中頻拉棒工藝中石墨坩堝開裂探究

隋鎂深 花 寧 李懷陽（中建材衢州金格蘭石英有限公司，浙江 衢州 324000）

中頻拉棒工藝是通過電磁感應效應使發熱體發熱，將石英玻璃砣加熱至熔融狀態，在牽引力的作用下通過成型器擠壓成棒，根據需要控制到合適尺寸，多用于大直徑石英玻璃棒生產[1]。因石墨材料具有卓越的高溫熱穩定性、抗燒蝕能力以及優越的吸收輻射的性能[2]，生產過程中會用到石墨坩堝來充當熔融石英玻璃的容器，同時石墨具有良好的導電性，選擇石墨材料作為發熱體。熔融態石英因粘度較高，導致拉棒抽芯，所以在操作過程中會用石墨壓板、壓桿通過增加配重塊的方式對坩堝內的石英玻璃施加壓力，讓其更多的從成型器流出從而提高得料率。

在實際生產中，時常會發生因配重片施加過多石墨坩堝開裂后熔融石英料流出，導致石墨坩堝與石墨發熱體粘連，大大降低石墨發熱體的使用壽命，同時對生產操作造成極大不便。筆者通過對石墨坩堝開裂的分析計算，總結出明確的配重上限，規范生產操作，降低材料浪費。

2 建立模型及計算方法

根據生產實際，石墨坩堝使用環境大約處于1800℃。石墨坩堝開裂從坩堝最下方開始。其是由熔融石英對坩堝側壁壓力引起的擴張力與坩堝高溫熱膨脹形成的熱應力之和超過坩堝的抗拉極限引起。計算過程中，我們將配重塊換為等重量的石英玻璃來計算坩堝不開裂的情況下能承受熔融狀態石英玻璃的最大高度（圖1為工藝示意圖）。

2.1 參數設定

熔融石英玻璃高度H，石墨坩堝外徑Ro，石墨坩堝內徑Ri，坩堝外壁周向應力坩堝內壁周向應力，坩堝內壁壓力Pi，坩堝高溫下內壁膨脹熱應力坩堝高溫下外壁膨脹熱應力

2.2 理論計算

液體壓力計算公式：

Pi=Pgh

通過比較，拉美公式適合此條件使用，坩堝內外壁膨脹熱應力也可由經驗公式給出[3]，此時坩堝外壁所受壓力可視為零，拉美公式可進一步簡化為：

圖1 工藝示意圖

石墨是脆性材料，沒有明顯的塑性變形特征[2]。其在室溫下的抗拉強度約為11.2MPa，1800℃時抗拉強度是室溫強度的1.92倍，所以1800℃時其抗拉強度σ為

結合①②③中公式可得出：

3 實驗驗證

我公司目前常用的石墨坩堝尺寸為外徑370MM，內徑350MM。由公式④可算出，H≤950MM。生產過程中坩堝內剩余40Kg石英料開始加配重塊（10Kg一塊），則配重最多可加到15塊，但試驗過程中加到12塊時坩堝出現開裂。

分析發現石墨在高溫下的氧化情況及石墨坩堝的原料品質、加工過程中造成的表面缺陷會對試驗結果有很大影響，使用的配重塊數量應在計算值范圍內根據生產實際進行調整。

4 結 語

1）在1800℃高溫下，石墨坩堝開裂是從下端開始由內向外、由下向上裂開。

2）從④公式可看出，熔融石英玻璃高度H由K值決定，即有石墨坩堝的外徑跟厚度決定。

3）當折算熔融石英高度未超過計算極限高度時，應當考慮石墨在高溫下的氧化情況及石墨坩堝的原料品質、加工過程中造成的表面缺陷，對實際施加配重進行適當調整。

［1］王玉芬，劉連城. 石英玻璃[M].北京：化學工業出版社，2006.39-40.

［2］張程煜，喬生儒，李玟. 擠壓成形石墨的高溫拉伸和彎曲性能[J].中國科技論文在線，2011，6（6）：447-450.

［3］鄭津洋，董其伍，等. 過程設備設計[M].北京：化學工業出版社，2015. 39-46.

中國建筑材料聯合會會長、黨委書記喬龍德調研中國建材總院和國檢集團

2017年11月28日下午，中國建筑材料聯合會會長、黨委書記喬龍德一行到中國建材總院和國檢集團考察調研。中國建材集團副董事長、中國建材總院院長姚燕，總院黨委書記、副院長王益民熱情接待了喬龍德會長一行。

姚燕院長對聯合會長期以來給予總院的大力支持、幫助和關懷表示感謝，并簡要匯報了總院十三五以來科技創新、產研結合、成果轉化、軍民融合等方面的工作情況。姚燕表示，中國建材總院仍會積極主動作為，一如既往地支持行業轉型升級和聯合會的各項工作。

喬龍德會長充分肯定了中國建材總院、國檢集團的近年來的發展成績。他指出，近年來，中國建材總院、國檢集團在中國建材集團正確清晰的戰略指引下，立足實際，不斷做大做強，成為建材服務業的先進企業，探索出科技型企業的科學發展之路，值得借鑒學習。喬龍德強調，加快發展建材服務業是黨中央、國務院的要求，是建材行業調結構、補短板、穩增長、增效益，加快推進供給側結構性改革的需要。“十三五”期間，建材服務業的發展要立足建材制造業，服務建材制造業，又要跨越建材制造業，形成覆蓋建材各領域和全產業鏈的、配套集成的全方位服務。中國建材總院、國檢集團要堅持與建材制造業整體發展相銜接，要解放思想、堅定信心、大膽探索，為建材行業改變發展方式、調整結構、增加新的經濟增長點提供重要支撐，實現互動發展。

調研期間，喬龍德實地參觀了總院新型房屋、國檢集團光伏質檢中心和安全環境檢測實驗室，聽取了總院、國檢集團的專題工作匯報，并與總院、國檢集團的有關負責人座談交流。