一种光纤预制棒疏松体的烧结装置的制作方法

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1.本实用新型属于光纤预制棒制造技术领域，具体涉及一种光纤预制棒疏松体的烧结装置。


背景技术：

2.当前，国内光纤市场不稳定，光纤单价连年下降，极大压缩各大光纤企业的利润空间，因此，企业只有对光纤原材料
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光纤预制棒的制造成本进行层层压缩才能弥补亏损。降低生产成本最有效的手段就是提高预制棒合格率，降低生产过程中的半成品报废率。
3.现有的光纤预制棒制备工艺中，多采用轴向气相沉积法(vad)生产芯棒，再用外部气相沉积法(ovd)生产外包层两步法生产光纤预制棒。vad工艺通常用于制备光纤预制棒的芯棒，芯棒的工艺控制直接影响光纤预制棒拉丝后各项光学参数指标，其中芯棒疏松体烧结工艺中的脱羟阶段可以实现低水峰光纤的制备，烧结工艺中的玻璃致密化阶段实现疏松体的透明。但传统的烧结技术中，脱羟工艺气体氯气、氦气的混合物从炉芯管管底通入，借助顶部抽气排出。由于氯气分子质量71g/mol，远高出其他辅助气体的分子质量，造成氯气容易富集在炉芯管中下部位，此外，疏松体顶部的缩颈区与炉芯管管壁间隙超过疏松体其他部位与炉芯管管壁间隙，导致疏松体顶部尤其缩颈区的氯气浓度分压降低，脱羟反应(如反应式1)程度较低，烧结后，疏松体起始段的羟基和水分子脱除效果较其他部位变差，一方面：光纤预制棒缩颈区羟基含量过高，拉丝后的g.652d光纤“水峰”(1383nm衰减系数)变大，导致降级光纤g.652b光纤(1383nm衰减系数>0.355db/km)所占比例增加。目前，企业只有通过切割这一部分衰减偏大的区域来保证光纤的衰减水平，增大了生产成本。另一方面：疏松体顶部尤其缩颈区的氯气浓度分压降低，也会造成预制棒轴向光学参数如芯包相对折射率差值大小的均一性变差，芯包相对折射率差值偏大、偏小都会造成光纤模场直径 (mfd)系数超标，最终导致光纤产品质量下降。
4.2si
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oh 2cl2＝2si
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cl 2hcl o25.2h2o 2cl2＝4hcl o2ꢀꢀꢀ
(1)
6.中国专利cn207435310公开了一种大尺寸光纤疏松粉棒的烧结装置，通过在炉芯管内位于疏松粉棒的下方设有顶部缩颈的导流罩，增大疏松粉与脱羟气体接触，制备低水峰光纤预制棒，但此专利中提及将导流罩直接放置炉芯管内在实际使用过程中会存在以下几个问题：1.炉芯管内中导流罩的顶部缩颈大小一次定型，只能匹配烧结外径小于缩颈口大小的疏松粉棒；2.烧结过程中的疏松粉棒若出现开裂而掉落，会直接砸碎炉芯管底部的导流罩，同时由于导流罩的限制，炉芯管管底清理会比较麻烦，设备不能继续使用。
7.因此，为了降低或避免光纤预制棒疏松体缩颈区衰减不合格部分的切割，同时提高预制棒轴向相对折射率大小的均一性，亟需一种保证光纤预制棒疏松体脱羟阶段氯气浓度分压的烧结装置及其烧结方法。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种光纤预制棒疏松体的烧结装置。
9.本实用新型采用以下技术方案：
10.一种光纤预制棒疏松体的烧结装置，包括升降装置、引杆、炉芯管、导流套筒和加热器；所述引杆一方面与升降装置连接，另一方面连接导流套筒，导流套筒下方设置疏松体，所述疏松体的缩颈区完全被覆盖在导流套筒内部；所述炉芯管设置在引杆下方，炉芯管外部设置有加热器；所述升降装置可驱动引杆和导流套筒上下运动，进而带动疏松体上下运动，从而实现疏松体进入炉芯管内烧结以及烧结完毕后离开炉芯管的过程；所述导流套筒包括上下分布的圆锥形筒和圆柱形底座，可将工艺气体(氯气和氦气)笼罩进疏松体的缩颈区处，以便于增大缩颈区的脱羟效果；所述圆锥形筒表面设置有若干个镂空小孔，用于排气。
11.进一步的，所述升降装置包括竖直设置的塔架导轨和第一升降平台，所述引杆与第一升降平台连接；所述第一升降平台可沿着塔架导轨上下运动，进而带动引杆上下运动。
12.进一步的，所述第一升降平台上还设置有旋转装置，引杆与旋转装置连接；所述引杆可在旋转装置的驱动下水平转动。
13.进一步的，还包括第二升降平台和伸缩平台；所述第二升降平台设置在塔架导轨上，并可沿着塔架导轨上下运动，第二升降平台位于第一升降平台下方；所述伸缩平台用于承托导流套筒，设置在第二升降平台上，包括底座、伸缩件和固定平板；所述底座固定在第二升降平台上，依次连接伸缩件和固定平板；所述固定平板水平设置，可在第二升降平台或者伸缩件的驱动下，进行竖直运动或者水平运动。
14.进一步的，所述引杆与导流套筒可拆卸连接，所述引杆上设置有引杆插销孔，导流套筒上设置有导流套筒插销孔，引杆插销孔与导流套筒插销孔对齐后，通过将石英插销同时插入引杆插销孔与导流套筒插销孔进行固定。
15.进一步的，所述疏松体通过转换结构可拆卸连接在引杆的下端，所述转换结构包括石英转接筒和石英靶棒，石英转接筒与引杆下端连接，石英靶棒固定在石英转接筒下方，所述石英靶棒与疏松体固定连接；所述石英转接筒上设置有销孔，相应的，引杆下端设置有与之对应的销孔，石英转接筒与引杆通过销孔和插销固定连接。
16.进一步的，所述加热器为石墨加热器，环形分布在炉芯管外；所述加热器外环形设置石墨保温毡。
17.进一步的，所述炉芯管底部设置有进气口，顶部设置有排气口；所述排气口处设置有第一气封圆环和第二气封圆环。
18.进一步的，所述导流套筒的材质为ge
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214高纯石英；所述固定平板材质为特氟龙。
19.进一步的，所述伸缩件为金属伸缩骨架，所述金属伸缩骨架上设置有调节旋钮，用于调节伸缩。
20.本实用新型的有益效果：
21.(1)本实用新型创造借助圆锥形导流套筒将工艺脱羟气体完全覆盖光纤预制棒疏松体的缩颈区，保障缩颈区的氯气浓度分压，提高缩颈区的脱羟效果，一方面可以降低光纤预制棒缩颈区拉丝后的光纤“水峰”，另一方面可以提高光纤预制棒轴向相对折射率大小的
均一性，最终提高光纤的产品质量，有效降低光纤预制棒制造成本；
22.(2)本实用新型通过设置升降装置和伸缩平台，可在疏松体烧结准备及烧结结束过程中，方便的完成疏松体的安装及烧结母棒的卸载；本实用新型设计合理，结构简单，操作方便，可大大提高生产效率及产品质量，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明：
23.图1为本实用新型结构示意图；
24.图2为本实用新型光纤预制棒疏松体结构示意图；
25.图3为本实用新型实施例中导流套筒立体结构示意图；
26.图4为本实用新型实施例中导流套筒的剖视图；
27.图5为本实用新型实施例中导流套筒的俯视图；
28.图6为本实用新型实施例中伸缩平台结构示意图；
29.图7为本实用新型实施例中导流套筒升降时的作业示意图；
30.图8为本实用新型实施例中疏松体安装作业示意图；
31.图9为本实用新型实施例中疏松体烧结结束的示意图；
32.图10为传统方法烧结疏松体后光纤1310nm、1383nm、1550nm衰减分布图；
33.图11、12为本实用新型实施例中光纤1310、1383、1550nm衰减分布图；
34.图13为本实用新型实施例中光纤预制棒轴向芯包相对折射率差值分布图；
35.图14为本实用新型实施例中光纤1310nm、1550nm mfd分布图；
36.附图中的标记为：1、塔架导轨；2、第一升降平台；3、旋转装置；4、引杆； 5、第二升降平台；6、伸缩平台；7、导流套筒；7
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1、圆锥形筒；7
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2、圆柱形底座；8、石英插销；9、石英转接筒；10、石英靶棒；11、疏松体；12、炉芯管； 13、第一气封圆环；14、第二气封圆环；15、加热器；16、石墨保温毡；17、导流套筒插销孔；18、镂空小孔；19、底座；20、调节旋钮；21、金属伸缩骨架； 22、固定平板；23、引杆插销孔；24、烧结母棒；25、缩颈区。
具体实施方式：
37.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
38.参见图1～9，本实用新型实施例提供一种光纤预制棒疏松体的烧结装置，包括升降装置、引杆4、炉芯管12、导流套筒7和加热器15；所述引杆4一方面与升降装置连接，另一方面连接导流套筒7，导流套筒7下方设置疏松体11，所述疏松体11的缩颈区25完全被覆盖在导流套筒7内部；所述炉芯管12设置在引杆4下方，炉芯管12外部设置有加热器15；所述升降装置可驱动引杆4和导流套筒7上下运动，进而带动疏松体11上下运动，从而实现疏松体11进入炉芯管12内烧结以及烧结完毕后离开炉芯管12的过程；所述导流套筒7包括上下分布的圆锥形筒7
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1和圆柱形底座7
‑
2，可将工艺气体(氯气和氦气)笼罩进疏松体11的缩颈区25处，以便于增大缩颈区25的脱羟效果；所述圆锥形筒7
‑
1表面设置有若干个镂空小孔18，
用于排气；所述加热器15为石墨加热器，环形分布在炉芯管12外；所述加热器15外环形设置石墨保温毡16。
39.本实用新型实施例中，所述升降装置包括竖直设置的塔架导轨1和第一升降平台2，所述引杆4与第一升降平台2连接；所述第一升降平台2可沿着塔架导轨1上下运动，进而带动引杆4上下运动；所述第一升降平台2上还设置有旋转装置3，引杆4与旋转装置3连接；所述引杆4可在旋转装置3的驱动下水平转动。
40.本实用新型实施例中，还包括第二升降平台5和伸缩平台6；所述第二升降平台5设置在塔架导轨1上，并可沿着塔架导轨1上下运动，第二升降平台5 位于第一升降平台2下方；所述伸缩平台6用于承托导流套筒7，设置在第二升降平台5上，包括底座19、伸缩件和固定平板22；所述底座19固定在第二升降平台5上，依次连接伸缩件和固定平板22；所述固定平板22水平设置，可在第二升降平台5或者伸缩件的驱动下，进行竖直运动或者水平运动。
41.本实用新型实施例中，所述引杆4与导流套筒7可拆卸连接，所述引杆4 上设置有引杆插销孔23，导流套筒7上设置有导流套筒插销孔17，引杆插销孔 23与导流套筒插销孔17对齐后，通过将石英插销8同时插入引杆插销孔23与导流套筒插销孔17进行固定。引杆插销孔23的数量可根据需要设置若干个，以便于高度的调节，各个引杆插销孔23竖直分布，相邻引杆插销孔23间距为40mm，内径都为12mm。
42.本实用新型实施例中，所述疏松体11通过转换结构可拆卸连接在引杆4的下端，所述转换结构包括石英转接筒9和石英靶棒10，石英转接筒9与引杆4 下端连接，石英靶棒10固定在石英转接筒9下方，所述石英靶棒10与疏松体 11固定连接；所述石英转接筒9上设置有销孔，相应的，引杆4下端设置有与之对应的销孔，石英转接筒9与引杆4通过销孔和插销固定连接。
43.本实用新型实施例中，所述炉芯管12底部设置有进气口，顶部设置有排气口；所述排气口处设置有第一气封圆环13和第二气封圆环14；所述导流套筒7 的材质为ge
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214高纯石英；所述固定平板22设计成内径d1的圆形中空圆凹型台阶结构，d1为240mm，材质为特氟龙；所述伸缩件为金属伸缩骨架21，所述金属伸缩骨架21上设置有调节旋钮20，用于调节伸缩。
44.需要说明的是，伸缩平台6升降过程中，固定平板22中心与疏松体11、烧结母棒24之间的间隙比较充足，不会发生剐蹭；烧结过程中，导流套筒底座与炉芯管12管壁、疏松体11之间的间隙比较充足，不会发生剐蹭，烧结结束疏松体缩颈区透明度保持良好。
45.本实用新型实施例中，疏松体11外径为150～200mm，疏松体11长度为 1400～1800mm；石英靶棒10长度为500～600mm；炉芯管12内壁管径为300mm；引杆4外径为50mm；第一气封圆环13、第二气封圆环14内径均为55mm，
46.本实用新型实施例中，如图4所示，导流套筒7上口内径d1:55mm，外径 d2:80mm，高度l3：80mm；导流套筒7下口内径d3:250mm，导流套筒7锥面高度l4：200mm；导流套筒7下口高度l5：100mm，导流套筒7壁厚l6：5mm。如图5所示，导流套筒7锥面分别环形分布四层镂空小孔18，导流套筒镂空小孔18孔径为2mm；导流套筒插销孔17内径为12mm；石英插销8设计成圆柱体，长度为140mm，外径为8mm。
47.本实用新型光纤预制棒疏松体的烧结装置的应用方法，包括以下步骤：
48.s1、引杆4与疏松体11的安装：
49.操控第二升降平台5和伸缩件，将固定平板22移动到炉芯管12的正上方，使固定平板22承托在导流套筒7下方；操控第二升降平台5，直至导流套筒7 底座与炉芯管12管口距离l1；操控第一升降平台2，使引杆4伸入导流套筒7 内，将疏松体11固定连接在引杆4下端；
50.s2、引杆4与导流套筒7的安装：
51.操控第二升降平台5，降低伸缩平台6的高度直至导流套筒7底座与炉芯管 12管口距离l2；移动引杆4，直至引杆插销孔23与导流套筒插销孔17对齐，通过将石英插销8同时插入引杆插销孔23与导流套筒插销孔17内并固定，实现引杆4与导流套筒7的固定连接；随后操控第二升降平台5和伸缩件，使固定平板22撤离作业区域；
52.s3、将疏松体11送入烧结区：
53.操控第一升降平台2，使引杆4下降，直至疏松体11底部进入炉芯管12高温区(即石墨加热器15顶端位置)，同时第一气封圆环13和第二气封圆环14 分别依次覆盖炉芯管12顶部；
54.s4、开始烧结：
55.首先进行疏松体11脱羟，炉芯管12内温度升高至900
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1200℃，疏松体11 缓慢下降至加热器15顶端位置，通过旋转装置3控制引杆4转动，并从炉芯管 12底部通入氯气和氦气；脱羟工艺结束，停止氯气进气，疏松体11自动提升至加热器15顶端位置；继续升高炉芯管12内温度至1500℃，疏松体11缓慢下降进行玻璃透明化；待疏松体11完全玻璃透明化后，停止氦气进气与引杆4转动；炉芯管12内温度降至800
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900℃，控制引杆4上升，将烧结母棒24提出炉芯管 12；
56.s5、引杆4与导流套筒7的分离：
57.待导流套筒7降温至室温后，调节操控第二升降平台5和伸缩件，使固定平板22移动至导流套筒7的下方，并承托住导流套筒7；拔走石英插销8；
58.s6、卸载烧结母棒24：
59.引杆4与导流套筒7分离后，控制引杆4下降，卸载烧结母棒24；
60.s7、导流套筒7进行清扫处理：
61.导流套筒7进行可以借助吸尘器清扫表面颗粒杂质。
62.本实用新型中，导流套筒7底部与炉芯管12管口距离l1:2000～2300mm， l2:1800～2000mm。
63.疏松体11脱羟过程中，氯气和氦气从炉芯管12底部通入后，疏松体11上端缩颈区25被导流套筒7底座完全笼罩，得以保证进入导流套筒7内部的氯气浓度，待疏松体11的缩颈区25与氯气充分反应，生成物废气氯化氢和多余的氯气会及时从导流套筒镂空小孔18排走，最终排出炉芯管12。
64.实施例1：
65.s1、电动控制调节第二升降平台，升高伸缩平台的高度直至导流套筒底部与炉芯管管口距离2100mm，在石英转接筒上借助长度550mm的石英靶棒安装长度1400mm、外径200mm的疏松体；
66.s2、电动控制调节第二升降平台，降低伸缩平台的高度直至导流套筒底座与炉芯管管口距离1900mm，待导流套筒插销孔对准引杆插销孔后插上长度140mm 且外径8mm的石英插销，实现引杆与导流套筒的固定连接；调节伸缩平台，使其撤离作业区域；
67.s3、疏松体底部以200mm/min速率进入炉芯管高温区，即石墨加热器顶端位置，同时第一气封圆环、第二气封圆环分别依次覆盖炉芯管顶部；
68.s4、炉芯管内温度8.5℃/min升高至1050℃，疏松体以8mm/min速率开始下降至石墨加热器顶端位置，引杆3rpm速率转动，同步炉芯管底部通入氯气和氦气，流量分别为1.0slm和17slm；脱羟工艺结束，停止氯气进气，疏松体自动提升至石墨加热器顶端位置；炉芯管继续以温度11.0℃/min升高至1500℃，疏松体继续以5mm/min速率下降进行玻璃透明化，同步氦气进气流量为15slm；待疏松体完全玻璃透明化后，停止氦气进气与引杆转动；炉芯管内温度降至900℃，烧结母棒以100mm/min速率提出炉芯管，直至导流套筒底座与炉芯管管口距离 1900mm停止；
69.s5，待导流套筒降温至室温后，调节操控第二升降平台和伸缩件，使固定平板移动至导流套筒的下方，并承托住导流套筒，拔走石英插销；
70.s6、继续电动控制调节升降装置，直至导流套筒底座与炉芯管管口距离 2100mm，卸载烧结母棒；
71.s7，吸尘器清扫导流套筒表面颗粒杂质。
72.烧结结束后，将透明的烧结母棒继续进行延伸、pk测试、ovd外包、光纤拉丝和光学参数测试。
73.与传统的烧结装置和烧结方法相比，如图13所示，光纤预制棒轴向芯包相对折射率差值的平均值、极差值、标准偏差分别由0.394％、0.083％、0.026％降低至0.385％、0.024％、0.007％，光纤预制棒轴向芯包相对折射率差值均一性有所改善。
74.与传统的烧结装置和烧结方法相比，如图10、11所示，光纤1383nm衰减系数平均值、极差值、标准偏差分别由0.378db/km、1.590db/km、0.286db/km 降低至0.275db/km、0.046db/km、0.010db/km，光纤“水峰”均一性有所改善，光纤质量得到显著提升。
75.对比传统的烧结装置和烧结方法，如图14所示，光纤1310nm mfd系数极差值和标准偏差分别由2.08μm、0.41μm降低至0.64μm、0.10μm，光纤1550nmmfd系数极差值和标准偏差分别由1.27μm、0.30μm降低至0.50μm、0.10μm，光纤1310nm、1550nm mfd系数均一性有所改善，光纤质量得到显著提升。
76.实施例2：
77.s1、电动控制调节第二升降平台，升高伸缩平台的高度直至导流套筒底部与炉芯管管口距离2200mm，在石英转接筒上借助长度550mm的石英靶棒安装长度1600mm、外径180mm的疏松体；
78.s2、电动控制调节第二升降平台，降低伸缩平台的高度直至导流套筒底座与炉芯管管口距离1800mm，待导流套筒插销孔对准引杆插销孔后插上长度140mm 且外径8mm的石英插销，实现引杆与导流套筒的固定连接；调节伸缩平台，使其撤离作业区域；
79.s3、疏松体底部以200mm/min速率进入炉芯管高温区，即石墨加热器顶端位置，同时第一气封圆环、第二气封圆环分别依次覆盖炉芯管顶部；
80.s4、炉芯管内温度8.5℃/min升高至1170℃，疏松体以8mm/min速率开始下降至石墨加热器顶端位置，引杆3rpm速率转动，同步炉芯管底部通入氯气和氦气，流量分别为0.9slm和18slm；脱羟工艺结束，停止氯气进气，疏松体自动提升至石墨加热器顶端位置；炉芯管继续以温度11.0℃/min升高至1500℃，疏松体继续以5mm/min速率下降进行玻璃透明
化，同步氦气进气流量为15slm；待疏松体完全玻璃透明化后，停止氦气进气与引杆转动；炉芯管内温度降至900℃，烧结母棒以100mm/min速率提出炉芯管，直至导流套筒底座与炉芯管管口距离 1800mm停止；
81.s5，待导流套筒降温至室温后，调节操控第二升降平台和伸缩件，使固定平板移动至导流套筒的下方，并承托住导流套筒，拔走石英插销；
82.s6、继续电动控制调节升降装置，直至导流套筒底座与炉芯管管口距离 2200mm，卸载烧结母棒；
83.s7，吸尘器清扫导流套筒表面颗粒杂质。
84.烧结结束后，将透明的烧结母棒继续进行延伸、pk测试、ovd外包、光纤拉丝和光学参数测试。
85.对比传统的烧结装置和烧结方法，如图13所示，光纤预制棒轴向芯包相对折射率差值的平均值、极差值、标准偏差分别由0.394％、0.083％、0.026％降低至0.374％、0.020％、0.005％，光纤预制棒轴向芯包相对折射率差值均一性有所改善。
86.对比传统的烧结装置和烧结方法，如图10、图12所示，光纤1383nm衰减系数平均值、极差值、标准偏差分别由0.378db/km、1.590db/km、0.286db/km 降低至0.274db/km、0.026db/km、0.004db/km，光纤“水峰”均一性有所改善，光纤质量得到显著提升。
87.对比传统的烧结装置和烧结方法，如图14所示，光纤1310nm mfd系数极差值和标准偏差分别由2.08μm、0.41μm降低至0.57μm、0.08μm，光纤1550nmmfd系数极差值和标准偏差分别由1.27μm、0.30μm降低至0.60μm、0.09μm，光纤1310nm、1550nm mfd系数均一性有所改善，光纤质量得到显著提升。
88.以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。