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拉丝炉内气压控制对光纤强度的影响研究

蒋锡华,祝君,朱坤,王墙,唐成,魏文涛,吴锦亮,周天
(通鼎互联信息股份有限公司 江苏 吴江215233)
 
摘要:本文重点介绍了光纤拉丝炉炉内气压控制对光纤强度的影响。通过实验证明,保证拉丝炉内气压稳定在合适的值可以明显提高光纤强度。本文中设计的炉压监测装置可以很好预防拉丝炉窜气,保证炉压稳定在要求的范围内,从而达到提高光纤强度的目的。
 
关键词:光纤;拉丝炉;炉压;强度
 
一 前 言
    随着互联网、移动互联网的蓬勃发展,数据中心和云计算等业务快速兴起,作为通信基础网络的主要载体,我国的光纤光缆产业迎来了高速的发展。作为在当前特殊环境下受政策扶持的新兴产业,通信产业发展前景持续向好。4G建设是当前通信行业的最大热点,随着中国电信和中国联通顺利拿到FDD牌照,国内三大运营商均已拿到4G牌照,所以2014年是中国三大运营商建设元年。4G建设将全面进入快车道,建设期预计将持续数年,后续几年三大运营商在4G上的年度投入将超过2000亿元。另外,随着“宽带中国”战略的全面实施,预期未来网络建设的资本投入将逐年增长,受此利好影响,通信线缆的需求在未来仍将保持高位增长的态势。以光纤光缆为例,据CRU等权威机构预测,未来数年中国光纤耗用量仍将维持年增长率10%左右。
    然而,在市场需求持续增长、规模经济优势的多重诱惑下,光纤厂商继续扩产,光缆厂商也纷纷进军扩充光纤产品线,产能过剩的势头无法遏制。根据相关预计,2013年我国光纤产能过剩率为50%,2014年产能扩张仍在持续,中国市场光纤需求量为1.4亿芯公里,产能达到2.4亿芯公里,已出现严重过剩。供需关系的变化,导致光纤价格逐年下降,市场竞争急剧增加。而光纤强度在很大程度上决定了光纤的制造成本,同时,强度性能是判定光纤质量的最主要性能指标之一,它直接影响到光纤在后续加工过程中的可靠性和成缆以后光纤的使用寿命,所以如何提高光纤强度,增加其使用寿命是光纤技术研究的重大课题。
    之前的研究中[1],我们主要对拉丝炉气封结构、炉内气流走向、炉盖板金属挥发物等方面对光纤强度的影响进行了深入的分析。本文重点研究拉丝炉炉内气压的变化对光纤强度的影响,通过优化炉内气压并精确控制,以达到提高光纤强度的目的。
炉内气压对光纤强度的影响分析
    因为拉丝炉结构相对复杂,炉内气体温度高、且密封性要求严格,直接监测拉丝炉高温区炉压的难度非常大,所以我们将炉压取气点放在拉丝炉下部延伸管出口处,通过在该处的压力监测,间接反映出炉内压力的变化情况。监测点如下图1所示。
    数据收集的样本为单根预制棒每500km收集一个炉压数据。
    以下实验数据都是基于国内光纤厂普遍采用的对接尾管预制棒拉丝,而类似于国外部分光纤厂采用的原始小尾柄预制棒拉丝不包含在本研究范围之内。
1 炉压监测系统的监测点位置
1 拉丝炉炉内气压数据分析
1.1 预制棒拉丝过程中炉压变化情况分析
    目前国内拉丝炉密封系统主要分为二大类,一类是使用玻璃密封件或石墨纸/石墨毡,或者两者组合对外径均匀的预制棒拉丝进行拉丝炉密封;一类是使用耐高温的棉状材料对外径不均匀的预制棒拉丝进行拉丝炉密封。本实验是在第二类拉丝炉上进行的数据收集。
    图2(a)显示了正常拉丝状态下炉内气压的变化情况。在尾管进入拉丝炉前,炉内压力一直保持在25pa左右,但是当尾管进入拉丝炉后,炉压迅速升至40pa左右。尾管进入拉丝炉后炉压升高的主要原因是:尾管与预制棒的材料密度差异较大,拉丝炉内沿预制棒辐射至对接处的光大部分都进行了反射,不会沿尾管继续前进,导致该对接处的温度比其它部位要高很多。当该对接处进入拉丝炉后,拉丝炉内相当于增加了一个热源,在保护气体总量不变的情况下,温度升高,则炉内气压也相应增加。
    图2(b)显示了当拉丝炉窜气后炉内气压的变化情况,在本次预制棒的拉丝过程中,因为前期密封材料的装配问题,导致拉丝至2000km时出现了轻微的炉压下降,2500km时炉压下降至4pa,此时拉丝炉窜气非常严重。通过对密封材料进行人工干预,炉压迅速恢复正常。
图2 正常拉丝和拉丝炉窜气状态下炉压变化趋势
1.2 与炉压对应的光纤强度分析
    图3(a)和(b)分别给出了理想状态下拉丝炉内气体层流走向,如图所示的炉内气体沿着设计好的路线稳定流动,疏松的石墨件挥发的杂质或SI-C就沿着与之接触的气体流动,避免与预制棒或光纤表面接触。但是一旦该稳定状态被打破,炉内气流发生絮乱,则石墨件挥发的杂质或SI-C就会很容易接触熔融的预制棒,从而降低光纤强度。
    图4(a)是正常拉丝过程中在不同炉压下其对应的光纤强度。尾管进入拉丝炉之前炉压稳定维持在25pa左右时,光纤千公里断点数大约为3。尾管进入拉丝炉后,此时炉压升高至40pa左右,千万公里断点数也上升至5个左右。我们认为尾管进入拉丝炉后,随着炉压的上升,光纤强度也相应下降的主要原因是:尾管接头进入拉丝炉后拉丝炉内引入了第二热源,破坏了拉丝炉内稳定的热场,同时引起炉内气流发生絮乱,炉内环境中的杂质容易污染棒体,导致光纤强度降低。
    图4(b)给出了当拉丝炉发生窜气时不同的炉压对应的光纤强度。在该预制棒拉丝至2500km时炉压下降至4pa,此时拉丝炉窜气非常严重,这段时间光纤的千公里断点数达到了34,强度下降十分明显。操作人员对密封系统进行干预后,炉压恢复至正常水平,但是因为之前拉丝炉窜气,破坏了如图3所示的炉内气体层流结构,导致石墨件挥发的杂质污染预制棒表面。所以,即便经过人工干预密封系统使炉压恢复正常水平,光纤的千公里断点数仍然在7左右,没有能够恢复至正常水平。
3 拉丝炉内模拟气体分布图[2,3]
图4 不同炉压状态下对应的光纤强度
三 优化炉内气压后光纤强度的变化
    通过前面的实验和数据分析,我们发现炉压稳定在25pa左右可以使光纤强度达到最佳水平,炉压迅速升高或降低都会降低光纤强度。如图4(a)所示,尾棒进入拉丝炉后炉压迅速升高至40pa,此时光纤强度较正常状态有一定的降低。如果炉压降低,则表示此时拉丝炉已经窜气,石墨加热体遇空气后迅速发生氧化挥发出大量的杂质,并且因为窜气破坏了原本稳定的炉内气体层流动状态,导致光纤强度严重下降。
    鉴于稳定的炉压对光纤强度的重要性,我们对这套在线炉压测试系统增加报警功能。当炉压低于报警下限时,系统及时报警,操作人员第一时间对密封系统进行干预;当尾管进入拉丝炉后炉压超出报警上限,系统也会报警提示,操作人员根据炉压实测值对拉丝功率或炉内保护气体总量进行适当的调整,使炉压一直处于相对稳定的状态。通过上述优化后,我们保持炉内压力稳定在20-30pa之间,光纤强度表现稳定,整根预制棒的千公里断点数维持在3左右。
5 炉压优化后光纤强度
四 应用展望
    随着国内光纤产能持续过剩,国内光纤厂家对于光纤生产成本的压力越来越大,而市场上外径不均匀的预制棒的价格要远低于外径均匀的预制棒,所以外径不均匀的大尺寸预制棒成为各大光纤生产厂家的首选。但是外径波动大,且尺寸达Ф200mm的预制棒在拉丝过程中很容易出现窜气氧化的现象,采用本实验中的炉压监测系统可以很好的避免类似问题发生,提高光纤强度,降低生产成本,提高产品竞争力。
 
参考文献
[1] 蒋锡华.光纤拉丝炉对光纤强度的影响研究[J]. 网络电信, 2015(3): 30-32.
[2] Kevin Boll, Jukka Nummela. Large Optical Fiber Drawing Furnace Developments. [C]. IWCS, U.S.A.
2010.335-339.
[3] 刘伟媛. 光纤拉丝炉内部气体流场研究[D]. 苏州大学. 2013.
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