CN1096013A - 玻璃预制品的火焰磨蚀方法 - Google Patents

Abstract

一个大玻璃预制品通过利用火焰磨蚀旋转玻璃 预制品表面的方法，能够进行火焰磨蚀并能够产生干 净和光滑的表面。该方法通过沿玻璃预制品的长度 方向移动的氢氧火焰进行，其中氢氧火焰的运动速度 或氢氧火焰氢氧气的流量为进行火焰磨蚀处理可变 化。

Description

本发明涉及一种对重的玻璃予制品进行火焰磨蚀（flameabrading）的方法，特别是涉及一种火焰磨蚀大而重的玻璃坯料的方法，该法在保持该大而重的玻璃坯料于垂直状况下施行火焰喷蚀，使在多孔坯料烧结过程中由热处理不能转变成透明的那一部分未烧结玻璃坯料和火焰喷蚀的无效部分转变成透明玻璃。

至今作为制备高纯石英玻璃予制品（下文提及时称“玻璃予制品”）的方法，VAD方法（汽相轴向沉积法），OVD方法（外汽沉积法）及类似方法已为公知。该法包括用氢氧火焰对二氧化硅（SiO₂）玻璃细粒，该细料由四氯化硅（SiCl₄）生材料经水解反应制备，沉积在一根旋转的初始棒、例如是二氧化硅棒的外表面上，形成一个成轴向方向的多孔予制品，然后把多孔予制品变成透明的玻璃，制成用于光纤的玻璃坯料。由于最后的玻璃予制品是具有几微米粗糙度表面的一种透明玻璃，该玻璃予制品的表面经由火焰磨蚀以制成一个光滑表面，然后再把玻璃予制品拉制成丝。一般说，由于用来进行火焰磨蚀的车床是卧式的，支撑棒会在玻璃予制品的两端，支撑棒通过卡盘固定在车床上，然后玻璃予制品用运动的氢氧燃烧器进行火焰磨蚀。

最近，鉴于要降低光纤的成本，予制品通过增加直径和/或长度具有大尺寸。在这种卧式车床的情况下，在予制品有较重的重量而且仅仅通过支撑棒支撑时，因为高负荷所以存在着一个或2个支撑棒可能破裂的危险。为了解决这个问题，一种包括垂直地夹持玻璃予制品的方法已由日本专利，公开号为228844/1991提出。

同时，予制品无效的部分在制造透明玻璃的热处理工序（烧结工序）中，为了把它转变成透明玻璃，进行充分加热，以提高其使用的有效系数，但存在一个问题，就是由于予制品的重量使支撑棒拉长，结果予制品下垂。也就是说，在烧结工序中，无效部分不能完全转变成透明玻璃，使得未烧结的烟灰（Soot）（未烧结的细玻璃粒）留在了玻璃予制品的端头和支撑棒上。未烧结的烟灰在拉制工序中浮在炉中并且它粘附到玻璃予制品上，使得抽出的纤维强度减少。因此，需要把未烧结的烟灰转变成透明玻璃。然而，在火焰磨蚀工序中为把粘附在支撑棒上的未烧结的烟灰转变成透明玻璃进行充分加热时，由于予制品的重量，支撑棒被伸长，使得不能获得良好的火焰磨蚀予制品。虽然我们已研究了在予制品下端的支撑棒，为防止支撑棒的伸长，旋转的予制品的端头的旋转轴线没必要相应于卡盘的中心，并且支撑棒在其受力夹持时可能破裂。

本发明提供一种用于火焰磨蚀一旋转玻璃予制品的表面的方法，其通过沿玻璃予制品的长度方向移动的氢氧火焰进行，其中氢氧火焰的运动速度为进行火焰磨蚀处理可以变化。

本发明也提供一种用于火焰磨蚀一旋转玻璃予制品的表面的方法，其通过沿玻璃予制品的长度方向移动的氢氧火焰进行，其中氢氧火焰的氢氧气流量为进行火焰磨蚀处理可以变化。

附图说明：

图1是一个根据本发明处理的予制品的简略视图;

图2是一个沉积细玻璃粉末工序的简略视图;

图3是一个使用一般卧式车床进行火焰磨蚀工序的简略视图。

在本发明中，氢氧气的流量和运动速度均可变化。

在一最佳实施例中，利用一个第一和一个第二燃烧器组可进行火焰磨蚀处理。该第一燃烧器组包括多个氢氧燃烧器，其设置要使火焰喷嘴在垂直于玻璃予制品的圆柱体轴线的一平面内朝着玻璃予制品的表面。而第二燃烧器组包括多个氢氧燃烧器，其设置在垂直于玻璃予制品的圆柱体轴线的一个平面内，第一和第二燃烧器组可单独或结合在一起移动。

本发明其特征在于，在予制品垂直进行火焰磨蚀时，氢氧火焰的运动速度和/或氢氧流量是可变的。例如，运动速度被控制或调整，使具有较小外径的予制品的部分火焰磨蚀的速度大于具有不变的最大外径的予制品部分的火焰磨蚀速度，这取决于予制品的外径，控制或调整氢氧流量，使得具有较小外径的予制品部分的火焰磨蚀的氢氧气流量小于具有不变的最大外径予制品的部分火焰磨蚀的氢氧气流量，取决于予制品的外径，并且可把两者结合起来使用。

根据本发明，因为大的玻璃予制品夹持在垂直状态，由于予制品的重量而产生的支撑棒破裂就能避免了。此外，因为支撑棒与主棒是联结的，最好通过一个销与主棒安装联结，而且仅仅在支撑棒的上端被支撑，挠曲应力不加在支撑棒上，从这点上看，也防止了支撑棒的破裂。主棒是由在主棒上部旋转的卡盘支撑。其理由是火焰磨蚀大予制品需要大量的氢氧气，并且卡盘至少有100℃的温度，因为卡盘受到高温升起的气流的加热。因此，讨论卡盘的热是必要的。卡盘温度的增加能够通过增加予制品和卡盘之间的距离来防止。本方法中包括了把支撑棒直接固定到卡盘上，支撑棒应当至少有1米的长度，这使得予制品的运输麻烦并且工厂车间得有很大的空间。当这联结通过销与主棒制成时，附加在予制品上端的支撑棒能有较短的长度，便于运输，予制品和卡盘间的距离也可足够地长。

予制品的无效部分呈锥形，并且有比有效部分（该部具有不变的外径）小的直径。在无效部分火焰磨蚀时，其通过与用于有效部分同样的氢氧流量，予制品的无效部分的表面温度显著增加、且表面汽化SiO₂玻璃的量也增加，并且汽化玻璃粘着到予制品上形成白色粉末留于其上。在呈锥形的予制品无效部分，氢氧火焰气沿锥形流动，使得白色SiO₂粉末易于留下。通过控制靠近无效部分的氢氧火焰的运动速度和/或氢氧流量，使无效部分和有效部分一样具有同样的玻璃表面温度，使可防止粘着的白色粉末发生。

火焰磨蚀无效部分所需的氢氧流量通常至少为有效部分不变流量的40%，最好则是60-80%。当燃烧量的流量小于40%时，则不能产生足够的火焰磨蚀，因而也不能获得光滑的表面。

粘着在玻璃予制品的端头和支撑棒上的未烧结的烟灰能够转变成透明玻璃，这是通过增加氢氧燃烧器或予制品的运动速度，以增加靠近表面的温度达到一定范围，并且在不伸长支撑棒的情况下防止了支撑棒中心的加热。靠近玻璃予制品端头和支撑棒的氢氧燃烧器或予制品的运动速度通常是10mm/min至100mm/min，最好是从10mm/min至50mm/min。在大于100mm/min时，氢氧燃烧器的热不能充分传给表面，从而未烧结的烟灰不能充分转变成透明玻璃而且表面的热变形易于破裂。

用于予制品无效部分的氢氧火焰的运动速度通常是予制品有效部分所用氢氧火焰运动速度的100%至1，000%，较好是100%至500%，最好是130%至500%。

本发明参照附图进行说明。

图1表示出本发明的一实施例。在图1中，一玻璃予制品2被附加到支撑棒1上。玻璃予制品2是利用初始二氧化硅棒5制备的。玻璃予制品2有a、b、c、d和e部。玻璃予制品2由用于火焰磨蚀的氢氧燃烧器3和辅助加热用的氢氧燃烧器4来加热。支撑棒1通过销8与一被旋转卡盘6夹持的主棒7相联结。

图2表示用于沉积细玻璃粉末的工序。为了制成多孔予制品（烟灰）10，烟灰通过使用制备烟灰的氢氧燃烧器9沉积在初始二氧化硅棒5上。支撑棒1由旋转卡盘6夹持并旋转。

图3表示根据现有技术利用一卧式车床进行火焰磨蚀处理。玻璃予制品2，其设置成水平方向，由用于火焰磨蚀的氢氧燃烧器3加热。旋转卡盘6夹在支撑棒1上。

本发明将通过不限制本发明的下列实施例进行说明。

例1：

SiCl₄是由VAD方法水解成沉积在具有30mm直径的二氧化硅棒上的纯石英玻璃细粒，以制备成具有250mm厚和1000mm长的多孔予制品。然后，多孔予制品在真空炉中在1600℃温度下加热，将其转变成透明玻璃，以制成用于制造光导纤维的直径为120mm，长为900mm，重为30Kg的玻璃予制品。

予先附加到玻璃予制品上端的具有40mm直径和500mm长度的支撑棒通过销与主棒相联结，而主棒由如图1所示，可上下移动的旋转卡盘夹持。玻璃予制品固定在垂直方向上。氢氧燃烧器也固定。氢氧燃烧器的安置要使十二个用于火焰磨蚀的氢氧燃烧器围绕予制品设置，而用于辅助加热的六个氢氧燃烧器设置在低于十二个氢氧燃烧器80mm处。给用于火焰磨蚀的12个燃烧器提供300升/分（L/min）的氢气（用于12个燃烧器）。提供给用于辅助加热的6个燃烧器以100L/min的氢气和50L/min的氧气。玻璃予制品的下部（a部）是用于火焰磨蚀的氢氧燃烧器的起始点、且予制品以10mm/min的速度向下运动。当氢氧燃烧器达到不变部分的下端（b部）时，氢气供给从300L/min增加至400L/min而氧气的供给从100L/min增加至160L/min，然后予制品表面在予制品以10mm/min速度运动下被火焰磨蚀，直至到达不变部分的上端（c部）。辅助加热燃烧器的主要作用是除去粘在予制品表面的白色SiO₂粉末，该粉末是在高温下火焰磨蚀予制品时玻璃汽化造成的。当火焰到达c部，供给的氢气回降至300L/min，而氧气供给也回降至100L/min。从予制品无效部分的c部至上端（d部）的火焰磨蚀是在下列工况下用控制运动速度和氢氧流量的方式进行的。

直到用于火焰磨蚀的燃烧器到达d部时，氢气流量和氧气流量分别逐步减少到100L/min和50L/min，而运动速度逐步从10mm/min增加到20mm/min。当粘着在支撑棒上的未烧结烟灰转变成透明玻璃，同时用于火焰磨蚀的燃烧器从d部运动到e部，燃烧器的氢氧量保持不变而运动速度从20mm/min增加到40mm/min，以使烟灰转变成玻璃。上述氢氧的流量和高运动速度防止了由于加热而使支撑棒伸长。

用于火焰磨蚀的燃烧器到达未烧结烟灰端（e部）时，用于火焰磨蚀的燃烧器关闭，从而完成火焰磨蚀处理。制造玻璃纤维用、火焰磨蚀过的玻璃予制品的光滑度被评价为予制品具有不大于0.5μm的足够的光滑度。

最后的玻璃予制品被抽丝制成具有125μm直径的光纤。这种光纤具有良好的强度，在整个长度上7Kg断裂。

对比例1

支撑棒附加到玻璃予制品上，该予制品是以例1中同样的方式由VAD方法制备的，并且具有120mm的直径和900mm的长度、支撑棒通过销联结到主棒上，而且玻璃予制品以例1中方式垂直固定。

燃烧器的排列与例1中一样。给用于火焰磨蚀的12个氢氧燃烧器提供的氢气流量和氧气流量分别是400L/min和160L/min。给用于辅助加热的燃烧器提供的氢气流量和氧气流量分别是100L/min和50L/min。在用于火焰磨蚀的燃烧器从予制品的下部分（a部）移动到上部分（d部）时，予制品与旋转卡盘以10mm/min的运动速度向下运动。当用于火焰磨蚀的氢氧燃烧器到达d部时，氢气的流量从400L/min减少至100L/min，氧气的流量从160L/min减少至50L/min而运动速度保持在10mm/min。予制品沿未烧结烟灰部（从d部到e部）向下运动。未烧结烟灰能够转变成透明玻璃，但支撑棒在靠近支撑棒的d部伸长了，结果使支撑棒的直径从40mm减少至20mm。

观察玻璃予制品的表面状态，在予制品的无效部分的a部和b部之间的区域上，玻璃表面的汽化材料被沉积，使白色粉末粘着在予制品表面上。

对比例2

相对玻璃予制品，其以例1中的同样方式由VAD方法制备，并具有120mm的直径和900mm的长度，旋转卡盘直接夹到支撑棒上。玻璃予制品和卡盘之间的距离是500mm。利用与例1中同样的氢氧燃烧器的布局和同样的氢氧流量，在用于火焰磨蚀的氢氧燃烧器到达c部时，测量卡盘温度。其结果表示在表1之中。因为卡盘的位置靠近氢氧燃烧器，卡盘的温度升高，使得作为填充物加在齿轮部件中的油脂从齿轮部件中流出。

表1示例号    予制品与卡盘距离    卡盘温度    卡盘的状况

1    1500mm    70℃    一切都正常

加在齿轮部件中的

对比2    500mm    180℃    油脂粘度减小并从

齿轮部件中流出

如上所述，说明了由VAD方法所制备的玻璃予制品的实施例，但本发明还能用于OVD方法和类似方法所制备的予制品。初始棒的二氧化硅玻璃可由单独一个芯子制成或一种芯子/包上复合材料。利用一外管的予制品也能使用。

实施例中说明的是氢氧火焰磨蚀，但是可燃性气体，火焰助燃气体及类似气体能够使用来替代氢气和氧气，也能获得本发明的效果。

根据本发明，支撑棒没有破裂的危险，并且大而重的予制品表面也能有效地进行火焰磨蚀，产生光滑表面，这是因为大而重的予制品的火焰磨蚀能够在支撑棒附加到予制品的上端，其通过销与主棒（玻璃棒）联结，主棒由旋转卡盘固定情况下进行。

因为火焰磨蚀能够通过控制予制品无效部分（锥部）的氢氧流量保持表面温度不变，汽化玻璃的（SiO₂）量也几乎保持不变的值，从而粘着在予制品表面的白色SiO₂粉末能够受到限制。

因为在未烧结的烟灰转变成透明玻璃的过程中，氢氧燃烧器或予制品的运动速度增加，使得能够防止加热传导到支撑棒的内部，也就防止了变软和由于予制品的重量产生的伸长。因此，由于在予制品的拉丝工序中，未烧结的烟灰不能扩散，所以能够拉出高强度的光纤。

也就是说，通过火焰磨蚀大而重的玻璃予制品的整个长度，可以获得光滑和干净的表面，而且未烧结部分能够转变成透明玻璃。本发明的方法对拉丝之前的予制品的火焰磨蚀十分有效。

Claims (8)

1、一种用于火焰磨蚀一个旋转玻璃予制品表面的方法，其通过沿玻璃予制品的长度方向移动的氢氧火焰进行，其中氢氧火焰的运动速度为进行火焰磨蚀处理可以变化。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是，其中运动速度被控制，使具有较小外径的予制品部分的火焰磨蚀速度大于具有不变的最大外径的予制品部分的火焰磨蚀速度，这取决于予制品的外径。

3、一种用于火焰磨蚀一个旋转玻璃予制品表面的方法，其通过沿玻璃予制品的长度方向移动的氢氧火焰进行，其中氢氧火焰的氢氧气流量为进行火焰磨蚀处理可以变化。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征是，其中氢氧气流量被控制，使具有较小外径的予制品部分的火焰磨蚀的氢氧气流量小于具有不变的最大外径予制品部分火焰磨蚀的氢氧气流量，这取决于予制品的外径。

5、一种用于火焰磨蚀一个旋转玻璃予制品表面的方法，其通过沿玻璃予制品的长度方向移动氢氧火焰进行，其中氢氧火焰的运动速度和氢氧火焰的氢氧气流量为进行火焰磨蚀处理两者均可变化。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征是，其中氢氧火焰的运动速度和氢氧气流量被控制，使具有较小外径的予制品部分的火焰磨蚀速度大于具有不变最大外径的予制品部分的火焰磨蚀速度，这取决于予制品的外径;并且使具有较小外径的予制品部分的火焰磨蚀的氢氧气流量小于具有不变最大外径的予制品部分的火焰磨蚀的氢氧气流量，这取决于予制品的外径。

7、根据权利要求1，3或5所述的方法，其特征是，其中火焰磨蚀处理是利用第一和第二燃烧器组进行，第一燃烧器组包括多个氢氧燃烧器，其设置要使火焰喷嘴在垂直于玻璃予制品圆柱体轴线的一平面内朝着玻璃予制品的表面;而第二燃烧器组也包括多个氢氧燃烧器，其设置在垂直于玻璃予制品的圆柱体的轴线一平面内，第一和第二燃烧器组可单独或结合在一起移动。

8、根据权利要求1，3或5所述的方法，其特征是，其中玻璃予制品被垂直夹持，附加在玻璃予制品上端的支撑棒通过一销与主棒下端相联结。

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