發布時間：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制棒拉絲錐頭的工藝。從預制棒熱透狀態分析火焰拉錐的工藝關鍵點和難點，并針對火焰拉錐生產過程中兩種易見問題的分析，提出解決方案。 關鍵詞：光纖預制棒光纖拉絲火焰拉錐火焰拋光 1、引言 近幾年來，國內各大光纖光纜企
摘要：本文主要探討使用火焰加工預制棒拉絲錐頭的工藝。從預制棒熱透狀態分析火焰拉錐的工藝關鍵點和難點，并針對火焰拉錐生產過程中兩種易見問題的分析，提出解決方案。
關鍵詞：光纖預制棒光纖拉絲火焰拉錐火焰拋光
1、引言
近幾年來，國內各大光纖光纜企業紛紛投資建立光纖預制棒工廠，逐步實現光纖預制棒自給自足。預制棒制造過程的最后一個加工作業，是在光纖預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、調整纖損耗、原材料損耗上有較大的優勢。本文將探討光纖預制棒拉絲錐頭熱加工工藝中的火焰拉錐技術。
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2.熱加工錐頭的拉絲優勢光纖預制棒的錐頭在拉絲爐中從加熱到熔融狀態，在重力作用下滴下熔融的玻璃球頭，并帶出玻璃細絲(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從熔融的錐頭抽出光纖細絲。前述作業過程正常后，再完成設備升速和外徑控制的工藝調整，使設備進入穩定的高速拉絲階段(正常拉絲階段)。在設備正常穩定高速拉絲之前產出的光纖，我們稱為調整纖，其來源是光纖預制棒加工的拉絲錐頭部分。相較兩種預制棒拉絲錐頭的拉絲調整纖階段，熱加工的預制棒拉絲錐頭具有非常明顯的優勢，具體情況如下：
(1)光纖預制棒在拉絲爐內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，容易對輻射光線產生反射、散射，不利于預制棒的加熱，滴頭前的加熱時間比熱加工的錐頭需時要長。
(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的規格，因此在拉絲滴頭后，當裸光纖直徑達到125微米，拉絲線速度穩定后，拉絲出的光纖模場直徑符合光纖標準。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準。
(3)冷加工的拉絲錐頭表面若粗糙度過大，在拉絲滴頭后的調整纖階段，因表面微裂紋多，在設備升速時容易出現斷纖，作業人員需重復升溫、滴頭、穿線等工作，降低拉絲生產效率。更有甚者，因冷加工錐頭表面微裂紋大，導致被牽引出的光纖表面粘連性差，出現糖葫蘆式的外徑波動，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效率。
3.火焰拉錐工藝研究
光纖預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，軟化溫度點在1600攝氏度以上。因而，對光纖預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，生產效率高等優勢。各預制棒廠家常用的火焰拉錐方式是在預制棒圓周上設立圓弧形圈火，棒體在圈火中心旋轉加熱，當預制棒拉錐部位整體加熱到熔融狀態，再通過設備牽引將熔融部位拉細成錐頭。然而，近些年預制棒制造技術發展迅速，直徑逐漸增大(最大直徑已達到
3.1改善玻璃熱透狀態，讓拉錐成為可能
玻璃內部的傳熱可以通過熱傳導和熱輻射，低溫下以傳導為主，而高溫狀態則以輻射為主。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下，其總的導熱系數并不是特別高。因而，預制棒直徑增大后，使用高溫氣體火焰加熱，熱量從表面傳導到棒體中心的難度加大，時間增長。在這個熱量傳導過程中，被加熱了的玻璃會持續向周邊空氣和預制棒冷端(加熱部位之外的部分)傳導熱量，若火焰寬度(加熱寬度)過窄，即使預制棒表面加熱到熔融狀態(白熾狀態)，表層之下的預制棒仍無法達到軟化狀態(如圖3所示)。該現象可稱為玻璃的熱透狀態差，也是預制棒直徑增大后制作拉絲錐頭的關鍵難題。該狀態下的預制棒無法進行錐頭制作，因而我們需要改善其熱透狀態。圖1：拉絲爐結構剖面及拉絲滴頭冷加工錐頭3.火焰拉錐I：藝研究光纖預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，軟化溫度點在1600攝氏度以上。因而，對光纖預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，生產效率高等優勢。各預制棒廠家常用的火焰拉錐方式是在預制棒圓周上設立圓弧形圈火，棒體在圈火中心旋轉加熱，當預制棒拉錐部位整體加熱到熔融狀態，再通過設備牽引將熔融部位拉細成錐頭。然而，近些年預制棒制造技術發展迅速，直徑逐漸增大(最大直徑已達到
改善預制棒熱透狀態前，我們需先了解預制棒軸向剖面上的溫度場形成過程。如圖4所示，火焰噴燈對預制棒加熱時，從預制棒軸向剖面上看，熱量從預制棒表面向中心傳導(同時向預制棒冷端傳導)，越靠近預制棒中心，溫度越低，呈現出“三角形”或是正態分布曲線形的溫度梯度場。預制棒在被加熱的同時，也作為一個高溫物體向周邊散發熱量，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和輻射熱量(再由預制棒冷端向空氣散發熱量)。噴燈火焰持續加熱，預制棒表面溫度持續增加，當預制棒從噴燈火焰獲得的熱1與其散失掉的熱量相等時，預制棒軸向剖面上的溫度梯度場就穩定了。如果穩定的溫度場中心溫度低于預制棒軟化溫度(也就是熱透狀態差)，就無法制作拉絲錐頭。從前述的溫度場形成過程分析中，我們提出改善預制棒熱透狀態的幾點思路，進行了試驗。
(1)增設噴燈，提高氣體火焰的熱量供應
我們將噴燈數量從3個增加到5個、7個，加熱預制棒(如圖5所示)，其目的是增加外界的熱量，使得熱量能從預制棒表面傳導得更深。但是，噴燈數量增加后，預制棒表面燒到白熾色，而表層之下的玻璃仍舊是透明狀態(低溫狀態)，無法制作拉絲錐頭。拉錐失敗的原因是噴燈加熱寬度過窄，熱量向預制棒中心傳導過程中，從方向2散失速度過快，熱量從預制棒表面向中心傳導熱量不夠。
(2)新設計噴燈，改變加熱寬度
針對增設噴燈試驗失敗的原因，我們在噴燈設計上主要改變火焰出口的大小，噴燈口徑增大。如圖6所示，噴燈改進后，使用2只噴燈就可將原本相同尺寸的預制棒加熱透，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制棒中心傳導得更深。雖然增大噴燈口徑能有效改善大尺寸預制棒熱透狀態，但是還存在加熱時間長、加工成本高的問題。因此，在該試驗基礎上，再考慮減少方向1上的熱量散失。
(3)增設保溫筒，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構，能有效減少熱量損耗。當然，火焰拉錐也可參考電爐的保溫方式，在噴燈加熱區設計一個保溫箱體。查閱國內專利文獻w[41，目前有相關廠家在火焰車床上設置有保溫箱體，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)預制棒表面燒結物
如圖5、圖6照片所示，在噴燈火焰加熱區域邊緣會出現兩圈白色燒結物。燒結物來源于火焰加熱區的預制棒揮發出的二氧化硅顆粒。這些顆粒在噴燈火焰氣流帶到加熱區邊緣，遇到溫度相對較低的預制棒表面，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物。該燒結物會破壞預制棒表面強度，在拉絲過程中容易出現斷纖。因此，在調試火焰拉錐工藝時，優化噴燈設計、安裝和氣體工藝條件，盡量避免預制棒錐頭邊緣出現燒結物。若預制棒拉錐后出現燒結物，補救方法主要有兩種：①在火焰拉錐快結束時，移動噴燈位置，對燒結物部位火焰拋光;②預制棒火焰拉錐冷卻后，使用氫氟酸酸洗燒結物。
(2)拉絲錐頭開裂
預制棒火焰錐頭制作后，受到震動或磕碰時易出現圓周形開裂。開裂的原因是預制棒錐頭附近存在較大應力，并超出玻璃的承受極限�；鹧胬F中應力殘留的過程：
1)制棒加熱拉錐過程中，噴燈火焰向加熱區兩側流竄，距離預制棒錐頭邊緣一定距離的部位被加熱，該加熱無法將預制棒表面加熱到熔融狀態，因此在預制棒包層內部會產生較大的應力;
2)預制棒錐頭制作后，冷卻過快，預制棒表面冷卻收縮，導致被流竄火焰加熱的包層內部應力無法釋放，反而進一步增大。
當受到外界誘因引導，該殘留的應力超過玻璃承受極限時，會導致預制棒表面開裂。要解決預制棒錐頭開裂問題，首先調整好噴燈安裝角度、噴燈與預制棒間距、燃氣流量等工藝參數，減少火焰流竄，其次是做好預制棒錐頭退火工作，尤其預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冷卻滯留的時間，避免拉絲錐頭驟冷。
4.總結
綜上所述，對大尺寸預制棒火焰拉錐的技術難點主要是如何將預制棒加熱到熔融狀態，關鍵技術是減少預制棒加熱區的熱量向冷端和空氣傳導損耗。根據實際操作經驗，加大噴燈加熱區寬度和增設保溫筒，能有效改善大尺寸預制棒的熱透狀態，并且具有加熱效率高，節省能耗的優點。同時，針對預制棒火焰拉錐常見的表面燒結物和開裂問題，技術人員需優化噴燈設計、安裝和相關工藝，從工藝上解決問題，避免增加修復成本和損失。——論文作者：■林志偉儲銀君吳鈞朱曉波
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