Железо

Новая статья: Как делают оптоволокно: фоторепортаж из Саранска

Ускорение производства произошло благодаря обновлению оборудования, средства на которое были получены в том числе от Фонда развития промышленности (ФРП), организовавшего это мероприятие. Поводом для экскурсии по заводу стал выпуск четырёхмиллионного километра оптического волокна.

История завода

Саранский завод тоже не сразу строился. Попытки организовать массовое производство оптоволокна на территории страны предпринимались неоднократно: на рубеже веков дошло даже до закупок оборудования, но дальше дело не двинулось. В 2011 году был подписан договор с финской Nextrom (когда-то бывшей частью Nokia) о поставках оборудования, но только через два года началось строительство завода, который заработал в 2015 году. Компания «Оптиковолоконные системы» была основана в 2008 году, ещё несколько лет ушло на переговоры относительно инвестиций с Газпромбанком, Роснано и Республикой Мордовия. Впоследствии ФРП выдало предприятию заём на модернизацию производства — обновлённые линии как раз и были продемонстрированы в ходе экскурсии. А первая продукция попала на рынок только в 2016 году.

АО «Оптиковолоконные системы»

АО «Оптиковолоконные системы»

Выход первой капли как символ начала работы завода

Выход первой капли как символ начала работы завода

Практически все они местные, за исключением некоторых руководителей. Сейчас на заводе работают около 130 человек. У многих из них научными руководителями были сотрудники НЦВО РАН и ИХВВ РАН. В основном на работу берут выпускников локальных университетов, обучавшихся по техническим специальностям в области физики и химии, — и потом их ещё два месяца доучивают. Первый состав местных специалистов нужной квалификации пришлось искать с трудом, так как мало кто из них работал по специальности: кто-то занимался починкой компьютеров, кто-то продавал мобильные телефоны в одном из известных салонов связи. Впрочем, так было не всегда.

Сейчас оно состоит из двух частей: собственно вытяжки волокна и небольшого цеха по изготовлению преформ. Как бы то ни было, производство работает.  

Изготовление преформ

Именно от неё во многом зависят качество и характеристики будущего оптоволокна. На преформу или, говоря по-русски, заготовку, приходится более половины себестоимости продукции. Переход на полный цикл производства с собственным изготовлением преформ имеет смысл только при отгрузке более 10 млн км волокна ежегодно, тогда как сейчас спрос в России и Белоруссии (они рассматриваются как единый рынок) составляет только 9 млн км в год. Сейчас заготовки закупаются у японской компании  Sumitomo Electric — на данном этапе это экономически выгодно. Сейчас собственное опытное производство заготовок на заводе тоже имеется. Впрочем, про экономику мы ещё поговорим. Оно нужно для отработки технологического процесса и для изготовления преформ под особые нужды некоторых заказчиков.

Конусообразный на одном конце и с тонкой «ручкой» на другом. Сама преформа — это большой массивный цилиндр из кварцевого стекла. Это не единственный материал для создания оптоволокна, но самый распространённый. Заготовка состоит из чистого — примесей не более одной частицы на миллиард — кварца с небольшим легированием германием в сердцевине. Это, например, спекание кварцевой крупки внутри полой стеклянной тубы или же парофазное осаждение. Конкретных способов изготовления тоже несколько. На последнем этапе преформа спекается. В последнем случае газовая смесь из тетрахлоридов кремния и германия вкупе с кислородом нагревается, реагирует и осаждается в виде оксидов на небольшую заготовку или на стенки полой трубы.

Изготовление преформы методом парофазного осаждения

Изготовление преформы методом парофазного осаждения

Для маленьких преформ под спецзаказы на волокна с особыми характеристиками хватает. Тетрахлориды нужной чистоты производятся в Дзержинске и Нижнем Новгороде, но пока в малых объёмах. Защитное покрытие заказывается в Голландии, но пробуют и продукцию отечественных заводов. Другие газы, используемые в производстве  — аргон, гелий, азот, углекислый, дейтерий, — закупаются в России. Также на заводе есть опытный участок изготовления тестовых преформ для многомодового оптоволокна методом FCVD. Вся прочая мелочёвка переведена на местное производство.

Остальные шесть линий работают с обычными покупными заготовками. Под все эти задачи есть отдельная небольшая линия производства, седьмая по счёту. Ранее использовался стандарт 115 мм на 1000 км волокна. На заводе после модернизации используются типовые преформы диаметром 150 мм (возможна модернизация до Ø230 мм) и длиной чуть больше полутора метров, которые позволяют получить около 2000 км волокна.

Производство оптоволокна

Кажется, что всё довольно просто, но на практике есть масса нюансов. Если описывать процесс производства совсем уж упрощённо, то он сводится к плавлению заготовки и вытягиванию из неё ниточки.

Общая схема линии

Общая схема линии

Преформа

Преформа

На последнем этаже находятся печи. Каждая производственная линия вытянута по вертикали и занимает восемь этажей. По мере расхода материала заготовка постепенно опускается всё глубже и глубже в печь, хотя заметить это невооружённым глазом затруднительно, так как скорость погружения на полной мощности составляет около одного миллиметра в минуту. В них и помещается преформа, которая подвешивается за «ручку» и аккуратно центруется, а в процессе её положение дополнительно корректируется.

Печь нагрева заготовки

Печь нагрева заготовки

Они нагреваются от высокочастотного индуктора и передают тепло преформе в нужных местах, а она, в свою очередь, постепенно плавится. Внутри печи находятся графитовые элементы, повторяющие форму заготовки. Под внешней обшивкой печи проходят трубы охлаждения, по которым постоянно циркулирует вода. Температура держится около 2000 °C, и лишь во время смены преформы «на горячую» — то есть без полного цикла охлаждения и последующего разогрева длительностью несколько часов — опускается примерно до 1200 °C. Однако находиться около работающей установки даже на расстоянии пары метров уже не очень комфортно — от неё буквально пышет жаром.

Преформа медленно опускается внутрь печи

Преформа медленно опускается внутрь печи

Расплавленный кварц тянется вниз и постепенно охлаждается

Расплавленный кварц тянется вниз и постепенно охлаждается

Сделано это не просто так — до определённого момента весь рабочий материал находится в изолированной среде. Верхняя часть печи закрыта кварцевыми створками, а снизу из неё выходит стеклянная труба, которая заканчивается в дли-и-инном шкафу высотой в несколько этажей. В самой башне воздух соответствует классу чистоты ИСО 7, а внутри вышеупомянутого шкафа классу ИСО 6. Внутри печи циркулирует аргон, который защищает нагретый графит от контакта с кислородом воздуха.

Герметичный «шкаф» тянется сквозь этажи

Герметичный «шкаф» тянется сквозь этажи

Больше половины пути будущее волокно, по сути, равномерно остывает. На первом этапе после начального разогрева заготовки формируется довольно крупная капля, которая отрезается на уровне 7-го этажа, а оставшийся кончик толщиной 3-4 мм уходит вниз и стягивается, постепенно утончаясь. На уровне третьего этажа его температура падает с почти 2000 °C до примерно 350 °C и оно попадает в трубу охлаждения. Попутно несколько раз лазерными датчиками измеряется его положение в пространстве, уровень натяжения (по длине стоячей волны) и диаметр. На выходе из трубы температура волокна равна примерно 60 °C. Труба омывается водой из чиллера, а внутри неё находится гелий, изолированный азотными затворами.

Измерение параметров волокна, таких датчиков на линии несколько

Измерение параметров волокна, таких датчиков на линии несколько

Полимеризация защитного покрытия

Полимеризация защитного покрытия

Волокно проходит через блок цилиндров с фильерами, куда подаётся акрилатное покрытие, предварительно очищенное и разогретое до температуры 55-57 °C: первичное, а сразу за ним и вторичное. Последний этап — нанесение полимерного слоя. «Голое» волокно не получится согнуть с диаметром изгиба менее 10-15 сантиметров, а с покрытием его можно свернуть в колечко радиусом несколько миллиметров. Далее оно проходит в азотной среде мимо пяти УФ-ламп для полимеризации покрытия, которое в итоге значительно улучшает механические свойства оптоволокна.

Протяжный механизм

Протяжный механизм

Заправка волокна

Заправка волокна

После этого оно наматывается на катушки, способные вместить до 250 км волокна. В конце концов уже на первом этаже волокно попадает в протяжный механизм, который автоматически регулирует натяжение для сохранения толщины и формы нити в соответствии с данными измерений вышестоящих лазерных датчиков. В тестовом режиме одна из линий работает на скорости 2100 м/мин. Рабочая скорость намотки составляет 1700-1800 метров в минуту. А вообще это не предел — на зарубежных заводах скорость приближаются к порогу в 3000 м/мин., но там и объёмы другие. Её можно разогнать до 2500 м/мин. Ускорение процесса зависит в первую очередь от эффективности охлаждения и числа УФ-ламп, а также приёмников волокна.

Перетяжка волокна и пруф-тест

Перетяжка волокна и пруф-тест

Впереди ещё перемотка с большой катушки на малые (обычно на них умещается 25-50 км волокна) с дополнительным натяжением и тестированием на дефекты порядка одного микрона. На этом путь оптоволокна вовсе не заканчивается. Всего тестируется полтора десятка различных параметров. Далее идут тесты, связанные с оптическими и механическими параметрами продукции: длиной волокна в катушке; коэффициентом затухания; диаметром/некруглостью/концентричностью сердцевины, оболочки и обоих слоёв защитного покрытия; длиной волны отсечки; диаметром модового поля; хроматической дисперсией и так далее.

Тестовые стенды

Тестовые стенды

После всех тестов катушки с волокном на четверо суток отправляются принимать азотно-дейтериевые ванны. Но и это ещё не всё! Так что волокно, проще говоря, не мутнеет со временем и сохраняет свои свойства на протяжении 25 лет — именно такую гарантию даёт завод на свою продукцию. Дейтерий образует OD-группы, препятствуя появлению OH-групп. Правда, производители кабелей, которые и закупают волокно, дают уже существенно меньший гарантийный срок на изделия — это могут быть и 5 лет.

Дейтерирование волокна

Дейтерирование волокна

Продукция

В центре находится кварцевая сердцевина диаметром 8-10 мкм, именно она легирована германием. Готовое одномодовое оптоволокно состоит из нескольких частей. Всё это покрыто защитным слоем, так что итоговая толщина составляет 242 мкм. Вокруг неё — кварцевая же оболочка на 125 мкм. Окрашивание нужно лишь для удобства — при последующей сварке так гораздо проще отличить одно волокно от другого. Опционально внешняя оболочка может быть окрашена в разные цвета: предлагается 8 вариантов, в том числе с рисунком.

Образцы продукции: обычные, окрашенные и тонкие волокна

Образцы продукции: обычные, окрашенные и тонкие волокна

652D и его изгибостойкого варианта G. Сейчас основная продукция завода — это волокна стандарта G. Помимо упомянутых выше многомодовых версий и вариантов специального назначения, есть и опытные образцы волокон толщиной 200 мкм (требования к ним те же, что и для 242-мкм). 657A1. Они актуальны для европейских заказчиков — в Европе в канализации уже просто не хватает места, поэтому большее число волокон при том же сечении кабеля крайне важно.

Сейчас продукция поставляется трём заводам в ЕАЭС и ещё с семью налаживаются отношения, а около четверти продукции экспортируется в Италию, Великобританию, Австрию, Чехию, Польшу, Нидерланды — для европейских стран важна логистика и быстрая доставка, в течение недели. Основными потребителями оптоволокна являются кабельные заводы, реже — очень крупные телеком-операторы. Экспорт идёт и в США, Китай, Пакистан, Индию.

Быть или не быть?

Связано это с непростой экономикой рынка. Правда, структура сбыта поменялась — в первые годы упор был на экспорт (98%), сейчас же осваивается отечественный рынок. Но потребление его неравномерно. Общая мощность производства оптоволокна в мире составляет около 300 млн км в год. Ещё один крупный, но непростой регион — Китай. В частности, приводятся данные о том, что в России протяжённость оптоволоконных линий связи на душу населения в 4-5 раз меньше, чем в США, Южной Корее и Японии. Там, с одной стороны, правительство ещё 15 лет назад ввело заградительные пошлины, а с другой — были масштабные программы по развитию FTTx и 4G-сетей, которые привели к строительству новых заводов и резкому увеличению  объёмов производства волокна.

Такая ситуация, к слову, стала поводом для обращения в ФАС, так как есть опасения, что Corning, крупнейший производитель волокна в мире (60-70% рынка), вынудил кабельные заводы подписать долгосрочные контракты, и поэтому даже сейчас они не берут дешёвое, но достаточно качественное китайское волокно, не говоря уж об российском. Прямо сейчас наступило затишье перед внедрением 5G, поэтому китайские вендоры готовы продавать волокно даже себе в убыток — по $5/км, тогда как среднерыночная цена составляет $7/км, а в 2017 году она была на уровне $10/км.

К тому же любая перенастройка или обновление линий и материалов приводит к необходимости дополнительных тестов и прохождения сертификации у заказчиков, чего, кстати, с зарубежными поставщиками почему-то не происходит. Ситуация осложняется ещё и тем, что, в отличие от кабелей, оптоволокно не является конечным продуктом, а потому под различные льготы и преференции в области импортозамещения не подпадает. Есть и другие аспекты.

Попутно происходит и постепенная локализация, которая сейчас составляет около 50 %: если уж оборудование нужного класса в России не создаётся, то хотя бы материалы и вспомогательные компоненты вроде тех же катушек уже можно частично получать не у иностранных компаний. В целом же руководство завода считает, что выбранный путь развития — постепенное освоение различных этапов полного цикла производства, которое продолжается до сих пор, и (пере)ориентация на нужные рынки  — оказался верным. Хотя, казалось бы… И всё же очень странно, конечно, осознавать, что такое предприятие — единственное в России.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть