La demanda mundial de grafito está aumentando y se espera que continúe durante las próximas décadas debido al uso generalizado de grafito en varios productos, como las baterías. vehículos eléctricos Componentes críticos en automoción y sistemas de almacenamiento de energía, LED, dispositivos solares, semiconductores de alto rendimiento y hornos de alta temperatura.
Irónicamente, los hornos que producen grafito de alta pureza también requieren componentes fabricados con grafito y materiales relacionados, como el carbono reforzado con fibra (Figura 1). La estructura atómica única del grafito le permite resistir las temperaturas extremas de los hornos 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 hechos de grafito y materiales relacionados, como carbono reforzado con fibra
“El grafito natural se presenta en forma de cristales. Cuando se extrae de las minas, normalmente tiene un contenido de carbono de alrededor del 90 %. Se produce grafito artificial y, si su aplicación requiere una mayor pureza, podemos usar equipos especializados para reducir las impurezas al mínimo. rango de partes por millón “, dice Equipo de horno industrial personalizado para la industria del grafito. Dijo Thomas Palamides, gerente senior de productos y ventas para hornos industriales en PVA TePla America, un proveedor global de .
Figura 2: La estructura atómica única del grafito le permite resistir las temperaturas extremas de los hornos 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 creciente demanda de grafito sintético con un alto contenido de carbono y las iniciativas federales para restaurar la producción nacional de semiconductores están impulsando la necesidad de sistemas de hornos eléctricos de mayor capacidad para producir más carga útil 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: Un horno especial de alta temperatura produce grafito artificial con un contenido de carbono de alrededor del 99,5 %
Creciente demanda de carburo de silicio
Hay muchos usos para el carburo de silicio en varias industrias, y el grafito es un componente 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 grado de resistencia al deslizamiento, la erosión y la corrosión de los componentes. El proceso más simple para producir carburo de silicio es combinar 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. La CHIPS and Science Act ha asignado $52.7 mil millones para financiar programas de incentivos de semiconductores autorizados por la 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 refinados en varios procesos posteriores. El crecimiento de cristales comienza con polvo de carburo de silicio consumible como materia prima. El polvo se evapora cuando se expone a temperaturas superiores a 2000 °C en el reactor de cultivo de cristales. En este proceso, las moléculas de silicio y carbono formadas en la fase gaseosa se 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.
Horno personalizado para su aplicación
En la industria, los proveedores de grafito a menudo operan hornos con décadas de antigüedad y pueden estar listos para expandir la capacidad mediante el reemplazo de equipos o la construcción de nuevos equipos. Entre las opciones de hornos de próxima generación, puede haber diferencias considerables en la forma en que los fabricantes abordan los problemas de seguridad, confiabilidad, configuración y control en el diseño del equipo.
Por supuesto, la operación segura y protegida de los hornos industriales es nuestra máxima prioridad. Los riesgos de incendio debidos a temperaturas de funcionamiento muy altas y grandes masas o cargas en el horno deben evitarse mediante soluciones de diseño inteligentes. Por lo tanto, los componentes de hardware y software del sistema están bien diseñados y equipados con funciones de seguridad redundantes.
El Dr. Thomas Metzger, gerente sénior de productos, PVA TePla, Alemania, dijo: Las condiciones anormales en el proceso o los medios deben considerarse en el diseño del sistema para garantizar la seguridad del operador del equipo. En el caso de un corte de agua de refrigeración, gas de proceso, aire comprimido o energía, el sistema debe poder volver a un estado seguro y proteger a los operadores, el equipo, las cargas útiles 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 cargas útiles.
“Un cliente es un nuevo [furnace] Para el taller de la instalación, la diseñó con un foso para un sistema de carga inferior para facilitar 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 colocar la carga y luego se eleva al horno mediante un sistema eléctrico”, dice Metzger.
Metzger dice que algunos clientes prefieren un sistema de carga superior que se pueda cargar con una grúa aérea. “La parte superior se desliza y se abre 180 grados hacia un lado, y usamos grúas de brazo o grúas aéreas para cargar la carga en el horno desde la parte superior”, explica.
Elegir qué gas de proceso usar es una consideración importante, y cada fabricante usa 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 es exclusiva del refinado a alta temperatura.
“Almacenamos todos los gases de proceso en reactores de contención, con gases inertes como argón y nitrógeno en el exterior. Se evita la contaminación de otros componentes del recipiente. El volumen de reacción está completamente aislado del elemento calefactor”, dice Metzger.
Por lo general, los hornos de hasta 2 metros de diámetro pueden acomodar piezas de trabajo de grafito de diversas geometrías y producir cargas útiles de 4 toneladas o más.
“Por lo general, las piezas mecanizadas se colocan en un horno para refinarlas y luego se empaquetan, sellan y envían una vez que se ha procesado el artículo”, dice Metzger.
Personalice su sistema para cumplir con las condiciones específicas de su proceso y los requisitos de instalación.
“Algunos clientes quieren agregar una bomba dedicada para manejar gases de proceso corrosivos. A algunas personas les gusta usarla”, dice Metzger.
Señala que la flexibilidad del diseño se puede extender a equipos auxiliares y sistemas de control para abordar de manera óptima las preocupaciones ambientales.
“Los proveedores de grafito normalmente optan por incluir un sistema de depuración para limpiar los gases de escape y deben cumplir con los requisitos legales para la protección de emisiones”, dice Metzger.
Agrega que los técnicos pueden operar el horno con una PC o usar una conexión remota para monitorear. Una pantalla de descripción general proporciona el estado en tiempo real de todas las bombas, válvulas y componentes críticos junto con indicadores de alerta para problemas y mantenimiento requerido.
“Los sistemas de hornos actuales son esencialmente llave en mano y están bien integrados”, dice Metzger.
Consulte activamente con proveedores de hornos experimentados para personalizar los sistemas para satisfacer las demandas actuales y futuras del mercado a fin de satisfacer de manera segura y confiable la creciente demanda mundial de grafito refinado de alta pureza.Un buen proveedor de grafito tiene una ventaja duradera sobre la competencia.