新一代高速拉丝技术
罗文勇，李进延，雷道玉，李诗愈，李昌民，伍淑坚，陈伟
烽火通信科技股份有限公司
摘要：拉丝速度是光纤拉丝工艺的关键技术指标。本文分析了拉丝速度从1000m/min 往上提高时面临的几个技术难题，这些难题包括包层直径控制，裸光纤冷却，涂敷与固化技术等等；并介绍了已解决了这些难题的烽火通信新一代高速拉丝技术。使用这种新一代高速拉丝技术，能够稳定地以1600m/min的拉丝速度拉制出高质量的光纤。 关键词：光纤，拉丝速度，冷却，涂敷
1 引言
随着光纤市场竞争的激烈度越来越强，如何有效提高单元设备的生产能力，提升生产效率，降低生产成本变得越来越重要。提高拉丝速度能大幅提高设备的单位产能，对提升光纤厂商的市场竞争力作用显著。因此，世界各大光纤制造企业都在积极研制新一代高速拉丝技术，期望将拉丝速度由现有的1000m/min左右的商用水平提升到1500m/min甚至更高的水平。
拉丝速度是光纤拉丝工艺的关键技术指标，许多拉丝工艺与拉丝设备都是根据拉丝速度来确定参数和性能指标。因此，在提高拉丝速度的同时，必须同时对拉丝工艺与设备进行改造，形成一整套完整的全新的拉丝技术才能保证生产效率的提升和产品质量的提高。烽火通信科技股份有限公司通过充分吸收先进技术，研发新工艺与设备，经过艰苦的努力，成功实现了1600m/min的高速稳定拉丝技术。本文将对这一高速拉丝技术作简要介绍。
2 高速拉丝面临的几个困难
拉丝速度的提升将会给光纤拉制技术带来显著变化，很多技术指标将因此而劣化。
一，包层直径与翘曲度
在包层直径控制技术和光纤翘曲度控制方面，拉制速度的提高将引起光棒熔融与光纤成型区的锥面的变化。由于石墨高温炉需要通入惰性气体进行保护，随着玻璃熔融体流动速度的变化，原有炉体内的温度分布与气流流动将会因此发生紊乱，使高温炉内的气体流动成为紊流，并会扰乱熔融区光纤表面的温度分布。光纤的包层直径波动范围将因此而变大，光纤在炉内成型区的冷却将变得不均匀，造成翘曲度下降。需要对之进行适当调整与优化，以保证光纤包层直径的稳定和光纤的翘曲度。
二，裸纤冷却
拉丝速度的提高将给光纤的冷却带来更大的困难。以现有商用水平为1000m/min为例，若光纤从高温炉内出来到第一次涂覆之前的有效冷却长度为15m，则光纤的冷却时间为0.9s；如果将拉丝速度提高到1600m/min，则光纤的冷却时间将不到0.6s，冷却时间缩短了30％多；原有的冷却系统将不再适用。很多公司采用He气冷却的办法解决这一问题。事实上，单纯采用He冷并不能有效解决这一问题。He气将会使裸纤冷却系统更易发生冷凝现象，对光纤的强度影响较大。如何解决裸光纤的冷却问题，将是制约光纤拉丝速度提高的关键因素。 三，涂覆技术
在800-1000m/min左右的拉丝速度下，涂覆技术已普遍采用了加压涂覆工艺，涂覆器中的涂料在压力的作用下，环绕光纤形成了一个剖面类似双曲线形状的流体结构，光纤与流体结构端头的涂料接触，被均匀地涂覆上一层涂料。如图一所示：
在1600m/min的情况下，光纤通过涂覆器的时间将不到几个毫秒，在如此短的时间内要实现有效涂覆，并保证涂覆厚度和涂覆质量，原有的低速涂覆控制技术已不再适用，需要为之配备一套快速涂覆工艺。
在高速情况下，空气将会被光纤带着往下跑，形成所谓的吸附效应。拉丝速度越高，吸附效应越强烈。因此，在高速拉丝状态下，将有大量的空气会被光纤带入涂覆器。这将导致涂层中含有气泡，引起涂覆不良，严重的还将破坏涂料运动的路线，导致涂料从涂覆器上口冒出，形成所谓的涂料“上冒”，造成光纤拉制失败。
另外，光纤在高速运动下经过转向轮和牵引轮时，将会具有一定的离心力。如图二所示：
离心力的计算公式为：F＝mv2/r。
在光纤质量与转向轮半径不变的情况下，离心力将与拉丝速度的平方成正比。这意味着当拉丝速度从1000m/min提高到1600m/min时，离心力将变大2.56倍。由于转向轮处于光纤拉制整体路线的一个端点，离心力将通过杠杆作用使光纤发生强烈摆动，从而严重影响光纤的涂覆质量。
总之，随着拉丝速度由800-1000m/min向1600m/min甚至更高速度方向发展，涂覆质量诸如：涂覆直径，涂包同心度，涂层表面光洁度等都将随之发生严重的劣化。
四，固化与排烟技术
在这里，固化与排烟技术指的是两个问题，一个是光纤的固化问题，另一个是光纤在出了固化炉后的冷却与排烟问题。
（一）固化问题
光纤的固化是拉丝工艺的重要一环。在拉丝速度从1000m/min提高到1600m/min的情况下，光纤通过固化炉的时间将缩短三分之一强。光照时间的缩短将影响光纤固化的质量。光纤的固化实质上包含两个层面的固化：其一是光纤外涂层表面的固化；其二是光纤涂层内部的固化。高速拉丝下，涂层的固化度和表面的光洁度都会受到影响。对这个问题，一方面是选择能够快速固化的涂料，另一方面要研
究新的固化工艺保证光纤固化的质量。
（二）冷却排烟问题
在800-1000m/min左右的拉丝速度下，基本不用考虑光纤从固化炉出来后的冷却排烟问
题。但是在1600m/min的拉丝速度下，光纤经过第一道涂覆和固化后，将会携带较高的温度（固化炉内最高温度达到200-300o C左右）和未被固化炉的排烟系统吸干净而吸附在光纤附近的烟尘进入第二道涂覆器，从而严重影响第二道涂覆。同样的，光纤从第二道涂覆出来后，其携带的烟尘将会污染收线系统，其表面较高的温度将会给收线系统带来损害。于是，原来在800m/min-1000m/min左右拉丝速度下不用考虑的冷却排烟问题，在1600m/min拉丝速度的情况下，却变得尤为重要起来。
3 一个解决方案
新技术的突破往往是从问题的提出开始的，尤其是当问题能够被精确定位的时候。针对上述新一代高速拉丝面临的几个问题，我们研究出了一个解决方案。图三所示即是已投入使用的烽火通信新一代高速拉丝塔结构简图。
图三左侧的注释都是一般拉丝塔都有的部件，图三右侧的注释则是为解决在1600m/min 的拉丝速度下面临的问题而增添的新的部件。
针对包层直径和翘曲度的控制问题，我们设计了一种高温炉优化部件，再结合调整高温炉内气流组分和流量，使高温炉内形成了一个稳定的气流通道，将炉内的保护气体和挥发物有序地排出炉体外。
He+N2冷却系统有效解决了1600m/min及以上拉丝速度下的裸纤冷却问题。通过合理设置气体流量和冷却管道，形成了一套完整的裸纤冷却工艺。冷却系统既对光纤实行了冷却，又对裸光纤进行了保护，同时还尽量消除了部分高速拉丝下光纤颤动的现象。
涂覆器优化部件是根据我们最新的高速涂覆工艺而设计出来的。引入该部件的目的一方面是为了消除因高速拉丝下光纤的飘抖现象（部分是因离心力引起的），另一方面是为了消除高速拉丝下空气被吸附进涂覆器引起的涂覆不良问题。通过设计合适的入涂覆器时的光纤温度，涂料温度，以及给料压力，并选择能满足快速涂覆要求的涂料，我们有效解决了高速拉丝下的涂覆问题。
固化的问题曾困扰我们很长的时间。在引入固化炉优化部件以前，尽管通过调节固化炉之间的位置，改善固化炉的光照质量，并增加新的固化炉设备和调节通入固化炉内的氮气流量，将光纤涂层的固化度控制得非常好。但光纤涂层表面的固化状况始终表现得不太稳定，光纤表面偶尔有粘手，掉粉子等现象发生。经过艰苦的技术攻关，我们终于设计成功了这种
固化炉优化部件。结合这种部件，再调节通入固化炉内的气体组分和流量大小，光纤表面的固化问题得到了有效解决，同时也加强了光纤涂层整体的固化效果。
冷却排烟系统则是为1600m/min的拉丝速度特别设计的一套全新的工艺和设备。通过对冷却管道和排烟管道进行优化，一方面尽量减少冷却气体的流量和排烟压力以节省成本，另一方面要保证光纤从固化炉出来后的冷却效果和排烟效果。
4 拉制光纤的质量
新一代高速拉丝技术成熟稳定后，我们拉制了大量光纤，测试了相关数据。限于篇幅，从各项数据中我们选取了两个比较有代表意义的指标，如下图所示：
由图四，图五可见，拉丝工艺的控制水平很高。包层直径的控制非常精确，其波动范围偏离中心值的均方误差不到0.1um。涂层直径的控制精度也很高，其波动范围偏离中心值的均方误差不到0.7um。
另外我们选取了世界一流厂家同一类型的光纤进行了传输指标的测试对比，如下图所示（其中FH代表烽火通信公司出品的光纤）：
由图六，图七可见，烽火通信出品的FH系列的光纤在1310和1550两个窗口的衰减值均达到了世界一流水平，而且两个窗口衰减的波动范围的控制精度也达到了世界一流水平。
5 结论
在高速拉丝下，高温炉、光纤、冷却和涂覆等等系统的状态都会发生细微的变化。根据对这些细微变化进行的深入的理论研究成果和经验总结，我们对高温炉，裸纤冷却系统，涂
覆和固化系统等进行了一系列的工艺改进与设备升级改造，在1600m/min的拉丝速度下，实现了对包层直径，翘曲度，涂层直径，涂包同心度等等各项几何尺寸的精确稳定控制，各项传输指标也达到了世界一流水平。由此，我们掌握了一整套完整而成熟的一种新一代高速拉丝技术，为民族光纤产业的发展壮大贡献了一份力量。
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