棒时，断纤率为 18.8%，强度差占比为0.145%；而当拉制棒径为 205mm 预制棒时，断纤率达35%，强度差占比达 0.483%。这主要是因为，一方面，大直径预制棒所需热量更高、高温炉功率高，高温造成 Si-O 键断裂产生 E缺陷，光纤强度差；另一方面，大直径预制棒单根拉丝时间长，炉内洁净度差，高温下石墨件粉尘颗粒与 SiO2生成 SiC，SiC 为高硬度微粒易附着或擦伤裸光纤。优化发热体结构与改善排气，一定程度上可缓解拉丝断纤与强度差问题。3 结论 本实验基于 185mm 预制棒，对炉体结构与发热体结构进行设计，并利用仿真软件对使用过程中温场与流场的分布及稳定性进行仿真，所设计炉体可满足直径 150mm220mm 不同规格预制棒拉丝。并对大直径预制棒高速拉丝时光纤裸纤波动与分布、包层不圆度和光纤强度与拉丝断纤等问题进行研究；（1）对于裸纤直径分布与波动控制，当测径仪位置离延长管更远时，更有利于裸纤丝径的稳定，另外，马氟管尺寸相对小即预制棒与马氟管之间间隙小，同样有利于裸纤丝径控制。（2）发热体变形量随着使用功率增加逐步增加，相应使用寿命变短；热辐射距离增大能减少变形对包层不圆度的敏感性，有利于包层结构的完整性。（3）棒径增加会导致光纤强度差占比与拉丝断纤率增加，改善发热体结构与排气结构能有效缓解强度差问题。参考文献 1Kevin Boll,Jukka Nummela.Large Optical Fiber Drawing Furnace DevelopmentsJ.international wire&Cable symposium,2010.2张良.大直径超长预制棒拉丝工艺和光纤性能的研究D.苏州:苏州大学,2016.3蒋锡华,康晓健,王樯,等.大尺寸预制棒高速拉丝技术研究J.现代传输,2011(06):50-54.4江锋,张子豪.大尺寸变径预制棒拉丝密封工艺研究J.工艺与技术,2020(32):91-93.5郝昌平,严勇虎,袁健,等.超高速光纤拉丝工艺技术研究J.光通信研究,2018,000(001):27-30.6许永.高速拉丝裸纤丝径优化的研究J.现代传输,2023(06):64-67.7刘伟媛.光纤拉丝炉内部气体流场研究D.苏州:苏州大学,2013.