La creciente demanda de grafito purificado estimula la necesidad de alta

La estructura atómica del grafito puede soportar temperaturas de horno extremas en un ambiente corrosivo.

La demanda global de grafito está aumentando y se espera que continúe durante décadas, impulsada por el amplio uso de grafito para una gama de productos como baterías para vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía, LED, equipos solares, semiconductores de alto rendimiento y componentes críticos en hornos de alta temperatura.

En un giro irónico, los hornos que producen grafito de alta pureza también requieren componentes fabricados con grafito y materiales relacionados, como el carbono reforzado con fibra. La estructura atómica única del grafito le da la capacidad de soportar temperaturas extremas de horno en un ambiente corrosivo, lo que lo convierte en una opción ideal como material crítico en zonas calientes utilizadas en hornos industriales.

"El grafito que se encuentra en la naturaleza tiene una forma cristalina; cuando se extrae de una mina, por lo general tiene un contenido de carbono de aproximadamente el 90 %. Los hornos especializados de alta temperatura crean grafito sintético con un contenido de carbono de aproximadamente el 99,5 %. Si la aplicación requiere una mayor pureza, el equipo especializado puede reducir las impurezas al rango de partes por millón", dijo Thomas Palamides, gerente senior de ventas y productos - Hornos industriales en PVA TePla America, un proveedor global de equipos de hornos industriales personalizados para la industria del grafito.

Para los proveedores de grafito, la creciente demanda de grafito sintético con alto contenido de carbono y las iniciativas del gobierno federal para restaurar la producción nacional de semiconductores de EE. UU. están impulsando la necesidad de sistemas de hornos eléctricos de mayor capacidad que produzcan una mayor carga útil en menos tiempo. Debido a que el proceso de purificación de materiales involucra temperaturas extremas y gases nocivos, estas herramientas industriales requieren controles de proceso y características de seguridad altamente especializados.

En varias industrias, hay muchos usos para el carburo de silicio, en cuya producción el grafito es un componente esencial.

La dureza superior de la superficie del carburo de silicio facilita su uso en aplicaciones de ingeniería donde se necesita un alto grado de resistencia al desgaste por deslizamiento, erosión y corrosión para los componentes. El proceso más sencillo para fabricar carburo de silicio es combinar arena de sílice y carbono en un horno de resistencia eléctrica de grafito a una temperatura 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 está creciendo sustancialmente a medida que el carburo de silicio reemplaza al silicio como el material semiconductor de elección en muchos productos electrónicos de futuras generaciones. En comparación con las obleas de silicio tradicionales, el carburo de silicio es superior para la operación de voltaje más alto y proporciona rangos de temperatura significativamente más amplios y mayores frecuencias de conmutación.

La legislación federal para estimular la fabricación nacional de semiconductores y fortalecer la cadena de suministro también aumentará la demanda de carburo de silicio y grafito. La CHIPS and Science Act asignó $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 del cristal comienza con un polvo de carburo de silicio consumible como material de origen. El polvo se evapora cuando se expone a temperaturas superiores a 2000 °C dentro de un reactor de máquina de crecimiento de cristales. En el proceso, las moléculas de silicio y carbono formadas en la fase gaseosa cristalizan lentamente en un disco de muy alta calidad compuesto de carburo de silicio.

El grafito se usa en muchas otras formas para permitir que los equipos resistan altas temperaturas, como revestimientos de hornos, intercambiadores de calor, accesorios de fundición y electrodos. Como tal, el proceso ocurre en un crisol de grafito rodeado de aislamiento térmico de grafito.

En la industria, los proveedores de grafito a menudo operan hornos que tienen décadas de antigüedad y pueden estar listos para ampliar la capacidad mediante el reemplazo de equipos o la construcción de nuevas instalaciones. Incluso entre las opciones de hornos de próxima generación, puede haber diferencias sustanciales en la forma en que el fabricante aborda los problemas de seguridad, confiabilidad, configuración y control en el diseño del equipo.

Por supuesto, garantizar el funcionamiento seguro y protegido de los hornos industriales es una prioridad. Cualquier riesgo de incendio resultante de las temperaturas de funcionamiento muy altas y las grandes masas, o carga dentro del horno, debe evitarse mediante soluciones de diseño inteligente. Por lo tanto, tanto los componentes de hardware como de software del sistema están debidamente diseñados y equipados con funciones de seguridad redundantes, entre otros factores.

El Dr. Thomas Metzger, gerente sénior de productos de PVA TePla en Alemania, dijo: "Por lo general, alrededor de cuatro toneladas métricas de material de grafito se cargan en un reactor de horno calentado a 2400 °C, que es una gran cantidad de energía, por lo que la seguridad es esencial". Las condiciones anormales en el proceso o los medios deben considerarse en el diseño del sistema para garantizar la seguridad de los operadores del equipo. Ya sea que haya una falla en el agua de refrigeración, el gas procesado, el aire comprimido o la energía eléctrica, el sistema debe ser capaz de volver a un estado normal. estado seguro para proteger a los operadores, el equipo, la carga útil y el medio ambiente".

Además, la mayoría de los hornos se diseñan a medida según los requisitos específicos de los proveedores de grafito, como el espacio disponible, el método de carga y la carga útil.

"Cuando un cliente creó un nuevo taller [de hornos] para una instalación, lo diseñó con un foso para un sistema de carga inferior, lo que facilita cargar la carga sin levantarla de un carro en la planta baja. Con los hornos de carga inferior, todo el fondo de la cámara de vacío cae para colocar la carga, y luego se eleva en un sistema eléctrico hacia el horno", dijo Metzger.

Metzger señala que otros clientes prefieren los sistemas de carga superior, que se pueden cargar con una grúa puente. "La parte superior se deslizaría hacia un lado 180 grados para abrirse. Se usaría una grúa de pluma o una grúa aérea para cargar la carga en el horno desde la parte superior", explicó.

La selección de los gases de proceso usados ​​es una consideración importante, y cada fabricante usa una química o tiempo ligeramente diferente para su proceso. "Normalmente utilizamos gases de proceso como flúor o cloro. Aunque estos son altamente corrosivos y peligrosos en altas concentraciones, tenemos que ser flexibles a los requisitos específicos del proceso", dijo Metzger.

La configuración interna del horno industrial es única para la purificación a alta temperatura.

"Mantenemos todo el gas de proceso dentro del reactor de contención y afuera tenemos un gas inerte como el argón o el nitrógeno. Esta configuración asegura una alta pureza del producto y evita la contaminación de los elementos calefactores, el aislamiento y otros componentes del recipiente. El volumen reactivo se mantiene completamente separados de los elementos calefactores", dijo Metzger.

Generalmente, los hornos con diámetros de hasta dos metros pueden acomodar piezas mecanizadas con grafito de diferentes geometrías, produciendo cargas útiles de cuatro toneladas métricas o más.

"Por lo general, las piezas mecanizadas se colocan en los hornos para su purificación y luego se empaquetan, sellan y envían después de procesar los artículos", dijo Metzger.

La personalización del sistema permite adaptarse a ciertas condiciones de proceso y requisitos de instalación.

"A algunos clientes les gusta tener una bomba dedicada adicional para manejar gases de proceso corrosivos. Otros prefieren usar la misma bomba primero para evacuar el sistema, antes de calentar y luego para regular la presión del proceso", dijo Metzger.

Señala que la flexibilidad del diseño puede extenderse al equipo auxiliar y al sistema de control para abordar mejor las preocupaciones ambientales.

"Los proveedores de grafito generalmente optan por incluir un sistema de depuración para limpiar los gases de escape. Los gases corrosivos utilizados durante el procesamiento se consumen, en su mayor parte, en el proceso, pero los gases de escape del proceso deben cumplir con los requisitos legales para la protección de emisiones", dijo Metzger.

Agregó que un técnico puede operar el horno con una PC o usar conexiones remotas para monitorear. Una pantalla de resumen 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 de hoy son esencialmente llave en mano con suficiente integración", dijo Metzger.

Para satisfacer la creciente demanda mundial de grafito refinado altamente purificado de manera segura y confiable, los proveedores de grafito proactivos que consultan con proveedores de hornos experimentados para personalizar sus sistemas según la demanda actual y futura del mercado tendrán una ventaja duradera sobre la competencia.

pvateplaamerica.com