摘要：本文主要探讨使用火焰加工预制棒拉丝锥头的工艺。从预制棒热透状态分析火焰拉锥的工艺关键点和难点，并针对火焰拉锥生产过程中两种易见问题的分析，提出解决方案。
关键词：光纤预制棒光纤拉丝火焰拉锥火焰抛光
1、引言
近几年来，国内各大光纤光缆企业纷纷投资建立光纤预制棒工厂，逐步实现光纤预制棒自给自足。预制棒制造过程的最后一个加工作业，是在光纤预制棒的一端制作出光纤拉丝锥头。各厂家制作拉丝锥头的工艺技术可分成冷加工或热加工两种工艺?。比较两种工艺制作的锥头，在光纤拉丝过程中，使用热加工制作的锥头在拉丝效率、调整纤损耗、原材料损耗上有较大的优势。本文将探讨光纤预制棒拉丝锥头热加工工艺中的火焰拉锥技术。
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2.热加工锥头的拉丝优势光纤预制棒的锥头在拉丝炉中从加热到熔融状态，在重力作用下滴下熔融的玻璃球头，并带出玻璃细丝(裸光纤)，将裸光纤穿过测径仪、涂覆装置、固化装置等装置到收线盘，在牵引装置及收线盘的牵引下连续从熔融的锥头抽出光纤细丝。前述作业过程正常后，再完成设备升速和外径控制的工艺调整，使设备进入稳定的高速拉丝阶段(正常拉丝阶段)。在设备正常稳定高速拉丝之前产出的光纤，我们称为调整纤，其来源是光纤预制棒加工的拉丝锥头部分。相较两种预制棒拉丝锥头的拉丝调整纤阶段，热加工的预制棒拉丝锥头具有非常明显的优势，具体情况如下：
(1)光纤预制棒在拉丝炉内的熔融主要是通过热辐射传热的，该过程是非接触式的。热加工的拉丝锥头外表面是光滑透明的，利于辐射光线的穿透;而冷加工的拉丝锥头，表面粗糙，不透明，容易对辐射光线产生反射、散射，不利于预制棒的加热，滴头前的加热时间比热加工的锥头需时要长。
(2)热加工的拉丝锥头中包层直径与纤芯直径比值完全符合光纤的125：8的规格，因此在拉丝滴头后，当裸光纤直径达到125微米，拉丝线速度稳定后，拉丝出的光纤模场直径符合光纤标准。但是，冷加工的拉丝锥头，因锥头部位的包芯比不是125：8的规格，在正常拉丝阶段仍旧有几十公里的光纤模场直径不符合光纤标准。
(3)冷加工的拉丝锥头表面若粗糙度过大，在拉丝滴头后的调整纤阶段，因表面微裂纹多，在设备升速时容易出现断纤，作业人员需重复升温、滴头、穿线等工作，降低拉丝生产效率。更有甚者，因冷加工锥头表面微裂纹大，导致被牵引出的光纤表面粘连性差，出现糖葫芦式的外径波动，造成堵炉。堵炉后需要拉丝炉降温，拆炉清扫，再重新升温滴头拉丝，极大地降低拉丝炉生产效率。
3.火焰拉锥工艺研究
光纤预制棒除纤芯掺杂微量二氧化锗外，主要成分是高纯二氧化硅，软化温度点在1600摄氏度以上。因而，对光纤预制棒热加工制作拉丝锥头，需要使用高温电炉或高温气体火焰作为加热源。采用两种热源的设备和工艺有很大的差异，相对来说，使用高温气体火焰制作拉丝锥头具有操作简单，锥头制作损耗小，生产效率高等优势。各预制棒厂家常用的火焰拉锥方式是在预制棒圆周上设立圆弧形圈火，棒体在圈火中心旋转加热，当预制棒拉锥部位整体加热到熔融状态，再通过设备牵引将熔融部位拉细成锥头。然而，近些年预制棒制造技术发展迅速，直径逐渐增大(最大直径已达到
3.1改善玻璃热透状态，让拉锥成为可能
玻璃内部的传热可以通过热传导和热辐射，低温下以传导为主，而高温状态则以辐射为主。且在高温下(t>80(TC)辐射传热的作用明显剧增，而传导传热增加得很缓慢[2]。但是，总体来说，玻璃无论是在低温还是在高温状态下，其总的导热系数并不是特别高。因而，预制棒直径增大后，使用高温气体火焰加热，热量从表面传导到棒体中心的难度加大，时间增长。在这个热量传导过程中，被加热了的玻璃会持续向周边空气和预制棒冷端(加热部位之外的部分)传导热量，若火焰宽度(加热宽度)过窄，即使预制棒表面加热到熔融状态(白炽状态)，表层之下的预制棒仍无法达到软化状态(如图3所示)。该现象可称为玻璃的热透状态差，也是预制棒直径增大后制作拉丝锥头的关键难题。该状态下的预制棒无法进行锥头制作，因而我们需要改善其热透状态。图1：拉丝炉结构剖面及拉丝滴头冷加工锥头3.火焰拉锥I：艺研究光纤预制棒除纤芯掺杂微量二氧化锗外，主要成分是高纯二氧化硅，软化温度点在1600摄氏度以上。因而，对光纤预制棒热加工制作拉丝锥头，需要使用高温电炉或高温气体火焰作为加热源。采用两种热源的设备和工艺有很大的差异，相对来说，使用高温气体火焰制作拉丝锥头具有操作简单，锥头制作损耗小，生产效率高等优势。各预制棒厂家常用的火焰拉锥方式是在预制棒圆周上设立圆弧形圈火，棒体在圈火中心旋转加热，当预制棒拉锥部位整体加热到熔融状态，再通过设备牵引将熔融部位拉细成锥头。然而，近些年预制棒制造技术发展迅速，直径逐渐增大(最大直径已达到
改善预制棒热透状态前，我们需先了解预制棒轴向剖面上的温度场形成过程。如图4所示，火焰喷灯对预制棒加热时，从预制棒轴向剖面上看，热量从预制棒表面向中心传导(同时向预制棒冷端传导)，越靠近预制棒中心，温度越低，呈现出“三角形”或是正态分布曲线形的温度梯度场。预制棒在被加热的同时，也作为一个高温物体向周边散发热量，如方向1是向空气中辐射热量，方向2是向棒体自身冷端传导和辐射热量(再由预制棒冷端向空气散发热量)。喷灯火焰持续加热，预制棒表面温度持续增加，当预制棒从喷灯火焰获得的热1与其散失掉的热量相等时，预制棒轴向剖面上的温度梯度场就稳定了。如果稳定的温度场中心温度低于预制棒软化温度(也就是热透状态差)，就无法制作拉丝锥头。从前述的温度场形成过程分析中，我们提出改善预制棒热透状态的几点思路，进行了试验。
(1)增设喷灯，提高气体火焰的热量供应
我们将喷灯数量从3个增加到5个、7个，加热预制棒(如图5所示)，其目的是增加外界的热量，使得热量能从预制棒表面传导得更深。但是，喷灯数量增加后，预制棒表面烧到白炽色，而表层之下的玻璃仍旧是透明状态(低温状态)，无法制作拉丝锥头。拉锥失败的原因是喷灯加热宽度过窄，热量向预制棒中心传导过程中，从方向2散失速度过快，热量从预制棒表面向中心传导热量不够。
(2)新设计喷灯，改变加热宽度
针对增设喷灯试验失败的原因，我们在喷灯设计上主要改变火焰出口的大小，喷灯口径增大。如图6所示，喷灯改进后，使用2只喷灯就可将原本相同尺寸的预制棒加热透，并能制作拉丝锥头。增大喷灯口径主要是让加热宽度增加，减少方向2上的散失，使得火焰中心的热量能向预制棒中心传导得更深。虽然增大喷灯口径能有效改善大尺寸预制棒热透状态，但是还存在加热时间长、加工成本高的问题。因此，在该试验基础上，再考虑减少方向1上的热量散失。
(3)增设保温筒，减少热量散失
相较于使用电炉制作拉丝锥头的工艺，电炉具有全包围式的保温结构，能有效减少热量损耗。当然，火焰拉锥也可参考电炉的保温方式，在喷灯加热区设计一个保温箱体。查阅国内专利文献w[41，目前有相关厂家在火焰车床上设置有保温箱体，使用的保温材料分别是耐高温保温纤维和石英玻璃砖。
3.2火焰拉锥常见问题
(1)预制棒表面烧结物
如图5、图6照片所示，在喷灯火焰加热区域边缘会出现两圈白色烧结物。烧结物来源于火焰加热区的预制棒挥发出的二氧化硅颗粒。这些颗粒在喷灯火焰气流带到加热区边缘，遇到温度相对较低的预制棒表面，吸附在该位置。吸附的二氧化硅颗粒再受到火焰加热的影响，吸附力逐渐增大，变成无法擦除的烧结物。该烧结物会破坏预制棒表面强度，在拉丝过程中容易出现断纤。因此，在调试火焰拉锥工艺时，优化喷灯设计、安装和气体工艺条件，尽量避免预制棒锥头边缘出现烧结物。若预制棒拉锥后出现烧结物，补救方法主要有两种：①在火焰拉锥快结束时，移动喷灯位置，对烧结物部位火焰抛光;②预制棒火焰拉锥冷却后，使用氢氟酸酸洗烧结物。
(2)拉丝锥头开裂
预制棒火焰锥头制作后，受到震动或磕碰时易出现圆周形开裂。开裂的原因是预制棒锥头附近存在较大应力，并超出玻璃的承受极限。火焰拉锥中应力残留的过程：
1)制棒加热拉锥过程中，喷灯火焰向加热区两侧流窜，距离预制棒锥头边缘一定距离的部位被加热，该加热无法将预制棒表面加热到熔融状态，因此在预制棒包层内部会产生较大的应力;
2)预制棒锥头制作后，冷却过快，预制棒表面冷却收缩，导致被流窜火焰加热的包层内部应力无法释放，反而进一步增大。
当受到外界诱因引导，该残留的应力超过玻璃承受极限时，会导致预制棒表面开裂。要解决预制棒锥头开裂问题，首先调整好喷灯安装角度、喷灯与预制棒间距、燃气流量等工艺参数，减少火焰流窜，其次是做好预制棒锥头退火工作，尤其预制棒外径越大越需要退火。最省力的退火方法是延长拉丝锥头在保温筒内冷却滞留的时间，避免拉丝锥头骤冷。
4.总结
综上所述，对大尺寸预制棒火焰拉锥的技术难点主要是如何将预制棒加热到熔融状态，关键技术是减少预制棒加热区的热量向冷端和空气传导损耗。根据实际操作经验，加大喷灯加热区宽度和增设保温筒，能有效改善大尺寸预制棒的热透状态，并且具有加热效率高，节省能耗的优点。同时，针对预制棒火焰拉锥常见的表面烧结物和开裂问题，技术人员需优化喷灯设计、安装和相关工艺，从工艺上解决问题，避免增加修复成本和损失。——论文作者：■林志伟储银君吴钧朱晓波
