La creciente demanda de grafito purificado estimula la necesidad de alta

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

La demanda mundial 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.

Irónicamente, los hornos que producen grafito de alta pureza también requieren componentes fabricados a partir de grafito y materiales relacionados, como el carbono reforzado con fibra. La estructura atómica única del grafito le otorga la capacidad de soportar temperaturas extremas de hornos 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 forma cristalina; cuando se extrae de una mina, suele tener alrededor del 90% de contenido de carbono. Los hornos especializados de alta temperatura crean grafito sintético con aproximadamente un 99,5% de contenido de carbono. Si la aplicación requiere una mayor pureza, los equipos especializados pueden reducir las impurezas al rango de partes por millón”, dijo Thomas Palamides, Gerente Senior de Productos y Ventas - 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 en 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 implica temperaturas extremas y gases nocivos, estas herramientas industriales requieren controles de proceso y características de seguridad altamente especializados.

En diversas industrias, el carburo de silicio tiene muchos usos, en cuya producción el grafito es un componente esencial.

La dureza superficial superior del carburo de silicio facilita su uso en aplicaciones de ingeniería donde es necesario 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 de entre 1.600 °C y 2.500 °C.

Sin embargo, el uso del carburo de silicio como material semiconductor es uno de los campos con mayor potencial de crecimiento. La demanda de grafito está creciendo sustancialmente a medida que el carburo de silicio reemplaza al silicio como material semiconductor preferido en muchos productos electrónicos de la generación futura. En comparación con las obleas de silicio tradicionales, el carburo de silicio es superior para operaciones con voltajes más altos 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 Ley CHIPS y Ciencia asignó 52.700 millones de dólares para financiar programas de incentivos de semiconductores autorizados por la Ley CHIPS para Estados Unidos 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 diversos procesos posteriores. El crecimiento del cristal comienza con un polvo de carburo de silicio consumible como material fuente. El polvo se evapora cuando se expone a temperaturas superiores a 2.000 °C dentro de un reactor de máquina de crecimiento de cristales. En este proceso, las moléculas de silicio y carbono formadas en fase gaseosa cristalizan lentamente en un disco de muy alta calidad compuesto de carburo de silicio.

El grafito se utiliza 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 por un aislamiento térmico de grafito.

En la industria, los proveedores de grafito suelen operar hornos que tienen décadas de antigüedad y pueden estar listos para ampliar la capacidad reemplazando equipos o construyendo nuevas instalaciones. Incluso entre las opciones de hornos de próxima generación, puede haber diferencias sustanciales en la forma en que el fabricante aborda las cuestiones de seguridad, confiabilidad, configuración y control en el diseño del equipo.

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

El Dr. Thomas Metzger, gerente senior de productos de PVA TePla en Alemania, dijo: “Generalmente, se cargan alrededor de cuatro toneladas métricas de material de grafito en un reactor de horno calentado a 2400 °C, lo cual es una enorme cantidad de energía, por lo que la seguridad es esencial. . Se deben considerar condiciones anormales en el proceso o medio 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 regresar a un 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 horno] 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 desciende para colocar la carga y luego se eleva mediante un sistema eléctrico hacia el interior del horno”, dijo Metzger.

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

La selección de los gases de proceso utilizados es una consideración importante, y cada fabricante utiliza una química o un 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 con los requisitos específicos del proceso”, afirmó Metzger.

La configuración interna del horno industrial es exclusiva de la purificación a alta temperatura.

“Mantenemos todo el gas de proceso dentro del reactor de contención y afuera tenemos un gas inerte como argón o nitrógeno. 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 reactivo se mantiene completamente separado de los elementos calefactores”, afirma 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, se sellan y se envían una vez procesados ​​los artículos", dijo Metzger.

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

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

Señala que la flexibilidad del diseño puede extenderse a los equipos auxiliares y al sistema de control para abordar mejor las preocupaciones ambientales.

“Los proveedores de grafito generalmente optan por incluir un sistema depurador 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 los requisitos legales para la protección de emisiones”, afirmó Metzger.

Agregó que un técnico puede operar el horno con una PC o usar conexiones remotas para monitorear. 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 y cuentan con suficiente integración", afirma Metzger.

Para satisfacer la creciente demanda mundial de grafito refinado altamente purificado de forma segura y confiable, los proveedores de grafito proactivos que consulten 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