全球對石墨的需求正在飆升，預計將持續(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、太陽能設備、高性能半導體和關鍵部件在高溫爐中。

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碳等相關材料制成的部件。石墨獨特的原子結構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)關鍵材料的理想選擇。

“自然界中發(fā)現(xiàn)的石墨呈結晶狀;當從礦山中提取時，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。如果應用需要更高的純度，專用設備可以將雜質(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)爐設備的全球供應商.石墨獨特的原子結構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)關鍵材料的理想選擇

對于石墨供應商而言，對高碳合成石墨的需求不斷增長，以及聯(lián)邦政府恢復美國國內(nèi)半導體生產(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用中的使用，在這些應用中，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合硅砂和碳。

然而，碳化硅作為半導體材料的使用是增長潛力最大的領域之一。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行，并提供更寬的溫度范圍和更高的開關頻率。

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

在半導體行業(yè)，石墨使用的主要驅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。當在晶體生長機反應器內(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)的圓盤上緩慢結晶。

石墨以許多其他形式使用，使設備能夠承受高溫，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)應用定制的爐子

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

當然，確保工業(yè)爐的安全、可靠運行是當務之急。必須通過智能設計解決方案避免因非常高的工作溫度和大質(zhì)量或爐內(nèi)裝料而導致的任何火災風險。因此，系統(tǒng)的硬件和軟件組件均經(jīng)過適當設計，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 的爐反應器中，這是一個巨大的能量，因此安全至關重要. 在系統(tǒng)設計中必須考慮過程或介質(zhì)的異常情況，以確保設備操作人員的安全。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)都必須能夠恢復到安全狀態(tài)，以保護操作員、設備、有效載荷和環(huán)境?！?

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

“當一位客戶為設施創(chuàng)建一個新的 [熔爐] 車間時，他設計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裝載?！绊敳繒絺让?180 度打開。吊臂起重機或高架起重機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物質(zhì)或時間。“我們通常使用氟或氯等工藝氣體。盡管這些物質(zhì)在高濃度下具有很強的腐蝕性和危險性，但我們必須靈活應對工藝的特定要求，”Metzger 說。

工業(yè)爐的內(nèi)部配置是高溫凈化所獨有的。

“我們將所有工藝氣體保存在安全殼反應堆內(nèi)，而在外部我們有惰性氣體，如氬氣或氮氣。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。反應體積與加熱元件保持完全分離，”Metzger 說。

一般來說，直徑達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，機加工零件會被放入熔爐中進行凈化，然后在加工完成后進行包裝、密封和運輸?！?

定制系統(tǒng)可以適應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，然后再進行過程壓力調(diào)節(jié)，”Metzger 說。

他指出，設計靈活性可以擴展到輔助設備和控制系統(tǒng)，以最好地解決環(huán)境問題。

“石墨供應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的法律要求。”Metzger 說。

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

“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對精煉高純石墨不斷增長的需求，積極主動的石墨供應商與經(jīng)驗豐富的熔爐供應商協(xié)商，根據(jù)當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。