對純化石墨的需求飆升刺激了對大容量熔爐的需求

全球?qū)?a href="/tags/石墨" target="_blank">石墨的需求正在飆升，預(yù)計(jì)將持續(xù)數(shù)十年，這是由于石墨廣泛用于一系列產(chǎn)品，例如電動汽車和儲能系統(tǒng)的電池、LED、太陽能設(shè)備、高性能半導(dǎo)體和關(guān)鍵部件在高溫爐中。

具有諷刺意味的是，生產(chǎn)高純度石墨的熔爐還需要由石墨和纖維增強(qiáng)碳等相關(guān)材料制成的部件。石墨獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)使其能夠承受腐蝕性環(huán)境中的極端爐溫，使其成為工業(yè)爐中熱區(qū)關(guān)鍵材料的理想選擇。

“自然界中發(fā)現(xiàn)的石墨呈結(jié)晶狀;當(dāng)從礦山中提取時，它通常含有約 90% 的碳含量。專用高溫爐可生成碳含量約為 99.5% 的合成石墨。如果應(yīng)用需要更高的純度，專用設(shè)備可以將雜質(zhì)降低到百萬分之幾的范圍，”PVA TePla America 工業(yè)爐高級產(chǎn)品和銷售經(jīng)理 Thomas Palamides 說，PVA TePla America 是石墨行業(yè)定制工業(yè)爐設(shè)備的全球供應(yīng)商.石墨獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)使其能夠承受腐蝕性環(huán)境中的極端爐溫，使其成為工業(yè)爐中熱區(qū)關(guān)鍵材料的理想選擇

對于石墨供應(yīng)商而言，對高碳合成石墨的需求不斷增長，以及聯(lián)邦政府恢復(fù)美國國內(nèi)半導(dǎo)體生產(chǎn)的舉措，都推動了對容量更大的電爐系統(tǒng)的需求，這些電爐系統(tǒng)能夠在更短的時間內(nèi)產(chǎn)生更大的有效載荷。由于材料純化過程涉及極端溫度和有毒氣體，因此這些工業(yè)工具需要高度專業(yè)化的過程控制和安全功能。

碳化硅需求上升

在各個行業(yè)中，碳化硅有許多用途，其中石墨是生產(chǎn)中必不可少的成分。

碳化硅優(yōu)異的表面硬度有助于其在工程應(yīng)用中的使用，在這些應(yīng)用中，組件需要高度的滑動、耐侵蝕和耐腐蝕磨損性能。制造碳化硅最直接的過程是在 1,600 °C 至 2,500 °C 的溫度下在石墨電阻爐中結(jié)合硅砂和碳。

然而，碳化硅作為半導(dǎo)體材料的使用是增長潛力最大的領(lǐng)域之一。隨著碳化硅取代硅成為許多下一代電子產(chǎn)品的首選半導(dǎo)體材料，對石墨的需求正在大幅增長。與傳統(tǒng)的硅晶圓相比，碳化硅更適合更高電壓運(yùn)行，并提供更寬的溫度范圍和更高的開關(guān)頻率。

刺激國內(nèi)半導(dǎo)體制造和加強(qiáng)供應(yīng)鏈的聯(lián)邦立法也將增加對碳化硅和石墨的需求。CHIPS 和科學(xué)法案撥款 527 億美元用于資助 2021 年 CHIPS 美國法案授權(quán)的半導(dǎo)體激勵計(jì)劃。

在半導(dǎo)體行業(yè)，石墨使用的主要驅(qū)動力之一是生長在各種下游工藝中提煉的碳化硅單晶。晶體生長以可消耗的碳化硅粉末作為源材料開始。當(dāng)在晶體生長機(jī)反應(yīng)器內(nèi)暴露于超過 2,000°C 的溫度時，粉末會蒸發(fā)。在此過程中，氣相中形成的硅和碳分子在由碳化硅組成的非常優(yōu)質(zhì)的圓盤上緩慢結(jié)晶。

石墨以許多其他形式使用，使設(shè)備能夠承受高溫，例如爐襯、熱交換器、鑄造配件和電極。因此，該過程發(fā)生在被石墨隔熱材料包圍的石墨坩堝中。

根據(jù)應(yīng)用定制的爐子

在該行業(yè)中，石墨供應(yīng)商通常使用幾十年的爐子，并且可能準(zhǔn)備通過更換設(shè)備或建造新裝置來擴(kuò)大產(chǎn)能。即使在下一代熔爐選項(xiàng)中，制造商在設(shè)備設(shè)計(jì)中解決安全性、可靠性、配置和控制問題的方式也可能存在重大差異。

當(dāng)然，確保工業(yè)爐的安全、可靠運(yùn)行是當(dāng)務(wù)之急。必須通過智能設(shè)計(jì)解決方案避免因非常高的工作溫度和大質(zhì)量或爐內(nèi)裝料而導(dǎo)致的任何火災(zāi)風(fēng)險。因此，系統(tǒng)的硬件和軟件組件均經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)，并配備了冗余安全功能等因素。

德國 PVA TePla 高級產(chǎn)品經(jīng)理 Thomas Metzger 博士說：“一般情況下，將大約 4 公噸石墨材料裝入加熱到 2400 °C 的爐反應(yīng)器中，這是一個巨大的能量，因此安全至關(guān)重要. 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮過程或介質(zhì)的異常情況，以確保設(shè)備操作人員的安全。無論是冷卻水、處理過的氣體、壓縮空氣還是電力出現(xiàn)故障，系統(tǒng)都必須能夠恢復(fù)到安全狀態(tài)，以保護(hù)操作員、設(shè)備、有效載荷和環(huán)境。”

此外，大多數(shù)熔爐都是根據(jù)石墨供應(yīng)商的特定要求定制設(shè)計(jì)的，例如可用空間、裝載方法和有效載荷。

“當(dāng)一位客戶為設(shè)施創(chuàng)建一個新的 [熔爐] 車間時，他設(shè)計(jì)了一個用于底部裝載系統(tǒng)的坑，這有助于裝載裝料，而無需從底層的手推車上抬起。對于底部裝載爐，真空室的整個底部下降以放入爐料，然后在電動系統(tǒng)上將其提升到爐子中，”Metzger 說。

Metzger 指出，其他客戶更喜歡頂部裝載系統(tǒng)，可以使用橋式起重機(jī)裝載。“頂部會滑到側(cè)面 180 度打開。吊臂起重機(jī)或高架起重機(jī)將用于從頂部將裝料裝入熔爐，”他解釋道。

選擇使用的工藝氣體是一個重要的考慮因素，每個制造商在他們的工藝中使用略有不同的化學(xué)物質(zhì)或時間?！拔覀兺ǔＪ褂梅蚵鹊裙に嚉怏w。盡管這些物質(zhì)在高濃度下具有很強(qiáng)的腐蝕性和危險性，但我們必須靈活應(yīng)對工藝的特定要求，”Metzger 說。

工業(yè)爐的內(nèi)部配置是高溫凈化所獨(dú)有的。

“我們將所有工藝氣體保存在安全殼反應(yīng)堆內(nèi)，而在外部我們有惰性氣體，如氬氣或氮?dú)?。這種配置確保了產(chǎn)品的高純度，并避免了加熱元件、絕緣材料和其他容器組件的污染。反應(yīng)體積與加熱元件保持完全分離，”Metzger 說。

一般來說，直徑達(dá)兩米的熔爐可以容納不同幾何形狀的石墨加工零件，產(chǎn)生四公噸或更多的有效載荷。

Metzger 說：“通常情況下，機(jī)加工零件會被放入熔爐中進(jìn)行凈化，然后在加工完成后進(jìn)行包裝、密封和運(yùn)輸?！?

定制系統(tǒng)可以適應(yīng)某些工藝條件和安裝要求。

“一些客戶喜歡使用額外的專用泵來處理腐蝕性工藝氣體。其他人更喜歡先使用同一個泵來排空系統(tǒng)，然后再加熱，然后再進(jìn)行過程壓力調(diào)節(jié)，”Metzger 說。

他指出，設(shè)計(jì)靈活性可以擴(kuò)展到輔助設(shè)備和控制系統(tǒng)，以最好地解決環(huán)境問題。

“石墨供應(yīng)商通常選擇包括洗滌器系統(tǒng)來清潔廢氣。加工過程中使用的腐蝕性氣體大部分都在加工過程中消耗掉了，但加工廢氣必須符合排放保護(hù)的法律要求?！盡etzger 說。

他補(bǔ)充說，技術(shù)人員可以使用 PC 操作熔爐或使用遠(yuǎn)程連接進(jìn)行監(jiān)控。概覽屏幕顯示所有泵、閥門和關(guān)鍵部件的實(shí)時狀態(tài)，并帶有問題和所需維護(hù)的警報指示器。

“今天的熔爐系統(tǒng)基本上是具有充分集成的交鑰匙工程，”Metzger 說。

為了安全可靠地滿足全球?qū)珶捀呒兪粩嘣鲩L的需求，積極主動的石墨供應(yīng)商與經(jīng)驗(yàn)豐富的熔爐供應(yīng)商協(xié)商，根據(jù)當(dāng)前和未來的市場需求定制他們的系統(tǒng)，將在競爭中擁有持久的優(yōu)勢。