降低光纤预制棒感应炉能耗的研究

钱本华 张泽霖 蒋新力 秦钰 徐希凯

摘  要：对降低光纤预制棒制造领域感应炉能耗的方法开展了研究，主要用专业软件分析，优化了感应线圈紫铜管尺寸、间距、匝数，形成最优设计参数，并结合实际生产数据验证了实验效果。同时，研究了石墨保温筒选用长、短纤维以及纤维排布的方向对感应炉能耗的影响;研究了感应炉运动速度从300mm/min降至100mm/min，可以使石墨件使用寿命增加48.3%。

关键词：感应炉;降低能耗;感应线圈设计;石墨保温;光纤预制棒;

0 引言

光纤预制棒制造过程主要是由SiCl4发生化学反应生成SiO2的过程，高纯石英的熔化加工需要1900℃以上的温度，因此能耗费用约占预制棒成本的10%～12%。在“碳达峰、碳中和”的国家战略背景下，各省“限电”政策也对预制棒生产造成巨大影响。此时，开展降低预制棒生产能耗的研究，不仅可以降低预制棒成本，也响应国家政策，为社会承担应有的企业责任。

1 感应炉加热原理及结构

预制棒生产过程中，热源主要为氢氧气、石墨炉、感应炉、等离子等，本文主要研究降低感应炉能耗的方法。

感应炉内部结构如图1所示。感应加热过程是一种电和磁的耦合过程，高频交流电通过感应线圈产生交变磁场，作用于其范围内的导体（石墨中心管）上产生涡流发热，通过热辐射和热对流，对其中的石英管进行加热。石墨纤维制成的保温筒（非闭环）位于感应线圈与石墨中心管之间，用于发热体保温，阻挡热能散失。

2 感应线圈参数优化及性能评估

通过专业感应线圈设计软件，就线圈的内径、宽度、匝数、间隙、铜管尺寸关键参数进行计算，选择输出功率最大、线圈损耗最小的整体最优参数，如表1所示。

改进前（180mm）感应线圈，一部分交变磁场被外部金属炉体吸收，且由于热区宽度小，石墨中心管被热辐射区域小，造成部分能量丢失。

改进后（140mm）感应线圈，减小外径，增加热区宽度，提高了石墨中心管热吸收区域，能量利用率大幅度提高;同时，增加了线圈铜管截面积，增加了冷却效果。

通过计算对比两规格的功率输出及线圈能量损耗，具体计算结果如图2和3所示。以60kW感应炉为例，相比改进前，改进后的140mm感应炉的输出满功率从52.2kW提升至73.6kW，线圈能量损耗从29.0kW减低到19.8kW，降低了31.7%。

改进后（140）感应线圈，热区宽度由38mm提升至100mm，提高了石墨中心管热吸收区域，能量利用率提高了263%;感应线圈铜管截面积120mm2提高至196mm2，增加了163%，实际水流量从7L/min提升至12L/min，优化冷却效果，显著提高了线圈的使用寿命。

如表2所示，通过实际使用可以看出感应线圈改进后，达成所需温度的功率从30.4kW降至23.9kW，能耗降低了21.4%，改进效果显著。

3 石墨保温对能耗降低的研究

石墨纤维保温筒由聚丙烯腈、粘胶和沥青作为基材，由碳素碳毡和固化碳毡等绝热材料制成，其作用是保证感应炉内的热量不散失，是影响感应炉功率损耗的重要因素。

决定保温筒性能的因素主要有材料、加工工艺、涂层工艺、均匀性等，本文对最重要的石墨纤维材料长度和纤维排布方向进行试验，采取相同的溫度和使用条件进行连续生产。其中感应炉实际功率均值及使用寿命统计数据如表3所示。

感应炉实际功率均值及使用寿命统计数据如表3所示。可以看出，长纤维石墨保温桶在功率能耗和使用寿命上相较于短纤维石墨保温桶展现出更为优秀的性能，能耗降低了7.2%，使用寿命延长了19%。另外，从纤维排布方向来看，轴向比径向的保温效果好，达到所需温度的实际功率更低，能耗可降低0.8%，并且使用寿命增加了4.7%。

4 感应炉移动速度对石墨件损耗影响

在预制棒石英管熔缩过程中，感应炉与石英管之间的间隙逐渐变大，随着感应炉的移动，不可避免的空气会进入高温感应炉内，从而造成石墨件氧化，降低石墨件的使用寿命。感应炉移动速度也是影响石墨件寿命的重要因素之一，为了提高石墨件寿命，对感应炉移动速度与石墨件寿命的关系做了相应研究，实验结果如表4所示。

可以看出，在同样的功率条件下，感应炉移动速度越慢，石墨件使用寿命越久，其速度从300mm/min降至100mm/min，可以提高使用寿命约48.3%。

5结束语

本文从感应线圈参数优化、石墨件保温效果、感应炉移动速度的角度出发，探索了降低感应炉能耗和延长石墨件寿命的方法。感应线圈的优化主要从减小外径、增加热区宽度、提高石墨中心管热吸收效率等方面着手，大幅度提高了能量利用率，额定功率60kW的感应炉降低了约6.5kW能耗。选用长纤维石墨保温筒，且轴向排布纤维，可以有效提升保温效果，降低1.6kW能耗。另外，还通过实验论证了感应炉运动速度从300mm/min降至100mm/min，可增加石墨件使用寿命48.3%，达到了降低能耗的目的。

参考文献：

[1]廖平录，钱志良.感应拉丝炉感应线圈的设计[J].苏州：苏州大学，2017.2

[2]廖平录.光纤感应拉丝炉的涡流场研究与设计[D].苏州大学硕士学位论文，2018.11

[3]刘伟媛.光纤拉丝炉内部气体流场研究[D].苏州：苏州大学，2013