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(yīng)效應(yīng)使發(fā)熱體發(fā)熱，將石英玻璃砣加熱至熔融狀態(tài)，在牽引力的作用下通過成型器擠壓成棒，根據(jù)需要控制到合適尺寸，多用于大直徑石英玻璃棒生產(chǎn)[1]。因石墨材料具有卓越的高溫?zé)岱€(wěn)定性、抗燒蝕能力以及優(yōu)越的吸收輻射的性能[2]，生產(chǎn)過程中會用到石墨坩堝來充當(dāng)熔融石英玻璃的容器，同時石墨具有良好的導(dǎo)電性，選擇石墨材料作為發(fā)熱體。熔融態(tài)石英因粘度較高，導(dǎo)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(nèi)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(chǎn)中，時常會發(fā)生因配重片施加過多石墨坩堝開裂后熔融石英料流出，導(dǎo)致石墨坩堝與石墨發(fā)熱體粘連，大大降低石墨發(fā)熱體的使用壽命，同時對生產(chǎn)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(jié)出明確的配重上限，規(guī)范生產(chǎn)操作，降低材料浪費。

2 建立模型及計算方法

根據(jù)生產(chǎn)實際，石墨坩堝使用環(huán)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(cè)壁壓力引起的擴(kuò)張力與坩堝高溫?zé)崤蛎浶纬傻臒釕?yīng)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(tài)石英玻璃的最大高度（圖1為工藝示意圖）。

2.1 參數(shù)設(shè)定

熔融石英玻璃高度H，石墨坩堝外徑Ro，石墨坩堝內(nèi)徑Ri，坩堝外壁周向應(yīng)力坩堝內(nèi)壁周向應(yīng)力，坩堝內(nèi)壁壓力Pi，坩堝高溫下內(nèi)壁膨脹熱應(yīng)力坩堝高溫下外壁膨脹熱應(yīng)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(nèi)外壁膨脹熱應(yīng)力也可由經(jīng)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(jìn)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(qiáng)度約為11.2MPa，1800℃時抗拉強(qiáng)度是室溫強(qiáng)度的1.92倍，所以1800℃時其抗拉強(qiáng)度σ為

結(jié)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(nèi)徑350MM。由公式④可算出，H≤950MM。生產(chǎn)過程中坩堝內(nèi)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(xiàn)開裂。

分析發(fā)現(xiàn)石墨在高溫下的氧化情況及石墨坩堝的原料品質(zhì)、加工過程中造成的表面缺陷會對試驗結(jié)果有很大影響，使用的配重塊數(shù)量應(yīng)在計算值范圍內(nèi)根據(jù)生產(chǎn)實際進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié) 語

1）在1800℃高溫下，石墨坩堝開裂是從下端開始由內(nèi)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(dāng)折算熔融石英高度未超過計算極限高度時，應(yīng)當(dāng)考慮石墨在高溫下的氧化情況及石墨坩堝的原料品質(zhì)、加工過程中造成的表面缺陷，對實際施加配重進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

［1］王玉芬，劉連城. 石英玻璃[M].北京：化學(xué)工業(yè)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(shè)備設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015. 39-46.

中國建筑材料聯(lián)合會會長、黨委書記喬龍德調(diào)研中國建材總院和國檢集團(tuán)

2017年11月28日下午，中國建筑材料聯(lián)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(tuán)考察調(diào)研。中國建材集團(tuán)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(lián)合會長期以來給予總院的大力支持、幫助和關(guān)懷表示感謝，并簡要匯報了總院十三五以來科技創(chuàng)新、產(chǎn)研結(jié)合、成果轉(zhuǎn)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(yè)轉(zhuǎn)型升級和聯(lián)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(tuán)的近年來的發(fā)展成績。他指出，近年來，中國建材總院、國檢集團(tuán)在中國建材集團(tuán)正確清晰的戰(zhàn)略指引下，立足實際，不斷做大做強(qiáng)，成為建材服務(wù)業(yè)的先進(jìn)企業(yè)，探索出科技型企業(yè)的科學(xué)發(fā)展之路，值得借鑒學(xué)習(xí)。喬龍德強(qiáng)調(diào)，加快發(fā)展建材服務(wù)業(yè)是黨中央、國務(wù)院的要求，是建材行業(yè)調(diào)結(jié)構(gòu)、補(bǔ)短板、穩(wěn)增長、增效益，加快推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的需要?！笆濉逼陂g，建材服務(wù)業(yè)的發(fā)展要立足建材制造業(yè)，服務(wù)建材制造業(yè)，又要跨越建材制造業(yè)，形成覆蓋建材各領(lǐng)域和全產(chǎn)業(yè)鏈的、配套集成的全方位服務(wù)。中國建材總院、國檢集團(tuán)要堅持與建材制造業(yè)整體發(fā)展相銜接，要解放思想、堅定信心、大膽探索，為建材行業(yè)改變發(fā)展方式、調(diào)整結(jié)構(gòu)、增加新的經(jīng)濟(jì)增長點提供重要支撐，實現(xiàn)互動發(fā)展。

調(diào)研期間，喬龍德實地參觀了總院新型房屋、國檢集團(tuán)光伏質(zhì)檢中心和安全環(huán)境檢測實驗室，聽取了總院、國檢集團(tuán)的專題工作匯報，并與總院、國檢集團(tuán)的有關(guān)負(fù)責(zé)人座談交流。