一種用于沉積光纖預(yù)制棒的燃燒器與沉積方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光纖光纜制備技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種用于沉積光纖預(yù)制棒的燃燒器，燃燒器中的原料噴射管的內(nèi)部至少分為兩部分，原料噴射管出口處的內(nèi)部光滑無(wú)螺紋，緊鄰此區(qū)域向入口處的內(nèi)部加工有螺紋型凹槽。內(nèi)部螺紋型凹槽可以使得載氣與原料在原料噴射管中沿螺旋線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，使混合氣體達(dá)到超紊流狀態(tài)，混合效果更好，使用更少的載氣就可以達(dá)到充分氣化的效果，且內(nèi)部螺紋型凹槽可以使得液態(tài)化的原料在螺旋運(yùn)動(dòng)中重新氣化；原料噴射管出口處區(qū)域的內(nèi)部表面光滑，可使載氣與原料一起沿原料噴射管中心線方向噴出，使氣流導(dǎo)向平穩(wěn)。本發(fā)明在保證蒸發(fā)效果的前提下，有效減少氮?dú)獾挠昧?。生產(chǎn)產(chǎn)品性能與常規(guī)方法無(wú)異，材料成本下降。
【專利說(shuō)明】
-種用于沉積光纖預(yù)制棒的燃燒器與沉積方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光纖光纜制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及一種用于沉積光纖預(yù)制棒的 燃燒器與沉積方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光纖市場(chǎng)的發(fā)展，特別是近年來(lái)，原材料價(jià)格不斷上漲，而光纖價(jià)格卻未同步 上升，對(duì)光纖預(yù)制棒生產(chǎn)廠家而言，降低預(yù)制棒制造成本，降低原料氣體消耗，已是大勢(shì)所 趨。
[0003] 目前制造光纖預(yù)制棒的主要工藝有氣相軸向沉積法（Vapor phase Axial deposition，VAD)、管外氣相沉積法(Outside Vapour D邱osition，0VD)、等離子增強(qiáng)化學(xué) 氣相沉積（Plasma asisted化mical Vapor Deposition,PCVD)和改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法 (Modified Chemical Vapour Deposition，MCVD)，其中PCVD和MCVD屬于管內(nèi)沉積法，VAD和 0VD屬于管外沉積法。管內(nèi)沉積法制造光纖預(yù)制棒徑向尺寸受限，因此只適合于生產(chǎn)忍棒。 管外沉積法對(duì)光纖預(yù)制棒的外徑?jīng)]有限制，可W生產(chǎn)尺寸較大的預(yù)制棒，因此可W有效降 低制造成本。通常傳統(tǒng)的0VD工藝使用的含娃原料為四氯化娃(SiCU)，四氯化娃在氧氣的 攜帶下，通過(guò)特別設(shè)計(jì)的噴燈(燃燒器），與氨氣(或甲燒)/氧氣火焰一起噴向轉(zhuǎn)動(dòng)的忍棒， 在熱能作用下，原料發(fā)生水解反應(yīng)生成二氧化娃，二氧化娃顆粒一層層吸附在忍棒上，形成 多孔預(yù)制棒;生產(chǎn)的多孔預(yù)制棒經(jīng)過(guò)脫水工序，除去水和金屬雜質(zhì)，燒結(jié)成玻璃預(yù)制棒，最 后拉絲制成光纖。此種工藝會(huì)產(chǎn)生氯化氨廢氣，由于環(huán)保的要求，氯化氨氣體要進(jìn)行嚴(yán)格的 處理，會(huì)增大生產(chǎn)成本。因此不含氯化物的有機(jī)娃材料，八甲基環(huán)四硅氧烷(Octamethyl巧 clote1:rasiloxane，0MCTS)作為環(huán)保型材料被應(yīng)用到二氧化娃的制造工藝中，其工業(yè)生產(chǎn) 的尾氣中不含氯化氨，可W有效降低尾氣處理成本，在生產(chǎn)中也降低了氯化物泄漏造成的 人員和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
[0004] 采用四氯化娃的0VD工藝反應(yīng)式如下：
[0005] 2也+化=2也0
[0006] SiCl4+2 也 0=Si〇2+4 肥 1
[0007] SiCl4+〇2 = Si〇2+2Cl2 [000引 2C12+2 也 0 =肥 1+化
[0009] 采用0MCTS的0VD工藝化學(xué)反應(yīng)式如下：
[0010] C 祖 24〇4Si4+16化=4S i〇2+12 也0+8C 化
[0011] 在0VD工藝中，火焰溫度與沉積面溫度有溫度差，運(yùn)個(gè)溫度梯度推動(dòng)微顆粒物向沉 積面運(yùn)動(dòng)并吸附在棒表面，運(yùn)就是熱涌效應(yīng)?；鹧嫒紵a(chǎn)生的細(xì)微顆粒，逐漸團(tuán)聚形成一群 較大的聚合體，并逐步向祀棒表面運(yùn)動(dòng)。在靠近噴燈的區(qū)域，反應(yīng)生成的顆粒物數(shù)量多而體 積小，在較短的區(qū)域內(nèi)，顆粒物快速形成粒子聚合體，隨著顆粒物和火焰向祀棒運(yùn)動(dòng)，顆粒 物的數(shù)量減少(顆粒物在火焰中的濃度降低），而體積增大，顆粒物碰撞幾率降低，導(dǎo)致粒子 聚合速度變慢。因此決定顆粒團(tuán)聚的關(guān)鍵因素是火焰的溫度和顆粒在火焰中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。 溫度越高，顆粒物的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，顆?；ハ嗯鲎矎亩Y(jié)合的機(jī)率就越高，相應(yīng)的結(jié) 合成為較大顆粒的機(jī)率也就越大，從而形成較大的顆粒。較小的顆粒在祀棒的表面粘附性 能不足，容易被高速火焰氣流吹走。顆粒在高溫火焰中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)，大顆粒生產(chǎn)的時(shí)間 也就越長(zhǎng)，顆粒的體積就會(huì)越大，最終粘附在祀棒表面的顆粒體積也就越大，從而表現(xiàn)出較 快的沉積速率和較高的收集效率。
[0012] 0VD工藝中，燃燒器結(jié)構(gòu)對(duì)氣流噴出后的混合形態(tài)起關(guān)鍵作用，通過(guò)改進(jìn)燃燒器 (噴燈）的結(jié)構(gòu)，使相應(yīng)的氣流更好的混合，對(duì)提高火焰溫度和促進(jìn)原料充分反應(yīng)上有明顯 效果。
[0013] 根據(jù)上述工藝原理，使噴燈噴射的含娃原料流速有效降低，可W延長(zhǎng)反應(yīng)生成的 顆粒在火焰中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，從而容易團(tuán)聚成大顆粒，并最終提高沉積速率和收集率。但是八 甲基環(huán)四硅氧烷的沸點(diǎn)為175~176Γ，如要完全自然蒸發(fā)并提供足夠流量，需要至少25(TC 的溫度，在此情況下，需要大量惰性氣體作為載氣進(jìn)行稀釋運(yùn)輸，常用的載氣是氮?dú)狻］d氣 的加入會(huì)使得原料噴射管內(nèi)流量和流速增大，不利于縮小原料噴射速度。同時(shí)載氣會(huì)吸收 燃燒氣體燃燒產(chǎn)生的熱量，擴(kuò)散火焰直徑，造成收集率的下降，因此需要在滿足充分氣化的 情況下盡量減少載氣的量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)在通常情況下載氣量 需求較大的問(wèn)題，提供一種降低載氣量而能有效保證原料氣化的燃燒器及沉積方法。
[0015] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于沉積光纖預(yù)制棒的 燃燒器，燃燒器中的原料噴射管的內(nèi)部至少分為兩部分，原料噴射管出口處的內(nèi)部光滑無(wú) 螺紋，緊鄰此區(qū)域向入口處的內(nèi)部加工有螺紋型凹槽。
[0016] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述原料噴射管出口處的內(nèi)部光滑無(wú)螺紋的區(qū)域的長(zhǎng)度 為原料噴射管內(nèi)徑的5~20倍之間。
[0017] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述原料噴射管內(nèi)部加工有螺紋型凹槽的區(qū)域的長(zhǎng)度為 原料噴射管內(nèi)徑的10~12倍之間。
[001引本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述凹槽的深度為0.15~0.25mm。
[0019] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述螺紋型凹槽的螺距為4~6倍凹槽深度。
[0020] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述凹槽的起始與結(jié)尾都與所述原料噴射管的內(nèi)壁光滑 均勻過(guò)渡。
[0021] 按照本發(fā)明的另一方面，還提供了一種沉積光纖預(yù)制棒的方法，采用上述燃燒器 生成二氧化娃并沉積光纖預(yù)制棒。
[0022] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用八甲基環(huán)四硅氧烷作為含娃原料，采用惰性氣體作 為載氣。
[0023] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述惰性氣體為氮?dú)狻?br>[0024] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，沉積光纖預(yù)制棒的工藝為管外氣相沉積法或氣相軸向沉 積法。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0026] 1、通過(guò)內(nèi)螺旋凹槽的存在，降低了載氣的使用量，可W使氮?dú)鈿怏w用量減少40%， 生產(chǎn)成本明顯降低；
[0027] 2、載氣用量的減少，可W使得0MCTS和氮?dú)獾幕旌蠚怏w總流量降低，從而降低了生 成的二氧化娃顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，使得顆粒在火焰中互相撞擊團(tuán)聚的時(shí)間延長(zhǎng)，有利于顆粒 的團(tuán)聚生長(zhǎng)，有效提高沉積速率和沉積效率；
[0028] 3、氮?dú)庥昧康臏p少，可W使外圍的氨氣和氧氣的用量相應(yīng)減少，而整體火焰保持 溫度不變，生產(chǎn)成本相應(yīng)降低；
[0029] 4、外圍氨氣和氧氣用量的減少，使得氨氧焰流速變小，火焰撞擊到祀棒表面時(shí)的 速度和撞擊力都減小，使得火焰吹走祀棒表面的二氧化娃小顆粒的機(jī)率減少，有效提高了 沉積效率；
[0030] 5、在使生產(chǎn)成本降低，生產(chǎn)效率提高的同時(shí)，不影響產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)沉積的母棒內(nèi)部 的氣泡，W及表面波紋等都沒(méi)有不良影響。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中燃燒器中原料噴射管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中采用0VD方式沉積光纖預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所設(shè)及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可W相互組合。
[0034] 在載氣與0MCTS液體原料進(jìn)入蒸發(fā)器后，在一定溫度下進(jìn)行蒸發(fā)，飽和蒸汽在長(zhǎng)距 離管道中流動(dòng)，容易在波動(dòng)的壓力和速度下局部重新液化，造成噴射出的氣流內(nèi)夾雜液態(tài) 物質(zhì)，從而引起噴燈結(jié)晶。為了避免運(yùn)種情況，通常的做法是提高蒸發(fā)溫度或者增大載氣 量。但是蒸發(fā)器溫度的升高就給后續(xù)的管道系統(tǒng)提出更高的溫度穩(wěn)定性要求，而運(yùn)是不容 易達(dá)到的。載氣量的加大會(huì)爭(zhēng)搶燃燒氣體產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致火焰溫度降低，從而降低了沉積 速率和收集率。同時(shí)載氣量加大后，在受熱膨脹過(guò)程中，使得火焰直徑變大，造成顆粒濃度 下降，火焰的體積熱量也在下降，運(yùn)些都導(dǎo)致沉積效率下降。
[0035] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于沉積光纖預(yù)制棒的燃燒器，如圖1所示，燃 燒器中的原料噴射管的內(nèi)部至少分為兩部分，其中原料噴射管出口處的內(nèi)部光滑無(wú)螺紋， 緊鄰此區(qū)域向入口處的內(nèi)部加工有螺紋型凹槽。
[0036] 進(jìn)一步地，所述原料噴射管出口處的內(nèi)部光滑無(wú)螺紋的區(qū)域的長(zhǎng)度為原料噴射管 內(nèi)徑的5~20倍之間。
[0037] 進(jìn)一步地，所述原料噴射管內(nèi)部加工有螺紋型凹槽的區(qū)域的長(zhǎng)度為原料噴射管內(nèi) 徑的10~12倍之間。
[0038] 進(jìn)一步地，所述凹槽的深度為0.15~0.25mm。
[0039] 進(jìn)一步地，所述螺紋型凹槽的螺距為4~6倍凹槽深度。
[0040] 進(jìn)一步地，所述凹槽的起始與結(jié)尾都與所述原料噴射管的內(nèi)壁光滑均勻過(guò)渡。
[0041] 而對(duì)于氣相原料噴射管運(yùn)兩部分區(qū)域W外，不做要求。
[0042] 在本發(fā)明中，內(nèi)部螺紋型凹槽可W使得載氣與原料在原料噴射管中沿螺旋線進(jìn)行 旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，使混合氣體達(dá)到超素流狀態(tài)，混合效果更好，使用更少的載氣就可W達(dá)到充分氣 化的效果。
[0043] 在本發(fā)明中，內(nèi)部螺紋型凹槽可W使得液態(tài)化的原料在螺旋運(yùn)動(dòng)中重新氣化，凹 槽的長(zhǎng)度與原料噴射管內(nèi)徑的比值(凹槽的長(zhǎng)徑比)大于10,則可W保證液態(tài)原料重新氣化 的效果。理論上更大的長(zhǎng)徑比可W有更好的效果，但是一方面氣化完全后其更大的長(zhǎng)徑比 表現(xiàn)出來(lái)的效果提升就不再明顯，另一方面在較細(xì)的原料噴射管內(nèi)壁加工凹槽并不容易， 更長(zhǎng)的長(zhǎng)徑比加工難度更高，加工成本更高，加工質(zhì)量也難W保證。所W-般優(yōu)選在10~12 倍之間。
[0044] 在本發(fā)明中，原料噴射管出口處區(qū)域的內(nèi)部表面光滑，是為了使氣流導(dǎo)向平穩(wěn)，可 使載氣與原料一起沿原料噴射管中屯、線方向噴出。如果內(nèi)部螺旋形凹槽直接導(dǎo)向原料噴射 管出口，會(huì)使得噴料口處混合氣體沿螺旋線的切線方向噴出，導(dǎo)致混合氣體體積急劇增大， 火焰無(wú)法形成良好的形狀，沉積效果也極差。出口處光滑區(qū)域的長(zhǎng)度內(nèi)徑比大于5,則可W 起到較好的氣流導(dǎo)向整流效果，火焰包裹性較好，可W把大部分的顆粒包裹著撞擊到祀棒 的外表面，達(dá)到良好的沉積效果;但是此長(zhǎng)徑比應(yīng)當(dāng)小于20W內(nèi)，否則超長(zhǎng)的光滑區(qū)域會(huì)弱 化前方凹槽產(chǎn)生的氣流混合效果。
[0045] 通過(guò)本發(fā)明提供的燃燒器，生產(chǎn)的產(chǎn)品性能與常規(guī)方法無(wú)異，材料成本下降。
[0046] W下為本發(fā)明實(shí)施例中在不同的光滑無(wú)螺紋區(qū)域螺紋長(zhǎng)徑比和有螺紋型凹槽區(qū) 域螺紋長(zhǎng)徑比下，實(shí)驗(yàn)得到的沉積速率和收集率的結(jié)果：
[0047]
[0048] 從上述數(shù)據(jù)可W看出：在螺紋型凹槽區(qū)域螺紋長(zhǎng)徑比10W上，無(wú)螺紋區(qū)域長(zhǎng)徑比 在5W上，可W得到良好的收集率。另外從無(wú)法量化但可W觀察的火焰形貌判斷，運(yùn)個(gè)比例 是比較合適的。
[0049] 進(jìn)一步地，如圖2所示，可W將本發(fā)明提供的燃燒器用于沉積光纖預(yù)制棒的工藝過(guò) 程中，例如管外氣相沉積法或氣相軸向沉積法，利用上述燃燒器生成二氧化娃并沉積光纖 預(yù)制棒。在該工藝過(guò)程中，采用八甲基環(huán)四硅氧烷作為含娃原料，采用惰性氣體作為載氣 (例如氮?dú)猓?br>[0050] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，W上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用W 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于沉積光纖預(yù)制棒的燃燒器，其特征在于，燃燒器中的原料噴射管的內(nèi)部至 少分為兩部分，原料噴射管出口處的內(nèi)部光滑無(wú)螺紋，緊鄰此區(qū)域向入口處的內(nèi)部加工有 螺紋型凹槽。2. 如權(quán)利要求1所述的用于沉積光纖預(yù)制棒的燃燒器，其特征在于，所述原料噴射管出 口處的內(nèi)部光滑無(wú)螺紋的區(qū)域的長(zhǎng)度為原料噴射管內(nèi)徑的5~20倍之間。3. 如權(quán)利要求1或2所述的用于沉積光纖預(yù)制棒的燃燒器，其特征在于，所述原料噴射 管內(nèi)部加工有螺紋型凹槽的區(qū)域的長(zhǎng)度為原料噴射管內(nèi)徑的10~12倍之間。4. 如權(quán)利要求1或2所述的用于沉積光纖預(yù)制棒的燃燒器，其特征在于，所述凹槽的深 度為0.15~0.25mm。5. 如權(quán)利要求1或2所述的用于沉積光纖預(yù)制棒的燃燒器，其特征在于，所述螺紋型凹 槽的螺距為4~6倍凹槽深度。6. 如權(quán)利要求1或2所述的用于沉積光纖預(yù)制棒的燃燒器，其特征在于，所述凹槽的起 始與結(jié)尾都與所述原料噴射管的內(nèi)壁光滑均勻過(guò)渡。7. -種沉積光纖預(yù)制棒的方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的燃燒器 生成二氧化硅并沉積光纖預(yù)制棒。8. 如權(quán)利要求7所述的沉積光纖預(yù)制棒的方法，其特征在于，采用八甲基環(huán)四硅氧烷作 為含硅原料，采用惰性氣體作為載氣。9. 如權(quán)利要求8所述的沉積光纖預(yù)制棒的方法，其特征在于，所述惰性氣體為氮?dú)狻?0. 如權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)所述的沉積光纖預(yù)制棒的方法，其特征在于，沉積光纖預(yù)制 棒的工藝為管外氣相沉積法或氣相軸向沉積法。
【文檔編號(hào)】C03B37/018GK106082633SQ201610700168
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月22日 公開(kāi)號(hào)201610700168.2, CN 106082633 A, CN 106082633A, CN 201610700168, CN-A-106082633, CN106082633 A, CN106082633A, CN201610700168, CN201610700168.2
【發(fā)明人】王忠太, 楊軼, 趙亮, 張宏勝
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司