La demanda global de grafito ha aumentado y se espera que continúe durante las próximas décadas debido al uso generalizado de grafito en varios productos, como baterías. vehículos eléctricos Componentes críticos en automóviles y sistemas de almacenamiento de energía, LED, dispositivos fotovoltaicos, semiconductores de alto rendimiento y hornos de alta temperatura.
Irónicamente, los hornos que producen grafito de alta pureza también requieren componentes fabricados con materiales relacionados, como el grafito y el carbono reforzado con fibra (Figura 1). La estructura atómica única del grafito le da la capacidad de soportar temperaturas extremas de horno en ambientes corrosivos, lo que lo convierte en una opción ideal como material de zona caliente crítica utilizado en hornos industriales (Figura 2).
Figura 1: Los hornos que producen grafito de alta pureza también requieren componentes fabricados con materiales relacionados, como el grafito y el carbono reforzado con fibra
“El grafito natural es cristalino. Cuando se extrae de las minas, normalmente contiene alrededor del 90 % de carbono. Los hornos especializados de alta temperatura (Figura 3) producen grafito artificial con un contenido de carbono de aproximadamente el 99,5 %. Si su aplicación requiere una mayor pureza, el equipo especializado puede reducir las impurezas al rango de partes por millón”, dice PVA TePla America, un proveedor global de equipos de hornos industriales personalizados para la industria del grafito. .
Figura 2: La estructura atómica única del grafito le da la capacidad de soportar temperaturas extremas de horno en ambientes corrosivos, lo que lo convierte en una opción ideal como material de zona caliente crítica utilizado en hornos industriales.
Para los proveedores de grafito, la mayor demanda de grafito artificial con alto contenido de carbono y los esfuerzos federales para reactivar la producción nacional de semiconductores están impulsando la necesidad de sistemas de hornos eléctricos de mayor capacidad que puedan producir cargas más grandes en menos tiempo. Debido a que el proceso de refinación de materiales involucra temperaturas extremas y gases tóxicos, estas herramientas industriales requieren características de seguridad y control de procesos altamente especializados.
Figura 3: Se produce grafito artificial con un contenido de carbono de alrededor del 99,5 % en un horno especial de alta temperatura
Creciente demanda de carburo de silicio
El carburo de silicio tiene muchos usos en diversas industrias y el grafito es un ingrediente esencial en su producción.
La excelente dureza de la superficie del carburo de silicio facilita su uso en aplicaciones de ingeniería donde se requiere un alto deslizamiento, erosión y resistencia al desgaste corrosivo de las piezas. El proceso más simple para producir carburo de silicio es mezclar arena de sílice y carbón en un horno de resistencia eléctrica de grafito a temperaturas entre 1600 °C y 2500 °C.
Sin embargo, el uso del carburo de silicio como material semiconductor es una de las áreas con mayor potencial de crecimiento. La demanda de grafito ha aumentado significativamente a medida que el carburo de silicio reemplaza al silicio como el material semiconductor de elección en muchos productos electrónicos de próxima generación. En comparación con las obleas de silicio tradicionales, el carburo de silicio se destaca en la operación de alto voltaje, ofreciendo un rango de temperatura significativamente más amplio y frecuencias de conmutación más altas.
La legislación federal para impulsar la fabricación nacional de semiconductores y fortalecer las cadenas de suministro también aumentará la demanda de carburo de silicio y grafito. CHIPS and Science Act ha asignado $ 52.7 mil millones para financiar programas de incentivos de semiconductores autorizados por CHIPS for America Act de 2021.
En la industria de los semiconductores, uno de los principales impulsores del uso del grafito es el crecimiento de monocristales de carburo de silicio, que se refinan en varios procesos posteriores. El crecimiento del cristal comienza con un polvo de carburo de silicio consumible como materia prima. Los polvos se evaporan cuando se exponen a temperaturas superiores a 2000 °C en el reactor de un cultivador de cristales. En este proceso, las moléculas de silicio y carbono formadas en la fase gaseosa cristalizan lentamente en discos de muy alta calidad compuestos de carburo de silicio.
El grafito se usa en muchas otras formas para ayudar a los equipos a soportar altas temperaturas, como revestimientos de hornos, intercambiadores de calor, accesorios de fundición y electrodos. Como tal, el proceso tiene lugar en un crisol de grafito rodeado de aislamiento de grafito.
Hornos personalizados para su aplicación
En la industria, los proveedores de grafito a menudo utilizan hornos con décadas de antigüedad y podrían expandir potencialmente su capacidad de producción reemplazando equipos o construyendo nuevas instalaciones. Entre las opciones de reactores de próxima generación, puede haber diferencias significativas en la forma en que los fabricantes abordan los problemas de seguridad, confiabilidad, configuración y control en el diseño de equipos.
Por supuesto, la operación segura y protegida de los hornos industriales es nuestra máxima prioridad. Los peligros de incendio causados por temperaturas de funcionamiento muy altas y grandes masas o cargas en el horno deben evitarse mediante soluciones de diseño inteligente. Por lo tanto, tanto los componentes de hardware como de software del sistema están bien diseñados y equipados con funciones de seguridad redundantes, entre otros elementos.
El Dr. Thomas Metzger, gerente sénior de productos, PVA TePla, Alemania, dijo: “Normalmente, alrededor de 4 toneladas de material de grafito se colocan en un reactor calentado a 2400 °C, que consume una enorme cantidad de energía, por lo que la seguridad es esencial. Para garantizar la seguridad de los operadores del equipo, el diseño del sistema debe tener en cuenta las condiciones anormales en el proceso o los medios. En caso de falla del agua de enfriamiento, los gases del proceso, el aire comprimido o la energía, el sistema debe poder volver a un estado seguro para proteger a los operadores, el equipo, la carga útil y el medio ambiente”.
Además, la mayoría de los hornos están diseñados a la medida para cumplir con los requisitos específicos de los proveedores de grafito, como el espacio disponible, los métodos de carga y las capacidades de carga.
“Cuando un cliente hace una nueva [furnace] Como taller de instalaciones diseñó este sistema con un foso para un sistema de carga inferior. Esto facilita la carga de la carga sin levantarla del carro de la planta baja. En un horno de carga inferior, todo el fondo de la cámara de vacío se baja para acomodar la carga y luego un sistema eléctrico sube la carga al horno”, dice Metzger.
Metzger señala que otros clientes prefieren un sistema de carga superior que les permita cargar la carga con una grúa aérea. “La parte superior se desliza 180 grados hacia los lados. Se utilizan grúas de pluma o puentes grúa para cargar el horno desde la parte superior”, explica.
La elección del gas de proceso utilizado es una consideración importante, y cada fabricante utiliza químicas o tiempos ligeramente diferentes para sus procesos. “Normalmente usamos gases de proceso como el flúor y el cloro. Estos son altamente corrosivos y peligrosos en altas concentraciones, pero debemos ser flexibles a los requisitos específicos de nuestro proceso”, dice Metzger.
La estructura interna del horno industrial está especializada para la refinación a alta temperatura.
“Mantenemos todos los gases de proceso dentro del recipiente de contención, con un gas inerte como argón o nitrógeno en el exterior. Esta configuración garantiza una alta pureza del producto y evita la contaminación de los elementos calefactores, el aislamiento y otros componentes del recipiente. El volumen de reacción permanece completamente aislado de los elementos calefactores”, dice Metzger.
Por lo general, los hornos de hasta 2 metros de diámetro pueden acomodar piezas mecanizadas con grafito de varias geometrías, con cargas útiles de 4 toneladas o más.
“Por lo general, las piezas mecanizadas se colocan en un horno para refinarlas, luego se empaquetan, sellan y envían después del procesamiento”, dice Metzger.
Personalice su sistema para cumplir con las condiciones específicas de su proceso y los requisitos de instalación.
“Algunos clientes quieren bombas dedicadas adicionales para manejar gases de proceso corrosivos. Algunos prefieren usar las mismas bombas para bombear el sistema primero antes de calentar y luego usarlo para regular la presión del proceso”, dice Metzger.
Señala que la flexibilidad del diseño se puede extender a equipos auxiliares y sistemas de control para abordar mejor las preocupaciones ambientales.
“Los proveedores de grafito suelen optar por incorporar sistemas de depuración para limpiar los gases de escape. La mayoría de los gases corrosivos utilizados durante el procesamiento se consumen en el proceso, pero los gases de escape del proceso deben cumplir con los requisitos legales para la protección de emisiones”, dice Metzger.
Agregó que los técnicos pueden operar el horno desde una PC o monitorearlo usando una conexión remota. Una pantalla de descripción general muestra el estado en tiempo real de todas las bombas, válvulas y componentes críticos, con indicadores de alerta para problemas y mantenimiento requerido.
“Los sistemas de hornos actuales son básicamente llave en mano con una buena integración”, dice Metzger.
Para satisfacer de manera segura y confiable la creciente demanda mundial de grafito refinado de alta pureza, los proveedores de grafito proactivos que consultan con proveedores de hornos experimentados para personalizar sus sistemas según las demandas actuales y futuras del mercado obtendrán una ventaja duradera sobre la competencia.