对纯化石墨的需求飙升刺激了对大容量熔炉的需求

[导读]全球对石墨的需求正在飙升，预计将持续数十年，这是由于石墨广泛用于一系列产品，例如电动汽车和储能系统的电池、LED、太阳能设备、高性能半导体和关键部件在高温炉中。具有讽刺意味的是，生产高纯度石墨的熔炉还需要由石墨和纤维增强碳等相关材料制成的部件。石墨独特的原子结构使其能够承受腐蚀性环境中的极端炉温，使其成为工业炉中热区关键材料的理想选择。

全球对石墨的需求正在飙升，预计将持续数十年，这是由于石墨广泛用于一系列产品，例如电动汽车和储能系统的电池、LED、太阳能设备、高性能半导体和关键部件在高温炉中。

具有讽刺意味的是，生产高纯度石墨的熔炉还需要由石墨和纤维增强碳等相关材料制成的部件。石墨独特的原子结构使其能够承受腐蚀性环境中的极端炉温，使其成为工业炉中热区关键材料的理想选择。

“自然界中发现的石墨呈结晶状;当从矿山中提取时，它通常含有约 90% 的碳含量。专用高温炉可生成碳含量约为 99.5% 的合成石墨。如果应用需要更高的纯度，专用设备可以将杂质降低到百万分之几的范围，”PVA TePla America 工业炉高级产品和销售经理 Thomas Palamides 说，PVA TePla America 是石墨行业定制工业炉设备的全球供应商.石墨独特的原子结构使其能够承受腐蚀性环境中的极端炉温，使其成为工业炉中热区关键材料的理想选择

对于石墨供应商而言，对高碳合成石墨的需求不断增长，以及联邦政府恢复美国国内半导体生产的举措，都推动了对容量更大的电炉系统的需求，这些电炉系统能够在更短的时间内产生更大的有效载荷。由于材料纯化过程涉及极端温度和有毒气体，因此这些工业工具需要高度专业化的过程控制和安全功能。

碳化硅需求上升

在各个行业中，碳化硅有许多用途，其中石墨是生产中必不可少的成分。

碳化硅优异的表面硬度有助于其在工程应用中的使用，在这些应用中，组件需要高度的滑动、耐侵蚀和耐腐蚀磨损性能。制造碳化硅最直接的过程是在 1,600 °C 至 2,500 °C 的温度下在石墨电阻炉中结合硅砂和碳。

然而，碳化硅作为半导体材料的使用是增长潜力最大的领域之一。随着碳化硅取代硅成为许多下一代电子产品的首选半导体材料，对石墨的需求正在大幅增长。与传统的硅晶圆相比，碳化硅更适合更高电压运行，并提供更宽的温度范围和更高的开关频率。

刺激国内半导体制造和加强供应链的联邦立法也将增加对碳化硅和石墨的需求。CHIPS 和科学法案拨款 527 亿美元用于资助 2021 年 CHIPS 美国法案授权的半导体激励计划。

在半导体行业，石墨使用的主要驱动力之一是生长在各种下游工艺中提炼的碳化硅单晶。晶体生长以可消耗的碳化硅粉末作为源材料开始。当在晶体生长机反应器内暴露于超过 2,000°C 的温度时，粉末会蒸发。在此过程中，气相中形成的硅和碳分子在由碳化硅组成的非常优质的圆盘上缓慢结晶。

石墨以许多其他形式使用，使设备能够承受高温，例如炉衬、热交换器、铸造配件和电极。因此，该过程发生在被石墨隔热材料包围的石墨坩埚中。

根据应用定制的炉子

在该行业中，石墨供应商通常使用几十年的炉子，并且可能准备通过更换设备或建造新装置来扩大产能。即使在下一代熔炉选项中，制造商在设备设计中解决安全性、可靠性、配置和控制问题的方式也可能存在重大差异。

当然，确保工业炉的安全、可靠运行是当务之急。必须通过智能设计解决方案避免因非常高的工作温度和大质量或炉内装料而导致的任何火灾风险。因此，系统的硬件和软件组件均经过适当设计，并配备了冗余安全功能等因素。

德国 PVA TePla 高级产品经理 Thomas Metzger 博士说：“一般情况下，将大约 4 公吨石墨材料装入加热到 2400 °C 的炉反应器中，这是一个巨大的能量，因此安全至关重要. 在系统设计中必须考虑过程或介质的异常情况，以确保设备操作人员的安全。无论是冷却水、处理过的气体、压缩空气还是电力出现故障，系统都必须能够恢复到安全状态，以保护操作员、设备、有效载荷和环境。”

此外，大多数熔炉都是根据石墨供应商的特定要求定制设计的，例如可用空间、装载方法和有效载荷。

“当一位客户为设施创建一个新的 [熔炉] 车间时，他设计了一个用于底部装载系统的坑，这有助于装载装料，而无需从底层的手推车上抬起。对于底部装载炉，真空室的整个底部下降以放入炉料，然后在电动系统上将其提升到炉子中，”Metzger 说。

Metzger 指出，其他客户更喜欢顶部装载系统，可以使用桥式起重机装载。“顶部会滑到侧面 180 度打开。吊臂起重机或高架起重机将用于从顶部将装料装入熔炉，”他解释道。

选择使用的工艺气体是一个重要的考虑因素，每个制造商在他们的工艺中使用略有不同的化学物质或时间。“我们通常使用氟或氯等工艺气体。尽管这些物质在高浓度下具有很强的腐蚀性和危险性，但我们必须灵活应对工艺的特定要求，”Metzger 说。

工业炉的内部配置是高温净化所独有的。

“我们将所有工艺气体保存在安全壳反应堆内，而在外部我们有惰性气体，如氩气或氮气。这种配置确保了产品的高纯度，并避免了加热元件、绝缘材料和其他容器组件的污染。反应体积与加热元件保持完全分离，”Metzger 说。

一般来说，直径达两米的熔炉可以容纳不同几何形状的石墨加工零件，产生四公吨或更多的有效载荷。

Metzger 说：“通常情况下，机加工零件会被放入熔炉中进行净化，然后在加工完成后进行包装、密封和运输。”

定制系统可以适应某些工艺条件和安装要求。

“一些客户喜欢使用额外的专用泵来处理腐蚀性工艺气体。其他人更喜欢先使用同一个泵来排空系统，然后再加热，然后再进行过程压力调节，”Metzger 说。

他指出，设计灵活性可以扩展到辅助设备和控制系统，以最好地解决环境问题。

“石墨供应商通常选择包括洗涤器系统来清洁废气。加工过程中使用的腐蚀性气体大部分都在加工过程中消耗掉了，但加工废气必须符合排放保护的法律要求。”Metzger 说。