玻璃拉制工艺及炉子的制作方法

专利名称：玻璃拉制工艺及炉子的制作方法
技术领域：
本发明的目的在于加工可软化的绝缘材料，具体地说是由原始的和经过加工的玻璃预制棒拉制有包层的和无包层纤维和纤维束。本发明具体涉及由进入炉子的预制棒的熔融或软化端拉制玻璃纤维、纤维束和复合制品的工艺。
玻璃拉制技术是当前生产带状的、柔软纤维或生产用于以后组合和处理成复合制品(例如光导纤维屏、萤光屏和各种影象调节器)的较短元件的有效方法。本发明的拉制技术，除了用于拉制纤维和多纤维束外，还用于复合制品的后期处理。这种处理包括均匀的或渐变的横截面的缩减，后一技术用于形成影象扩展器和渐缩器。这种处理还包括不同程度的扭转以及其它操作以形成图象再定向器件(例如局部旋转器、倒相器等)。
本技术领域中一个重要的目标是在预制棒或工件的临界软化区能均匀加热并严格控制温度。加工区的加热不均匀是产品产生缺陷和报废的主要原因，它耗废许多昂贵的材料和生产时间。这种考虑在由横截面特性极为复杂的预制棒制成产品时尤为重要，在这种横截面中极可能出现光学，物理学和热力学特性方面的巨大的，有时是突然的变化。预制棒和产品横截面尺寸，加热和拉制速度达到并超过常规上限时，均匀加热的要求则达到最终临界状态。在拉制较精密复合产品所需要之适温的拉制炉中均匀加热，这是本技术领域熟练工人未能实现的目标。未能达到该目标的主要原因是由温度为1100°至1400°F(600至750℃)的辐射加热元件很难得到均匀的辐射热。分离的辐射元件产生非均匀加热是其固有特性。生产一种连续环绕熔融区的辐射源、或在弥散的基体中埋置间断加热元件的尝试都没得到所希望的均匀性。而且大多数复合产品即使辐射能是均匀传入也不能均匀吸收。这就构成了非均匀辐射源问题，并且即使是理想的均匀辐射源也限制了其均匀性水平。
这种吸收差异问题存在于同一产品中有不同玻璃、具有不同红外吸收特性(例如相对于包层的芯子)或涉及厚预制棒或拉制大直径产品的一些应用中。后一种情况下，必须根据热量传到工件中心的速率仔细调节加工区表面吸收的加热速率。朝着中心的部位，其辐射能自身的穿透能力比表面的穿透能力低。
使用近似均匀辐射元件的方法已经出现，它包括使预制棒和产品以足以消除辐射加热源不均匀性的速度在其公用轴上旋转。该技术要求有能协调预制棒和产品旋转的复杂机构;如果产品需要，还要求有旋转和横向变换卷片轴。该技术充其量只可产生水平(分层)均匀性，但得不到垂直均匀性，其结果不过是以“热环”代替了“热点”。而且该技术并没提出复合产品的非均匀吸收问题。
特别是当产品中含有对残余物红外吸收不均衡的吸收元件(例如EMA包层或纤维)时，非均匀吸收的问题尤为严重。这些元件在辐射炉中产生其固有的不规则的温度和粘度，这就使拉制速度的选择受到限制并复杂化。
拉制工艺中不能得到均匀加热的第二个后果是预制棒的大小以及拉制过程中的缩减比受到严格限制。其结果是具有极小直径光导纤维的复合产品必须经过多级处理才能得到。这些处理包括拉制单纤维、拉制多纤维束、拉制复合多纤维束，以及将后几种产品束熔融成块。这种多级处理耗费生产时间，而且每一级都有其自身废品率(约20%)。
因此，本发明之重要目的是提供一种作用于预制棒的加工区、使产品严格受控并均匀加热的工艺。
本发明的第二个目的是提供一种能大大放宽对预制棒、产品大小以及拉缩率限制的工艺。
本发明的第三个目的是提供一种能在某一光导纤维处理过程中至少取消一次后续拉缩工序而质量并不降低的工艺。
本发明的第四个目的是提供一种工艺，它能选择和控制发生缩减的加工区的大小。另一方面，本发明还提供了一种特别适于进行均匀加热并能对可拉制预制棒的加工区加以控制的装置。
通过具体实施例的说明，本发明之诸目的将会更清楚。
本发明使用一种受控制的、由可调温空气或其它气遄槌傻母咚倭魈澹庵至魈遄詈貌谝桓龇掷氲募尤仁也⑺腿肜剖摇１竟ひ盏挠诺闶蔷哂星恐坪妥杂梢欢粤鞯幕旌系奈露确植继匦裕删燃尤仍ぶ瓢艄ぷ髑１竟ひ瞻ㄅ懦绕痘魈澹詈檬墙淙吹牧魈逖贩祷氐椒掷氲募尤仁抑兄匦录尤取１竟ひ栈拱ㄊ褂美醋粤魈逖分泄丶课坏奈露却性氖荩员憧刂屏魈寮尤却佣３炙Ｍ钠交露 时间曲线。
本工艺还包括刚好在炉子拉制室外侧的一小段预制棒的温度调节，以便保证经恒定预温处理过的预制棒进入加工区，从而降低调节环境温度的要求，并可补偿不同预制棒及其夹紧装置的不同的热传导。事实上，这一段形成一个绝热体，避免了不希望有的热量从炉子传到预制棒上。
本发明工艺还包括为调节炉子拉制室的进口到出口的有效距离而控制可伸缩的绝热装置的移动，因而加工区的大小也可控制。
本发明的工艺的另一方面是拉制炉特别适于完成本工艺流程。炉子包括一个有预制棒进口和出口的拉制室以及最好是分离的有可控加热装置的加热室。隔离的流体加热室和拉制室由一个进气通路或风道用强制对流方法贯通。本发明还有一特点是炉子在拉制室与加热室之间备有回流风道，在预制棒入口处装有初始温度调节装置，以及与拉制室出口相连的活动绝热套。
工艺和设备都改变时，预制棒的进口可在炉子的底部，而产品则由炉子拉制室顶部上的出口向上拉出。可以独立应用工序和部件的改变。
本发明公开的工艺和设备解决了大直径可拉制工件均匀加热的技术问题，这种工件在各个方向都可能具有复杂形状，而且可能是由具有不同辐射吸收特性的材料组成。在加工区供给高速度、强制对流的流体可以将热能传到工件而不会出现在辐射加热时所形成的温度悬殊的差异。因而，避免表面热点或内部热点不全取决于进入工件的传导率或理想空气的少量自由对流，还可以通过调节强制对流流体的速度和温度而受到控制。此外，当热能应用率为给定值时，控制加工区大小(这关系到拉制的形状和直径缩小断面的形状)可以通过将绝热套伸入强制对流结构中而很快得到解决。
通过附图示出的具体实施例可以很好地了解本发明之工艺和设备，但这是例证而不是限制。


图1示出本发明工艺之实施例的流程图。
图2是体现实施本发明原理的炉子的剖视图。
图3示出部分预冷却环的简单实施例。
图4是有直径调节装置的拉制室进口最佳形式的顶视图。
图5是图2示出之加热流体分布装置实施例的Ⅴ-Ⅴ剖视图。
图6示出可调绝热套的动作。
图7示出可以完成向上(而不是向下)拉制操作的改进型炉子设计。
由于本发明的某些细节随制造的产品及加工的原材料而变，因而可用几种不同的方法来实施本发明。以下是某些成功应用的详细描述，包括目前认为最好的方法。为实施本发明的工艺过程而专门设计的装置也在此详细描述。
图1的流程方块图示出了通用流程的基本工序。由于在经过计算的和试验求得的空气温度及流量数据的基础上本流程可对预制棒加热实行严格控制，因此为使本流程应用最佳化首先应在某种程度上控制预制棒的初始温度。通常此初始温度不仅仅取决于环境温度(仅控制环境温度是不够的)还取决于从前工序加热炉通过预制棒及其送料机构的热传导率。在本发明流程中由于设置了一道可将预制棒进入加热炉之前的温度调节至“正常化”温度的工序而减少了这些因素的影响。大多数情况下此工序为冷却工序但在过程中的某些阶段及在某种环境条件下也可能是轻度加热。温度正常化工序10最简单的实施例是从一热气源将温度基本稳定的空气吹在炉子进口处的预制棒外表面上。同时，预制棒在设有适宜的加料机构的馈送工序11中送入炉子的拉制室。这些馈送机构中包括马达驱动的传动螺旋。如果纤芯与包层或一组包层需用不同的速度驱动，此机构就可能包括几组传动螺旋。这些机构中不必设置回转装置。这些机构都是为了使炉子达到前述均匀性而设的复杂的装置只取得有限的成功。
本发明的关键是加热空气或其它换热流体的工序应在一加热室内完成，该加热室最好与光纤拉制室分开。若不分开，则至少应在加工区与室内的热辐射元件之间设置屏蔽。然后，利用可控强制对流装置如风机，气泵等将热空气导入或送入拉制室。空气加热工序12最好利用温度测量工序14的数据进行控制(例如改变加热元件的电阻或引入可调节的冷气流)。此测量最好在空气进入拉制室时进行。此测量可利用预选的由电气或电子处理装置传递的运算系统来控制空气加热装置并由一插入空气流道中的热电偶来实现。这些处理装置可能包括利用计算而得的或列表而得的参数进行反馈或前馈处理，然后是连续或不连续的温度控制调整工序15。此工序也可能包括控制热空气流量的变化。其目的是对在给定工作区内某一给定的预制棒建立一适于均匀加热的温度/时间曲线。为此，工序16将热空气引入并流过预制棒工作区。气流最好用湍流型，但应在某一给定方向上有流经工作区的方向性。而且进气最好沿拉制室预制棒进口端的园周分布。
当预制棒达到工作温度时，即可在拉制工序17中利用重力和牵引力的共同作用以通常方式拉制已缩径产物。由于拉制速度及预制棒产物的直径减缩率取决于温度曲线及工作区长度(以及其它因素)，因而可能需要设置一附加工作区成形工序18。根据产品要求和/或预制棒的特点，工作区形状可以在拉制开始之前调节或在拉制过程中不同的阶段进行调整。
工作区成形的一种成功的方法是调节拉制室进口至实际出口之间的有效距离。特别要指出的是，此时也可能与拉伸轴同心设置一个绝热套。该套可在控制室的进口与出口之间改变长度。为了方便温度控制，可在空气返回工序19中将流过工作区的热空气从拉制室中抽出至加热室内再加热。如果对抽出空气用工序20进行附加温度测量，则可对加热过程进行精确的控制和调节。这种调节可以根据从温差计算热量吸收的原理来进行。
制品拉制后，普通制品处理即已完成，通常以工序21示出。对于带状纤维制品则需要配备回转往复式卷线盘。也可进行附加涂层处理。对于更短的制品可以设置周期丝段切断装置。这类制品可能是半成品也可能捆扎成多重复合元件(multi-andmulti/multi-elemintcomposites)供进一步加工。
由于本过程加热极为均匀因而可从直径极大的预制棒拉制大直径光纤并发现从加热炉下部向上馈送预制棒向上拉丝是可能的和有利的。这一流程改进有利地改善了重力对工作区成形及制品卷绕质量方面的影响。这一改进特别适用于较长的具有小锥度的工作区。
本发明的普通流程曾在未使用特别的控制装置条件下一次将直径超过4.5英寸(12cm)的复合预制棒拉制成直径0.030英寸(0.080cm)的光纤。此预制棒曾用正常化处理至约70°F(21℃)。空气加热至约1380°F(750℃)后才鼓入拉制室。空气高速地强制通过工作区，抽出时的温度大约1375°F(747℃)。此法的生产率和制品质量至少不亚于常规辐射加热拉制法。而为了获得相同的径缩率常规法需经过多次拉制。
在另一情况下，由于此流程加热均匀而可一次就将3英寸直径的预制棒拉制成1英寸的制品，且质量好，生产率高。预制棒从炉子下部送入并从上部拉牵。
对预制棒尺寸未发现明显的限制是本流程应用的一大优点。当用于常规拉制过程时，其生产率达到普通方法的5～6倍而且是在受到目前已有的或经过改进的拉牵机构限制的条件下。
由于本系统在正常拉制操作中可有效地将热量传给大尺寸工件而不使其变形因而可以极不寻常的方式加以利用。原先由大量细纤维组成的大直径制品是以一种效率极低的方法制造的，且为了排除空隙而加热和施加高压而使纤维重叠和熔化。已经发现这类大直径制品可用以下更有效的方法制造。首先将纤维聚束成直径比所需制品稍大的束作为预制棒。此纤维束封入气密性玻璃套后再将该套抽真空。随后将所得的预制棒按本发明的方法通过炉子，不过只拉细少许即可达到需要的直径。这样即可制得由均匀融合的，无空隙的，无变形的纤维组成的大直径制品。此制品可以切成气密性薄片。在实际操作中可能需要在拉制时继续对封套抽真空。由于此控制会引起缓慢变形，因而有可能在拉制区给工件施加一扭转运动从而得到螺旋方向不变的纤维制品。此制品可以切制成图象旋转器或反相器。
装置描述专门设计来实施本发明流程的装置示于图2～7，尤其在图2中以最易理解的改进的原理图示出。
虽然过去已有强制对流的加热炉，但本发明公开的加热炉却是带有其它装置的独特系统并具有适合于在玻璃拉制过程中利用强制对流的特殊性质的形状。在玻璃拉制工艺中应用强制对流加热法使其在拉制直径，速度及质量(按产品废品率表示的)方面获得了非常出人预料的惊人的提高。
总系统示于图2并用数字30表示。其中包括一馈送机构组件31，它最好具有以不同加料速度馈送复合预制棒不同组分的能力。馈送机构组件中可能包括有气密封件的抽真空装置32及夹紧机构33。装置的加工对象是一受热软化的可拉制的预制棒34。为实现预制棒进入加热炉40之前的温度正常化处理或预冷却处理，本实例中设置了一空心套环35或绝热器。经过导管37及控制阀38可从气源36向该环通入接近恒温的空气。预冷却气体可经过一系列向心的径向布置的小孔39从环内引向预制棒。可以成功地方便地选定一接近室温70°F(约21℃)的温度作为标准工作温度。为了实现保持预制棒恒温的精确控制应在空心套环上方和/或下方设置温度传感器以控制预冷空气的温度和/或体积。
预制棒34经过拉制室入口41进入加热炉。此入口处最好设置一个可调直径的诸如理想的耐火材料挡板组件42以保证热损失适中。
本实施例加热炉中包括两个室，其一是拉制室43，另一个是与之隔开的空气加热室44。加热室配备的加热装置可以是燃烧式，感应式，电弧感应式，电介质加热式。但在推荐实施例中包括大面积的电阻加热线圈45。上述线圈通过电源46及控制机构47，如可调电阻或可调变压器供电。
强制对流装置50(例如高温风机，气泵等)将经过加热元件的空气抽出并经过通道51流向相连的拉制室43。此气体输送最好通过一个内部开有径向孔的压力送风室一类的分布装置52来完成。
在气体流道的某一点上设置一温度传感器54将信号送至中心控制系统60。
气流快速地或中速地通过预制棒/工件以形成加工区55。该区在拉制室有效出口56或其附近中止。气流继续穿过回流通道57流动，该处设有强制对流装置58及回流气体温度传感器59，信号也送至中心控制系统60。
控制室有效出口处可设置直径调节装置59，它与进口处调节装置42相似。
拉制室的有效出口56与其实际出口61由一绝热套62分开，该套可在实际出口内运动并伸入控制室并朝向进口41。当制品进入此套内进口端后则可与加热流隔离。此活动进口端点即定义为工作区55的终点。此活动套可用螺栓或夹头临时固定也可利用伺服齿条及齿轮或摩擦轮等类伸缩机构63来实现可调中心控制。
制品利用借助重力，牵引力等的拉牵机构以普通方式拉制。此制品随后再传送至下步处理装置65，如卷线盘，切断机，捆束机，切片机等。
一种有效的预冷却套环35可按图3示出的详细结构制造。从一恒温气源(如空压机)经过导管37将温度基本不变的压缩空气送入冷却套环并通过径向小孔39从环内流向预制棒。
图4为拉制室进口处的俯视详图，它示出了一实施例的直径调节装置42。该装置可使有效进口直径最接近预制棒34的直径(图中示出一典型的单包层光导纤维预制棒)。有效出口56的直径调节装置59可以使用与此类似的装置。
图5示出图2中的气流分布装置52的Ⅴ-Ⅴ横截面详图，该装置用于内部开有径向孔53的环形压力送风室中。开孔形状应便于流量控制。在一优选实例中，开孔时应在工件轴线方向延伸。
图6示出了可调活动套62的一种有效实施例的详图。其中还用虚线示出了缩短工作区的调节范围。此调节是在中心控制装置控制下由升缩机构63完成。此升缩机构最好是园环形。
当过程改变为从炉子下部馈送预制棒并从上部拉制产品时也可用图2的装置满意地完成。但为了充分发挥本发明的优点最好根据情况变化采用图7示出的改进装置。在此改进方案中，炉子应安装在支架70，71上并可根据需要绕水平轴回转。此时，馈送机构31及拉牵机构64就重新在其合实奈恢梅直鹁臀唬缤妓尽 对于图7所示的回转式炉的一个结构方案是可将其做成沿中心水平面对称的结构。这样从加热室至拉制室之间的进气通道以及气流分布装置都可以布置在中部。这样拉制室的“进口”及“出口”区都可以同样地设有回流通道，伸缩隔热套，予冷却套环及开孔直径调节装置。用此方法，则预制棒及制品无论是向上还是向下都同样方便。其选择取决于预制棒，制品特性及生产率。
从上述装置及其特点的描述中我们可明显地看出本发明拉制过程提供的均匀加热的某些工业应用方法，而其它应用及优点则完全出乎意料。
在现有的辐射加热炉中应用多工序制造流程时代表性的废品率约为20%。本发明的流程和装置大大地降低了此废品率。
中等直径产品的拉制速度受到极大限制、原因是需给预制棒提供完全的适当的均匀加热而不得不放慢拉制速度。而本发明流程则可快速均匀地加热更大直径的预制棒使某些制品的卷绕速度达到常规拉丝成形炉的5～6倍且质量更令人满意。
包括会吸收辐射热的包层及纤维的制品在普通辐射加热炉中拉制后需要进行特殊处理，而本发明的流程则一般不需要。这些制品包括大多数复合图象处理制品如荧光屏，图象扩展器，反相器等。
特别值的注意的是在原有工艺过程中普通复合制品是用多道工序来制造的。这是因为使预制棒不产生变形而能达到的制品尺寸减缩率十分有限。此外为了获得最低限度的加热均匀性，预制棒尺寸必须限制在某一特定值以下。本过程则可均匀加热预制棒的工作区，包括复合预制棒，其尺寸至少可达4.5英寸(12cm)甚至更大。这意味着1.在通常的产品预制棒(缩径)比下，可拉制大直径的最后产品。并可能取消最后的压制，退火，排除空隙及成形工序。
2.利用缩径比大这一优点有可能省去多重复合制品的一步或几步制造工序。取消这些工序节约了时间和劳力以及由于不可避免的废物及废品所致的材料损失费。
显然，可在本发明的方法及结构以及过程实施方法方面作较小的改进而不超出其精神实质的范围。因此最好不把本发明的范围限制在前面的图形和描述的具体内容之内而是应包括以下权利要求中所要求书的全部内容。
以上是对本发明的说明。应由专利特许加以保护的新发明权项要求如下
权利要求
1.由预制棒拉制产品的工艺，它包括以下几个步骤(a)将预制棒馈送入拉制室的进口，(b)加热流体使之超过预制棒的加工温度，(c)主动地促使被加热的流体流过预制棒直到预制棒在加工区处于拉制温度，(d)由预制棒穿过拉制室的出口拉制产品。
2.权利要求1所述之工艺，它还包括在分离的加热室中加热流体的工序和将被加热流体送到加热室的工序。
3.权利要求2所述之工艺，它还包括在被加热的流体流过加热区之后，再将流体引回加热室重新加热。
4.权利要求3所述之工艺，它还包括在选定的至少是在间断位置上测量被加热流体的温度，并用测量的温度值来调节上述流体加热工序和上述运送工序的速率。
5.权利要求1所述之工艺，它还包括促使部分预制棒进入拉制室，并达到预选的控制温度。
6.权利要求1所述之工艺，它还包括在对着室进口预选的距离上从拉制室出口处插入一个与拉制室绝热的装置
7.权利要求1所述之工艺，其中预制棒从拉制室下面向上进料，而产品是从拉制室上面向上拉出。
8.由预制棒拉制产品的工艺，它包括(a)从拉制炉的下部馈送预制棒，(b)在拉制炉中加热预制棒至加工温度，(c)从拉制炉向上拉出产品。
9.将预制棒拉制成产品的玻璃拉制设备，它包括(1)一个炉子，该炉子具有(a)拉制室，(b)备有流体加热设备的独立的流体加热室，(c)将空气由加热室穿过通道送入拉制室的强制对流部件，(d)拉制室进口，(e)拉制室出口，(2)适于将预制棒装入上述进口的预制棒馈送机构。(3)适于将产品拉出上述出口的产品拉制机构。
10.权利要求9所述之设备，还包括使预制棒在拉制室进口达到正常化温度的装置。
11.权利要求10所述之设备，其中使预制棒达到正常化温度的装置包括用一根导管与环绕拉制室进口的套环相连通的空气源，套环有许多向内开的孔。
12.权利要求9所述之设备，还包括一个由拉制室出口向拉制室进口延伸的绝热套，而且这种延伸是可调的。
13.权利要求9所述之设备，还包括位于加热流体流道中的测温装置。
14.权利要求9所述之设备，还包括与测温装置功能联接的中心控制机构，控制空气加热装置和强制对流元件，并通过它们用被加热的流体传递热量。
15.权利要求14所述之设备，其中，中心控制机构与绝热套添加装置功能联接，并控制绝热套调节装置。
16.权利要求9所述之设备，其中，预制棒是由元件束形成，而且该设备包括密封预制棒的气密和抽真空的外壳。
全文摘要
在玻璃拉制操作中控制预制棒加工区的加热速度和均匀度，该工艺中通过强制对流提供预制棒软化热量，用一个分离的流体加热区导入温度和速度均可控的流体。可通过变化可移动出口套的位置进一步控制加工区尺寸。通过使预制棒进入炉子之前达到接近预选择值的正常化温度提高温度的均匀性和精确性。完成本工艺的最佳玻璃拉制设备是一个“二室炉”，它备有用空气输送管与拉制室相连通的空气加热室，拉制室有预制棒进口和拉制产品出口。拉制室的两端均有可调节直径开口。进口处设有预冷却套环。出口处设有可伸缩的绝热套。
文档编号C03B37/025GK1031068SQ8710534
公开日1989年2月15日 申请日期1987年8月3日 优先权日1987年8月3日
发明者里查德·V·耶斯基, 约翰·R·普罗查尔及克 申请人:英科姆公司