中频拉棒工艺中石墨坩埚开裂探究

隋镁深 花 宁 李怀阳（中建材衢州金格兰石英有限公司，浙江 衢州 324000）

中频拉棒工艺是通过电磁感应效应使发热体发热，将石英玻璃砣加热至熔融状态，在牵引力的作用下通过成型器挤压成棒，根据需要控制到合适尺寸，多用于大直径石英玻璃棒生产[1]。因石墨材料具有卓越的高温热稳定性、抗烧蚀能力以及优越的吸收辐射的性能[2]，生产过程中会用到石墨坩埚来充当熔融石英玻璃的容器，同时石墨具有良好的导电性，选择石墨材料作为发热体。熔融态石英因粘度较高，导致拉棒抽芯，所以在操作过程中会用石墨压板、压杆通过增加配重块的方式对坩埚内的石英玻璃施加压力，让其更多的从成型器流出从而提高得料率。

在实际生产中，时常会发生因配重片施加过多石墨坩埚开裂后熔融石英料流出，导致石墨坩埚与石墨发热体粘连，大大降低石墨发热体的使用寿命，同时对生产操作造成极大不便。笔者通过对石墨坩埚开裂的分析计算，总结出明确的配重上限，规范生产操作，降低材料浪费。

2 建立模型及计算方法

根据生产实际，石墨坩埚使用环境大约处于1800℃。石墨坩埚开裂从坩埚最下方开始。其是由熔融石英对坩埚侧壁压力引起的扩张力与坩埚高温热膨胀形成的热应力之和超过坩埚的抗拉极限引起。计算过程中，我们将配重块换为等重量的石英玻璃来计算坩埚不开裂的情况下能承受熔融状态石英玻璃的最大高度（图1为工艺示意图）。

2.1 参数设定

熔融石英玻璃高度H，石墨坩埚外径Ro，石墨坩埚内径Ri，坩埚外壁周向应力坩埚内壁周向应力，坩埚内壁压力Pi，坩埚高温下内壁膨胀热应力坩埚高温下外壁膨胀热应力

2.2 理论计算

液体压力计算公式：

Pi=Pgh

通过比较，拉美公式适合此条件使用，坩埚内外壁膨胀热应力也可由经验公式给出[3]，此时坩埚外壁所受压力可视为零，拉美公式可进一步简化为：

图1 工艺示意图

石墨是脆性材料，没有明显的塑性变形特征[2]。其在室温下的抗拉强度约为11.2MPa，1800℃时抗拉强度是室温强度的1.92倍，所以1800℃时其抗拉强度σ为

结合①②③中公式可得出：

3 实验验证

我公司目前常用的石墨坩埚尺寸为外径370MM，内径350MM。由公式④可算出，H≤950MM。生产过程中坩埚内剩余40Kg石英料开始加配重块（10Kg一块），则配重最多可加到15块，但试验过程中加到12块时坩埚出现开裂。

分析发现石墨在高温下的氧化情况及石墨坩埚的原料品质、加工过程中造成的表面缺陷会对试验结果有很大影响，使用的配重块数量应在计算值范围内根据生产实际进行调整。

4 结 语

1）在1800℃高温下，石墨坩埚开裂是从下端开始由内向外、由下向上裂开。

2）从④公式可看出，熔融石英玻璃高度H由K值决定，即有石墨坩埚的外径跟厚度决定。

3）当折算熔融石英高度未超过计算极限高度时，应当考虑石墨在高温下的氧化情况及石墨坩埚的原料品质、加工过程中造成的表面缺陷，对实际施加配重进行适当调整。

［1］王玉芬，刘连城. 石英玻璃[M].北京：化学工业出版社，2006.39-40.

［2］张程煜，乔生儒，李玟. 挤压成形石墨的高温拉伸和弯曲性能[J].中国科技论文在线，2011，6（6）：447-450.

［3］郑津洋，董其伍，等. 过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2015. 39-46.

中国建筑材料联合会会长、党委书记乔龙德调研中国建材总院和国检集团

2017年11月28日下午，中国建筑材料联合会会长、党委书记乔龙德一行到中国建材总院和国检集团考察调研。中国建材集团副董事长、中国建材总院院长姚燕，总院党委书记、副院长王益民热情接待了乔龙德会长一行。

姚燕院长对联合会长期以来给予总院的大力支持、帮助和关怀表示感谢，并简要汇报了总院十三五以来科技创新、产研结合、成果转化、军民融合等方面的工作情况。姚燕表示，中国建材总院仍会积极主动作为，一如既往地支持行业转型升级和联合会的各项工作。

乔龙德会长充分肯定了中国建材总院、国检集团的近年来的发展成绩。他指出，近年来，中国建材总院、国检集团在中国建材集团正确清晰的战略指引下，立足实际，不断做大做强，成为建材服务业的先进企业，探索出科技型企业的科学发展之路，值得借鉴学习。乔龙德强调，加快发展建材服务业是党中央、国务院的要求，是建材行业调结构、补短板、稳增长、增效益，加快推进供给侧结构性改革的需要。“十三五”期间，建材服务业的发展要立足建材制造业，服务建材制造业，又要跨越建材制造业，形成覆盖建材各领域和全产业链的、配套集成的全方位服务。中国建材总院、国检集团要坚持与建材制造业整体发展相衔接，要解放思想、坚定信心、大胆探索，为建材行业改变发展方式、调整结构、增加新的经济增长点提供重要支撑，实现互动发展。

调研期间，乔龙德实地参观了总院新型房屋、国检集团光伏质检中心和安全环境检测实验室，听取了总院、国检集团的专题工作汇报，并与总院、国检集团的有关负责人座谈交流。