生产高纯度石墨的熔炉也需要由石墨和相关材料(如纤维增强碳)制造的部件。
电动汽车、电池储能系统和下一代半导体等成长型行业需要更高纯度的石墨。
由于石墨广泛应用于电动汽车电池、储能系统、led、太阳能设备、高性能半导体和高温炉关键部件等一系列产品，全球对石墨的需求正在激增，预计将持续数十年。
具有讽刺意味的是，生产高纯度石墨的熔炉也需要由石墨和相关材料(如纤维增强碳)制造的部件。石墨独特的原子结构使其能够在腐蚀性环境中承受极端的炉温，使其成为工业炉中使用的热区关键材料的理想选择。
“在自然界中发现的石墨在形式上是结晶的;当从矿井中提取时，碳含量通常在90%左右。专门的高温炉制造出碳含量约为99.5%的合成石墨。如果应用需要更高的纯度，专业设备可以将杂质减少到百万分之一的范围，”PVA TePla美国高级产品和销售经理Thomas Palamides说，PVA TePla美国是石墨行业定制工业炉设备的全球供应商。
对于石墨供应商来说，对高碳含量合成石墨的需求不断增长，以及联邦政府恢复美国国内半导体生产的举措，都推动了对增加容量的电炉系统的需求，这些系统可以在更短的时间内产生更大的有效载荷。由于材料净化过程涉及极端温度和有毒气体，这些工业工具需要高度专业化的过程控制和安全功能。
石墨独特的原子结构使其能够在腐蚀性环境中承受极端的炉温，使其成为工业炉中使用的热区关键材料的理想选择。
碳化硅需求上升
在各种工业中，碳化硅有许多用途，石墨是生产碳化硅的重要组成部分。
碳化硅优异的表面硬度有助于其在工程应用中使用，在这些应用中，部件需要高度的滑动、侵蚀和腐蚀性磨损。制造碳化硅最直接的方法是将硅砂和碳在石墨电阻炉中结合，温度在1600到2500摄氏度之间。
然而，碳化硅作为半导体材料的用途是增长潜力最大的领域之一。随着碳化硅取代硅成为许多下一代电子产品中半导体材料的选择，对石墨的需求正在大幅增长。与传统的硅晶圆相比，碳化硅在更高电压工作方面具有优势，并提供更宽的温度范围和更高的开关频率。
刺激国内半导体制造和加强供应链的联邦立法也将增加对碳化硅和石墨的需求。《芯片与科学法案》拨款527亿美元，用于资助《2021年美国芯片法案》授权的半导体激励计划。
在半导体行业，石墨使用的主要驱动因素之一是在各种下游工艺中精炼的碳化硅单晶的增长。晶体生长以可消耗的碳化硅粉末为源材料开始。当暴露在晶体生长机器反应器内超过2000°C的温度下时，粉末会蒸发。在此过程中，在气相形成的硅和碳分子在由碳化硅组成的高质量圆盘上缓慢结晶。
石墨以许多其他形式使用，使设备能够承受高温，如炉衬，热交换器，铸造配件和电极。因此，该过程发生在石墨坩埚周围的石墨绝热材料。
炉定制的应用程序
在行业中，石墨供应商通常使用已有数十年历史的炉，可能准备通过更换设备或建造新设备来扩大产能。即使在新一代的熔炉选择中，制造商在如何解决设备设计中的安全性、可靠性、配置和控制问题上也存在很大差异。
当然，确保工业炉的安全运行是当务之急。必须通过智能设计解决方案来避免由极高的工作温度和炉内大量质量或炉料引起的任何火灾风险。因此，除其他因素外，系统的硬件和软件组件都经过适当设计，并配备了冗余的安全功能。
德国PVA TePla高级产品经理Thomas Metzger博士说:“通常，大约4吨石墨材料被装入加热到2400°C的炉式反应堆中，这是巨大的能量，因此安全是至关重要的。在系统设计中必须考虑工艺或介质中的异常情况，以确保设备操作人员的安全。无论是冷却水、处理气体、压缩空气还是电力故障，系统都必须能够恢复到安全状态，以保护操作人员、设备、有效载荷和环境。”
此外，大多数炉是根据石墨供应商的具体要求定制设计的，如可用空间、装载方法和有效载荷。
“当一个客户为一个设施创建了一个新的[炉]车间时，他设计了一个底部装载系统的坑，这样可以方便地装载炉料，而无需从地面的手推车上抬起。对于底部负荷炉来说，真空室的整个底部下降以放置炉料，然后通过电力系统将炉料提升到炉膛中。”
Metzger指出，其他客户更喜欢顶部装载系统，可以使用桥式起重机装载。“顶部会滑动到侧面180度打开。他解释说:“将使用吊车或桥式起重机从顶部将炉料装入炉中。”
选择使用的工艺气体是一个重要的考虑因素，每个制造商在其工艺中使用的化学物质或时间略有不同。“我们通常使用氟或氯等工艺气体。尽管这些材料在高浓度时具有很强的腐蚀性和危险性，但我们必须灵活应对工艺的具体要求。”
工业炉的内部配置是高温净化所独有的。
“我们把所有的过程气体都保存在安全壳反应堆内，在外面我们有惰性气体，比如氩气或氮气。这种配置确保了产品的高纯度，并避免了加热元件，绝缘和其他容器部件的污染。反应体与加热元件完全分离，”Metzger说。
一般来说，直径达两米的熔炉可以容纳不同几何形状的石墨加工零件，产生4吨或更多的有效载荷。
梅茨格说:“通常情况下，加工零件被放置在熔炉中进行净化，然后在物品处理后包装、密封和运输。”
定制系统允许适应某些工艺条件和安装要求。
“有些客户喜欢额外的专用泵来处理腐蚀性工艺气体。其他人更喜欢在加热之前先使用相同的泵来排出系统，然后再进行过程压力调节，”Metzger说。
他指出，设计灵活性可以扩展到辅助设备和控制系统，以最好地解决环境问题。
专门的高温炉制造出碳含量约为99.5%的合成石墨。
石墨供应商通常会选择包括一个洗涤系统来清洁废气。加工过程中使用的腐蚀性气体大部分是在加工过程中消耗的，但工艺废气必须符合排放保护的法律要求。梅茨格说。
他补充说，技术人员可以用个人电脑操作熔炉，或者使用远程连接进行监控。概览屏幕显示所有泵，阀门和关键部件的实时状态，并带有问题和所需维护的警报指示器。
Metzger说:“今天的熔炉系统基本上是交钥匙式的，具有足够的集成。
为了满足全球对安全可靠的精炼高纯度石墨不断增长的需求，积极主动的石墨供应商与经验丰富的炉供应商协商，根据当前和未来的市场需求定制他们的系统，将在竞争中具有持久的优势。
PVA TePla America
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