光纤拉丝的原理与设备组成

拉丝工序为光纤生产关键工序，其原理如图3.1.1所示。通过拉丝塔设备，将高纯石英光纤预制棒在2100℃左右的高温拉丝炉中熔化拉细制成直径（125±1）μm以内的石英玻璃光纤，并精确控制相关工艺参数，生产出涂层外径（245±10）μm以内的通信用石英光纤。

图3.1.1　光纤拉丝塔示意图

光纤拉丝生产设备主要由拉丝炉、保温炉、冷却系统、涂覆系统、固化系统、收线系统、控制系统组成。

当预制棒由送棒机构以一定的速度均匀地送往电加热炉中，预制棒尖端受热到一定温度时，棒体尖端粘度降低，由于其自身的重量下垂而形成纤维，然后通过控制牵引的速度和预制棒下行的速度来控制拉丝的直径。光纤拉丝速度（VD）可以通过预制棒直径、拉丝光纤的直径和送棒速度（VS）三者的相互关系，通过如下公式进行计算得到。式中，D为预制棒的直径；d为光纤包层的直径。

光纤拉丝时，将光纤预制棒安装在拉丝塔顶部的夹棒装置上，预先成型的锥状预制棒下端置于拉丝炉的上方，并在经过准直对中后通过进棒机构将预制棒送入拉丝炉内设定工艺位置。随后将拉丝炉升温至2100℃左右高温。在高温拉丝炉中，光纤预制棒的锥部在高温熔融软化后通过石英玻璃的表面张力、重力及拉丝张力的作用下，将预制棒锥部逐渐拉细，直至达到125μm左右的石英光纤直径。当拉丝速度达到稳定状态，预制棒下部锥状体将形成一个相对稳定的形状，预制棒在此拉丝炉高温熔化区域由原来的直径按比例缩小拉制成预先设定好直径的石英玻璃光纤。该过程通常称为预制棒的成锥过程，成锥过程的影响因素较多，预制棒的成锥机理如下：

在高温拉丝炉中，设定预制棒在高温区的长度（锥体部分）为l，预制棒半径为r，拉丝张力为f，忽略表面张力作用的情况下，则预制棒的长度变化量Δl，与作用时间t及预制棒的玻璃粘度η之间的关系为：

图3.1.2　拉丝过程颈缩锥图

在拉丝炉的热区内，预制棒的直径2r是变化的，其与在热区的位置z有关，是热区的位置z的函数。在某一棒径r处，如图3.1.2所示，取一厚度为Δz的圆盘为体积单元，该体积单元的体积ΔV为：

若光纤的直径为2r0，则光纤的体积ΔV0为(https://www.xing528.com)

假定光纤的拉丝速度为v0，则光纤移动Δz的距离所需时间t0为：

对于稳定的拉丝过程，若预制棒直径均匀一致，锥状区域是不变的，则根据质量守恒原理，将体积V的石英玻璃拉成体积V0的光纤所需要的时间t为：

在时间t内，预制棒表面上某点由位置z＋Δz流动到z，移动了Δz的距离，而此点所在的棒径则由r（z＋Δz）变化到r（z），变化量为Δr＝r（z＋Δz）－r（z）。对于很小的长度变化量，即式（3.1.2）中（Δl／l≪1）时，长度变化量Δl可由棒径的变化量Δr通过下式表达：

将式（3.1.2）、式（3.1.6）和式（3.1.7）进行合并得到

式中，“－”表示锥面是向内收缩的。作用力f由两部分组成，一部分是光纤的拉丝张力f0，另一部分是在位置z处截面的以下玻璃锥体的重量。玻璃的密度为2.2g／cm3。玻璃的粘度是温度的函数，可由下式表达：

式中，常数A，B，C对组分不同的石英玻璃取值不同。

在拉丝炉中，在稳定的拉丝条件下，其温度分布是稳定的。

因预制棒的温度与预制棒在拉丝炉中的热区的位置相关，这说明在稳定的拉丝过程中，粘度η（z）也是位置z的函数。若知道预制棒的温度分布便可以通过式（3.1.8）和式（3.1.9）用微积分的方法计算出颈缩锥的形状r（z）。反过来，若知道预制棒的颈缩锥形状曲线，也可以推算出拉丝炉的温度分布。