专利名称：一种提高光纤预制棒生产效率的方法
技术领域：
本发明属于光通信技术，应用于光纤预制棒的制造，具体涉及用0VD工 艺制作光纤预制^f奉的过程中， 一种提高光纤预制棒生产效率的方法。该方法制造的光纤预制棒，产品性能与常规方法无异，但生产效率提升3oy。以上。
背景技术：
随着光纤市场的发展，竟争日趋激烈，为增强公司的赢利能力，减少原 料气体单耗量，降低预制棒制造成本，已是大势所趋。特别是近年来，原材 料价格不断上涨，而光纤价格却未同步上升，更加挤缩了光纤预制棒厂家的 利润空间，降低原料气体消耗成本才能进一步提高厂家的竟争力。目前制造光纤预制棒的工艺主要有VAD、 OVD、 MCVD和PCVD， VAD和OVD 属于外部沉积法，而MCVD和PCVD均属于管内沉积法。管内沉积法制作光纤 预制棒径向尺寸受限，而管外法则不受限，可用来制作径向尺寸较大的预制 棒，这在制造成本上具有一定的优势。在OVD方法中，原料四氯化硅(SiCh) 在氧气(02)的携带下，通过氢气(或曱烷气)/氧气火焰一起喷向转动的"芯 棒"，在热能作用下，原料发生水解反应生成Si02, 二氧化硅颗粒热解产生的 粉尘粒子一层层的吸附在穿越火焰的转动的"芯棒"上，形成多孔预制棒， 生成的多孔预制棒经过温度范围从1100。C到1500。C下通入干燥剂(例如，氯 气)来去除水和金属杂质，烧结成玻璃预制棒，然后拉制成光纤。OVD工艺 生成粉尘多孔预制棒反应式如下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) 氢氧反应产生大量的热和水汽，SiCh在火焰的不同部位分别发生上述反4应式表示的水解反应和氧化反应，生成Si02粉尘多孔预制棒，然后约在1500 °C条件下经高温脱水和烧结形成玻璃预制棒。在OVD工艺中，利用火焰温度与沉积面(堆积棒表面)温度产生的温差 而形成的温度梯度推动细微颗粒物向堆积棒表面运动，并吸附在棒表面上。 火焰水解产生的粉尘微粒，逐渐聚合成尺寸较大的聚合体颗粒，并在通过向 靶棒传送、扩散、热迁移的过程中进行了初步脱水。在靠近燃烧器(也称之 为喷灯)的区域，反应生产粉尘粒子的数量密度迅速增加并快速形成粒子聚 集核，然后穿过快速聚集区，使粉尘粒子数量密度迅速缩减。随着粒子数量 密度的减小，颗粒碰撞率降低，导致粒子的聚合速度放慢，同时也放慢了粒 子数密度的减小速率。温度是颗粒形成中的关键因素，原始颗粒的粒径大小 取决于该温度下的固态扩散系数，因此提高火焰温度可以增大原始颗粒的粒 径，火焰的温度在很大程度上影响颗粒之间的结合程度。温度高时，颗粒的 热运动越剧烈，颗粒之间相互碰撞和结合的机率就越高，相应的结合成较大 颗粒的机率就越大，从而导致大颗粒的形成。温度低时，结合作用比颗粒间 的碰撞作用要慢很多，导致比表面积(表面积与体积的比值)大的不规则颗 粒的形成。依据上述工艺原理，加快火焰相对光纤预制棒的移动速度，可提高光纤 预制棒表面与火焰的温度差，从而提高沉积速率，但在OVD传统工艺中，如 横移速度过快， 一般大于3000mm/min，或使光纤预制棒表面波紋增加，烧结 后气泡难于控制，最终对预制棒拉制光纤的性能产生不良影响。发明内容本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有技术存在的沉积 初期沉积速率低的缺陷，提供一种提高光纤预制棒生产效率的方法。为此， 本发明采用以下技术方案一种提高光纤预制棒生产效率的方法，其特征是用OVD工艺制作光纤预 制棒时，采用下述改进方法a)改进燃烧器结构，将燃烧器的中间层出口形状改为3~8个圓柱小孔 同心均布，并在其外增加一嵌套层，以提高燃烧火焰的温度和生成粉尘颗粒的团聚度，使粉尘颗粒在光纤预制棒上的吸附率增加；b) 在光纤预制棒沉积初期，加快橫移速度，连续增加燃烧气流量，提高燃烧火焰温度，增加粉尘颗粒热泳动力，使粉尘颗粒更加快速高效的粘附在光纤预制棒表面；c) 光纤预制棒外径增长到设定值后，采用燃烧气流量和横移速度渐变缩 减的方式，减小沉积界面密度、附着力的波动及表面波紋，以此防止光纤预 制棒高温玻璃化后其内部产生气泡、气线，最终达到提高生产效率的目的。0VD工艺中，燃烧器的结构对气流喷出后的混合形态起关键作用，通过 改进燃烧器的结构，可使相应的气流更好的混合，这在提高火焰温度和促进 原料反应吸收上有明显效果，另外，起始沉积层数和温度对沉积速率影响很 大，适当增加横移速度，降低光纤预制棒表面温度，可促使原料吸收率增加， 从而提高沉积速率和生产效率，但速度和气体流量变化过大，易引起母棒内 气泡和表面波紋的产生，通过相关计算和初期试验验证，控制好移动速度、 气体流量和沉积温度，使;卩>散体密度平滑緩慢变化，可有效防止母棒内气泡 和表面波紋的产生，并最终实现提高0VD沉积速率，降低成本，缩短作业时 间，达到提高生产效率的目的。上述方案，是基于0VD工艺的原理形成的，首先，其对燃烧器的结构改 进，由四层圓柱形同心嵌套结构改为六层圓柱形同心嵌套结构，燃烧器的中 间层出口形状由圓筒形层叠改为3~8个圓柱小孔同心均布，并在其外增加 一嵌套层，使燃烧气体预混形态更有利于生成易吸附型团聚颗粒的反应；其 次，增加沉积作业中的横移速度，并控制转速、横移速度和横移距离的关系， 防止棒表面波紋的产生；第三，通过燃料气体流量曲线的调整，控制火焰温 度及气体流速，使粉尘沉积层之间结合牢固，各层密度波动平緩，防止玻璃 化后产生各种形状的气泡。本发明方法，原料气体利用率提高，对所制得光 纤预制棒性能无不良影响。本发明方法，通过对燃烧器结构进行改进，使燃烧气体预混形态更有利 于生成易吸附型团聚颗粒的反应，另在开始沉积作业初期阶段，采用高速横 移，外径增长达到一定值后，采用低速横移。采用本方法在初始棒外径较小的情况下，可使原料反应产生的粉尘颗粒 在棒上的吸附率增加，从而使光纤预制棒的外径迅速增大，从而提高光纤预 制棒与原料反应火焰的接触面积，进一步增加粉尘的吸收，使原料气体的利 用率得到提高。本发明的积极效果在于1、 通过对横移速度及火焰气流量的调整，可使原料气体利用率提高10 个百分点以上，使生产成本明显降低。2、 通过对燃烧器结构和工艺控制方式的改进，提高了 OVD方法生产光纤 预制棒的生产效率，并解决了 0VD方法制作光纤预制棒初期原料吸收速度慢 的技术问题，使生产效率提高30%以上，并使每根棒的作业时间缩短了 3小 时以上，使生产效率得到进一步提高。3、 在使生产成本降低，生产效率提高的同时，不影响产品质量，对母棒 内的气泡及母棒表面的波紋等均无不良影响。
图la是现有烧烧器的结构示意图；图lb本发明方法燃烧烧器结构；图中，线条之间示意为气流通道。图2是本发明方法横移速度随沉积横移摆动次数变换的曲线示意图。 图3是本发明方法用双喷燃烧器对沉积波带(粉尘颗粒粘附在靶棒上形成的波形)的互补关系形成的光纤预制棒表面示意图。图4是本发明方法利用横移距离的周期性偏移来减少单燃烧器沉积粉尘波带后的光纤预制棒表面示意图。图5是本发明方法对横移距离进行周期性偏移的横移位置示意图。图6是本发明方法依据横移距离的变化进行了气流量曲线调整示意图。图7是本发明实例与原工艺在固定时间内生产的预制棒的重量增长曲线比较示意图。图中标号说明1-现有燃烧器，2-改进燃烧器，3、 4-单个燃烧器火焰形 成的粉尘波带，5-叠加后形成的粉尘波带，6-横移距离总偏移量，7-单次偏 移距离，8-改进后沉积粉尘重量增长曲线，9-原沉积粉尘重量增长曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细的说明。一种提高光纤预制棒生产效率的方法，其根本构思是用0VD工艺制作光 纤预制棒时，采用下述改进方法a) 改进燃烧器结构，将燃烧器的中间层出口形状改为3~8个圆柱小孔同 心均布，并在其外增加一嵌套层，以提高燃烧火焰的温度和生成粉尘颗粒的 团聚度，使粉尘颗粒在光纤预制棒上的吸附率增加；b) 在光纤预制棒沉积初期，加快横移速度，连续增加燃烧气流量，提高 燃烧火焰温度，增加粉尘颗粒热泳动力，使粉尘颗粒更加快速高效的粘附在 光纤预制棒表面；c) 光纤预制棒外径增长到设定值后，釆用燃烧气流量和横移速度渐变缩 减的方式，减小沉积界面密度、附着力的波动及表面波紋，以此防止光纤预 制棒高温玻璃化后其内部产生气泡、气线，最终达到提高生产效率的目的。作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术 特征在光纤预制棒沉积初期，提高燃烧火焰的温度至高于光纤预制棒表面的 温度20(TC ~ 500°C。所述的加快燃烧器的横移速度是指沉积开始300分钟以内，间歇性来回 横移摆动燃烧器或者光纤预制棒，次数至少为800次，横移速度位于 3000腿/min 8000mm/min，每次单向远离横移(远离横移是指燃烧器与光纤 预制棒之间的距离增大的横移)完成后采用2-5倍于横移速度的速度返回 (返回是指燃烧器与光纤预制棒之间的距离减小的橫移)，参见图5,其中一 个右指向的箭头和一个其下的与其相邻的左指向的箭头表示一次来回，右指 向箭头的长度表示燃烧器相对光纤预制棒远离摆动的距离以及起点位置，左 指向箭头的长度表示燃烧器相对光纤预制棒接近摆动的距离以及返回位置， 换言之，图中表示的5次远离摆动，在每次的起点位置燃烧器相对光纤预制 棒的距离渐远，在最后一次远离摆动后返回至首次远离摆动的起点，如此5 次往复作为一个周期。以渐变方式到达高速横移速度，从基准速度100mm/min~ 300mm/min开 始，递增速度间隔不超过500mm/min，并保持单次横移内速度稳定不变。低 速横移速度控制在3000mm/min以下。所述的连续增加燃烧气流量，提高燃烧火焰温度，是指将燃料氢气的流 量控制在IOO slm~ 300slm并增长流量，火焰温度控制在800°C ~ 1200°C。在初期快速横移沉积完成后，燃料氢气流量降为与光纤预制棒沉积初期 时的流量相同，然后再递增。为消除快速沉积时光纤预制棒表面的波紋，横移速度V、光纤预制棒的 旋转速度N、燃烧器的间距b之间的关系如下V=2bN/(2n+l),其中n是自 然数，取值范围在1-IO间；实际横移速度在上式计算出的理论横移速度上土 10%波动。为消除快速沉积时光纤预制棒表面的波紋，横移速度V、光纤预制棒的 旋转速度N、橫移距离偏移总量D、单次横移偏移量d之间的关系如下 D=(n-l)V/N/n， d=D/n，其中n是自然数，取值范围在1-IO间；实际的横移 距离偏移总量D和单次横移偏移量d的设定在上式计算出的理论值上±10% 波动。所述燃烧器的横移速度緩增到需要的快速横移速度进行沉积完成后再緩 减，以防止光纤预制棒高温玻璃化后棒内产生气泡和气线。 以下通过具体例子对本发明做具体说明。按照下述方法实施用OVD工艺制作光纤预制棒包层，把燃烧气体、助 然气体及反应原料SiCU气体通入图lb所示的燃烧器，燃烧器喷出的火焰居 中聚焦到一根旋转的芯棒上，并使芯棒相对于火焰以图2所示的速度变化横 向移动(鉴于横移速度的定义，芯棒相对于火焰的横移可以通过移动芯棒或/ 和燃烧器实现)，初期横移速度由低速(100-200rara/min)很快过渡到高速 (3000-8000mm/min)，参见图2。在相对高速的条件下，反应生产的粉尘以 较高速率吸附到芯棒上，形成光纤预制棒，到达60-IOO隱的外径，光纤预制 棒相对火焰的横移速度再变换到低速。最终以较高的沉积效率得到理想的表 面平整的光纤预制棒。为得到表面平整，玻璃化后无气泡的预制棒，同时采用下述多项措施在高速下单燃烧器沉积的粉尘呈螺旋波带状，为消除这种波带，使光纤 预制棒表面平整，采用多燃烧器沉积，利用各燃烧器沉积的粉尘波峰、波谷互补的关系之后生成的光纤预制棒表面状况如图3所示，横移速度V、旋转 速度N、燃烧器间距b之间以如下关系设定b= nV/N+V/(2N)，即 V=2bN/(2n+l)，其中n是自然数，取值范围在1-IO间，实际横移速度在上式 计算出的理论横移速度上± 10%波动。为进一步减少在高速下沉积的光纤预制棒表面产生螺旋波带状，需对横 移距离进行周期性的偏移，偏移之后的光纤预制棒表面波紋叠加如图4所示， 表面波带变小而密。横移速度V、旋转速度N、横移距离偏移总量D、单次偏 移量d之间的关系如下(图5): D=(n-l)V/N/n， d=D/n,其中n是自然数， 取值范围在1-10间，实际的偏移量D和d值的设定在上式计算出了理论值上 ± 10%波动。横移速度的变化加大，在同样的燃烧气体流量下，会导致光纤预制棒表 面温度过低或过高，使光纤预制棒各层密度差加大，粘附力降低，烧结过程 中因各层收缩不同而产生剪切力，使不同的粉尘层间出现界面滑移，进而形 成螺旋形气泡。对此需跟据横移速度的变化对燃烧气流量量相应的调整，典 型的流量曲线如图6所示。在上述条件下，重量增长较原有生产条件的重量增长率明显加快，如图 7所示。实例1:原条件生产采用H2、 02作为燃烧气体，SiCh作为Si02粉尘生成的原料，以一定的 流量通入图la所示的燃烧器，沉积时H2气基准流量120slm，初期层横移速 度100mm/min，逐次递增到横移速度1000mm/min，并保持不变，相应调节燃 烧气流量逐渐增大，光纤预制棒表面温度保持在1200-80(TC之间，生产光纤 预制棒特性如下光纤预制棒密度0. 5g/cm3。气泡缺陷无。玻璃预制棒表面波紋最大值(相临40隨间)0. lram。实例1所述光纤预制棒的特性均符合相关标准要求。 实例2:燃烧器结构改进后生产采用H2、 02作业燃烧气体，SiCU作为Si02粉尘生成的原料，以一定的 流量通入图lb所示的燃烧器，H2气基准流量120slm，初期层横移速度 100mm/min,逐次递增到纟黄移速度1000mm/min，并保持不变，相应调节燃烧 气流量逐渐增大，光纤预制棒表面温度保持在1200-800。C之间，生产光纤预 制棒特性如下光纤预制棒密度0. 65g/cm3。气泡缺陷无。玻璃预制棒表面波紋最大值(相临40mm间)0. 08mm。实例2所述光纤预制棒的特性均符合相关标准要求，单根棒沉积速率较实例1提高20%,原料气体消耗成本较实例1下降11%，同时作业时间较实例1减少1小时以上。实例3:燃烧器结构和初期沉积控制方式均改进后生产釆用H2、 02作业燃烧气体，SiCU作为Si02粉尘生成的原料，以一定的 流量通入图lb所示的燃烧器，H2气基准流量120slm,初期层横移速度 100隱/min,高速横移采用8000隱/min，低速横移采用1000腿/min，随横移 速度的变化，相应调节燃烧气流量，使光纤预制棒表面温度保持在1200-800 。C之间相应变化，并设定相应的横移偏移距离和转速，生产光纤预制棒特性 如下:光纤预制棒密度0. 48g/cm3。 气泡缺陷无。玻璃预制棒表面波紋最大值(相临40mm间)0. lmm。实例3所述光纤预制棒的特性均符合相关标准要求，单根棒沉积速率较 实例l提高36%,原料气体消耗成本较实例1下降21%，同时作业时间较实例 1减少2小时以上。备注(本发明的一些术语的定义)沉积速率指单位时间内吸附沉积到光纤预制棒上的粉尘粒子质量。 横移速度指燃烧器与光纤预制棒在单位时间内的相对位置变化速率。 表面波紋指沉积生成的光纤预制棒和玻璃化后形成的玻璃预制棒的圆柱形表面的相临单位距离内的外径波动的差值。团聚度指在燃烧器火焰中，反应生成的小粉尘颗粒，随气流的流动逐渐聚合成大颗粒的程度。吸附率指在沉积反应中，粘附到靶棒上的粉尘颗粒量与反应生成的总量的比值。粒子数量密度指单位体积内颗粒的数量。玻璃预制棒内气泡指多孔疏松粉尘预制棒在高温烧结的玻璃化过程中，形成的玻璃体内的空心气孔。玻璃预制棒内气线指多孔疏松粉尘预制棒在高温烧结的玻璃化过程中，形成的玻璃体内呈曲线状连通的微小气孔。VAD是Vapor Axial Deposition,汽相轴向沉积的缩写。0VD是Outside Vapor Deposition,夕卜部汽相沉积的缩写。MCVD是Modif ied Chemical Vapor Deposition,改进的4b学汽相沉积的缩写。PCVD是Plasma Chemical Vapor Deposiotn,等离子体化学汽相沉积的缩写。1权利要求
1、一种提高光纤预制棒生产效率的方法，其特征是用OVD工艺制作光纤预制棒时，采用下述改进方法a)改进燃烧器结构，将燃烧器的中间层出口形状改为3～8个圆柱小孔同心均布，并在其外增加一嵌套层，以提高燃烧火焰的温度和生成粉尘颗粒的团聚度，使粉尘颗粒在光纤预制棒上的吸附率增加；b)在光纤预制棒沉积初期，加快横移速度，连续增加燃烧气流量，提高燃烧火焰温度，增加粉尘颗粒热泳动力，使粉尘颗粒更加快速高效的粘附在光纤预制棒表面；c)光纤预制棒外径增长到设定值后，采用燃烧气流量和横移速度渐变缩减的方式，减小沉积界面密度、附着力的波动及表面波纹，以此防止光纤预制棒高温玻璃化后其内部产生气泡、气线，最终达到提高生产效率的目的。
2、 根据权利要求1所述的一种提高光纤预制棒生产效率的方法，其特征 是在光纤预制棒沉积初期，提高燃烧火焰的温度至高于光纤预制棒表面的温 度200°C ~ 500°C。
3、 根据权利要求l所述的一种提高光纤预制棒生产效率的方法，其特征 是所述的加快横移速度是指沉积开始300分钟以内，间歇性来回横移摆动燃 烧器或者光纤预制棒，次数至少为800次，横移速度位于3000mm/min~ 8000隱/min,每次单向远离横移完成后采用2 ~ 5倍于横移速度的速度返回。
4、 根据权利要求1所述的一种提高光纤预制棒生产效率的方法，其特征 是所述的连续增加燃烧气流量，提高燃烧火焰温度，是指将燃料氢气的流量 控制在100 slm 300slm并增长流量，火焰温度控制在800°C ~ 1200°C。
5、 根据权利要求1或4所述的一种提高光纤预制棒生产效率的方法，其 特征是在初期快速横移沉积完成后，燃料氢气流量降为与光纤预制棒沉积初 期时的流量相同，然后再递增。
6、 根据权利要求l所述的一种提高光纤预制棒生产效率的方法，其特征 是为消除快速沉积时光纤预制棒表面的波紋，横移速度V、光纤预制棒的旋 转速度N、燃烧器的间距b之间的关系如下V=2bN/(2n+l),其中n是自然数，取值范围在1-10间，实际横移速度在上式计算出的理论横移速度上±10% 波动。
7、 根据权利要求1所述的一种提高光纤预制棒生产效率的方法，其特征 是为消除快速沉积时光纤预制棒表面的波紋，横移速度V、光纤预制棒的旋 转速度N、横移距离偏移总量D、单次横移偏移量d之间的关系如下 D=(n-l)V/N/n， d=D/n，其中n是自然数，取值范围在1-IO间，实际的横移 距离偏移总量D和单次横移偏移量d的设定在上式计算出的理论值上±10% 波动。
8、 根据权利要求1所述的一种提高光纤预制棒生产效率的方法，其特征 是所述燃烧器的横移速度緩增到需要的快速横移速度进行沉积完成后再緩 减，以防止光纤预制棒高温玻璃化后棒内产生气泡和气线。
全文摘要
一种提高光纤预制棒生产效率的方法，属于光通信技术，现有OVD沉积技术在初期沉积过程中，因初始棒径小，与粉尘火焰接触面少，粉尘在棒上堆积率低，造成光纤预制棒径向增长很慢。本发明是在用OVD工艺制作光纤预制棒时，对燃烧器的结构改进，并在沉积初期横移速度加快，增加燃烧气流量，提高火焰温度，加大生成粉尘颗粒的火焰与棒表面的温度差，增加颗粒热泳动力，使粉尘颗粒更加快速高效的粘附在光纤预制棒表面，外径增长到一定程度后，采用气流量和横移速度缩减的参数调整，减小沉积界面的波动，以消除棒表面的波纹并防止高温玻璃化后内部产生气泡、气线等，生产产品性能与常规方法无异，使材料成本下降，生产效率提高30％以上。
文档编号C03B37/018GK101565272SQ20091009914
公开日2009年10月28日 申请日期2009年5月25日 优先权日2009年5月25日
发明者刘连勇, 卢卫民, 吴海港, 宋太中 申请人:富通集团有限公司