一种超低损耗光纤生产系统及其应用于生产的工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种超低损耗光纤生产系统及其应用于，包括拉丝装置、退火装置、涂覆固化装置以及控制单元A；拉丝装置为拉丝炉，拉丝炉自上而下包括同轴设置的炉顶气盘、拉丝炉炉体以及下端退火管，退火装置为保温退火炉，涂覆固化装置包括依次设置的涂覆机和紫外光固化炉；超低损耗光纤在该生产系统中时，光纤穿过拉丝装置、退火装置、涂覆固化装置以及控制单元A，在本发明的优点在于：拉丝炉炉顶气盘上设置有多路进气孔，将保温退火炉原先的单一发热元件改为独立的上下两组加热元件，并且通过独立电源控制线对其分别进行控制。并通过数据线与拉丝炉相连，实现远程控制，紫外光固化炉可以在线监控抽风情况，并且自动进行抽风调节。
【专利说明】
-种超低损耗光纤生产系统及其应用于生产的工艺
技术领域
[0001] 本发明设及一种光纤制造领域，特别设及一种超低损耗光纤生产系统及其应用于 生产的工艺。
【背景技术】
[0002] 光纤强度是超低损耗光纤关键指标之一，主要体现在筛选应变上，普通光纤的应 变一般在1%左右来应对来自敷设和热胀冷缩引起的张力，而超低损耗光纤应用在超长距离 光通讯链路中，常常需要跨越戈壁、深海等恶劣环境，从考虑敷设或环境溫度变化时，所受 到的张力相比于普通光缆更大，综合考虑《深海光缆》国家标准、敷设难度和使用寿命等方 面，本项目小组希望超低损耗光纤的应变达到2%甚至W上，能够完全满足光纤成缆和敷设 的需要。
[0003] 光纤的强度主要取决于裸光纤表面的微裂纹。光纤中为微裂纹主要来自拉丝炉内 的杂质粒子。杂质粒子附着在光纤表面，在冷却过程中，形成裂纹和应力集中，光纤表面裂 纹受大气环境中水分子作用而逐渐侵蚀，导致娃氧四面体结构被破坏，娃氧键的断裂会扩 大微裂纹的范围，影响光纤强度。
[0004] 拉丝炉长期工作后，炉内石墨件表面发生少量氧化使拉丝炉炉体表面变得粗糖， 预制棒在高溫下产生少量二氧化娃升华与拉丝炉炉体内表面反应生成坚硬的碳化娃微粒， 并随炉内气流的影响在炉内漂浮。减少光纤拉丝炉内灰尘对光纤的影响。
[0005] 光纤衰减系数除了受限于预制棒的制造过程，同时也受石英玻璃假想溫度的影 响。当石英光纤从软化溫度降低到假想溫度时，石英玻璃内部结构向平衡态转化。当石英溫 度低于假想溫度后，光纤内部结构就被定型，很难再改变。如果光纤在到达假想溫度时没有 充分释放内应力，那么光纤由密度不均造成的瑞利散射则会显著影响光纤的衰减系数。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种超低损耗光纤拉丝退火系统。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案为:一种超低损耗光纤生产系统，其创新 点在于:包括拉丝装置、退火装置、涂覆固化装置W及控制单元A; 所述拉丝装置为拉丝炉，所述拉丝炉自上而下包括同轴设置的炉顶气盘、拉丝炉炉体 W及下端退火管，所述炉顶气盘为竖直设置的环形结构，其侧壁上具有若干圈环布的进气 孔，所述拉丝炉炉体为一柱体，其内部具有容纳预制棒加热拉丝的中空孔，所述退火管设置 在拉丝炉炉体下端;该拉丝炉电连接在控制单元A上； 所述退火装置为保溫退火炉，所述退火保溫炉具有上下同轴设置的两个，其内部皆包 括上下两组独立的加热元件，且两组加热元件分别由独立电源控制线控制，并与控制单元A 电连接； 所述涂覆固化装置包括依次设置的涂覆机和紫外光固化炉，所述紫外光固化炉上设置 有抽风系统，所述抽风系统包括抽风管道、检测装置W及控制单元B，所述检测装置包括安 装在紫外光固化炉中的溫度探测仪、安装在固化抽风管道内的风速检测仪W及自动调节阀 n，所述控制单元B与检测装置电连接。
[000引进一步的，所述炉顶气盘侧面上具有一路或者两路向下送风的进气孔，其余进气 孔皆平行设置，送风风向与竖直方向呈15~45°夹角。
[0009] 进一步的，所述加热元件长0.5~Im,两组加热元件之间的距离为50~100mm。
[0010] 进一步的，所述紫外光固化炉至少设置有1台。
[0011] 为解决上述技术问题，本发明的另一种技术方案为：一种超低损耗光纤生产系统 应用于生产的工艺，其创新点在于:预制棒从拉丝炉炉顶进入拉丝炉，拉丝炉炉体内部的溫 度为2000~2200 °C，预制棒在拉丝炉炉体内烙融拉丝，牵引速度为大于2000m/min，拉丝炉内 的参数实时反馈给控制单元;炉顶气盘上的进气孔供应惰性气体进入拉丝炉;风向倾斜向 下的进风孔能减小炉灰与光纤接触的几率;风向竖直向下的进气孔，吹扫拉丝炉炉体内壁， 防止炉灰沉积在拉丝炉炉体;退火管中采用多孔分散式排气方式，漏斗形的设计有效防止 炉灰沉积影响光纤强度，排出的炉灰通过软管连接至炉灰回收装置;光纤在退火管出口溫 度为1730%光纤进入保溫退火炉，保溫退火炉中的每个加热元件由控制单元独立控制，各 加热元件的溫度控制子在900~1300°C，且加热元件的溫度自动反馈给控制单元;形成800~ 1200°C的梯度溫场，光纤在保溫退火炉内逐渐降溫，基本释放内应力;光纤进入涂覆机进行 涂层后，随即进入紫外光固化炉，环境溫度20~28°C，环境湿度40~60%，紫外光固化炉功率控 制在70~95%，紫外光固化炉内使用抽风系统，将光纤表面涂层固化挥发物抽出，并抽走有害 气体，溫度探测仪检测到紫外光固化炉内的溫度，同时将溫度反馈至控制单元B，固化抽风 管道中的风速检测仪检测到的风速流量也反馈至控制单元B，如果紫外光固化炉内溫度及 固化抽风管道中的风速流量全部在设定范围内，则光纤正常生产。如果反馈至控制单元B的 紫外光固化炉内的溫度波动，且固化抽风管道中的风速流量也产生对应的波动，则控制单 元B将控制调节自动调节阀口，改变抽风效果，若调节无效，或波动异常，则对外提示对设 备进行保养维修;固化后的光纤经过筛选工序，即可完成加工。
[0012] 进一步的，所述控制单元结合拉丝炉内的实时炉溫、实时拉丝速度和恒定的降溫 速率，自动计算出合适的保溫退火炉炉溫，对各加热元件的溫度进行微调。
[001引本发明的优点在于： (1)拉丝炉炉顶气盘上设置有多路进气孔，竖直向下的进气孔可W防止拉丝炉炉体内 壁沾染附着炉灰，倾斜设置的进气孔可W阻隔炉灰在光纤表面附着，在冷却过程中形成裂 纹和应力集中；将保溫退火炉原先的单一发热元件改为独立的上下两组加热元件，并且通 过独立电源控制线对其分别进行控制。并通过数据线与拉丝炉相连，实现远程控制，紫外光 固化炉可W在线监控抽风情况，并且自动进行抽风调节。
[0014] (2)设置合适的加热元件长度和加热元件之间的距离，每个加热元件皆独立控制， 达到保溫退火炉内的全覆盖，保证在工作时各个位置实际溫度与设置溫度相同。
[0015] (3)采用该系统生产超低损耗光纤，多路进气孔的设计，不但可W有效阻止炉灰在 光纤表面附着，影响光纤质量，而且可W避免炉体内壁积累炉灰，影响后续的光纤生产。
[0016] (4)由于预制棒的形态存在差别，在拉丝炉内的各参数会发生一些变化，控制单元 A能够根据变化及时调整加热元件的溫度，达到自动控制的目的。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明一种超低损耗光纤生产系统的拉丝炉示意图。
[0018] 图2为本发明一种超低损耗光纤生产系统的退火保溫炉示意图。
【具体实施方式】
[0019] 超低损耗光纤是未来大容量光通讯发展的物质基础，是我国推行"一带一路"、"宽 带中国"战略，实现400G超高速带宽的重要媒介。为响应国家号召，顺应光通讯发展趋势，打 破超低损耗光纤的国外技术垄断，推动我国海底长距离光缆、陆地长距离骨干网络通讯的 发展，需要对超低损耗光纤产品及其产业化平台进行了研究。
[0020] 超低损耗光纤由丙締酸醋内外涂层、渗氣包层和纯娃忍层组成。下表列出其中两 种型号的光纤的主要技术指标：
光纤强度是超低损耗光纤关键指标之一，主要体现在筛选应变上，普通光纤的应变一 般在1%左右来应对来自敷设和热胀冷缩引起的张力，而超低损耗光纤应用在超长距离光通 讯链路中，常常需要跨越戈壁、深海等恶劣环境，从考虑敷设或环境溫度变化时，所受到的 张力相比于普通光缆更大，综合考虑《深海光缆》国家标准、敷设难度和使用寿命等方面，超 低损耗光纤的应变达到2%甚至W上，能够完全满足光纤成缆和敷设的需要。
[0021] 光纤的强度主要取决于裸光纤表面的微裂纹。光纤中为微裂纹主要来自拉丝炉内 的杂质粒子。杂质粒子附着在光纤表面，在冷却过程中，形成裂纹和应力集中，光纤表面裂 纹受大气环境中水分子作用而逐渐侵蚀，导致娃氧四面体结构被破坏，娃氧键的断裂会扩 大微裂纹的范围，影响光纤强度。
[0022] 拉丝炉长期工作后，炉内石墨件表面发生少量氧化使石墨件表面变得粗糖，预制 棒在高溫下产生少量二氧化娃升华与石墨件表面反应生成坚硬的碳化娃微粒，并随炉内气 流的影响在炉内漂浮。拉丝炉炉体上端为炉顶气盘，下端为退火管，常规光纤拉丝炉惰性气 体进气方式一般为上部平吹进气，惰性气体通过层流的方式自上而下通过拉丝炉内部进入 退火管，运种进气方法的优点在于平缓的气流不会在引起拉丝炉内气流扰动，使炉灰沉积 于石墨件内壁，减少炉灰与光纤接触的几率，但经过长时间的拉丝生产，石墨件内壁的炉灰 积累到一定程度，其在高溫扩散的影响下将会对光纤造成严重的影响导致拉丝中途强度骤 变，影响光纤的质量和石墨件的使用寿命。
[0023] 光纤衰减系数除了受限于预制棒的制造过程，同时也受石英玻璃假想溫度的影 响。当石英光纤从软化溫度降低到假想溫度时，石英玻璃内部结构向平衡态转化。当石英溫 度低于假想溫度后，光纤内部结构就被定型，很难再改变。如果光纤在到达假想溫度时没有 充分释放内应力，那么光纤由密度不均造成的瑞利散射则会显著影响光纤的衰减系数。退 火工艺的影响光纤的内应力，但是目前的退火炉内溫度不均，容易造成光纤内应力释放不 完全。
[0024] 现有的光纤涂覆固化系统中，固化炉内一般要使用抽风系统，一方面降低紫外光 固化炉内溫度，延长紫外光固化炉寿命，另一方面抽取光纤表面涂层固化挥发物，提高光纤 加工质量；同时，抽走有害气体，避免挥发物污染周围环境和造成人身危害，但同时抽风流 量太大或太小又会影响光纤的固化效果，一般抽风流量都是在一个稳定的范围内。
[0025] 当在实际生产过程中，一方面抽风管道在长时间的使用中容易堵塞，抽风量会减 小，必须在停炉期间通过人工定期对抽风流量进行检测和调整，W保证正常使用的流量;另 一方面，如果抽风流量调节太大或太小，则会影响光纤的固化效果。原有的固化工艺需要人 工进行监控和调节，人为因素较多；另一方面光纤生产中途涂覆固化出现问题，必须强制终 止生产才可W进行监控调节，正常生产时，无法监控抽风实际流量。
[0026] 在超低损耗光纤的制造过程中，使用超低损耗光纤拉丝退火系统进行制备，预制 棒从拉丝炉炉顶进入拉丝炉，拉丝炉炉体内部的溫度为2000~2200°C，预制棒在拉丝炉炉体 内烙融拉丝，牵引速度为(大于2000m/min，如图1所示，拉丝炉上的炉顶气盘1上的进气孔2 供应惰性气体进入拉丝炉炉体3;风向倾斜向下的进风孔能减小炉灰与光纤接触的几率，运 样的进风孔具有平行设置的若干个，送风风向与竖直方向呈15~45°夹角；风向竖直向下的 进气孔，吹扫拉丝炉炉体5内壁，防止炉灰沉积在拉丝炉炉体3内；退火管4中采用多孔分散 式排气方式，漏斗形的设计有效防止炉灰沉积影响光纤强度，排出的炉灰通过软管连接至 炉灰回收装置;光纤在退火管4出口溫度为1730%光纤进入保溫退火炉，保溫退火炉中的每 个加热元件由控制单元独立控制，形成800~1200°C的梯度溫场。
[0027] 光纤的散射损耗是光纤损耗的最大原因。光纤散射最重要的部分就是瑞利散射。 瑞利散射是由光纤材料中折射率的微小不均匀所造成的，可知，由密度不均匀所产生的瑞 利散射主要是由折射率n、假想溫度Tf和等溫压缩率机所决定。运=个因素都受拉丝过程的 影响。等溫压缩率的大小与溫度密切相关。当光纤溫度高于假想溫度时，玻璃粘度相对较 小，低于IOMPa的应力就能够造成玻璃的密度改变;而当光纤溫度低于假想溫度时，需高达 2000MPa的应力才能影响玻璃的密度。因此，等溫压缩率对瑞利散射的影响依赖于假想溫 度，光纤的假想溫度主要由玻璃粘度和冷却速度所决定。对于光纤生产而言，玻璃的种类和 粘度都已确定，则假想溫度主要由光纤的冷却速度所决定，可知，光纤在固定拉丝速度下的 实际溫度和降溫速率。通过加入保溫退火炉溫场，控制光纤出退火保溫炉时的实际溫度，保 证光纤溫度在l〇〇〇°C W上，使光纤充分释放内应力。光纤降溫速率随保溫炉溫场溫度的升 高而下降，当降溫速率在5000k/sW下时，光纤内应力能够完全释放，消除由密度不均产生 的瑞利散射达到降低光纤衰减的目的，同时如果保溫溫场设置过高，光纤出口溫度高于 1200°C进入环境时，有可能导致光纤包层受溫度突变、而忍层仍然保持高溫，容易导致内外 在此产生应力，影响光纤衰减。另外过高的光纤出口溫度使光纤冷却需要更大的能耗和冷 却氮气，提高了光纤成本，因此将保溫溫场设置为800-1200°C。
[0028] 由于采用不规则超低损耗大有小面积光纤预制棒拉丝，在拉丝炉内控制光纤烙融 溫度时加热溫度会有适当微调，使光纤出退火管溫度发生变化，此时需要设置合适的退火 保溫场溫度来配合光纤出炉溫度。光纤进入保溫退火炉，如图2所示，保溫退火炉5具有上下 设置的两个，每个保溫退火炉5内具有两个独立设计的加热元件6,加热元，6由控制单元独 立控制，各加热元件6的溫度控制子在900~1300°C，且加热元件6的溫度自动反馈给控制单 元;形成800~1200°C的梯度溫场，光纤在保溫退火炉内逐渐降溫，基本释放内应力；该关键 技术利用数据线连接保溫炉电源和拉丝机主控计算机，实现保溫炉溫度远程控制，同时，结 合实时炉溫、实时拉丝速度和恒定的降溫速率，计算保溫炉合适溫度进行自动微调控制。实 现恒定的光纤退火最优溫度。
[0029] 光纤进入紫外光固化炉，一般生产环境溫度20~28°C，环境湿度40~60%，紫外光固 化炉功率控制在70~95%，紫外光固化炉内使用抽风系统，抽风系统包括抽风管道、检测装置 W及控制单元B，检测装置包括安装在紫外光固化炉中的溫度探测仪、安装在固化抽风管道 内的风速检测仪W及自动调节阀口，控制单元B与检测装置电连接;将光纤表面涂层固化挥 发物抽出，并抽走有害气体，溫度探测仪检测到紫外光固化炉内的溫度，同时将溫度反馈至 控制单元B，固化抽风管道中的风速检测仪检测到的风速流量也反馈至控制单元B，如果紫 外光固化炉内溫度及固化抽风管道中的风速流量全部在设定范围内，则光纤正常生产。如 果反馈至控制单元B的紫外光固化炉内的溫度波动，且固化抽风管道中的风速流量也产生 对应的波动，则控制单元B将控制调节自动调节阀口，改变抽风效果，若调节无效，或波动 异常，则对外提示对设备进行保养维修。
[0030] 紫外光固化炉抽风系统改进后：1、可W通过在线监控紫外光固化炉的抽风情况； 2、通过在线监控紫外光固化炉的抽风，可W判断光纤的固化效果，通过光纤的固化质量，可 W自动调节固化抽风;3、通过紫外光固化炉内的溫度监控，与抽风调节，可W增加紫外光固 化炉寿命;4、充分满足光纤拉丝过程中的紫外光固化炉挥发物的去除，增加光纤质量。
[0031] 固化后的光纤经过筛选工序，即可完成加工。
[0032] W上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。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，运些变化和改进都落 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。
【主权项】
1. 一种超低损耗光纤生产系统，其特征在于:包括拉丝装置、退火装置、涂覆固化装置 以及控制单元A; 所述拉丝装置为拉丝炉，所述拉丝炉自上而下包括同轴设置的炉顶气盘、拉丝炉炉体 以及下端退火管，所述炉顶气盘为竖直设置的环形结构，其侧壁上具有若干圈环布的进气 孔，所述拉丝炉炉体为一柱体，其内部具有容纳预制棒加热拉丝的中空孔，所述退火管设置 在拉丝炉炉体下端;该拉丝炉电连接在控制单元A上； 所述退火装置为保温退火炉，所述退火保温炉具有上下同轴设置的两个，其内部皆包 括上下两组独立的加热元件，且两组加热元件分别由独立电源控制线控制，并与控制单元A 电连接； 所述涂覆固化装置包括依次设置的涂覆机和紫外光固化炉，所述紫外光固化炉上设置 有抽风系统，所述抽风系统包括抽风管道、检测装置以及控制单元B，所述检测装置包括安 装在紫外光固化炉中的温度探测仪、安装在固化抽风管道内的风速检测仪以及自动调节阀 门，所述控制单元B与检测装置电连接。2. 根据权利要求1所述的一种超低损耗光纤生产系统，其特征在于:所述炉顶气盘侧面 上具有一路或者两路向下送风的进气孔，其余进气孔皆平行设置，送风风向与竖直方向呈 15~45°夹角。3. 根据权利要求1所述的一种超低损耗光纤生产系统，其特征在于：所述加热元件长 0.5~lm，两组加热元件之间的距离为50~100mm。4. 根据权利要求1所述的一种超低损耗光纤生产系统，其特征在于:所述紫外光固化炉 至少设置有1台。5. -种超低损耗光纤生产系统应用于生产的工艺，其特征在于:预制棒从拉丝炉炉顶 进入拉丝炉，拉丝炉炉体内部的温度为2000~2200°C，预制棒在拉丝炉炉体内熔融拉丝，牵 引速度为大于2000m/min，拉丝炉内的参数实时反馈给控制单元;炉顶气盘上的进气孔供应 惰性气体进入拉丝炉;风向倾斜向下的进风孔能减小炉灰与光纤接触的几率;风向竖直向 下的进气孔，吹扫拉丝炉炉体内壁，防止炉灰沉积在拉丝炉炉体;退火管中采用多孔分散式 排气方式，漏斗形的设计有效防止炉灰沉积影响光纤强度，排出的炉灰通过软管连接至炉 灰回收装置;光纤在退火管出口温度为1730°;光纤进入保温退火炉，保温退火炉中的每个 加热元件由控制单元独立控制，各加热元件的温度控制子在900~1300°C，且加热元件的温 度自动反馈给控制单元;形成800~1200°C的梯度温场，光纤在保温退火炉内逐渐降温，基本 释放内应力;光纤进入涂覆机进行涂层后，随即进入紫外光固化炉，环境温度20~28 °C，环境 湿度40~60%，紫外光固化炉功率控制在70~95%，紫外光固化炉内使用抽风系统，将光纤表面 涂层固化挥发物抽出，并抽走有害气体，温度探测仪检测到紫外光固化炉内的温度，同时将 温度反馈至控制单元B，固化抽风管道中的风速检测仪检测到的风速流量也反馈至控制单 元B，如果紫外光固化炉内温度及固化抽风管道中的风速流量全部在设定范围内，则光纤正 常生产。6. 如果反馈至控制单元B的紫外光固化炉内的温度波动，且固化抽风管道中的风速流 量也产生对应的波动，则控制单元B将控制调节自动调节阀门，改变抽风效果，若调节无 效，或波动异常，则对外提示对设备进行保养维修；固化后的光纤经过筛选工序，即可完成 加工。
【文档编号】G02B6/02GK106019465SQ201610376894
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】曹珊珊, 刘志忠, 沈春, 沈一春, 朱晓邢, 王震, 张海涛, 徐海涛, 胡继刚, 苏海燕
【申请人】中天科技光纤有限公司, 中天科技精密材料有限公司, 江苏中天科技股份有限公司