Печь для вытягивания волокна из тугоплавких стекол Советский патент 1991 года по МПК C03B37/09 

Изобретение относится к области производства оптического волокна из тугоплавких материалов, например, кварцевого стекла, применяемого в кокмуникационньк линиях оптической связи, в оптоэлектронике и вычислительной технике.

Известно устройство для вытягивания волокна из тугоплавкого материала, вклю(чающее корпус печи, футерованный огнеупорной керамикой, высокотемпературный резистивный оксидный нагреватель, например, из модифицированного добавками оксида циркония, вьшолненный в виде пластины со сквозным отверстием, образующим рабочий канал, расположенный перпендикулярно оси, соединяющей электроды, пусковой нагреватель.

00 СП

Работа печи устройства происходит следующим образом. После предварительного нагревания до температуры 1100°

00

ю постепенно подают электрическое питание на высокотемпературный резистивсоный нагреватель, поднимая в .рабочем

4 канале температуру до величины необходимой для вытяжки волокна. Затем в канал вводят заготовку например, кварцевый цилиндрический стержень и после прогревания его до размягчения стекла вытягивают нить.

Печь имеет ряд конструктивных недостатков, понижающих ее надежность во время работы, проявляющихся особенно при вытяжке волокна из заготовок увеличенного диаметра. Для прогрева заготовки увеличенного диаметра требуется увеличение рабочей темпе 8ратуры поверхности рабочего канала, что связано с необходимостью подават на нагреватель дополнительную электри ческую нагрузку. Увеличение электрической нагрузки, а следовательно, и температуры способствует более быстрому износу электродов и приэлектрод ной части нагревателя, вплоть до расплавления, а также способствует пластической высокотемпературной деформации нагревателя в области рабочего канала о Установлено, что для вытяжки квар цевого волокна из заготовок диаметром более 10 мм, оптимальньш режим экспл атации по удельной плотности электрического тока, скорости прогрева заготовки, формы луковицы и температурному режиму на стенке рабочегоKaH ла достигается гфи отношении высоты ра бочего канала к его диаметру в преде лах от 2 до 5о Печь с нагревателем, вьтолненным в виде одной толстой пластины, удовлетворяющей указанному оптимальному отношению, осарактеризуется резким снижением ее надежности в работе, вследствие разрушения электродов и образования расплава внутренних участков нагревателя по центральной оси, соединяющей электро ды. Это объясняется спецификой свойст конструкционных материалов нагревате лей, в том числе низкой теплопроводностью и экспоненциальной зависимость температурного коэффициента электропроводности. Наиболее близким к изобретению рейением по. технической сущности и дост гаемому результату является печь для вытягивания волокна из тугоплавких стекол, содержащая корпус, футерованный огнеупорными материалами, электро ды, пусковой нагреватель и высокотемпературный резистивный нагреватель из высокотемпературных оксидов, выпол ненный в виде расположенных одна над другой пластин, отверстия которых образуют рабочий канал печи, а оси, сое диняющие электроды, параллельны. Печь позволяет вьщержать оптимальное соотношение высоты рабочего канала к его диаметру, что обеспечивает необходимый для вытяжки волокна рабочий температурный, режим без электри ческих и тепловых перегрузок на элект родах и активной частио Недостатком, связанным с параллельностью расположения осей, соединяющих электроды, является электрический пробой между пластинами в процессе работы и в период включения, прогибания пластин при высокой температуре, а также трудности, связанные с точным регулированием температуры. В известной печи предполагается независимое регулирование -электрического питания на каждой пластине. При этом электроды одной стороны нагревателя запитывают на обитую фазу,,тогда как противолежащие электроды присоединяют к нулю или второй фазе Поясняя сказанное,, отметим, что оксидные нагреватели при высокой температуре характеризуются большим потреблением электрического тока при низком электрическом сопротивлении. Так, например, для пластины служащей нагревателем из модифицированного оксида циркония высотой 20 мм и шириной 30 мм с поперечным отверстием диаметром 20 мм в первоначальный период включения электросопротивление составляет около 1 КОм, тогда как при 2050 оно пал ает-менее 2 Ом при токе до 50А. V Рассмотренная Вьш1е система подсоединения приводит к снижению .точности регулирования температуры нагревателя и вызывает отрицательные побочные проблемы, связанные с переносом фаз g питающей электросети Поэтому наиболее рациональным является последовательное подсоединение пластин нагревателя, однако на известной печи его невозможно осуществить, так как неизбежен электрической пробой в области близко расположенных электродов Кроме того, в этом случае повышается опасность пробоя пластин в начальный период, так как именно в пусковой период из-за высокого сопротивления цепи при последовательном соединении требуется высокое рабочее напряжение на электродахо Другой недостаток известной конструкции заключается в том, что указанное расположение пластин препятствует оснащению печи дополнительными опорами под них для уравновешивания веса отдельных участков пластин с целью предотвращения их прогибания под собственным весом при высоких температурах,, При прогибании пластин наушается контакт между ее приэлектродной частью: и электродами, атакже появляется вероятность замыка ния пластин, что снижает в целом надежность работы Ггечи, Целью изобретения является повышение надежности печи. Поставленная цель достигается тем, что в печи для вытягивания волокна из тугоплавких стекол, включа ющей футерованный корпус, высокотем пературный резистивный нагреватель из высокоогнеупорных оксидов. Выпол ненный в виде установленных одна под другой с зазором пластин с отверстиями, расположенными соосно и образующими рабочий канал печи, электроды и пусковой нагреватель, близлежащие пластины развернуты вокруг оси рабоче-го канала на угол 45-90 , С целью предотвращения элек рического про.боя между пластинами в период включения их при последовате ном соединении, печь снабжена шунта

МИо

При такой расположении пластин появляется ряд преимуществ:

1Ф Возможно установить дополнительные опоры под пластины для предотвращения прогибания их во время работы при высоких температурах над собственным весом

2. Возможно последовательное электрическое подсоединение пластин нагревателя ввиду того, что опасность пробоя между ними сведена к минимуму, так как разность потенциалов в области их пересечения меньше таковой на электродах

Кроме того, при последовательном соединении пластин увеличивается общее сопротивление цепи нагревателя, что облегчает надежное регулирование. электрического питания и температуры печи, а также позволяет использовать один регулирующий источник питания, что упрощает систему питания и обслулсивание печи. Для повьшения надежности печи пу- Q кими тем предотвращения электрического пробоя в период включения высокотемпературного нагревателя печь оснащена дополнительными шунтами, подсоединенными поочередно к каждой из последовательно соединенных пластин наг- ревателя в период его включения, Шун- . тирование отдельных пластин во время включения нагревателя понижает его

Каждая пластина расположена между подвижным и неподвижным электродами из пластины.

Подвижные электроды 4 и 7 соединены с прижимными устройствами 8 и 9. Нижняя пластина 1 установлена на катки 10, опирающиеся на теплоизоляционную керамику пода печи. Катки выполнены из материала аналогично составу нагревательного элемента. Сверху на выводные части пластины 1 установлены тепловые экраны 11 из материала аналогичного составу пластины. Верхняя пластина 2 установлена

на катки 12, которые опираются на

стоящие на подовой футеровке лодставки 13., выполняющие одновременно роль нижних тепловык экранов,

Таким образом, обе пластины не имеют прямого контакта меяду собой и занимают устойчивое положение в печи. Пусковые нагреватели 14, например, силитовые стержни, запщщены керамичесобщее сопротивление и позволяет включить нагреватель при более низких температурах, чем не шунтированный нагреватель. На фиг,1 приведен общий вид печи в горизонтальном разрезе; на фиг,2, 3 - общий вид печи во взаимно перпен- дикулярньк вертикальных pa3pe3axj на фиг.4 - пластина нагревателя. В центральной части .печи расположен высокотемпературный нагреватель в виде двух фигурных пластин 1 и -2, расположенных под другой с воздушным зазором между ними таким образом, что вертикальные оси отверстий пластин совпадают с осью 3 рабочего канала, а оси 4 и 5, соединяющие противолежащие электроды 6 и 7 пластин расположены под углом Od (90 ). Высокотемпературная часть рабочего канала, образованная отверстиями пластин нагревателя, имеет отношение высоты к внутреннему диаметру канала равное 3. кольцевыми экранами 15 и размещены вертикально между вьшодными частями пластин нагревателя.. Высокотемпературная футеровка 16 образует камеру, в которой расположен высокотемпературный нагреватель из двух пластин и пусковые нагреватели 14 с экранами 15. Между высокотемпературной футе- ровкой 16 и корпусом печи 17 р.асположен слой высокоэффективной теплоизоляции 18 из прессованной каолиновой ваты о Для оформления и защиты рабочего канала печи от загрязнения материало футеровки в крышке и подовой части кечи установлены керамические трубки 19 и 20 Электроды укреплены на электроизо ляцйонных высокоогнеупорных корундовых или периклазовых, трубках 21 .и 22 , и подсоединены к выводным клеммам 23-26, к .которым присоединяют источник -электрического .питания и шун ты на период запуска высокотемпературного нагревателя. По оси, соединяющей -электроды., в лластинах имеются сквозные или как это показано на рисунках, несквозные отверстия 27, закрытые со стороны электродов пробками 28. Отверстия, сечение которых по экспери ментальным данным не должно превышать 25% ипощади торцов пластин, способствуют выравниванию температу ры на электродах. Пробки экранируют электроды от прямого получения. При отверстиях, на закрытых пробками, в электродах должны делаться сквозные отверстия для предахранени их от прямого излучения. Печь работает следующим образом. Включают пусковой -электронагрева тель и, регулируя подаваемую электр ческую мощность, разогревают оксидньй нагреватель до температуры 1000° со скоростью до 5 град/мин. При этой, температуре материал оксид ного нагревателя становится достато но электропроводные. После .предварительного нагрева на платиновые электроды подают регулируемый по величине переменный ток промышленной частоты, при этом одну из пластин нагревательного элемента шунтируют проводником с сопротивлением ниже 10Мо При прохождении электрического тока по нагревателю происходит его разогрев о В процессе разогрева необходимо следить: чтобы скорость из менения температуры в рабочем канале печи не превышала 5 град./мин., чтобы избежать разрушающих внутрен. них механических напряжений из-за неравномерности нагрева. По достиж НИИ температ-;/ры на внутренней поверхности нагревателя на 150-200 С вьппе первоначальной в период пускового разогрева шунт переключают на другую пластину нагревательного элемента и начинают совместный нагрев обеи-х пластин нагревателя при их последовательном включении При достижении в рабочем канале печи температуры, достаточной для вытяжки волокна, в канал печи вводят заготовку в виде стержня из кварцевого стекла (на чертеже не показано). После размягчения стекла и образования луковицы на заготовке, производят вытягивание нити,. По мере срабатывания стержня в процессе вытягивания нити, стержень непрерывно опускают в печь. Опытный макет печи, вьшолненный в соответствии с описанием, испытан в режиме вытяжки кварцевого волокна на заготовке диаметром 9 мм. Нагреватель состоял из двух пластин, форма которых поясняется на фиг.4. Размеры пластин: длина -120 мм., высота26 мм, диаметр рабочего канала 20 мм, площадь торца - 760 мм, площадь приэлектродного отверстия 120 мм2. Внепшие габариты корпуса .макета печи: длина - 290 мм, ширина - 290мм высота - 200 мм. В режиме вытяжки при температуре на заготовке 2050с, напряжение на нагревателе 200в, .электрический ток 25А, М01цность 5 квт. После работы печи в течение 20 ч видимых изменений на электродах и нагревателе не обнаружено о При циклическом нагреве и охлаждении продолжительность работы нагревателя по сравнению-с печью, оснащенной нагревателем, выполненным в соответствии с прототипом, увеличилась в два раза, Использование изобретения позволит увеличить производительность печи за счет сокращения времени на ее обслуживание, ремонт и замену вьш1ед- : ших из строя элементов печи, что даст существенную экономию за счет долговременного использования дорогостоящих изделий из дефигштных материалов о

1-. ПЕЧЬ ДЛЯ ВЫТЯгаВАНИЯ ВОЛОКНА ИЗ ТУГОПЛАВКИХ СТЕКОЛ, включающая футерованный корпус, высокотемпературный резистивный нагреватель из высокоогнеупорных оксидов, выполненный в виде установленных одна под другой с зазором пластин с отверстиями, расположенными соосно и образующими рабочий канал печи, электроды и пусковой нагреватель, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения ее надежности, близлежащие пластины развернуты вокруг оси рабочего канала на угол 45-90 2о Печь поп.1,о тличающ а я с я тем, что, с целью предотвращения электрического пробоя между пластинами и период включения их при последовательном соединении, она снабжена шунтами. (Л С

Фиг. 2

В-в

1120